農(nóng)用拖車尾部防鉆裝置設(shè)計(jì)及模態(tài)分析

瞿炳華 于建國(guó)

摘要 基于農(nóng)用拖車尾部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合乘用車的外形尺寸、事故車輛的碰撞速度等參數(shù)，通過(guò)對(duì)碰撞力及碰撞能量的計(jì)算，設(shè)計(jì)了農(nóng)用拖車尾部的防鉆裝置，此裝置所設(shè)計(jì)的雙層螺栓剪切裝置可以在碰撞發(fā)生時(shí)通過(guò)變形及斷裂，吸收車輛碰撞時(shí)所產(chǎn)生的能量，避免乘用車鉆入農(nóng)用拖車造成人員傷亡。為檢驗(yàn)防鉆裝置與農(nóng)用拖車的系統(tǒng)匹配性，在Pro/E 中建立該裝置的三維實(shí)體模型，應(yīng)用 ANSYS有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)特性分析，計(jì)算了自由狀態(tài)下該防鉆裝置的固有頻率，通過(guò)對(duì)模態(tài)分析的10階模態(tài)振型圖的分析，得知該防鉆裝置與農(nóng)用拖車無(wú)共振現(xiàn)象，為實(shí)際模態(tài)試驗(yàn)提供了參考和依據(jù)。

關(guān)鍵詞 農(nóng)用拖車;防鉆裝置;追尾事故;碰撞吸能;模態(tài)分析;動(dòng)態(tài)響應(yīng)

中圖分類號(hào) S229 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2014）33-11980-03

The Design and Modal Analysis of Anti-enter Device on Agricultural Trailers Tail

QU Bing-hua， YU Jian-guo*

（Traffic College， Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang 150040）

Abstract The anti-enter device on agricultural trailers tail is developed to forbid car entering the below of agricultural trailer based on the structure of it， the size of cars， and the collision velocity， etc. The double bolts shear device is developed to adsorb impact energy through deformation and fracture of bolts according to the calculated impact force and the energy. In order to check the dynamic matching characteristic between the anti-enter device and the agricultural trailer ， three-dimensional numerical model is build in pro/E to analyze the vibratory response characteristic of the anti-enter device by Ansys. The natural frequency of anti-enter device is calculated without load. There is no resonance between the anti-enter device and agricultural trailer by analyzing from 10 phase modal figures， which can provide reference for realistic modal test.

Key words Agricultural trailer; Anti-enter device; Rear-end collision; Impact energy-absorbing; Modal analysis; Dynamic response

基金項(xiàng)目 中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（DL12BB02）。

作者簡(jiǎn)介 瞿炳華（1980-），男，山東濰坊人，研究生，講師，研究方向：載運(yùn)工具裝備功能創(chuàng)新。*通訊作者，教授，從事載運(yùn)工具裝備功能創(chuàng)新研究。

收稿日期 2014-10-08

近年來(lái)，中國(guó)公路里程數(shù)和機(jī)動(dòng)車保有量持續(xù)增加。據(jù)公路局和公安部交管局最新統(tǒng)計(jì)資料表明：截止到2012年底，我國(guó)僅高速公路總里程達(dá)到9.6萬(wàn)km，居于全球第一;機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)到2.3億輛，其中汽車達(dá)到1.23億輛，僅次于日本，居于全球領(lǐng)先地位[1]。伴隨我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的大力發(fā)展，農(nóng)用拖車的使用越來(lái)越廣泛，如運(yùn)輸糧食、甘蔗、棉花等。因此，如何保障公路上農(nóng)用拖車的交通安全將成為今后討論的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。

在大型貨車涉及的交通事故中，尤以小轎車追尾大貨車和多車連環(huán)追尾造成的惡性程度最為嚴(yán)重，極易造成車毀人亡，其所占事故比例和致死率都很大，約占到追尾交通事故的46%，致死比例是轎車與其他車型碰撞致死比例的4倍[2]。針對(duì)此類事故，大部分貨車后部都加有簡(jiǎn)單的防護(hù)裝置（多采用槽鋼或圓管結(jié)構(gòu)），在發(fā)生中低速追尾碰撞時(shí)可對(duì)追尾車輛有部分阻擋保護(hù)功能。但是由于很多農(nóng)用汽車生產(chǎn)商對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)把關(guān)不夠嚴(yán)格，車輛最大設(shè)計(jì)質(zhì)量大于3.5 t時(shí)甚至不加后防護(hù)裝置，無(wú)法起到阻止后車鉆入碰撞的作用[3]。因此，安全可靠的防護(hù)裝置應(yīng)主要考慮在隨機(jī)的碰撞事件中能以相對(duì)固定的破壞來(lái)耗散碰撞能量，從而有效控制碰撞力和減速度以及防止后車發(fā)生鉆入碰撞[4]。

