自卸车后开门机构强度校核

徐国红 王旭 韩月琴

驻马店中集华骏车辆有限公司 河南驻马店 463000

1 前言

目前，市场上最为常见的自卸车后开门机构为铁链式开门机构。在日常使用中，用户反馈后开门机构的下固定座U型叉销轴经常损坏。为找出损坏原因，笔者对开门机构进行了分析。开门机构作为自卸车卸货时频繁启闭的部件，U型叉销轴强度的满足与否将直接影响到整车的运行安全和运营效率，而在U型叉销轴的设计中，最繁琐的工作就是计算出在后门开启之前，该销轴所受的来自铁链对其施加的最大拉力。为求铁链拉力必须先求出箱内货物施加于货箱后门上的对锁钩的最大推力。由于箱内货物施加于货箱后门上的推力在后门开启之前随货箱举升角而变化，加之铁链为柔性连接，所以常规的力学求解方法很难计算出铁链的拉力。下面对自卸车开门机构的工作过程进行研究分析，找出U型叉销轴受力最大的位置时刻，然后运用三维软件Creo的Mechanism机构模块拓扑计算的方法分析求解出此力，据此进入Simulate有限元分析模块完成对U型叉销轴的强度校核，旨在为自卸车铁链开门机构的设计及校核提供一种方法和理论依据。

2 铁链开门机构的基本组成及其工作原理

自卸车铁链开门机构是指实现自卸车后门启闭的一种装置[1]，因其相较杆式开门机构（如图1所示）而言具有安装方便、启闭灵活、不易损坏的特点，故而被越来越多的用户选用。一般而言，自卸车较为常见的铁链开门机构由上固定座、锁钩、铁链、U型叉、销轴、下固定座总成等组成，如图2所示。自卸车后门必须开启灵活，回位精确，锁紧可靠，才能保障自卸车的正常使用。

图1 重力启闭杆式锁紧结构

图2 重力启闭链式锁紧结构

3 后门受力过程分析及求解

以装载某货物的自卸车为例，对其从开始举升至开门机构锁钩脱离后门，后门完全打开的过程进行分析，从而找出后门受力最大的时刻点，然后据此计算出后门所受的最大力，为下文铁链开门机构U型叉销轴的强度校核提供前提。

3.1 后门受力过程分析

当货箱满载且尚未举升时，箱内货物介质受自身安息角的影响，在货箱尾部的货物有呈楔块形状向下滑动的趋势，后门受到来自该楔块体的下滑推力；当货箱开始举升且后门尚未打开时，随着举升角度的增加该楔块体积逐渐变大，后门所受的推力也逐渐增大，直至后门完全打开，货物脱落，后门所受推力骤变为0；由此可知，当货箱举升至临界开门时，后门所受到的来自箱内货物的推力最大。

3.2 后门所受最大力求解

设定货箱举升至5°时后门完全打开，也即后门在货箱举升至5°时受到来自箱内货物的推力最大。并设定货箱内控宽度D=2.3 m，内控高度H=1.5 m，箱内货物介质为干沙；依据克列因在其所著的《散体结构力学》一书中对有关介质的实验数据的介绍，经查表可知干沙散体介质结构力学参数如表1所示，此处取干沙重力密度γ=16 kN/m3，内摩擦角ψ=32°，外摩擦角δ=29°，粘性系数C=0。

表1 干沙介质结构力学参数

由于安息角的影响，货箱尾部具有下滑趋势的货物和保持静止无下滑趋势的货物之间会形成破裂下滑线如图3所示。当货箱举升5°时，箱内破裂下滑线BC右侧的货物因底架对其的外摩擦角远大于货箱举升角度，所以BC线右侧的货物会保持平衡无下滑趋势。由此可知，箱内货物在自身安息角作用下具有下滑趋势，真正对后门施加推力的为图示破裂下滑线BC左侧的干沙楔块体；该楔块体在自身重力W、后板阻推力P，及BC线右侧货物支撑力R的共同作用下处于极限平衡状态，其受力分析如图3所示。由图示可知，后厢倾斜角与干沙坡角以及货箱举升角三者相等，也即α=β=5°。

