某应急排水抢险车臂架结构设计与分析

李刚元，魏广娟，陈海敏

（1.徐州工程机械集团有限公司，江苏 徐州 221004；2.江苏徐工工程机械研究院有限公司，江苏 徐州 221004；3.徐工集团高端工程机械智能制造国家重点实验室，江苏 徐州 221004）

0 引言

近年来随着社会经济的快速发展，洪涝灾害爆发的频率呈上升趋势，洪涝灾害造成的巨大损失不仅威胁到区域经济的和谐发展，还关系到国家安全与社会稳定。据统计1990 年至今，我国平均每年因洪涝灾害导致的经济损失约为1100 亿元[1-2]，洪涝灾害已经成为我国社会经济可持续发展的重要制约因素之一。针对城市道路、涵洞、立交桥、下穿桥及隧道等低矮空间的洪涝排水救援，某公司开发了一款应急抢险排水车，其结构如图1 所示。该车底盘选用三桥通用底盘，上车主要由臂架、安全防护、排水水泵等部件组成，排水水泵采用大流量、高扬程液压驱动潜水泵，排水水泵安装固定在臂架前端位置，通过臂架结构的伸缩、变幅运动将水泵运送至低洼积水位置进行排水作业。

图1 某应急排水抢险车结构示意图

以该公司应急排水抢险车臂架为研究对象，在研究和了解其工作原理的基础上，运用臂架三维模型建立有限元模型，结合臂架垂直排水和倾斜远距离排水2 种典型极限作业工况[3]，综合臂架前端排水水泵的排水流量、流速、水重量等参数影响，对臂架结构进行静力学仿真分析，最后根据结构强度理论、刚度理论和仿真结果，分析验证所述应急排水抢险车臂架结构的结构强度、刚度可靠性。

1 臂架结构工作原理及模型建立

1.1 臂架结构设计及工作原理

根据臂架功能要求，某应急排水抢险车臂架结构设计采用伸缩式结构，以增加应急排水抢险车排水作业范围，所述臂架主要由变幅机构、连接杆、臂架基座、外管支座、内管支座、排水硬管、液压油缸等组成。其中臂架基座由宽翼缘H 型钢和部分型钢焊接而成；变幅机构、连接杆有板材折弯焊接而成，呈左右对称结构；外管支架、内管支架由矩形钢管焊接而成；其中内管支架嵌套安装在外管支架中，可相对外管支架进行伸缩滑移，内管一端固定在内管支架上，另一端嵌套于外管中，通过内管支架伸缩滑移实现内管相对于外管的伸缩滑移；外管支架嵌套安装于臂架基座中，可相对臂架基座进行伸缩滑移，排水外管通过硬管支座固定安装在外管支架上，通过外管支架伸缩滑移实现外管相对于臂架基座的伸缩滑移。图2 为所述某应急抢险排水车臂架结构示意图。

图2 某应急排水抢险车臂架结构示意图

所述臂架工作原理是当应急排水抢险车抵达救援场地时，先通过液压油缸、变幅机构将臂架基座、排水内外管支架及连接在臂架前端的带有排水硬管的水泵调整至所需排水位置合适角度（臂架垂直或倾斜姿态），然后通过外管支架、内管支架伸缩油缸将固定在臂架前端带有排水硬管的水泵输送至排水位置，进行排水作业。排水作业完成后，通过液压伸缩油缸将带有排水硬管的水泵伸缩收回，然后通过臂架变幅动作和回转动作将臂架姿态调整至运输状态。

1.2 有限元仿真模型建立

在PROE 三维参数建模的基础上，对所述某应急排水抢险车臂架进行有限元模型建立。依据臂架装配关系建立参数化装配，最终形成不同工况下的有限元模型。主体模型选用SHELL181 单元，油缸使用LINK180 单元，销轴使用BEAM188 单元，销轴装配关系使用MPC184 单元耦合。结合臂架垂直排水和倾斜排水两种典型极限作业工况，建立臂架结构分析有限元模型，具体模型如图3 所示。

图3 某应急排水抢险车臂架有限元模型

所述臂架主体材料选用碳素结构钢，其中臂架基座选用Q345，臂架变幅机构、臂架铰接支座材料选用Q460，排水硬管材料选用不锈钢，取安全系数n=1.34[4]，材料属性见表1～3。

