徐國紅 王旭 韓月琴

駐馬店中集華駿車輛有限公司 河南駐馬店 463000

1 前言

目前，市場上最為常見的自卸車后開門機(jī)構(gòu)為鐵鏈?zhǔn)介_門機(jī)構(gòu)。在日常使用中，用戶反饋后開門機(jī)構(gòu)的下固定座U型叉銷軸經(jīng)常損壞。為找出損壞原因，筆者對開門機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析。開門機(jī)構(gòu)作為自卸車卸貨時(shí)頻繁啟閉的部件，U型叉銷軸強(qiáng)度的滿足與否將直接影響到整車的運(yùn)行安全和運(yùn)營效率，而在U型叉銷軸的設(shè)計(jì)中，最繁瑣的工作就是計(jì)算出在后門開啟之前，該銷軸所受的來自鐵鏈對其施加的最大拉力。為求鐵鏈拉力必須先求出箱內(nèi)貨物施加于貨箱后門上的對鎖鉤的最大推力。由于箱內(nèi)貨物施加于貨箱后門上的推力在后門開啟之前隨貨箱舉升角而變化，加之鐵鏈為柔性連接，所以常規(guī)的力學(xué)求解方法很難計(jì)算出鐵鏈的拉力。下面對自卸車開門機(jī)構(gòu)的工作過程進(jìn)行研究分析，找出U型叉銷軸受力最大的位置時(shí)刻，然后運(yùn)用三維軟件Creo的Mechanism機(jī)構(gòu)模塊拓?fù)溆?jì)算的方法分析求解出此力，據(jù)此進(jìn)入Simulate有限元分析模塊完成對U型叉銷軸的強(qiáng)度校核，旨在為自卸車鐵鏈開門機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及校核提供一種方法和理論依據(jù)。

2 鐵鏈開門機(jī)構(gòu)的基本組成及其工作原理

自卸車鐵鏈開門機(jī)構(gòu)是指實(shí)現(xiàn)自卸車后門啟閉的一種裝置[1]，因其相較桿式開門機(jī)構(gòu)（如圖1所示）而言具有安裝方便、啟閉靈活、不易損壞的特點(diǎn)，故而被越來越多的用戶選用。一般而言，自卸車較為常見的鐵鏈開門機(jī)構(gòu)由上固定座、鎖鉤、鐵鏈、U型叉、銷軸、下固定座總成等組成，如圖2所示。自卸車后門必須開啟靈活，回位精確，鎖緊可靠，才能保障自卸車的正常使用。

圖1 重力啟閉桿式鎖緊結(jié)構(gòu)

圖2 重力啟閉鏈?zhǔn)芥i緊結(jié)構(gòu)

3 后門受力過程分析及求解

以裝載某貨物的自卸車為例，對其從開始舉升至開門機(jī)構(gòu)鎖鉤脫離后門，后門完全打開的過程進(jìn)行分析，從而找出后門受力最大的時(shí)刻點(diǎn)，然后據(jù)此計(jì)算出后門所受的最大力，為下文鐵鏈開門機(jī)構(gòu)U型叉銷軸的強(qiáng)度校核提供前提。

3.1 后門受力過程分析

當(dāng)貨箱滿載且尚未舉升時(shí)，箱內(nèi)貨物介質(zhì)受自身安息角的影響，在貨箱尾部的貨物有呈楔塊形狀向下滑動(dòng)的趨勢，后門受到來自該楔塊體的下滑推力；當(dāng)貨箱開始舉升且后門尚未打開時(shí)，隨著舉升角度的增加該楔塊體積逐漸變大，后門所受的推力也逐漸增大，直至后門完全打開，貨物脫落，后門所受推力驟變?yōu)?；由此可知，當(dāng)貨箱舉升至臨界開門時(shí)，后門所受到的來自箱內(nèi)貨物的推力最大。

3.2 后門所受最大力求解

設(shè)定貨箱舉升至5°時(shí)后門完全打開，也即后門在貨箱舉升至5°時(shí)受到來自箱內(nèi)貨物的推力最大。并設(shè)定貨箱內(nèi)控寬度D=2.3 m，內(nèi)控高度H=1.5 m，箱內(nèi)貨物介質(zhì)為干沙；依據(jù)克列因在其所著的《散體結(jié)構(gòu)力學(xué)》一書中對有關(guān)介質(zhì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的介紹，經(jīng)查表可知干沙散體介質(zhì)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)如表1所示，此處取干沙重力密度γ=16 kN/m3，內(nèi)摩擦角ψ=32°，外摩擦角δ=29°，粘性系數(shù)C=0。

