創(chuàng)新者：孔 明 賀楚紅 郭天太 王英軍

一種貨車側(cè)面防護(hù)裝置檢測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)

創(chuàng)新者：孔 明 賀楚紅 郭天太 王英軍

本文設(shè)計(jì)了一種可對(duì)貨車側(cè)面防護(hù)裝置變形情況進(jìn)行檢測(cè)的設(shè)備。該設(shè)備采用可便攜式移動(dòng)的推車機(jī)構(gòu)，其加載機(jī)構(gòu)是電機(jī)絲杠驅(qū)動(dòng)，相比于液壓驅(qū)動(dòng)，具有電源易獲取、能耗低、工作時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。為了驗(yàn)證該方案的可行性，利用ANSYS有限元仿真軟件，建立了設(shè)備對(duì)防護(hù)裝置靜力加載的有限元模型，并根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)防護(hù)裝置的變形情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和分析。結(jié)果表明，其變形量符合國(guó)標(biāo)要求，此設(shè)備方案具有可行性，為后期開發(fā)提供了可靠的理論依據(jù)。

我國(guó)參照ECE R58的相關(guān)內(nèi)容，針對(duì)汽車和貨車側(cè)面防護(hù)裝置的強(qiáng)度等問題，制定了GB11567.1-2001標(biāo)準(zhǔn)。并規(guī)定N2、N3、O3、和O4類車輛，必須安裝有效側(cè)面防護(hù)，目的是避免毫無防御行人跌于車側(cè)造成傷亡。為盡量減少傷亡，對(duì)行人起到保護(hù)作用，需要檢測(cè)側(cè)面防護(hù)的強(qiáng)度。文獻(xiàn)【1】中提供了一種適合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)貨車側(cè)面防護(hù)裝置強(qiáng)度的檢測(cè)設(shè)備，該設(shè)備為液壓驅(qū)動(dòng)，保證了檢測(cè)過程的平穩(wěn)性；文獻(xiàn)【2】中提供了一種基于虛擬儀器的硬度檢測(cè)設(shè)備，該設(shè)備基于仿真分析，實(shí)現(xiàn)了硬度檢測(cè)的快捷性。

針對(duì)貨車側(cè)面防護(hù)裝置的強(qiáng)度問題，以及GB11567.1-2001標(biāo)準(zhǔn)的要求，本文設(shè)計(jì)了一種便攜式的、可升降的、便于控制的可檢測(cè)變形的設(shè)備的技術(shù)方案，該方案采用電機(jī)絲杠驅(qū)動(dòng)原理，實(shí)現(xiàn)貨車側(cè)面防護(hù)裝置的強(qiáng)度檢測(cè)。并利用ANSYS軟件對(duì)該設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)證，依據(jù)防護(hù)裝置的變形情況，驗(yàn)證了該方案的可行性。而且相比文獻(xiàn)中的檢測(cè)設(shè)備，其安全性、便捷性都有明顯提高。

檢測(cè)設(shè)備的整體設(shè)計(jì)方案

目前對(duì)貨車側(cè)面防護(hù)裝置強(qiáng)度的檢測(cè)，除了傳統(tǒng)的人工腳踹檢測(cè)方法之外，還有一些固定式的檢測(cè)設(shè)備，但這些方法存在精度低、便捷性低的問題。防護(hù)裝置的強(qiáng)度大小是保護(hù)行人的關(guān)鍵因素，過大過小都起不到保護(hù)作用，本文設(shè)計(jì)的設(shè)備主要用于檢測(cè)防護(hù)裝置在受到一定載荷時(shí)的變形情況，如果變形量符合國(guó)標(biāo)要求，則說明此貨車的側(cè)面防護(hù)裝置對(duì)行人具有一定的防護(hù)功能。

