某應(yīng)急排水搶險車臂架結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

李剛元，魏廣娟，陳海敏

（1.徐州工程機(jī)械集團(tuán)有限公司，江蘇 徐州 221004；2.江蘇徐工工程機(jī)械研究院有限公司，江蘇 徐州 221004；3.徐工集團(tuán)高端工程機(jī)械智能制造國家重點實驗室，江蘇 徐州 221004）

0 引言

近年來隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，洪澇災(zāi)害爆發(fā)的頻率呈上升趨勢，洪澇災(zāi)害造成的巨大損失不僅威脅到區(qū)域經(jīng)濟(jì)的和諧發(fā)展，還關(guān)系到國家安全與社會穩(wěn)定。據(jù)統(tǒng)計1990 年至今，我國平均每年因洪澇災(zāi)害導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失約為1100 億元[1-2]，洪澇災(zāi)害已經(jīng)成為我國社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要制約因素之一。針對城市道路、涵洞、立交橋、下穿橋及隧道等低矮空間的洪澇排水救援，某公司開發(fā)了一款應(yīng)急搶險排水車，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該車底盤選用三橋通用底盤，上車主要由臂架、安全防護(hù)、排水水泵等部件組成，排水水泵采用大流量、高揚(yáng)程液壓驅(qū)動潛水泵，排水水泵安裝固定在臂架前端位置，通過臂架結(jié)構(gòu)的伸縮、變幅運(yùn)動將水泵運(yùn)送至低洼積水位置進(jìn)行排水作業(yè)。

圖1 某應(yīng)急排水搶險車結(jié)構(gòu)示意圖

以該公司應(yīng)急排水搶險車臂架為研究對象，在研究和了解其工作原理的基礎(chǔ)上，運(yùn)用臂架三維模型建立有限元模型，結(jié)合臂架垂直排水和傾斜遠(yuǎn)距離排水2 種典型極限作業(yè)工況[3]，綜合臂架前端排水水泵的排水流量、流速、水重量等參數(shù)影響，對臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析，最后根據(jù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度理論、剛度理論和仿真結(jié)果，分析驗證所述應(yīng)急排水搶險車臂架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度可靠性。

1 臂架結(jié)構(gòu)工作原理及模型建立

1.1 臂架結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

根據(jù)臂架功能要求，某應(yīng)急排水搶險車臂架結(jié)構(gòu)設(shè)計采用伸縮式結(jié)構(gòu)，以增加應(yīng)急排水搶險車排水作業(yè)范圍，所述臂架主要由變幅機(jī)構(gòu)、連接桿、臂架基座、外管支座、內(nèi)管支座、排水硬管、液壓油缸等組成。其中臂架基座由寬翼緣H 型鋼和部分型鋼焊接而成；變幅機(jī)構(gòu)、連接桿有板材折彎焊接而成，呈左右對稱結(jié)構(gòu)；外管支架、內(nèi)管支架由矩形鋼管焊接而成；其中內(nèi)管支架嵌套安裝在外管支架中，可相對外管支架進(jìn)行伸縮滑移，內(nèi)管一端固定在內(nèi)管支架上，另一端嵌套于外管中，通過內(nèi)管支架伸縮滑移實現(xiàn)內(nèi)管相對于外管的伸縮滑移；外管支架嵌套安裝于臂架基座中，可相對臂架基座進(jìn)行伸縮滑移，排水外管通過硬管支座固定安裝在外管支架上，通過外管支架伸縮滑移實現(xiàn)外管相對于臂架基座的伸縮滑移。圖2 為所述某應(yīng)急搶險排水車臂架結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 某應(yīng)急排水搶險車臂架結(jié)構(gòu)示意圖