表1 Q345 材料属性

表2 Q460 材料属性

表3 不锈钢材料属性

1.3 边界条件

依据所述某应急排水抢险车臂架垂直排水和倾斜远距离排水两种典型极限作业工况，综合臂架前端排水水泵的排水流量、流速、水重量等参数对臂架进行施加载荷，所述臂架主要承受载荷有部件结构自身重力、排水硬管水体重力及水流冲击作用，水流冲击作用通过水重力分配动载系数K，动载系数K取值1.5[5]，臂架位移约束施加于回转平台底部回转支承固定法兰处，所述臂架有限元分析加载情况如图4、图5所示。

图4 臂架垂直排水作业加载情况

图5 臂架倾斜最远排水作业加载情况

2 计算结果分析与讨论

应用ANSYS 软件对所述某应急排水抢险车臂架进行结构静力学分析，得到所述臂架在垂直排水和倾斜远距离排水两种典型极限作业工况下的应力云图及结构位移云图，结果如图6 所示。

图6 臂架垂直排水作业等效应力分布云图

由图6 可以看出，所述臂架在垂直排水极限作业工况下，臂架结构最大等效应力值为256.5 MPa，该应力发生在臂架变幅机构与臂架铰接支座处，在最大应力值0 ～256 MPa 范围内，臂架结构各部件无大面积红色危险区域，应力云图分布均匀，无明显突变，由于臂架系统主体材料选用Q46O 和Q345，即使考虑整车作业时动载冲击作用，臂架系统结构应力仍有一定的安全系数，整体结构强度设计满足要求。

由图7 可以看出，所述臂架在垂直排水极限作业工况下，臂架结构位移最大值为56.3 mm，发生在臂架内管支架水泵吸水口位置，该工况下所述臂架悬臂长度为16000 mm，整体挠度为0.35%，低于悬臂结构2%的安全要求[5]，臂架整体结构满足刚度设计要求。

图7 臂架垂直排水作业结构位移分布云图

由图8 可以看出，所述臂架在倾斜远距离排水极限作业工况下，臂架结构最大应力值为705.3 MPa，该应力值发生在外管支架与内管支架嵌套连接部位，由于该部位为滑块安装位置，在结构分析过程中，无法真实模拟滑块滑动接触，使用了刚性接触，造成局部应力值失真，提取周边整体板材应力分别为173 MPa ～179 MPa，低于材料Q345 的许用应力，接触部位结构安全。该工况下，臂架变幅机构与臂架固定底座铰接位置处，此处等效应力值为313.2 MPa，由于臂架变幅机构和臂架铰接支座材料选用Q460，低于Q460D 许用应力，该部位结构强度满足可靠性要求。除此之外，该工况下臂架其他部位应力值均在104 MPa ～210 MPa 之间，应力云图分布均匀，无明显突变，低于材料Q345 的许用应力，臂架结构应力有一定的安全系数，臂架结构设计满足强度设计要求[6]。

图8 臂架垂直排水作业等效应力分布云图

由图9 可以看出，所述臂架在倾斜远距离排水极限作业工况下，臂架结构位移最大值为175.6 mm，发生在臂架内管支架水泵吸水口位置，该工况下所述臂架悬臂长度为18500 mm，整体挠度为0.9%，低于悬臂结构2%的安全要求，臂架整体结构满足刚度设计要求。

图9 臂架垂直排水作业结构位移分布云图

3 结语

以某应急排水抢险车臂架为研究对象，基于弹性力学有限单元法理论、结构强度及刚度理论，建立了所述臂架结构的有限元模型，结合臂架垂直排水和倾斜远距离排水两种典型作业工况，进行臂架结构有限元分析、评价[7]，主要结论如下：

（1）所述臂架结构在垂直排水和倾斜远距离排水两种典型极限作业工况下，臂架结构等效最大应力值为313.2 MPa，该位置位于臂架变幅机构与臂架固定铰接位置处，由于臂架变幅机构和臂架固定铰接支座材料选用Q460，结构应力值小于材料的许用应力，臂架结构设计满足结构强度设计要求。

（2）所述臂架结构在垂直排水和倾斜远距离排水两种典型极限作业工况下，臂架结构位移最大变形量为175.6 mm，由于所述臂架结构为悬臂结构，臂架最大悬臂长度为18500 mm，臂架最大整体挠度为0.9%，低于悬臂结构2%的安全要求，臂架结构刚度设计满足可靠性要求，综上所述，所述臂架结构设计满足结构强度、刚度要求，可以安全、有效稳定运行。