檢測(cè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

設(shè)計(jì)方案包括：檢測(cè)部，可伸縮的支撐升降機(jī)構(gòu)和便攜式移動(dòng)的推車機(jī)構(gòu)，如圖2所示。

檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)部（見圖2（a）圖），采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠對(duì)防護(hù)裝置施加靜壓力，電機(jī)電源容易獲取進(jìn)而使用范圍廣，且能適用于各種環(huán)境溫度，并能很好地控制壓力值的大小，更因自身的過載保護(hù)能力可以保持壓力值的穩(wěn)定，使檢測(cè)數(shù)據(jù)更精確、快速。與絲杠平行安裝的滑塊導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)確保了施壓過程的平穩(wěn)性。而且在圓形測(cè)壓平頭正面中心孔處安裝有紅外線激光發(fā)射器和紅外線測(cè)距傳感器，在其背面安裝有測(cè)力傳感器。紅外線激光器能使檢測(cè)設(shè)備和防護(hù)裝置相互對(duì)準(zhǔn)、紅外線測(cè)距傳感器能檢測(cè)出防護(hù)裝置的變形量、測(cè)力傳感器能檢測(cè)出施加的載荷值。這些傳感器的應(yīng)用，使檢測(cè)數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，提高了該設(shè)備的準(zhǔn)確性。

檢測(cè)設(shè)備支撐機(jī)構(gòu)（見圖2（b）圖），采用可伸縮的升降柱，檢測(cè)中，升降柱的高度可根據(jù)側(cè)面防護(hù)裝置的位置進(jìn)行調(diào)整，使兩者相互對(duì)準(zhǔn)，以便進(jìn)行后續(xù)加載工作。而且支撐柱由上部空心圓柱體套筒和下部圓柱體構(gòu)成，套筒的腔體內(nèi)安裝有彈簧，當(dāng)工作臺(tái)緊急下落時(shí)，此彈簧起到一定的緩沖作用，以免突然下落砸壞支撐臺(tái)，影響檢測(cè)精度。燕尾槽機(jī)構(gòu)可防止工作平臺(tái)的前后移動(dòng)，增加了設(shè)備的穩(wěn)定性，確保了加載的準(zhǔn)確性。

圖1　檢測(cè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖2　檢測(cè)設(shè)備各機(jī)構(gòu)示意圖

檢測(cè)設(shè)備移動(dòng)機(jī)構(gòu)（見圖2（c）圖），采用可便攜式移動(dòng)的推車機(jī)構(gòu)，可以推行至需要檢測(cè)的場(chǎng)所。檢測(cè)中，四支可旋轉(zhuǎn)的支撐桿，可根據(jù)檢測(cè)需要調(diào)整檢測(cè)設(shè)備距離地面的高度。當(dāng)支撐桿撐開時(shí)與地面固定，穩(wěn)固性好，確保了檢測(cè)設(shè)備工作的平穩(wěn)性，而且當(dāng)支撐桿收攏后也不占用其它空間。

檢測(cè)設(shè)備工作時(shí)的檢測(cè)步驟是：

（1）選取檢測(cè)施壓點(diǎn)

首先，將設(shè)備推行至檢測(cè)場(chǎng)所，并根據(jù)國(guó)標(biāo)要求在側(cè)面防護(hù)裝置上標(biāo)記好測(cè)試點(diǎn)。

其次，展開支撐機(jī)構(gòu)，調(diào)整支撐桿，使得支撐桿與地面貼緊，并保持工作平臺(tái)處于水平狀態(tài)。

最后，開啟升降機(jī)構(gòu)使工作平臺(tái)上升，并開啟紅外線激光發(fā)射器，當(dāng)紅外線激光對(duì)準(zhǔn)測(cè)試點(diǎn)時(shí)，即設(shè)備與防護(hù)裝置的處于同一高度時(shí)，關(guān)閉升降機(jī)構(gòu)。

（2）固定檢測(cè)設(shè)備

當(dāng)圓形測(cè)壓平頭對(duì)準(zhǔn)測(cè)試點(diǎn)后，利用工作平臺(tái)上的鋼絲繩把設(shè)備和側(cè)面防護(hù)裝置連接成一個(gè)整體，成為抱死結(jié)構(gòu)，以保施壓時(shí)兩者相對(duì)穩(wěn)定。

（3）施加壓力

當(dāng)檢測(cè)設(shè)備與側(cè)面防護(hù)裝置對(duì)準(zhǔn)并固定好之后，開啟驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)使圓形測(cè)壓平頭向防護(hù)裝置方向平穩(wěn)移動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)至測(cè)試點(diǎn)，開始測(cè)試，測(cè)試點(diǎn)加壓，測(cè)力傳感器的壓力值上升。當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，加壓結(jié)束，電機(jī)反轉(zhuǎn)，復(fù)位，等待下次工作。