所述臂架工作原理是當(dāng)應(yīng)急排水搶險車抵達(dá)救援場地時，先通過液壓油缸、變幅機(jī)構(gòu)將臂架基座、排水內(nèi)外管支架及連接在臂架前端的帶有排水硬管的水泵調(diào)整至所需排水位置合適角度（臂架垂直或傾斜姿態(tài)），然后通過外管支架、內(nèi)管支架伸縮油缸將固定在臂架前端帶有排水硬管的水泵輸送至排水位置，進(jìn)行排水作業(yè)。排水作業(yè)完成后，通過液壓伸縮油缸將帶有排水硬管的水泵伸縮收回，然后通過臂架變幅動作和回轉(zhuǎn)動作將臂架姿態(tài)調(diào)整至運(yùn)輸狀態(tài)。

1.2 有限元仿真模型建立

在PROE 三維參數(shù)建模的基礎(chǔ)上，對所述某應(yīng)急排水搶險車臂架進(jìn)行有限元模型建立。依據(jù)臂架裝配關(guān)系建立參數(shù)化裝配，最終形成不同工況下的有限元模型。主體模型選用SHELL181 單元，油缸使用LINK180 單元，銷軸使用BEAM188 單元，銷軸裝配關(guān)系使用MPC184 單元耦合。結(jié)合臂架垂直排水和傾斜排水兩種典型極限作業(yè)工況，建立臂架結(jié)構(gòu)分析有限元模型，具體模型如圖3 所示。

圖3 某應(yīng)急排水搶險車臂架有限元模型

所述臂架主體材料選用碳素結(jié)構(gòu)鋼，其中臂架基座選用Q345，臂架變幅機(jī)構(gòu)、臂架鉸接支座材料選用Q460，排水硬管材料選用不銹鋼，取安全系數(shù)n=1.34[4]，材料屬性見表1～3。

表1 Q345 材料屬性

表2 Q460 材料屬性

表3 不銹鋼材料屬性

1.3 邊界條件

依據(jù)所述某應(yīng)急排水搶險車臂架垂直排水和傾斜遠(yuǎn)距離排水兩種典型極限作業(yè)工況，綜合臂架前端排水水泵的排水流量、流速、水重量等參數(shù)對臂架進(jìn)行施加載荷，所述臂架主要承受載荷有部件結(jié)構(gòu)自身重力、排水硬管水體重力及水流沖擊作用，水流沖擊作用通過水重力分配動載系數(shù)K，動載系數(shù)K取值1.5[5]，臂架位移約束施加于回轉(zhuǎn)平臺底部回轉(zhuǎn)支承固定法蘭處，所述臂架有限元分析加載情況如圖4、圖5所示。

圖4 臂架垂直排水作業(yè)加載情況

圖5 臂架傾斜最遠(yuǎn)排水作業(yè)加載情況

2 計算結(jié)果分析與討論

應(yīng)用ANSYS 軟件對所述某應(yīng)急排水搶險車臂架進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，得到所述臂架在垂直排水和傾斜遠(yuǎn)距離排水兩種典型極限作業(yè)工況下的應(yīng)力云圖及結(jié)構(gòu)位移云圖，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 臂架垂直排水作業(yè)等效應(yīng)力分布云圖

由圖6 可以看出，所述臂架在垂直排水極限作業(yè)工況下，臂架結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力值為256.5 MPa，該應(yīng)力發(fā)生在臂架變幅機(jī)構(gòu)與臂架鉸接支座處，在最大應(yīng)力值0 ～256 MPa 范圍內(nèi)，臂架結(jié)構(gòu)各部件無大面積紅色危險區(qū)域，應(yīng)力云圖分布均勻，無明顯突變，由于臂架系統(tǒng)主體材料選用Q46O 和Q345，即使考慮整車作業(yè)時動載沖擊作用，臂架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力仍有一定的安全系數(shù)，整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計滿足要求。