1 農(nóng)用拖車后部吸能裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)根據(jù)汽車追尾碰撞理論，并結(jié)合國(guó)內(nèi)一起公路上轎車追尾碰撞貨車的實(shí)例來(lái)進(jìn)行整體尺寸的設(shè)計(jì)[5]：事故轎車質(zhì)量為1 870 kg，外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為4 820 mm×1 807 mm×1 450 mm，大型農(nóng)用拖車質(zhì)量為14 390 kg，外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為8 490 mm×2 470 mm×2 830 mm。

在事故發(fā)生過(guò)程中，根據(jù)車輛的基本數(shù)據(jù)和能量守恒定理公式（1）可得出：

12MV2+12mv2=12MV21+12mv21+ΔEK1+ΔEK2

（1）

式中：M—農(nóng)用拖車總質(zhì)量（kg）;V—農(nóng)用拖車碰撞前速度（m/s）;m—轎車及駕駛員總質(zhì)量（kg）;v—轎車碰撞前的速度（m/s）;V1—農(nóng)用拖車碰撞后的速度（m/s）;v1—轎車碰撞后的速度（m/s）;ΔEK1—轎車碰撞變形能的損失（J）;ΔEK2—其他能量的損失（J）。

由于轎車和農(nóng)用拖車的質(zhì)量相差很大，所以在碰撞過(guò)程中貨車的速度變化不大，即V=V1;在碰撞發(fā)生后轎車卡入農(nóng)用拖車底部，即轎車碰撞后的速度也與農(nóng)用拖車車速相等，v1=V=V1。

利用碰撞能量方程可以得出：

ΔEK1=∫X0（CA+CBx）Bdx （2）

式中：X—轎車的有效變形量（m）;CA、CB—轎車正面碰撞的剛度系數(shù)（N/m）;B—轎車的有效碰撞寬度（m）;x—轎車變形的微量（m）[6]。

由于后下部吸能裝置可升起放置在農(nóng)用拖車后部，為了滿足農(nóng)用拖車限高等要求，故裝置的總長(zhǎng)度不能大于貨車總高（即2.8 m）。

研究表明，利用防護(hù)裝置吸能的有幾種途徑：材料的塑形變形、裝置各部件間的摩擦與損壞、液體或氣體的流動(dòng)等[7]，但為了能在最大程度上吸收碰撞動(dòng)能，該文將裝置總長(zhǎng)度定為最大值2.8 m。設(shè)計(jì)中對(duì)曲柄連桿吸能裝置在正常狀態(tài)下最下部離地高度為400 mm[8]。另外根據(jù)安全基準(zhǔn)的規(guī)定和后下部吸能裝置的實(shí)際情況，裝置的寬度定為2 m。根據(jù)參考文獻(xiàn)[8]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將裝置在放下狀態(tài)時(shí)離地高度定為0.3 m。

圖1和圖2分別為農(nóng)用拖車后下部吸能裝置的工作擋位及其結(jié)構(gòu)示意圖。它主要由保險(xiǎn)杠連接組件、電子控制部分、機(jī)械控制部分和緩沖吸能組件等組成。根據(jù)廣東省農(nóng)機(jī)具站對(duì)農(nóng)用拖車的檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)農(nóng)用拖車最大的問(wèn)題是關(guān)鍵部位螺紋緊固和焊接質(zhì)量等。為了減少農(nóng)用拖車普遍存在的焊接氣孔、夾渣等缺陷，采用了鉸接連接（圖2）[10]。

圖1 貨車后下部吸能裝置的工作擋位示意圖

圖2 貨車后下部吸能裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

2 Pro/E模型的建立及其簡(jiǎn)化

根據(jù)農(nóng)用拖車后下部吸能裝置的設(shè)計(jì)，采用Pro/E軟件對(duì)其機(jī)械部分進(jìn)行1∶1參數(shù)化建模，模型如圖3所示。

