平板清障車(chē)頂部拖車(chē)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳貴智 李銘 曹宏濤 姜偉

陜西汽車(chē)控股集團(tuán)有限公司 陜西西安 710200

1 引言

道路清障車(chē)在我國(guó)只有短短十幾年的發(fā)展歷程，然而卻隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，車(chē)輛保有量的不斷上升，公路特別是高速公路的快速延伸，道路清障車(chē)的銷(xiāo)量逐年上升。到目前為止，國(guó)內(nèi)道路清障車(chē)已開(kāi)發(fā)出托吊分離型、托吊聯(lián)體型、平板背拖型三大系列，清障噸位已覆蓋了微型至超重型的全系列車(chē)型。

市場(chǎng)占有率最多的清障車(chē)型為平板背拖型，該類(lèi)車(chē)型是通過(guò)牽引或吊舉車(chē)輛至平板上進(jìn)行背載運(yùn)輸，同時(shí)還能進(jìn)行拖載運(yùn)輸。該型車(chē)的最大特點(diǎn)：一車(chē)拖二，同時(shí)可以將兩輛小型故障車(chē)拖離現(xiàn)場(chǎng)，運(yùn)行效率較高。如果對(duì)該車(chē)型進(jìn)行改進(jìn)，改為一車(chē)拖三，即在現(xiàn)有一拖二基礎(chǔ)上，在駕駛室頂部設(shè)計(jì)一個(gè)車(chē)輛裝載平臺(tái)，則可大幅提高車(chē)輛使用效率，降低運(yùn)行成本；并且該車(chē)型總質(zhì)量小，操作方便，運(yùn)行效率高，可以更好地適應(yīng)日益繁忙的高速公路運(yùn)行的需要。

這種新型一拖三平板清障車(chē)是在消化吸收國(guó)外產(chǎn)品先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，自主創(chuàng)新研發(fā)的全新結(jié)構(gòu)（如圖1）。

2 駕駛室頂部承載式拖車(chē)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

駕駛室頂部承載式平板機(jī)構(gòu)由平板支撐架、頂部拖車(chē)平板、液壓絞盤(pán)、旋轉(zhuǎn)銷(xiāo)軸、平板液壓舉升系統(tǒng)、頂部拖車(chē)平板鎖止機(jī)構(gòu)和輪胎固定裝置組成。頂部拖車(chē)平板安裝后靠近車(chē)頭的一端為前端。液壓絞盤(pán)安裝在平板前端中部，平板支撐架前端通過(guò)托架連接在底盤(pán)大梁前端，平板支撐架后端通過(guò)螺栓連接在底盤(pán)大梁上平面，頂部拖車(chē)平板后端通過(guò)活動(dòng)的旋轉(zhuǎn)銷(xiāo)軸連接在平板支撐架后端上部，舉升油缸兩端分別連接平板支撐架前端下部和頂部拖車(chē)平板前端（如圖2）。該產(chǎn)品在底盤(pán)選型時(shí)，選擇底盤(pán)高度不高于2 050 mm，保證整車(chē)空載高度不高于2 450 mm，當(dāng)頂部拖車(chē)平臺(tái)裝載后滿(mǎn)載高度不高于4 000 mm。

2.1 頂部拖車(chē)平板設(shè)計(jì)

頂部拖車(chē)平板主體材料采用高強(qiáng)度整體式花紋板，平板中間縱梁、兩側(cè)邊梁、前端橫梁及平板下面橫梁皆采用矩形管材料。拖車(chē)平板主體、中間橫梁、邊梁、前端橫梁和平板下面橫梁采用焊接方式組裝在一起?；y板上面設(shè)計(jì)輪胎固定裝置和輪胎限位裝置，平臺(tái)前端安裝液壓絞盤(pán)，前面下側(cè)兩端設(shè)計(jì)油缸安裝座，后面下側(cè)兩端設(shè)計(jì)頂部拖車(chē)平板翻轉(zhuǎn)座。平臺(tái)兩側(cè)前端設(shè)計(jì)成可折疊式爬梯，操作人員通過(guò)爬梯對(duì)頂部拖車(chē)平臺(tái)上的被拖車(chē)輛進(jìn)行固定。