图3 受力分析

依据上述分析结合库仑土压力理论[2]进一步可知，干沙楔块体在W、P、R三个力的共同作用下处于静止极限平衡状态，三个力合围成力的三角形闭合环，如图4所示，由正弦定理可得：

图4 受力矢量图

其中：ψ=90°-δ-α。

在三角形ΔABC中，由正弦定理可知：

三角形ΔADB中，由正弦定理可知：

于是，干沙楔块体质量进一步可表示为：

将式（2）代入式（3） 可得：

由上述假设及推理可知，因式中只有θ未知，故E随θ变化而变化，当E最大时，干沙楔块体ΔABC开始沿破裂下滑面BC向后门后下方破裂下滑。

为求Pmax，令，进而求得破裂滑动角θ，并代入式(3)，从而得出：

代入已知数据，可得Pa=5.63 kN/m，其力矩分布及合力矩作用点如图5所示[3]。

图5 推力分布及合力作用点

4 简化模型建立及U型叉销轴径向力求解

后门除受到上述干沙楔块体对其施加的推力外，还受到开门机构锁钩的锁紧力，以及货箱后上端挂钩的拉力。为求出开门机构铁链对U型叉销轴的拉力，必须先求出开门机构锁钩对后门的锁紧力，故必须先求出挂钩对后门的拉力，但是挂钩对后门拉力的大小及方向均难以确定，求解过程较为麻烦。以下运用三维软件Creo软件的Mchanism机构分析模块避开挂钩拉力及开门机构锁钩的锁紧力，直接对U型叉销轴所受的拉力进行计算求解。

4.1 简化模型建立

运用三维软件Creo建立自卸车后开门机构的力学分析简化模型如图6所示，各部件之间按照生产实际组装关系装配在一起。

图6 力学简化模型

4.2 销轴径向力求解

进入三维软件Creo的Mechanism机构分析模块，于后门1/3高度处施加干沙楔块体的推力，如图7所示。由上述分析可知，干沙楔块体在货箱举升至5°时处于极限平衡状态，于此建立力平衡状态分析并运行计算，然后建立U型叉销轴径向反作用力相对于后门推力的测量，求得U型叉销轴所受径向力为24973 N,如图8所示。

图7 楔体块对后门推力作用点

图8 U型卡销轴径向力测量

5 强度校核

5.1 销轴属性设定

在后铁链开门机构中铁链与U型叉及其销轴的装配关系如图9所示。取销轴直径为市场上最为常见的Ø16 mm，并设定销轴允许最大极限变形位移量不得超过0.05 mm，销轴详细的材料属性如表2所示[4]。

图9 U型卡销轴装配

表2 材料属性

5.2 有限元静态位移分析

应用三维软件Creo建立铁链开门机构的U型叉销轴模型，然后进入Creo Simulate有限元分析模块，由图9可知销轴两端与U型叉之间，以及销轴中间与下固定座丝杆之间的装配关系均为面接触，据此将上述求解的力F施加在销轴相应的面上[5]。运行分析结果如图10所示，可知U型叉销轴最大变形位移为0.035 mm，小于设定最大允许变形位移0.05 mm，可见满足设计要求。

6 结语

铁链开门机构作为自卸车启闭开门的重要部件，其结构还有待很多改进和优化之处。本文通过对自卸车举升卸货过程进行分析，进而根据库仑土压力理论计算出货箱后端具有下滑趋势的干沙楔块体对后门的推力，然后用三维软件Creo的Mechanism机构模块自动拓扑计算出U型叉销轴所受的最大拉力，并据此对U型叉销轴进行有限元强度校核，为自卸车铁链开门机构的设计及校核提供了一种新的方法和理论依据。