葛檳源，張杰

（徐工集團工程機械有限公司道路機械分公司，江蘇 徐州221004）

1 前言

道路排障車，又叫清障車、救援車，是近幾十年來制造的一款用于道路清障的專用汽車，這種車在機場、碼頭、汽車修理行業(yè)及高速公路等部門大量使用，是為了讓道路隨時保持暢通而專門設計的。道路排障車能將事故車輛以及違規(guī)?？康能囕v迅速拖走，在保持道路暢通方面具有非常重要的作用。

托舉裝置是排障車的工作裝置之一，負責托舉、托牽工況下的作業(yè)，可迅速將事故車輛運離現(xiàn)場，保持路面通暢。在排障車的結(jié)構形式中，有托吊一體式和托吊分離式兩種，這兩種的托臂結(jié)構形式有很大的不同， 即使同一形式的排障車，托牽的形式也不盡相同。本文介紹一種三節(jié)臂式托臂的結(jié)構，用于托吊分離式的排障車。

2 托舉裝置結(jié)構介紹

2.1 結(jié)構形式

本文的排障車的托舉機構由一節(jié)可上下升降臂、三節(jié)可伸縮折疊臂和油缸等組成（見圖1）。整個托臂由油缸控制升降臂上下運動，三節(jié)伸縮折疊臂相對升降臂可折疊和伸縮，在各種工況下靈活調(diào)節(jié)，滿足使用者的需要。 升降臂通過升降油缸和副車架上的滑軌連接，垂直伸縮油缸用于連接升降臂和基本臂， 實現(xiàn)托臂的收起與放下。在需要托臂工作時，升降油缸伸長、垂直伸縮缸收縮，然后各水平伸縮缸伸長以使托臂進入工作狀態(tài)。

圖1 托臂基本結(jié)構

2.2 結(jié)構分析

升降臂的主體部分由左右兩槽焊接而成，并單獨增加一塊加強板以確保升降臂的強度符合使用要求。 油缸支座并不直接與升降臂焊接，在升降臂和油缸連接處的位置增加了左右兩塊封板，能夠延長使用壽命，減少變形?；颈弁ㄟ^銷軸與升降臂連接（見圖2），基本臂為第一節(jié)可伸縮臂，由兩塊側(cè)板、上板和底板拼焊成箱體結(jié)構，在底板和上板的側(cè)面焊有加強板?；颈凵显O有一處踏板， 供操作人員在托舉或托牽過程中踩踏。 二節(jié)臂的四周均有加強板，其左右兩側(cè)與上部使用一塊鋼板折彎而成，形成槽鋼結(jié)構，再與底板焊接， 槽鋼的受力相較于三塊鋼板拼焊，具有更好的結(jié)構強度與抗變形能力，二節(jié)臂的大跨度結(jié)構也符合槽鋼的使用條件。拼焊對于焊接的要求較高，焊縫必須均勻且熔深足夠，而槽鋼本身材質(zhì)均勻，能夠更好地承受荷載。 從成本上來講，槽鋼的工序與工時也比拼焊低。同樣的，三節(jié)臂也采用槽鋼加底板的模式，但是在其端部軸座連接處，采用加強板與增加焊道兩種方式進行強度改進，由于軸座是受力較大的關鍵部位，其加強板與槽鋼連接處增焊兩塊彎板用于結(jié)構穩(wěn)定。由于槽鋼與軸座連接處尺寸變化，此處加強板采用折彎而成（見圖3），能夠在提高結(jié)構強度的同時保證托臂外形的美觀。

圖2 基本臂

圖3 槽鋼與軸座連接處加強板

加強板處受力情況見圖4、圖5，可以看出在有加強板之后，應力減小的效果明顯。

圖4 無加強板應力分析

圖5 有加強板應力分析

托臂最外側(cè)的十字臂是主要受力部位（見圖1），其上下支承均采用厚板+加強板結(jié)構，能夠在托舉和托牽工況中發(fā)揮材料性能，提高工作安全性和穩(wěn)定性。

3 應力分析

設計完成之后， 運用ANSYS 對各個臂的受力進行網(wǎng)格劃分和應力分析，得出應力和變形最大的地方，再分析是否需要改進結(jié)構。 由于托臂為焊接結(jié)構件， 故網(wǎng)格劃分時 ‘connectionscontacts’選擇‘bonded’，默認自由網(wǎng)格劃分。由于托臂采用Q460 材料焊接加工而成， 而ANSYS默認材料為結(jié)構鋼，此二者之間的材料屬性及參數(shù)存在一定的差異， 故先添加Q460 的材料屬性，見圖6。

