鐵路槽車輕油卸車鶴管計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

摘 要：通過(guò)SolidWorks軟件，將鐵路槽車收發(fā)油作業(yè)車的鶴管機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模，再使用SolidWorks的插件對(duì)三維模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡分析，強(qiáng)度校核，從而提高設(shè)計(jì)速度。

關(guān)鍵詞：鐵路槽車；輕油卸車；鶴管；SolidWorks；運(yùn)動(dòng)軌跡；強(qiáng)度校核

1 前言

鐵路槽車卸車分原油及重油卸車和輕油卸車兩種方式：原油及重油卸車時(shí)，采用密閉自流下卸方式，敞開(kāi)自流下卸方式與泵抽下卸方式；輕油卸車均采用上卸方式。由于大部分鐵路輕油罐車均無(wú)下卸口，故目前鐵路槽車輕油裝卸作業(yè)采用沿鐵路沿線建立固定裝卸油棧臺(tái)，通用棧臺(tái)設(shè)置的鶴管（陸用流體裝卸臂）進(jìn)行上卸作業(yè)。在使用棧臺(tái)鶴管進(jìn)行卸油作業(yè)時(shí)，需使用牽引設(shè)備將油槽車牽引至鶴管的作業(yè)范圍，因此棧臺(tái)一般設(shè)置多套鶴管同時(shí)作業(yè)，減少槽車挪動(dòng)頻次，加快卸車速度，適用于多槽車大批量作業(yè)。在實(shí)際工作中，經(jīng)常遇到零星少量槽車卸車和直接將槽車中油料直接卸入油罐車中，在這種情況下采用棧臺(tái)鶴管卸車就顯得不夠機(jī)動(dòng)靈活。因此，研制了鐵路槽車收發(fā)油作業(yè)車（以下簡(jiǎn)稱作業(yè)車）彌補(bǔ)棧臺(tái)鶴管的不足，提供了一種機(jī)動(dòng)靈活的收發(fā)作業(yè)形式。

作業(yè)車采用二類汽車底盤，在底盤上加裝前夾取力器和側(cè)取力器，上裝廂體內(nèi)設(shè)置裝卸油泵組和管路，廂頂上設(shè)置槽車收油鶴管和發(fā)油鶴管。前夾取力器為裝卸油泵提供動(dòng)力，側(cè)取力器為收發(fā)鶴管展收液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力。作業(yè)車能夠機(jī)動(dòng)根據(jù)槽車的位置，使用底盤發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力帶動(dòng)車上設(shè)置的裝卸油泵，將槽車中的油料通過(guò)收油鶴管、管路、發(fā)油鶴管，輸入至油罐車中。

作業(yè)車的鶴管采用液壓展收，因此要對(duì)此機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)軌跡校核。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中：一是采用作圖法初步確定機(jī)構(gòu)的初始位置，并假定在舉升初始位置時(shí)油缸推力最大，以此為前提進(jìn)行各構(gòu)件的力學(xué)分析。這種方法不能檢查鶴管在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是否發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，且當(dāng)油缸最大推力并不是在起始位置時(shí)，采用傳統(tǒng)作圖法計(jì)算出來(lái)的結(jié)果與實(shí)際有較大誤差。二是根據(jù)幾何約束條件建立方程組來(lái)求解。雖然這種方法能求出油缸所需最大推力，但是計(jì)算工作量大且不能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)較核。本文使用SolidWorks三維軟件對(duì)鶴管運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)軌跡校核和有限元分析。

2 數(shù)學(xué)模型建立及運(yùn)動(dòng)軌跡分析

首先根據(jù)作業(yè)車一般停至鐵路槽車的距離，確定鶴管作業(yè)范圍，以車廂和鶴管鉸點(diǎn)O為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，如圖1所示。選用市場(chǎng)上成熟鶴管、三角臂、拉桿總成、液壓油缸等。其中，LAC和LJG為液壓拉桿長(zhǎng)度，這兩值為變量值，其它值根據(jù)選型確定。