圖3 貨車后下部吸能裝置的俯視結(jié)構(gòu)模型

對(duì)農(nóng)用拖車后下部吸能裝置而言，緩撞吸能組件和后防護(hù)板是主要的變形吸能部件，主要通過(guò)自身的變形來(lái)承受碰撞載荷。因此，必須保證這兩個(gè)部件要在簡(jiǎn)化模型之內(nèi)。而保險(xiǎn)杠連接組件在簡(jiǎn)化時(shí)由于其剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于吸能組件，在這里簡(jiǎn)化為與后防護(hù)板尺寸相同的板件。由于要模擬轎車追尾車的碰撞過(guò)程，轎車用質(zhì)量塊來(lái)代替。簡(jiǎn)化后的三維模型如圖4所示。

圖4 貨車后下部吸能裝置三維簡(jiǎn)化模型

3 貨車后下部吸能裝置模態(tài)分析

模態(tài)分析的主要目的是用于確定系統(tǒng)振動(dòng)特性，即系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的固有頻率及與此相對(duì)應(yīng)的振型。汽車在行駛過(guò)程中主要受到發(fā)動(dòng)機(jī)和路面兩方面的振動(dòng)激勵(lì)，為避免所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的固有頻率與此相近出現(xiàn)共振現(xiàn)象，故需要對(duì)后下部吸能裝置進(jìn)行模態(tài)分析。

根據(jù)模態(tài)分析理論和高速公路的激勵(lì)頻率可知，對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力影響最大的是低頻振動(dòng)，因此該文應(yīng)用Ansys對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析，獲得此結(jié)構(gòu)的前十階固有頻率及振型（表1和圖5）。驗(yàn)證的具體原則為：

（1）后下部吸能裝置的低階頻率（即一階扭轉(zhuǎn)和彎曲頻率的值）應(yīng)低于發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，彈性模態(tài)頻率和固有頻率應(yīng)盡量避開發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常工作的頻率范圍，以避免發(fā)生整體共振.發(fā)動(dòng)機(jī)引起的頻率可由公式 （3）求得

f=2zn60t （3）

式中：z—發(fā)動(dòng)機(jī)的缸數(shù);t—發(fā)動(dòng)機(jī)的沖程數(shù);n—發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速（r/min）。如果該車發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)為6缸4沖程，怠速轉(zhuǎn)速為600 r/min，則相應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的激振頻率為30 Hz。

（2）盡量避免和路面的激勵(lì)頻率發(fā)生共振。該文主要研究高速公路的情況，因此激勵(lì)頻率選在1～3 Hz。

（3）振型應(yīng)盡量光滑，避免有突變。

第一階振型以彎曲為主，最大位移處在吸能裝置中后段，曲線平滑;跟第2階模態(tài)相比，彎曲的部位相同，但是方向相反，且振幅不大;第3階振型為后端側(cè)向扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，裝置

圖5 前10階模態(tài)振型

表1 前10階固有頻率

后部略微翹起，對(duì)角線上變形基本成對(duì)稱分布;第4階、第5階振型分別為側(cè)向彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，此時(shí)裝置中間起穩(wěn)定作用的十字板有輕微變形;第6階振型是一個(gè)側(cè)向彎曲和扭轉(zhuǎn)的復(fù)雜組合，包括側(cè)向的彎曲以及扭轉(zhuǎn)，此時(shí)變形量達(dá)到整體最大值為13.44 mm;第10階振型主要表現(xiàn)為上下彎曲和側(cè)向扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，在裝置中部振幅最大，中部與端部之間的位置次之。

4 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)中結(jié)合建模和仿真軟件，成功地建立了吸能裝置的模型并進(jìn)行了仿真分析，獲得了較為合理的吸能結(jié)構(gòu)，縮短了設(shè)計(jì)周期。

（2）該裝置在模態(tài)分析中的固有頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)和路面的激勵(lì)頻率不一致，可以有效地避免共振現(xiàn)象。與此同時(shí)，也為實(shí)際模態(tài)試驗(yàn)提供了參考和依據(jù)。

（3）由于裝置本身具有一定的質(zhì)量，所以會(huì)對(duì)與農(nóng)用拖車后部相連接的螺栓部位具有較大的徑向剪切力。為了保證裝置的使用壽命，應(yīng)選用直徑30 mm以上的螺栓組件。

（4）新型農(nóng)用拖車吸能裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，碰撞后方便拆卸更換。

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