黃開 李鄉(xiāng)安 蔣旭 歐濤

長沙中聯(lián)消防機(jī)械有限公司 湖南長沙 410200

1 前言

隨著市場對消防車的作業(yè)高度需求不斷提升，消防車的整車質(zhì)量也隨之增大。為了使消防車輛應(yīng)對市場競爭、滿足道路法規(guī)和經(jīng)濟(jì)性要求，工程師們需要對消防車上車部分與副車架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

在對結(jié)構(gòu)件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)的過程中，工程師們往往會(huì)將更多注意力集中在上車部分結(jié)構(gòu)的輕量化上，因?yàn)樯宪嚥糠仲|(zhì)量對整車質(zhì)量的影響最大；而副車架則被認(rèn)為是功能性部件，不會(huì)進(jìn)行過多的輕量化和精細(xì)化的設(shè)計(jì)。

某消防車在試驗(yàn)過程中，當(dāng)臂架回轉(zhuǎn)到整車的側(cè)方時(shí)，會(huì)出現(xiàn)活動(dòng)支腿離地高度過大的問題，不滿足GB 7956.12-2015《消防車 第12部分：舉高消防車》4.2.4.4條中“離地高度應(yīng)小于20 mm”規(guī)定[1]。由于臂架回轉(zhuǎn)到側(cè)方位置時(shí)，副車架主要受到扭轉(zhuǎn)作用，即原始的副車架扭剛度偏弱，本文擬運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件，建立消防車的副車架、底盤和活動(dòng)支腿的裝配體有限元模型，對消防車進(jìn)行全工況分析，找到導(dǎo)致整車離地高度過大原因。由于該消防車臂架和整車質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到底盤承載極限，故針對副車架設(shè)計(jì)上的不足，嘗試在不改變副車架質(zhì)量的基礎(chǔ)上，對副車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，降低活動(dòng)支腿的離地高度，最大限度提高副車架的扭剛度，使最大離地間隙滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。如果經(jīng)剛度優(yōu)化后仍然達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，則需要再通過降低工作幅度的方式即降低整車傾翻矩，以減小最大離地間隙。

2 消防車下車有限元建模

消防車作業(yè)平臺承力結(jié)構(gòu)件的主體結(jié)構(gòu)可簡化為如圖1所示的焊接裝配體組成，從圖1可以看出，下車結(jié)構(gòu)主要由副車架、底盤大梁、活動(dòng)支腿和垂直油缸等主要部件組成。副車架和活動(dòng)支腿都是由薄板焊接組合而成的部件，在原始設(shè)計(jì)的副車架上，由于副車架的上、下蓋使用的是厚板，因此在副車架上、下表面應(yīng)力比較低的區(qū)域開了許多減重孔以降低整車質(zhì)量。底盤大梁通過螺栓與副車架固定，活動(dòng)支腿通過搭接方式與副車架連接，活動(dòng)支腿可在支腿水平油缸推動(dòng)下，在副車架內(nèi)部滑動(dòng)且與副車架保持一定的重疊距離。垂直油缸通過螺栓固定在活動(dòng)支腿上。

圖1 消防車下車幾何模型

各部件間的力傳遞關(guān)系依次如下：上車部分的傾翻矩和剪力傳遞到副車架的回轉(zhuǎn)支撐上，回轉(zhuǎn)支撐通過副車架和底盤大梁將載荷傳遞到活動(dòng)支腿上，活動(dòng)支腿將載荷傳遞給支腿垂直油缸，油缸最后將載荷傳遞給地面。副車架、底盤大梁和活動(dòng)支腿屬于板殼結(jié)構(gòu)用s h e l l 1 8 1模擬，并按板的實(shí)際厚度賦給殼單元；活動(dòng)支腿的垂直油缸用梁單元Beam188，按油缸截面的實(shí)際尺寸賦給梁單元；使用梁單元(Beam188)模擬底盤大梁與副車架間的螺栓連接；通過耦合搭接線上節(jié)點(diǎn)的平動(dòng)自由度的方式模擬活動(dòng)支腿與副車架的搭接關(guān)系。通過約束活動(dòng)支腿上垂直油缸的中心線處的節(jié)點(diǎn)位移模擬垂直油缸接觸地面。

根據(jù)B S E N 1 7 7 7:2 0 1 0《消防救援液壓舉高平臺安全與測試要求》[2]規(guī)定，上車工作斗載荷取1.25的動(dòng)載系數(shù)，上車結(jié)構(gòu)件（含工作斗）取1.1的動(dòng)載系數(shù)，將工作斗載荷與結(jié)構(gòu)件載荷進(jìn)行矢量疊加即為上車傳遞給下車的載荷。在本消防車計(jì)算中傳遞到回轉(zhuǎn)支撐的傾 翻 矩 約為7 3.5 t ·m， 剪 力112.8 kN，原始設(shè)計(jì)工作幅度20.5 m。

假設(shè)在副車架的回轉(zhuǎn)中心建立如圖2所示副車架局部坐標(biāo)系，坐標(biāo)系的原點(diǎn)與回轉(zhuǎn)中心重合，x方向由車頭方向指向車尾方向，y軸是由x軸繞原點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°得到。當(dāng)上車部分位于整車的正后方時(shí)，臂架的回轉(zhuǎn)角度θ為零，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正。本計(jì)算中是通過上車的回轉(zhuǎn)角度大小來辨別副車架的工況。

