郭帥超

（中國船舶集團有限公司第七一六研究所，江蘇連云港 222006）

隨著科技的進步和人類生產活動的增加，在舉辦大型文體活動或者遭遇自然災害時，需要進行現場指揮活動或者對應急救援措施進行預判。隨著應急指揮車在人類生活中的應用越來越廣泛，應急指揮車的制造技術也得到了快速發(fā)展。以往的應急指揮車大多是廂式車或者普通方艙形式，隨著技術的進步越來越多的應急指揮車采用了擴展艙的形式。

為了獲得足夠大的擴展作業(yè)空間并提高利用率，廠家把擴展艙的擴展行程尺寸做得越來越大。但是，受結構設計和道路交通機動車法規(guī)的限制，為了實現用戶需求和法規(guī)及制造技術的均衡發(fā)展，采用了有限元分析的方式對應急指揮車擴展艙的結構強度進行受力分析[1]。

1 應急指揮車擴展艙結構的當前現狀

應急指揮車的擴展艙結構形式目前采用2種方式：一種是采用矩形鋼管內部套裝矩形鋼管作為支撐傳動機構，采用外套矩形鋼管和內嵌矩形鋼管之間的滑動摩擦的方式來進行多級擴展；另一種是在矩形鋼管側面安裝滾動軸承作為支撐體，然后在軸承上安裝工字軌作為滑動軌道的傳動機構，采用滾動軸承和工字軌之間的滾動摩擦進行擴展[2]。

1.1 應急指揮車擴展艙滑動摩擦傳動方式

應急指揮車擴展艙滑動摩擦傳動方式是最簡單的一種傳動方式，其結構原理為在一個較大規(guī)格的矩形鋼管內部嵌套一個相匹配的小規(guī)格矩形鋼管，大規(guī)格矩形鋼管與小規(guī)格矩形鋼管之間通過安裝聚四氟乙烯滑塊和涂抹潤滑黃油的方式來減小鋼材與鋼材之間的滑動摩擦，在減小摩擦阻力的同時提高傳動矩形鋼管的使用壽命，這種方式是早期特種車輛的擴展艙在設計制造過程中常用到的一種傳動方式[3]。

應急指揮車擴展艙滑動摩擦傳動方式如圖1所示。

圖1 應急指揮車擴展艙滑動摩擦傳動方式

在工程實踐中，根據擴展艙的擴展行程和方艙的實際載荷來選用合適的矩形鋼管作為擴展傳動的機構。一般指揮車的擴展艙的擴展行程為1 m 左右，擴展艙的載荷為2 t 左右，根據這一基礎參數在設計制造時一般采用尺寸為120 mm×200 mm×10 mm 的矩形鋼管和尺寸為80 mm×160 mm×10 mm 的矩形鋼管。采用矩形鋼管作為靜軌（外套鋼管，尺寸為120 mm×200 mm×10 mm），采用矩形鋼管作為動軌（內嵌鋼管，尺寸為80 mm×160 mm×10 mm），動軌（內嵌鋼管）矩形鋼管的外壁安裝耐磨的聚四氟乙烯滑塊，聚四氟乙烯滑塊在動軌內嵌鋼管和靜軌外套鋼管之間，避免金屬與金屬的面直接接觸，同時在靜軌（外套鋼管）和動軌（內嵌鋼管）的聚四氟乙烯滑塊之間涂抹潤滑黃油，潤滑黃油又起到了減小摩擦力和保護靜軌（外套矩形鋼管）內壁與動軌（內嵌矩形鋼管外壁）安裝的聚四氟乙烯滑塊直接接觸損傷[4]。應急指揮車擴展艙滑動摩擦傳動方式截面如圖2 所示。

圖2 應急指揮車擴展艙滑動摩擦傳動方式截面示意圖

該應急指揮車擴展艙滑動摩擦傳動方式的優(yōu)點是矩形鋼管為貨架產品，可以直接采購，不但成本低而且供貨周期也短。動軌與定軌的加工制造和安裝精度要求不高，該滑動摩擦傳動方式適用于對艙內調平要求不高的擴展方艙。但是，滑動摩擦傳動方式的缺點也是顯而易見的，由于靜軌外套矩形鋼管和動軌內嵌矩形鋼管之間是通過聚四氟乙烯作為滑塊使用，隨著時間的推移，滑塊必然會產生磨損，在擴展艙出方艙后，受自身重力作用擴展艙會有一定程度的傾斜。隨著時間的累積和滑塊的磨損，擴展艙的傾斜角度會越來越大，在一定程度上會影響應急指揮車使用的安全性。同時，為了減小聚四氟乙烯滑塊與靜軌矩形鋼管內壁之間的摩擦力而使用了大量的固體潤滑油脂，在室外工作時暴露的潤滑油脂會吸附大量的灰塵甚至石子等異物，容易加速滑塊的損壞和阻塞動軌與靜軌之間的摩擦運動，從而對動軌和靜軌之間的摩擦副造成損壞，嚴重時會導致擴展艙無法展開或閉合，影響了應急指揮車工作的正常開展[5]。