（4）測(cè)量形變

當(dāng)圓形測(cè)壓平頭與側(cè)面防護(hù)裝置即將接觸而未接觸時(shí)，紅外線測(cè)距傳感器記錄圓形測(cè)壓平頭加壓前的位置，記為L(zhǎng)1。施加靜壓力后，電機(jī)反轉(zhuǎn)驅(qū)使圓形測(cè)壓平頭遠(yuǎn)離防護(hù)裝置，當(dāng)圓形測(cè)壓平頭與側(cè)面防護(hù)裝置即將離開而未離開時(shí)，記錄圓形測(cè)壓平頭加壓后的位置L2。通過兩距離的變化量，由式（1）可以計(jì)算出前后兩次的位移差，便可測(cè)出貨車側(cè)面防護(hù)裝置的微小位移變化量。

式中，L1加載前的位移量，L2加載后的位移量。

2電機(jī)加載部分的設(shè)計(jì)原理

電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠前后移動(dòng)，對(duì)防護(hù)裝置施加靜壓力的運(yùn)動(dòng)原理圖，如圖3所示。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)開啟時(shí)，通過編碼器設(shè)定待加載的載荷值，電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠螺母副中的螺母向前移動(dòng)，通過導(dǎo)桿驅(qū)動(dòng)圓形測(cè)壓平頭向前移動(dòng)并逼進(jìn)待測(cè)防護(hù)裝置，對(duì)其施壓，達(dá)到設(shè)定值后，電機(jī)反轉(zhuǎn)，驅(qū)使絲杠向后移動(dòng)，復(fù)位，等待下次工作。

圖3　電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠運(yùn)動(dòng)原理圖

（1）電機(jī)及絲杠的選取

檢測(cè)設(shè)備選用交流伺服電機(jī)，具有克服自身“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象的優(yōu)點(diǎn)，即在沒有控制信號(hào)時(shí)，電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)。在轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，當(dāng)控制信號(hào)消失時(shí)，會(huì)立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)。這種克服自轉(zhuǎn)的性能是本文檢測(cè)設(shè)備加載成功的關(guān)鍵點(diǎn)。

為了將絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為前后移動(dòng)的直線運(yùn)動(dòng)，采用絲杠螺母副，因在軸向上具有較大的作用力，因此選用梯形絲杠。

檢測(cè)設(shè)備需要對(duì)防護(hù)裝置加載力的大小為1kN，可以反求出所需電機(jī)功率P的范圍是1～2kW，扭矩T的范圍是2～10N? m，轉(zhuǎn)速n的范圍是1000～3000r/ min，減速比i的范圍是1：6～1：6，減速電機(jī)效率為η1的范圍是0.85～0.95。所需絲杠的公稱直徑范圍是10～40mm，導(dǎo)程Pn選擇范圍4～10mm，絲桿全長(zhǎng)是800mm，精度等級(jí)可以是4級(jí)（或5級(jí)），最大線速度vmax=3m/min，傳動(dòng)效率η2是0.25～0.90。

（2）推力的計(jì)算

根據(jù)選取的伺服電機(jī)和絲杠螺母的參數(shù)，及如下公式就可以計(jì)算出檢測(cè)設(shè)備所用電機(jī)絲杠的推力大小：

式中，P 是電機(jī)功率，n 是電機(jī)轉(zhuǎn)速，i 是減速比，T是扭矩，η1是電機(jī)傳動(dòng)效率，η2是絲杠傳動(dòng)效率。

由有式（2），可以計(jì)算出扭矩大小，再利用式（3）和式（4），就可以計(jì)算出所選電機(jī)和絲杠在工作時(shí)施加的推力范圍是0.3～5KN，滿足國(guó)標(biāo)規(guī)定的1kN的推力要求。