2.1.1 輪胎固定裝置

輪胎固定裝置（如圖3）包括固定座和固定環(huán)，固定環(huán)先穿在固定座內(nèi)，再把固定座焊接在頂部平板兩側(cè)邊梁和平板相接處，相鄰兩個(gè)輪胎固定裝置間隔500 mm，固定環(huán)可繞固定座自由轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)被拖載的車(chē)輛裝載到頂部平板上后，則可把被拖載車(chē)輛的輪胎通過(guò)扎帶固定在相應(yīng)輪胎固定裝置上，確保被拖載車(chē)輛在運(yùn)輸過(guò)程中固定安全牢固。

2.1.2 輪胎限位裝置

輪胎限位裝置（如圖4）是由花紋鋼板折彎成截面為三角形的限位塊，用螺栓固定拴接在頂部拖車(chē)平板上，其作用在于當(dāng)液壓絞盤(pán)牽引被拖車(chē)輛至頂部平板后對(duì)前部輪胎位置進(jìn)行限制，防止車(chē)輛拖過(guò)安全位置造成掉落危險(xiǎn)。

2.2 平板支撐架設(shè)計(jì)

平板支撐架（如圖5）由豎支撐、橫支撐、前橫梁、油缸支座、平板旋轉(zhuǎn)支座等零件焊接組成。平板支撐架的豎支撐、橫支撐、前橫梁等主要結(jié)構(gòu)件采用矩形管材料，其中油缸支座焊接在前豎支撐上，平板翻轉(zhuǎn)支座焊接在后豎支撐上端兩側(cè)。支撐架前下端通過(guò)托架與底盤(pán)大梁用螺栓連接，支撐架后端通過(guò)螺栓連接在底盤(pán)大梁上平面?？蚣芮岸讼聜?cè)設(shè)計(jì)底部油缸旋轉(zhuǎn)座，后端上側(cè)設(shè)計(jì)平板翻轉(zhuǎn)座。前橫梁位置在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確保前橫梁既不會(huì)與駕駛室翻轉(zhuǎn)發(fā)生干涉，也不能與平板舉升油缸發(fā)生干涉，因此在設(shè)計(jì)時(shí)須進(jìn)行三維模擬，以便精確定位前橫梁位置。

2.3 液壓操縱系統(tǒng)

液壓操縱系統(tǒng)主要由液壓泵，液壓油缸（如圖6），液壓管路，液壓控制閥等部件組成。為保證兩側(cè)液壓油缸工作同步，液壓管路系統(tǒng)配置有同步閥，為確保平板舉起之后位置精確，在平板支撐架后端設(shè)置了平板限位裝置。液壓控制閥與主平板控制閥同為多路換向閥，布置在車(chē)輛后端兩側(cè)。圖7為一拖三清障車(chē)的整車(chē)液壓原理圖。

3 一拖三平板清障車(chē)頂部拖車(chē)平板工作原理

駕駛室頂部拖車(chē)平臺(tái)工作時(shí)，翻轉(zhuǎn)油缸伸長(zhǎng)，平臺(tái)沿翻轉(zhuǎn)座旋轉(zhuǎn)，平臺(tái)旋轉(zhuǎn)到一定角度，同時(shí)主拖車(chē)平板在舉升油缸作用下旋轉(zhuǎn)同樣角度與頂部拖車(chē)平臺(tái)相接，組成一個(gè)斜面，再由主拖車(chē)平板的平推油缸把主拖車(chē)平板推至與地面接觸，由頂部平臺(tái)的液壓絞盤(pán)把被拖車(chē)輛拽至主拖車(chē)平板上，平推油缸收回使主拖車(chē)平板與頂部拖車(chē)平臺(tái)相接，此時(shí)頂部平臺(tái)液壓絞盤(pán)的牽引速度與主拖車(chē)平推油缸收回速度一致，保證被拖車(chē)輛和主拖車(chē)平板同時(shí)運(yùn)動(dòng)。之后再由頂部拖車(chē)平臺(tái)液壓絞盤(pán)把被拖車(chē)輛拽至頂部拖車(chē)平臺(tái)，收回頂部旋轉(zhuǎn)油缸，固定被拖車(chē)輛，頂部平臺(tái)拖車(chē)工作完成（如圖8）。