1.2 應急指揮車擴展艙滾動摩擦傳動方式

應急指揮車擴展艙滾動摩擦傳動方式是應急指揮車擴展艙的另一種常用的傳動方式，該滾動摩擦擴展艙的傳動方式原理為：在靜軌（矩形鋼管）的側壁前后安裝2 組軸承，將使用工字軌的凹槽與軸承相組合，通過電動或者液壓動力方式驅動擴展艙，配合動軌（工字鋼）的伸展或者回收的方式來實現擴展艙的展開和閉合動作[6]。應急指揮車擴展艙滾動摩擦傳動方式截面示意圖如圖3 所示。

圖3 應急指揮車擴展艙滾動摩擦傳動方式截面示意圖

該擴展艙滾動摩擦傳動方式的優(yōu)點如下：①效率高。采用滾動摩擦方式代替滑動摩擦，減小了擴展艙在展開或閉合過程中的摩擦阻力，提高了傳動效率。②手動應急。在遇到沒有動力驅動的情況下，采用手動應急的方式也可以實現單人手動展開或者回收擴展艙。這是滑動摩擦方式傳動擴展艙所不能實現的，滑動摩擦方式的運動阻力較大，很難實現單人手動狀態(tài)下展開或者閉合擴展艙。③環(huán)境依賴度低。滾動摩擦采用了軸承和工字軌組合的方式，不需要添加潤滑油脂，不會產生環(huán)境污染問題。同時，在軸承的兩側安裝了掃除異物的毛刷，保證在動軌運動時軸承前后方向安裝的毛刷已經清除了工字軌內的異物，不但保證了軸承在運動過程中的安全性，同時也提高了軸承和工字軌的使用壽命。

但是，擴展艙滾動摩擦傳動的缺點也是顯而易見的，由于幾噸重的方艙是通過滾動摩擦副來實現擴展艙的展出和回收動作，且滾動摩擦副的接觸面為線接觸，對定軌軸承部件的結構強度要求較高，必須選購高質量的軸承組件，從而增加了材料采購成本。同時，為了使動軌可以保持水平展出和回收，定軌的軸承必須至少安裝2 組配合使用。為了使每組軸承都能均勻受力，減少對單組軸承的壓力，對軸承和工字軌安裝方面的要求更高，相應的加工精度和制造精度也因更高，從而造成加工制造成本更高[7]。

2 應急指揮車擴展艙當前的設計方法

應急指揮車擴展艙當前的設計方法基本上為手工計算設計法和歷史經驗設計法，手工計算法為采用力學原理簡化模型來進行擴展艙傳動機構的受力分析計算。經驗設計法則為在進行大量手工計算的前提下根據以往的類似經驗數據來進行估算。

2.1 手工計算設計法

手工計算設計法是中國第一代機械工程師門一直采用的方法，由于國內電子技術起步較晚，中國的第一代機械工程技術人員進行受力分析計算時采用的是最原始的手工繪圖和手工計算。首先，手工測量機械結構的實際尺寸并繪制出圖紙模型；接著，對機械結構圖紙模型進行簡化分析；然后，使用理論力學原理知識對機械結構進行計算得出選用機械結構的強度是否合理，如果不合理則更換選用的零部件材料、規(guī)格、安裝方式等；最后，根據計算結果確定最終的機械零部件選材和設計方案[8]。經過簡化后的機械結構模型的手工計算如圖4 所示。

圖4 經過簡化后的機械結構模型的手工計算

將擴展艙的質量簡化為一個重力點G，根據擴展艙的質量分布情況，將該重力施加在動軌端部，約占擴展艙行程的1/3 處。動軌和靜軌之間通過聚四氟乙烯滑塊進行力的傳遞和約束，可以簡化為2 個支撐力F1與支撐力F2。根據結構設計要求F1+F2＞G，擴展艙的重力G由建設過程中稱重測量得知，簡化模型的F1=F2，從而可以得出F1的數值。然后再根據撓度計算公式來計算所選擇的材料及規(guī)格的動軌在最大行程處的撓度值，查看該撓度值是否超出所選擇的材料及規(guī)格動軌懸臂梁的最大撓度值，如果超出材料的最大撓度值，則該材料不滿足設計需求，需更換其他材料類別或者其他規(guī)格的動軌材料，直至選擇到合適的動軌材料及規(guī)格為止[9]。