檢測(cè)設(shè)備對(duì)防護(hù)裝置加載的仿真分析

根據(jù)GB11567.1-2001要求，仿真采用直徑為220mm±10mm的圓形測(cè)壓平頭對(duì)防護(hù)裝置外表面任意位置進(jìn)行1kN的靜壓力加載實(shí)驗(yàn)，因受力產(chǎn)生的變形情況是：防護(hù)裝置在最后250mm段的變形量小于等于30mm，其余位置變形量小于等于150mm。

仿真采用某貨車的側(cè)面防護(hù)裝置，結(jié)構(gòu)是一根橫桿兩根支架的形式.通過SolidWorks環(huán)境實(shí)體建模，再把模型導(dǎo)入到ANSYS中，進(jìn)行靜態(tài)強(qiáng)度分析。整個(gè)檢測(cè)設(shè)備模型包括很多零件，建模比較困難，為減少建模工作量，實(shí)現(xiàn)仿真分析，采用圓形測(cè)壓平頭部分代替整個(gè)模型。

檢測(cè)設(shè)備的簡(jiǎn)化模型采用三維實(shí)體單元Solid，模型質(zhì)量為30kg，重心位置為模型的幾何中心，圓形測(cè)壓平頭（見圖4）由剛性材料組成、直徑為220mm。防護(hù)裝置模型（見圖4），橫桿高度100mm、長(zhǎng)度為1100mm、厚度為14mm，支架高度為350mm、寬度為100mm、厚度為12mm，采用殼單元Shell，材料選用各向同性彈性模型，彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.29，密度為7.85×103kg/m3的低碳合金。

使用檢測(cè)設(shè)備對(duì)側(cè)面防護(hù)裝置靜態(tài)加載時(shí)的仿真結(jié)果如圖4和表2所示。

圖4　3種工況下的等效應(yīng)變圖

在不同位置加載時(shí)的變形情況如圖4所示。

在不同位置加載時(shí)的最大變形量如表1所示。

表1　防護(hù)裝置的最大變形量

由圖4和表1可知，在防護(hù)裝置1/5處（小于防護(hù)裝置的最后250mm段位置），以及在1/2處和1/3處（防護(hù)裝置的其余位置）加載時(shí)，集中力都是通過圓形測(cè)壓平頭作用在防護(hù)裝置上，圓形測(cè)壓平頭截面較大，分散了集中力，更有效仿真了現(xiàn)實(shí)中車輛碰撞貨車側(cè)面防護(hù)裝置的接觸面情況，且變形量都滿足國(guó)標(biāo)要求（防護(hù)裝置在最后250mm的變形量小于等于30mm，其余位置變形量小于等于150mm），而且這種變形具有一定的緩沖吸能效果，能夠防止應(yīng)力集中，避免局部損壞，也能預(yù)防毫無防御行人被刮擦及卷入車下等事故的發(fā)生。

由于現(xiàn)實(shí)中車輛碰撞位置的隨機(jī)性，本文對(duì)防護(hù)裝置的加載位置進(jìn)行了多次仿真，主要分為防護(hù)裝置的最后250mm段和其余位置，6次仿真的最大變形量為8.175mm。

由表2可知：

1）任意加載位置的變形量都滿足國(guó)標(biāo)要求；

2）不同加載位置的變形量有所不同，在防護(hù)裝置受力薄弱位置（見仿真5、6）加載時(shí)，變形量較大，但變化趨勢(shì)較平緩且都符合國(guó)標(biāo)要求；

3）檢測(cè)設(shè)備對(duì)厚度一定的防護(hù)裝置施壓時(shí)，能使其變形并具有一定變形量，驗(yàn)證了檢測(cè)設(shè)備的可行性。

表2　重復(fù)性仿真時(shí)的最大變形量

結(jié)語

根據(jù)GB11567.1-2001標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)側(cè)面防護(hù)裝置強(qiáng)度的有關(guān)要求，本文設(shè)計(jì)的用于檢測(cè)防護(hù)裝置變形的設(shè)備，通過仿真分析，測(cè)出不同位置處的變形量均滿足國(guó)標(biāo)要求，驗(yàn)證了該設(shè)備的可行性。下一步需要改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，更加細(xì)化檢測(cè)設(shè)備的各零部件，使其結(jié)構(gòu)緊湊、美觀，并進(jìn)一步仿真驗(yàn)證其實(shí)用性，以便后期加工制造。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.24.038