圖6 添加Q460 材料屬性

再根據(jù)設計參數(shù)， 將相應的力加到受力點上，得出分析結(jié)果。為了便于計算，對受力狀態(tài)進行簡化， 假設被拖車輛的質(zhì)量是均勻分布的，將車體重量簡化到套在十字臂的托舉輔助工具上，而輔助工具相對十字臂中心是完全對稱的。這樣處理的托臂不會出現(xiàn)因車體自身重量不均而發(fā)生扭轉(zhuǎn)。 計算過程不考慮液壓缸和液壓油的質(zhì)量。

十字臂和升降臂為受力關鍵部位，圖7 為分析十字臂時的網(wǎng)格劃分及分析結(jié)果圖，可以看出應力的最大值為80 MPa， 遠遠低于材料的許用應力值，可以排除使用過程中的危險因素。 變形最大處為拖桿與十字臂的連接處，其變形量也在可接受的范圍內(nèi)，由此可知十字臂的設計符合車輛的參數(shù)指標及安全要求。

圖7 十字臂ANSYS 分析

圖8 為升降臂的網(wǎng)格劃分及分析結(jié)果圖，其中應力集中在升降油缸鉸接點和升降臂與基本臂的連接處，應力最大值為296 MPa，而Q460 的許用應力為306 MPa （在安全系數(shù)取1.5 的情況下）， 因而升降臂的使用過程中材料處于安全使用范圍之內(nèi)。

圖8 升降臂ANSYS 分析

4 固有頻率分析

排障車在行駛過程中由于路面不平、小型障礙物等會引起車輛振動， 在反復振動的影響下，對其結(jié)構件的損傷不容忽視?，F(xiàn)將托臂的結(jié)構導入ANSYSworkbench 中進行modal 分析，取其前三階固有頻率（見圖9）。

圖9 托臂結(jié)構固有頻率分析結(jié)果

由于瀝青路面或水泥路面涉及到很多物理和力學參數(shù)， 加之汽車又是多自由度復雜系統(tǒng)，分析汽車行駛時的振動是一個極其復雜的問題，目前針對該問題的研究多采用理論分析和數(shù)值模擬的方法。 經(jīng)查，汽車在行駛時的振動頻率分布為：豎直方向0.2-8 Hz，水平方向1-2 Hz。 托臂結(jié)構的固有頻率低于行駛過程中的振動頻率，振動對結(jié)構的影響可忽略不計。

排障車在實施托舉、托牽作業(yè)時，由于發(fā)動機運行及路面不平會引起排障車及被拖故障車震動，托臂受到附加動載荷，使托舉油缸受到不斷變化的外力作用，而且沖擊力很大。 液壓缸在沖擊力作用下， 瞬時高壓值是靜態(tài)壓力的5～10倍。 引起托架振動的主要振源是路面激勵，托架工作時相當于一個懸臂梁，上、下的彎曲疲勞破壞是其主要的失效形式。托臂總成由一節(jié)可上下滑動臂和三節(jié)可伸縮折疊臂組成。 其中，滑動臂為幾何變斷面焊接結(jié)構，三節(jié)可伸縮折疊臂均為矩形箱形焊接結(jié)構，整個托臂由油缸通過滑動臂上下運動，運動行程650 mm，三節(jié)伸縮折疊臂相對滑動臂可折疊和伸縮， 折疊角度為-5°～+91°，伸縮行程1640 mm，由油缸實現(xiàn)伸縮。 托臂均采用Q460 高強鋼制造，在應力集中區(qū)域進行局部加強處理，（見圖10）。

圖10 Q460 對于基本臂加強板的布置之一

5 結(jié)論

國內(nèi)排障車在二類商用底盤上改裝而成，對底盤改動較小。 連桿式提升結(jié)構、副臂式提升機構因?qū)Φ妆P的改動相對較小，相應的液壓部分易于布置和維護，應用比較廣泛。

運用ANSYS 軟件對托臂的結(jié)構進行分析，托臂的結(jié)構受力情況良好，應力在可接受范圍之內(nèi)。

此種結(jié)構形式已在三款排障車中成熟運用，并在實驗中表現(xiàn)良好。