手工計算設計法的優(yōu)點是計算結果比較準確，經過機械設計工程師的逐步計算，反復驗證材料的類別和規(guī)格，這樣得出的結果相對比較準確，這也是年輕一代機械工程設計人員應該學習的刻苦鉆研精神。但是，手工計算設計法的缺點是計算需要花費大量的時間和精力，前期投入在設計方面的時間較多，增加了設計成本和時間成本，延長了擴展方艙的建設周期。

2.2 歷史經驗設計法

經過大量的設計過程并經過工程實踐驗證之后，如果遇到新的擴展艙設計可以采用類別分析法。在擴展艙體尺寸及載荷近似的情況下，可以直接采用以往的類似擴展方艙的動軌及靜軌數量和規(guī)格配置來進行新的擴展方艙的傳動機構設計制造，可以減少大量的設計及驗證工作。

歷史經驗設計法的優(yōu)點是可以減少大量的設計驗證工作，將以往的成熟經驗直接拿來用，這種情況可以解決95%以上的設計問題，不但可以節(jié)約常規(guī)擴展艙的設計時間，同時也可以騰出更多技術精力和時間進行已有產品的性能提升和新產品的創(chuàng)新設計。但是，歷史經驗設計法的缺點也是顯而易見的，在大量運用經驗設計法之后，隨著時間的推移，經驗法的誤差會越來越大，最終會導致在某一天經驗設計法偏差過大時出現技術失誤，最終導致事故的發(fā)生[10]。

3 應急指揮車擴展艙傳動機構的有限元分析

應急指揮車擴展艙傳動機構的設計方法主要包括手工計算設計法和歷史經驗設計法，這2 種方法各有優(yōu)缺點，在有類似項目時可以采用歷史經驗設計法，在遇到新的擴展艙傳動機構設計時可以采用手工計算設計法[11]。

隨著科技和電子計算技術的發(fā)展，現在可以采用有限元分析軟件更加快速便捷地對擴展艙體的動軌受力情況進行受力分析和變形分析。使用有限元分析軟件對機械結構設計進行分析，不但計算分析的速度快而且結果更為準確，極大地提高了機械設計人員的工作效率。

對擴展艙動軌和側拉平臺動軌進行三維建模，然后將三維模型導入有限元分析軟件，通過對擴展艙動軌和側拉平臺動軌的三維模型施加相應的載荷，以此來分析計算擴展艙動軌和側拉平臺動軌的受力情況和變形情況。與動軌材料的屈服極限應力和許用變形量相比較，如果沒有超過該值，則為合理；如果超過該值，則應更換導軌材料或者重新建模進行受力分析，直至選擇到合適的材料為止[12]。下面對應急指揮車擴展艙的動軌和應急指揮車側拉平臺的動軌進行有限元分析，分析結果如下。

3.1 對擴展艙動軌進行有限元分析

經計算，擴展艙質量為1 500 kg。在自重的基礎上，在擴展艙內部的外側加載質量1 200 kg，模擬16 名工作人員在其內部均勻站立的工況，對擴展艙體的動軌進行建模。建模完成后將擴展艙動軌的三維模型導入有限元分析軟件中，在合適位置施加載荷后對動軌進行受力分析和變形分析，經過有限元軟件分析后的擴展艙動軌的變形和受力情況分別如圖5和圖6 所示。

圖5 擴展艙動軌變形云圖

圖6 擴展艙動軌應力云圖

從圖中可以看到，擴展艙動軌端部的最大變形量為4.21 mm，滿足設計要求。動軌最大應力區(qū)的應力值為88.6 MPa，遠小于動軌材料的屈服極限應力（235 MPa），因此動軌材料的強度滿足設計要求。

3.2 對側拉平臺動軌的有限元分析

經計算，側拉平臺的質量為160 kg。在自重的基礎上，在側拉平臺外側加載質量750 kg，模擬10 名工作人員在其側拉平臺中心位置均勻站立的工況。通過三維設計軟件對側拉平臺動軌進行三維建模，建模完成后將側拉平臺動軌的三維模型導入有限元分析軟件，在合適位置施加載荷后對動軌進行受力分析和變形分析。經過有限元軟件分析后側拉平臺動軌的變形和受力如圖7 和圖8 所示。

圖7 側拉平臺導軌應變云圖

圖8 側拉平臺導軌應力云圖

從圖中可知，側拉平臺動軌端部最大變形量為8.56 mm，比較大。但是動軌最大應力區(qū)的應力值為108.5 MPa，遠小于動軌材料的屈服極限應力（235 MPa），安全系數為2.17，動軌的強度滿足技術設計要求。

4 結論

本文對應急指揮車擴展艙傳動機構的設計方法進行了對比分析，總結了應急指揮車擴展艙傳動機構滑動摩擦傳動和滾動摩擦傳動的優(yōu)缺點。提出了當下工作效率更高的有限元分析方式的設計方法，希望在工作中可以為廣大工程技術人員提供參考。