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        基于ANSYS輔助排障車托臂結(jié)構設計

        2022-04-27 07:57:12葛檳源張杰
        鑿巖機械氣動工具 2022年1期
        關鍵詞:槽鋼十字油缸

        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。

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