圖2 副車架局部坐標(biāo)系定義圖

由于在計(jì)算之前不知道哪種工況下支腿會(huì)抬腿離地、離地高度多大，在實(shí)際計(jì)算過程中模擬支腿抬腿過程一般分兩步進(jìn)行，第一步是試算，當(dāng)有限元計(jì)算出的地面給垂直油缸的作用力向下時(shí)，即支撐力為負(fù)值時(shí)，說明該支腿已經(jīng)離開地面，需要?jiǎng)h除該支腿上的約束然后重新進(jìn)行第二步計(jì)算，就可以得到該支腿的實(shí)際離地高度。

3 副車架原始設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果

由于副車架結(jié)構(gòu)屬于大致左右對稱結(jié)構(gòu)，有限元計(jì)算結(jié)果也具有顯著的左右對稱特征，因此本文只討論上車回轉(zhuǎn)在[240°,300°]角度范圍內(nèi)的變形規(guī)律。

筆者首先計(jì)算了臂架回轉(zhuǎn)到270°時(shí)的離地高度。然后根據(jù)支腿離地高度變化計(jì)算其他工況，通過多輪對比計(jì)算發(fā)現(xiàn)250°工況下離地高度最大，250°工況結(jié)果以圖片形式展示。其他計(jì)算工況有300°、270、255°、245°、240°，以列表的形式呈現(xiàn)在表1中。

圖3 最大離地高度工況下（250°工況）副車架變形圖

圖4 最大離地高度工況下（250°工況）副車架應(yīng)力分布圖

從圖4可以看出，副車架右后腿出現(xiàn)了抬腿、離地現(xiàn)象，主要是由于副車架受到正側(cè)面的彎矩作用，等效于副車架受扭轉(zhuǎn)作用，也就是轉(zhuǎn)臺有帶動(dòng)右后支腿抬高的趨勢。當(dāng)副車架扭轉(zhuǎn)剛度較弱時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)離地現(xiàn)象。結(jié)合表1的結(jié)果，當(dāng)臂架回轉(zhuǎn)到250°時(shí)離地高度達(dá)到最大。同時(shí)從表1中的數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)離地高度最大時(shí)，前支腿反力和與后支腿的反力和相等。

表1 優(yōu)化前各工況下的離地高度及支腿反力

圖5為消防車副車架三維圖，從圖5可以看出，為了減重和安裝方便，原來的副車架整體挖孔較多，使副車架形成了多處敞口薄壁結(jié)構(gòu)，如液壓油箱開口處、液壓油箱吸油口出油口、分動(dòng)箱安裝處及其他減重孔處，由材料力學(xué)知識可知在相同材料條件下，敞口薄壁結(jié)構(gòu)的抗扭剛度較差，導(dǎo)致整體扭剛度偏弱。副車架在較大扭矩作用下，導(dǎo)致活動(dòng)支腿離地高度較大。

圖5 優(yōu)化前副車架三維圖

4 優(yōu)化后仿真結(jié)果

針對所分析的副車架在受扭工況下活動(dòng)支腿離地高度過大的改進(jìn)措施，除去因空間布置需要，必須在副車架上、下表面挖孔的情況外，把能封上的開孔都封上；對于必須開孔區(qū)域作適當(dāng)加強(qiáng)。由于增加抗扭剛度措施在提高副車架抗扭剛度的同時(shí)也提高了抗彎剛度，也會(huì)增加整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量，這就需要對局部板厚進(jìn)行局部調(diào)整以保持總質(zhì)量基本不變，改進(jìn)后的方案見圖6。

圖6 優(yōu)化后副車架三維圖

改進(jìn)后方案同樣也計(jì)算了300°、270、255°、245°、240°工況，具體結(jié)果見表2。從表2可以看出，改進(jìn)后的同樣是當(dāng)臂架回轉(zhuǎn)到250°時(shí)離地高度達(dá)到最大。當(dāng)離地高度最大時(shí)，前支腿反力和與后支腿的反力和相等。

圖7 優(yōu)化后副車架離地高度圖

表3列出了各種工況下改進(jìn)前、后離地高度對比，從表3可以看出在保持副車架總質(zhì)量不變的情況下，在最大離地高度250°工況下，優(yōu)化前的離地高度為107.8 mm,優(yōu)化后為74.5 mm，最大離地高度減少了33.3 mm，副車架扭轉(zhuǎn)剛度提升約30%。

從上述結(jié)論可知，單純通過剛度優(yōu)化的方式無法使離地高度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的20 mm，因此需降低整車工作幅度來降低離地高度。經(jīng)進(jìn)一步計(jì)算，當(dāng)工作幅度從20.5 m降低到18 m時(shí)，即傾翻矩降低到68 t·m時(shí)，離地間隙便可降低到20 mm。

5 結(jié)語

a. 原始設(shè)計(jì)的副車架整體挖孔太多，使副車架形成了多處敞口薄壁結(jié)構(gòu)，是導(dǎo)致活動(dòng)支腿在受扭工況下離地高度偏大的主要原因；

表3 改進(jìn)前、后各工況下的離地高度對比表

b. 當(dāng)上車臂架回轉(zhuǎn)到前支腿反力和與后支腿的反力和相等時(shí)，活動(dòng)支腿離地高度達(dá)到最大；

c. 當(dāng)有減重需求時(shí)且有剛度限制時(shí)，使用薄板封閉結(jié)構(gòu)比厚板挖空敞口結(jié)構(gòu)更輕、扭剛度更好。設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡量避免大的挖孔結(jié)構(gòu)；

d. 在保持副車架總質(zhì)量不變的情況下，在最大離地高度250°工況下，優(yōu)化前的離地高度107.8 mm,優(yōu)化后為74.5 mm，最大離地高度減少33.3 mm，副車架扭轉(zhuǎn)剛度提升約30%；

e. 當(dāng)工作幅度從20.5 m降低到18 m時(shí)，即傾翻矩降低到68 t·m時(shí)，離地間隙便可降低到20 mm。