由圖7 可以看出，所述臂架在垂直排水極限作業(yè)工況下，臂架結(jié)構(gòu)位移最大值為56.3 mm，發(fā)生在臂架內(nèi)管支架水泵吸水口位置，該工況下所述臂架懸臂長度為16000 mm，整體撓度為0.35%，低于懸臂結(jié)構(gòu)2%的安全要求[5]，臂架整體結(jié)構(gòu)滿足剛度設(shè)計要求。

圖7 臂架垂直排水作業(yè)結(jié)構(gòu)位移分布云圖

由圖8 可以看出，所述臂架在傾斜遠(yuǎn)距離排水極限作業(yè)工況下，臂架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值為705.3 MPa，該應(yīng)力值發(fā)生在外管支架與內(nèi)管支架嵌套連接部位，由于該部位為滑塊安裝位置，在結(jié)構(gòu)分析過程中，無法真實模擬滑塊滑動接觸，使用了剛性接觸，造成局部應(yīng)力值失真，提取周邊整體板材應(yīng)力分別為173 MPa ～179 MPa，低于材料Q345 的許用應(yīng)力，接觸部位結(jié)構(gòu)安全。該工況下，臂架變幅機(jī)構(gòu)與臂架固定底座鉸接位置處，此處等效應(yīng)力值為313.2 MPa，由于臂架變幅機(jī)構(gòu)和臂架鉸接支座材料選用Q460，低于Q460D 許用應(yīng)力，該部位結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足可靠性要求。除此之外，該工況下臂架其他部位應(yīng)力值均在104 MPa ～210 MPa 之間，應(yīng)力云圖分布均勻，無明顯突變，低于材料Q345 的許用應(yīng)力，臂架結(jié)構(gòu)應(yīng)力有一定的安全系數(shù)，臂架結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足強(qiáng)度設(shè)計要求[6]。

圖8 臂架垂直排水作業(yè)等效應(yīng)力分布云圖

由圖9 可以看出，所述臂架在傾斜遠(yuǎn)距離排水極限作業(yè)工況下，臂架結(jié)構(gòu)位移最大值為175.6 mm，發(fā)生在臂架內(nèi)管支架水泵吸水口位置，該工況下所述臂架懸臂長度為18500 mm，整體撓度為0.9%，低于懸臂結(jié)構(gòu)2%的安全要求，臂架整體結(jié)構(gòu)滿足剛度設(shè)計要求。

圖9 臂架垂直排水作業(yè)結(jié)構(gòu)位移分布云圖

3 結(jié)語

以某應(yīng)急排水搶險車臂架為研究對象，基于彈性力學(xué)有限單元法理論、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度理論，建立了所述臂架結(jié)構(gòu)的有限元模型，結(jié)合臂架垂直排水和傾斜遠(yuǎn)距離排水兩種典型作業(yè)工況，進(jìn)行臂架結(jié)構(gòu)有限元分析、評價[7]，主要結(jié)論如下：

（1）所述臂架結(jié)構(gòu)在垂直排水和傾斜遠(yuǎn)距離排水兩種典型極限作業(yè)工況下，臂架結(jié)構(gòu)等效最大應(yīng)力值為313.2 MPa，該位置位于臂架變幅機(jī)構(gòu)與臂架固定鉸接位置處，由于臂架變幅機(jī)構(gòu)和臂架固定鉸接支座材料選用Q460，結(jié)構(gòu)應(yīng)力值小于材料的許用應(yīng)力，臂架結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計要求。

（2）所述臂架結(jié)構(gòu)在垂直排水和傾斜遠(yuǎn)距離排水兩種典型極限作業(yè)工況下，臂架結(jié)構(gòu)位移最大變形量為175.6 mm，由于所述臂架結(jié)構(gòu)為懸臂結(jié)構(gòu)，臂架最大懸臂長度為18500 mm，臂架最大整體撓度為0.9%，低于懸臂結(jié)構(gòu)2%的安全要求，臂架結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計滿足可靠性要求，綜上所述，所述臂架結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度要求，可以安全、有效穩(wěn)定運(yùn)行。