硬顶环保自卸车顶盖举升机构的两种校核方法

王旭 朱爱平 韩月琴

摘 要：对硬顶环保自卸车的顶盖举升过程进行了分析，据此设定顶盖的举升机构参数，然后分别运用CAD作图分析法和Creo Mechanism机构求解法对顶盖的举升机构进行校核，并对两种方法进行总结对比，旨在为硬顶环保自卸车举升机构的设计者提供更多的校核方法和理论依据。

关键词：硬顶环保 自卸车 顶盖 举升机构 校核

1前言

自卸车作为中短途运输的主力，在工程建设中扮演着越来越重要的角色。近年来，随着国家对雾霾天气问题的高度重视，各地政府部门相继出台规定，特别要求从事城市基建运输的自卸汽车必须安装符合一定要求的密闭顶盖。

一时间各种顶盖应运而生，随着市场及时间的检验，顶盖形式也从最初的轨道软质伸缩式，逐渐演变为现在更为实用的摆臂硬质拱顶式。目前，摆臂硬质顶盖环保自卸车已逐渐被用户广泛接受。但是，摆臂硬质顶盖环保自卸车在实际使用中存在着诸多问题，如顶盖油缸举升力不够，顶盖运行速度慢，油缸漏油、损坏等现象时有发生。本文就目前市场上最为常见的顶盖举升机构的铰接关系和布置方式，分别采用常规CAD作图以及Creo Mechanism三维机构分析两种方法对其强度进行分析校核，旨在为摆臂硬质顶盖环保自卸车顶盖举升机构的设计提供更多的校核方法和理论依据。

2 举升过程分析

首先，按照箱体、顶盖、摆臂，以及驱动油缸的实车生产装配关系，绘制出顶盖驱动油缸的上轴点围绕后摆臂下轴点的运行轨迹，作出顶盖在运行过程中驱动油缸的举升力矩变化图，如图1所示。由图1可知，顶盖在回落至最后完全闭合状态下且刚要举升时，以及顶盖在举升至最前完全打開状态下且刚要回落时，这两种状态下油缸的力矩最小;又因顶盖举升状态下，油缸下腔供油，顶盖回落状态下，油缸上腔供油，所以油缸上腔在顶盖举升至最前完全打开状态下且刚回落时受力最大、油缸下腔在顶盖回落至最后完全闭合状态下且刚要举升时受力最大。所以，摆臂硬质顶盖环保自卸车举升机构的强度校核，只需对此两种状态下的油缸进行校核分析即可。以下将分别采用常规CAD作图以及Creo Mechanism三维机构两种分析方法对其进行强度分析校核。

3 分析参数设定

为方便后续分析校核，此处设定摆臂硬质顶盖环保自卸车的举升机构参数如下：顶盖自重G₁=520 kg，前摆臂自重G₂=80kg，后摆臂自重G3-70 kg，重力模量G=10 N/kg，N₁=2 550 mm，N₂=2 165 mm，N₃=650 mm。油缸规格：缸径ψ63、杆径ψ45，额定压力30 MPa。设定油缸运行平稳匀速。顶盖及举升机构各部件铰接关系及位置示意如图2所示。

4 常规CAD作图力学分析

基于上述对举升过程分析的两种状态，以下运用CAD作图[1]结合力学原理分别对整体举升机构、前摆臂以及后摆臂进行力学作图分析。

4.1 顶盖刚举升状态

顶盖完全闭合且刚举升状态下，以后摆臂上轴为支点对顶盖进行受力分析，如图3所示，由力矩平衡原理[2]可知：

1/2G₁=F_1y+f_1'y

F_1x=f_1'x

1/2G₁L₁=f_1'yL₂

经CAD测量：L₁=2 120 mm，L₂=2 550 mm。代入上述设定的已知分析参数，由上式综合可得：F_1y=44 kg，f_1'y=216 kg。

以前摆臂下轴为支点对前摆臂进行受力分析，如图4所示，由力矩平衡原理可知：

G₂2L₃+F_1'yL₄= F_1'xL₅

经CAD测量：L₃=1 472 mm，L₄=2 944 mm，L₅=1 595 mm。代入上述设定的已知分析参数，由上式综合可得：F_1x=F_1'x=473kg。

以后摆臂下轴为支点对厚摆臂进行受力分析，如图5所示，由力矩平衡原理可知：

G₃3L₆+F_1yL₇+F_1xL₈= F₃L₉

经CAD测量：L₆=1 472 mm，L₇=2 944 mm，L₈=1 595 mm，L₉=361 mm。代入上述设定的已知分析参数，由上式综合可得：F₃3=33 154N。

