基于ANSYS辅助排障车托臂结构设计

葛槟源，张杰

（徐工集团工程机械有限公司道路机械分公司，江苏 徐州221004）

1 前言

道路排障车，又叫清障车、救援车，是近几十年来制造的一款用于道路清障的专用汽车，这种车在机场、码头、汽车修理行业及高速公路等部门大量使用，是为了让道路随时保持畅通而专门设计的。道路排障车能将事故车辆以及违规停靠的车辆迅速拖走，在保持道路畅通方面具有非常重要的作用。

托举装置是排障车的工作装置之一，负责托举、托牵工况下的作业，可迅速将事故车辆运离现场，保持路面通畅。在排障车的结构形式中，有托吊一体式和托吊分离式两种，这两种的托臂结构形式有很大的不同， 即使同一形式的排障车，托牵的形式也不尽相同。本文介绍一种三节臂式托臂的结构，用于托吊分离式的排障车。

2 托举装置结构介绍

2.1 结构形式

本文的排障车的托举机构由一节可上下升降臂、三节可伸缩折叠臂和油缸等组成（见图1）。整个托臂由油缸控制升降臂上下运动，三节伸缩折叠臂相对升降臂可折叠和伸缩，在各种工况下灵活调节，满足使用者的需要。 升降臂通过升降油缸和副车架上的滑轨连接，垂直伸缩油缸用于连接升降臂和基本臂， 实现托臂的收起与放下。在需要托臂工作时，升降油缸伸长、垂直伸缩缸收缩，然后各水平伸缩缸伸长以使托臂进入工作状态。

图1 托臂基本结构

2.2 结构分析

升降臂的主体部分由左右两槽焊接而成，并单独增加一块加强板以确保升降臂的强度符合使用要求。 油缸支座并不直接与升降臂焊接，在升降臂和油缸连接处的位置增加了左右两块封板，能够延长使用寿命，减少变形。基本臂通过销轴与升降臂连接（见图2），基本臂为第一节可伸缩臂，由两块侧板、上板和底板拼焊成箱体结构，在底板和上板的侧面焊有加强板。基本臂上设有一处踏板， 供操作人员在托举或托牵过程中踩踏。 二节臂的四周均有加强板，其左右两侧与上部使用一块钢板折弯而成，形成槽钢结构，再与底板焊接， 槽钢的受力相较于三块钢板拼焊，具有更好的结构强度与抗变形能力，二节臂的大跨度结构也符合槽钢的使用条件。拼焊对于焊接的要求较高，焊缝必须均匀且熔深足够，而槽钢本身材质均匀，能够更好地承受荷载。 从成本上来讲，槽钢的工序与工时也比拼焊低。同样的，三节臂也采用槽钢加底板的模式，但是在其端部轴座连接处，采用加强板与增加焊道两种方式进行强度改进，由于轴座是受力较大的关键部位，其加强板与槽钢连接处增焊两块弯板用于结构稳定。由于槽钢与轴座连接处尺寸变化，此处加强板采用折弯而成（见图3），能够在提高结构强度的同时保证托臂外形的美观。

图2 基本臂

图3 槽钢与轴座连接处加强板

加强板处受力情况见图4、图5，可以看出在有加强板之后，应力减小的效果明显。

图4 无加强板应力分析

图5 有加强板应力分析

托臂最外侧的十字臂是主要受力部位（见图1），其上下支承均采用厚板+加强板结构，能够在托举和托牵工况中发挥材料性能，提高工作安全性和稳定性。

3 应力分析

设计完成之后， 运用ANSYS 对各个臂的受力进行网格划分和应力分析，得出应力和变形最大的地方，再分析是否需要改进结构。 由于托臂为焊接结构件， 故网格划分时 ‘connectionscontacts’选择‘bonded’，默认自由网格划分。由于托臂采用Q460 材料焊接加工而成， 而ANSYS默认材料为结构钢，此二者之间的材料属性及参数存在一定的差异， 故先添加Q460 的材料属性，见图6。

图6 添加Q460 材料属性

再根据设计参数， 将相应的力加到受力点上，得出分析结果。为了便于计算，对受力状态进行简化， 假设被拖车辆的质量是均匀分布的，将车体重量简化到套在十字臂的托举辅助工具上，而辅助工具相对十字臂中心是完全对称的。这样处理的托臂不会出现因车体自身重量不均而发生扭转。 计算过程不考虑液压缸和液压油的质量。

十字臂和升降臂为受力关键部位，图7 为分析十字臂时的网格划分及分析结果图，可以看出应力的最大值为80 MPa， 远远低于材料的许用应力值，可以排除使用过程中的危险因素。 变形最大处为拖杆与十字臂的连接处，其变形量也在可接受的范围内，由此可知十字臂的设计符合车辆的参数指标及安全要求。

图7 十字臂ANSYS 分析

图8 为升降臂的网格划分及分析结果图，其中应力集中在升降油缸铰接点和升降臂与基本臂的连接处，应力最大值为296 MPa，而Q460 的许用应力为306 MPa （在安全系数取1.5 的情况下）， 因而升降臂的使用过程中材料处于安全使用范围之内。

图8 升降臂ANSYS 分析

4 固有频率分析

排障车在行驶过程中由于路面不平、小型障碍物等会引起车辆振动， 在反复振动的影响下，对其结构件的损伤不容忽视。现将托臂的结构导入ANSYSworkbench 中进行modal 分析，取其前三阶固有频率（见图9）。

图9 托臂结构固有频率分析结果

由于沥青路面或水泥路面涉及到很多物理和力学参数， 加之汽车又是多自由度复杂系统，分析汽车行驶时的振动是一个极其复杂的问题，目前针对该问题的研究多采用理论分析和数值模拟的方法。 经查，汽车在行驶时的振动频率分布为：竖直方向0.2-8 Hz，水平方向1-2 Hz。 托臂结构的固有频率低于行驶过程中的振动频率，振动对结构的影响可忽略不计。

排障车在实施托举、托牵作业时，由于发动机运行及路面不平会引起排障车及被拖故障车震动，托臂受到附加动载荷，使托举油缸受到不断变化的外力作用，而且冲击力很大。 液压缸在冲击力作用下， 瞬时高压值是静态压力的5～10倍。 引起托架振动的主要振源是路面激励，托架工作时相当于一个悬臂梁，上、下的弯曲疲劳破坏是其主要的失效形式。托臂总成由一节可上下滑动臂和三节可伸缩折叠臂组成。 其中，滑动臂为几何变断面焊接结构，三节可伸缩折叠臂均为矩形箱形焊接结构，整个托臂由油缸通过滑动臂上下运动，运动行程650 mm，三节伸缩折叠臂相对滑动臂可折叠和伸缩， 折叠角度为-5°～+91°，伸缩行程1640 mm，由油缸实现伸缩。 托臂均采用Q460 高强钢制造，在应力集中区域进行局部加强处理，（见图10）。

图10 Q460 对于基本臂加强板的布置之一

5 结论

国内排障车在二类商用底盘上改装而成，对底盘改动较小。 连杆式提升结构、副臂式提升机构因对底盘的改动相对较小，相应的液压部分易于布置和维护，应用比较广泛。

运用ANSYS 软件对托臂的结构进行分析，托臂的结构受力情况良好，应力在可接受范围之内。

此种结构形式已在三款排障车中成熟运用，并在实验中表现良好。