4 頂部拖車(chē)平板總成有限元分析

頂部拖車(chē)平板總成是在現(xiàn)有的一拖二平板清障車(chē)基礎(chǔ)上新增加的拖車(chē)裝置，且頂部拖車(chē)平板總成在裝載拖車(chē)之后載荷量較大，因此頂部拖車(chē)平板總成的安全性非常重要，需要對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，強(qiáng)度剛度符合要求。

使用主流前處理軟件HyperMesh對(duì)頂部平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，單元尺寸10 mm，單元數(shù)量26.2萬(wàn)個(gè)，平臺(tái)自重0.89 t（不含液壓系統(tǒng)），載荷1.5 t（乘用轎車(chē)）。分析工況含高速公路或城市道路兩種工況，其中高速公路工況動(dòng)載系數(shù)取2.0，城市道路工況動(dòng)載系數(shù)取1.5。

材料包括Q345和45號(hào)鋼（調(diào)質(zhì)處理）兩種，其中銷(xiāo)軸為45號(hào)鋼（調(diào)質(zhì)處理），其余部件均為Q345。相關(guān)材料具體屬性見(jiàn)表1。

表1 Q345和45號(hào)鋼材料屬性表

網(wǎng)格劃分完成之后，設(shè)置材料屬性，然后施加相關(guān)載荷和約束。載荷包括平臺(tái)自重和被拖移車(chē)輛的載荷。其中自重載荷通過(guò)重力場(chǎng)的方式施加（9.8 m/s2）。被拖移車(chē)輛載荷通過(guò)RBE3單元來(lái)施加，使用RBE3單元而非剛性的RBE2單元的優(yōu)點(diǎn)是使用該單元并不會(huì)給平臺(tái)結(jié)構(gòu)帶來(lái)附加剛度，分析結(jié)果會(huì)更加真實(shí)和準(zhǔn)確。約束按實(shí)際約束來(lái)施加，右后立柱約束xyz自由度，左后立柱約束xz自由度，右前立柱約束yz自由度，左前立柱約束z自由度，確保整個(gè)結(jié)構(gòu)不會(huì)過(guò)約束。過(guò)約束也會(huì)引起附加剛度，導(dǎo)致分析的變形及應(yīng)力結(jié)果整體偏向保守。

載荷和約束設(shè)置好之后，提交給Optistruct求解器進(jìn)行有限元分析。Optistruct求解器是一款著名的有限元分析和優(yōu)化求解器，擁有很強(qiáng)的求解能力和精度。求解完成后得到的變形云圖和應(yīng)力分布云圖如圖10～13。

從圖10~13所示的分析結(jié)果可以看出，在高速公路或城市道路兩種工況下，結(jié)構(gòu)的最大變形量為9.3 mm，未發(fā)生肉眼明顯可見(jiàn)的變形。結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值為344 MPa，仍小于材料Q345的屈服強(qiáng)度345 MPa。分析結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度均能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

該清障車(chē)頂部拖車(chē)平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)合理，與汽車(chē)底盤(pán)連接可靠。頂部拖車(chē)平板能夠在油缸驅(qū)動(dòng)下翻轉(zhuǎn)并與主拖車(chē)平板相接，從而實(shí)現(xiàn)頂部拖車(chē)平板的車(chē)輛裝載功能。頂部平板設(shè)置了輪胎限位裝置和輪胎固定裝置，能有效保證頂部拖車(chē)平板裝載車(chē)輛的安全性。對(duì)整個(gè)頂部拖車(chē)平臺(tái)進(jìn)行了CAE分析和優(yōu)化，保證了整個(gè)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和安全性。該平板清障車(chē)頂部拖車(chē)平臺(tái)的設(shè)計(jì)能有效提高現(xiàn)有平板清障車(chē)的清障裝載能力，提高單次作業(yè)效率，降低能源消耗和運(yùn)營(yíng)成本。