2.1 初步方案確定

根據(jù)使用工況，為適用于底盤行駛，鶴管初始位置為折疊水平放置，其桿OB與桿BE重合，桿BE與桿EH重合，桿HI為垂管，采用手動(dòng)折放，在計(jì)算中不考慮。在設(shè)計(jì)中，可先根據(jù)鶴管作業(yè)范圍初步選型，確定各節(jié)長(zhǎng)度，結(jié)合現(xiàn)有成熟液壓油缸的尺寸，在SolidWorks軟件的草繪中進(jìn)行模擬計(jì)算。在模擬計(jì)算后可初步定出幾種設(shè)計(jì)方案，供后分析計(jì)算。

2.2 運(yùn)動(dòng)軌跡分析

在圖1的基礎(chǔ)上，約束鉸支點(diǎn)O與車廂的相對(duì)位置關(guān)系，以O(shè)點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)復(fù)制車廂至任意舉升角θ位置（最大90°）。由于鉸支點(diǎn)O與車廂相對(duì)位置已確定，因此A點(diǎn)在舉升角的位置也確定。以A點(diǎn)圓心，拉桿長(zhǎng)度LAC為半徑畫(huà)圓弧1，以B點(diǎn)為圓心，LBC為半徑畫(huà)圓弧與圓弧1相交于C點(diǎn)，即C點(diǎn)只能沿圓弧1 移動(dòng)。同理，可作出H點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，由于桿HI為垂管，就可做出I點(diǎn)的軌跡。

根據(jù)上述所述原理，可在SolidWorks軟件運(yùn)動(dòng)算例中進(jìn)行模擬動(dòng)畫(huà)。

3 油缸最大推力計(jì)算

定位準(zhǔn)確，即圖形應(yīng)符合版面要求：大圖不空，內(nèi)容豐富飽滿；小圖不擠，清晰明快。

在圖1的基礎(chǔ)上，根據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡，在任意舉升角θ位置（最大90°），計(jì)算油缸推力。

利用上述在SolidWorks中建立的草繪，進(jìn)行三維建模，如圖2所示。

在裝配體設(shè)置各裝配關(guān)系，液壓油缸與拉桿配合設(shè)置為高級(jí)配合，最小距離為拉桿自由長(zhǎng)度，最大距離為自由長(zhǎng)度和行程之和，在運(yùn)動(dòng)算例中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡校核并進(jìn)行干涉檢查。圖3為鶴管展開(kāi)至工作狀態(tài)圖。

利用SolidWorks軟件建立三維模型后，軟件會(huì)自動(dòng)求出構(gòu)件質(zhì)心，在約束裝配條件下，便可知質(zhì)心在整個(gè)舉升范圍內(nèi)的變化，可直接求出油缸在舉升過(guò)程中的最大推力。

4 強(qiáng)度校核計(jì)算

使用在前建立的三維模型，為減少有限元模型節(jié)點(diǎn)數(shù)量，減少計(jì)算時(shí)間，簡(jiǎn)化不必重要的圓角，或以倒角代替圓角，省略不重要區(qū)域的小孔及小尺寸細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化非危險(xiǎn)區(qū)域的小尺寸細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)。

利用SolidWorks自帶的插件Simulation有限元分析軟件很容易對(duì)主要零件進(jìn)行強(qiáng)度校核，在設(shè)定有關(guān)各參數(shù)后，進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算。通過(guò)自帶算例生成報(bào)告，可自動(dòng)生成計(jì)算結(jié)果。在生成報(bào)告中可知零件的最大受力位置，變形量及最小安全系數(shù)等，在此基礎(chǔ)上可對(duì)零件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

利用SolidWorks三維軟件設(shè)計(jì)鐵路槽車收發(fā)油作業(yè)車的收發(fā)油鶴管，并對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡校核，使用Simulation插件進(jìn)行零件的有限元分析。設(shè)計(jì)過(guò)程直觀，周期短，可對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡校核和零部件干涉檢查，比較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法有較大的提高。

參考文獻(xiàn)

[1]徐達(dá)，蔣崇賢.專用汽車結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1988.

[2]趙罘，劉 ，楊曉晉.SolidWorks2011中文版快速入門與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.