也即，顶盖在回落至最后完全闭合状态下且刚要举升时，油缸下腔供油，油缸举升力为2 734 kg。

由：P-F/S;S=πr²/2，代入上述已知数据及参数，求得P₁=21.3 MPa，小于油缸额定压力30 MPa，满足设计要求。

4.2顶盖刚回收状态

顶盖完全开启举升至最前端，且刚要回收时，以后摆臂上轴为支点对顶盖进行受力分析，如图6所示，由力矩平衡原理可知：

1/2G₁=F_2y+f_2'y

F_2x=f_2'x

1/2G₁L₂=f_2'yL₂

经CAD测量，L₁=2 120 mm，L₂550 mm，代入上述设定的已知分析参数，由上式综合可得：F_2y=44 kg，F_2'y=216 kg。

以前摆臂下轴为支点对前摆臂进行受力分析，如图7所示，由力矩平衡原理可知：

G₂L₁₀+F_2'yL₁₁=F_2'x2L₁₂

经CAD测量：L₁₀=1 333 mm，L₁₁=2 666 mm，L₁₂=2 025 mm。代入上述设定的已知分析参数，由上式综合可得：F_2x=f_2'x=337kg。

以后摆臂下轴为支点对厚摆臂进行受力分析，如图8所示，由力矩平衡原理可知：

G₃L₁₃+F_2yL₁₄+F_2xL₁₅=F₄L₁₆

经CAD测量：L₁₃=1 333 mm，L₁₄=2 666 mm，L₁₄=2 025 mm.L₁₆=391 mm。代入上述设定的已知分析参数，由上式综合可得：F₄=22 840N。

也即，顶盖在举升至最前完全打开状态下且刚要回落时，油缸下腔供油，油缸举升力为2 734 kg。

由P=F/S;S=πr²/2，代入上述已知数据及参数，求得P₂=28.7MPa，小于油缸额定压力30 MPa，满足设计要求。

5 Creo Mechanism机构求解

Creo Mechanism是一个运动学模拟附加组件，用于计算机构中的力以了解3D虚拟原型在现实装配中的运行方式。

5.1简化模型建立

运用三维软件Creo建立力学分析简化模型[3]，并将箱体、顶盖、摆臂，以及驱动油缸各部件之间按照图1所示的装配铰接关系装配在一起，如图9所示。

5.2力矩分析

如图9所示，建立C点至E点力矩长度D，相对于顶盖举升油缸上轴点A至下轴点B长度L的行程变化范围的分析函数，其力矩变化函数曲线如图10所示，由图易知油缸在顶盖回落至最后完全闭合状态下且刚要举升时，以及顶盖举升至最前完全打开状态下且刚要回落时，油缸的举升力矩最小，且顶盖完全打开刚回收时的油缸力矩大于顶盖完全闭合刚举升时的油缸力矩;由此说明此两种状态下油缸的举升力最大，且顶盖完全打开刚回收时的油缸拉力大于顶盖完全闭合刚举升时的油缸推力。

5.3油缸受力求解

进入Mechanism模块，依据上述设定的已知分析参数添加约束及各自属性载荷，并设置重力模量G=9.8 N/kg，将简化模型分别设置在顶盖在完全闭合回落至最后端，以及顶盖完全打开举升至最前端两种状态，运行机构分析，如图11所示求得，顶盖完全闭合刚举升状态时的油缸反作用连接轴向力为F_3'=33181.51 N。

如图13所示求得顶盖完全打开刚回收状态时的油缸反作用连接軸向力为F_4'=22836.75 N。

由P=F/S; S=πr²/2，代入上述已求得的数据以及已设定的已知分析参数，求得P_1'=21.3 MPa，P_2'=28.7 MPa，均小于油缸额定压力30 MPa，满足设计要求。

此外，建立油缸举升力F相目对油缸上下轴点长度L的运行关系，还可得出油缸受力相对油缸举升长度的变化曲线，如图13所示。

6 对比分析

通过上述对摆臂硬质顶盖环保自卸车举升机构油缸的强度校核可知，常规CAD作图力学分析以及Creo Mechanism机构求解这两种方法均能求出油缸上下腔所受压强的大小。然而，两种计算方法的快捷程度显而易见.Creo Mechanism机构求解法较CAD作图力学分析法的求解过程更为简便，其过程完全由软件自动运行分析计算，运算结果精确度更高而且能够得到直观的油缸力矩变化图以及举升力F的变化图。常规CAD作图法虽也能计算出结果，但是其求解过程太过繁杂，其间需要经过大量的作图以及力学计算，加之CAD软件线条图形采用近似矢量逼近方法作图[4]，其误差较大，这也是两种计算结果存在些许偏差的原因。

7 结语

本文就目前市场上摆臂硬质顶盖环保自卸车最为常见的顶盖举升机构的铰接关系和布置方式，分别采用常规CAD作图以及Creo Mechanism=维机构分析两种对其进行强度分析校核，并对两种求解方法的求解过程以及求解结果进行分析总结，分析结果表明，Creo Mechanism机构求解法在机构强度分析和校核中，求解更为简便，计算结果精确度更高。

参考文献

[1]赵大兴.工程制图[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2]孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理[M].北京：高等教育出版社，2013.

[3]詹友刚.Creo1.0机械设计教程[M].北京：机械工业出版社，2012.

[4]刘极峰.计算机辅助设计与制造[M].北京：高等教育出版社，2004.