表1 干沙介質(zhì)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

由于安息角的影響，貨箱尾部具有下滑趨勢的貨物和保持靜止無下滑趨勢的貨物之間會形成破裂下滑線如圖3所示。當(dāng)貨箱舉升5°時(shí)，箱內(nèi)破裂下滑線BC右側(cè)的貨物因底架對其的外摩擦角遠(yuǎn)大于貨箱舉升角度，所以BC線右側(cè)的貨物會保持平衡無下滑趨勢。由此可知，箱內(nèi)貨物在自身安息角作用下具有下滑趨勢，真正對后門施加推力的為圖示破裂下滑線BC左側(cè)的干沙楔塊體；該楔塊體在自身重力W、后板阻推力P，及BC線右側(cè)貨物支撐力R的共同作用下處于極限平衡狀態(tài)，其受力分析如圖3所示。由圖示可知，后廂傾斜角與干沙坡角以及貨箱舉升角三者相等，也即α=β=5°。

圖3 受力分析

依據(jù)上述分析結(jié)合庫侖土壓力理論[2]進(jìn)一步可知，干沙楔塊體在W、P、R三個(gè)力的共同作用下處于靜止極限平衡狀態(tài)，三個(gè)力合圍成力的三角形閉合環(huán)，如圖4所示，由正弦定理可得：

圖4 受力矢量圖

其中：ψ=90°-δ-α。

在三角形ΔABC中，由正弦定理可知：

三角形ΔADB中，由正弦定理可知：

于是，干沙楔塊體質(zhì)量進(jìn)一步可表示為：

將式（2）代入式（3） 可得：

由上述假設(shè)及推理可知，因式中只有θ未知，故E隨θ變化而變化，當(dāng)E最大時(shí)，干沙楔塊體ΔABC開始沿破裂下滑面BC向后門后下方破裂下滑。

為求Pmax，令，進(jìn)而求得破裂滑動(dòng)角θ，并代入式(3)，從而得出：

代入已知數(shù)據(jù)，可得Pa=5.63 kN/m，其力矩分布及合力矩作用點(diǎn)如圖5所示[3]。

圖5 推力分布及合力作用點(diǎn)

4 簡化模型建立及U型叉銷軸徑向力求解

后門除受到上述干沙楔塊體對其施加的推力外，還受到開門機(jī)構(gòu)鎖鉤的鎖緊力，以及貨箱后上端掛鉤的拉力。為求出開門機(jī)構(gòu)鐵鏈對U型叉銷軸的拉力，必須先求出開門機(jī)構(gòu)鎖鉤對后門的鎖緊力，故必須先求出掛鉤對后門的拉力，但是掛鉤對后門拉力的大小及方向均難以確定，求解過程較為麻煩。以下運(yùn)用三維軟件Creo軟件的Mchanism機(jī)構(gòu)分析模塊避開掛鉤拉力及開門機(jī)構(gòu)鎖鉤的鎖緊力，直接對U型叉銷軸所受的拉力進(jìn)行計(jì)算求解。

4.1 簡化模型建立

運(yùn)用三維軟件Creo建立自卸車后開門機(jī)構(gòu)的力學(xué)分析簡化模型如圖6所示，各部件之間按照生產(chǎn)實(shí)際組裝關(guān)系裝配在一起。

圖6 力學(xué)簡化模型

4.2 銷軸徑向力求解

進(jìn)入三維軟件Creo的Mechanism機(jī)構(gòu)分析模塊，于后門1/3高度處施加干沙楔塊體的推力，如圖7所示。由上述分析可知，干沙楔塊體在貨箱舉升至5°時(shí)處于極限平衡狀態(tài)，于此建立力平衡狀態(tài)分析并運(yùn)行計(jì)算，然后建立U型叉銷軸徑向反作用力相對于后門推力的測量，求得U型叉銷軸所受徑向力為24973 N,如圖8所示。

圖7 楔體塊對后門推力作用點(diǎn)

圖8 U型卡銷軸徑向力測量

5 強(qiáng)度校核

5.1 銷軸屬性設(shè)定

在后鐵鏈開門機(jī)構(gòu)中鐵鏈與U型叉及其銷軸的裝配關(guān)系如圖9所示。取銷軸直徑為市場上最為常見的?16 mm，并設(shè)定銷軸允許最大極限變形位移量不得超過0.05 mm，銷軸詳細(xì)的材料屬性如表2所示[4]。

圖9 U型卡銷軸裝配

表2 材料屬性

5.2 有限元靜態(tài)位移分析

應(yīng)用三維軟件Creo建立鐵鏈開門機(jī)構(gòu)的U型叉銷軸模型，然后進(jìn)入Creo Simulate有限元分析模塊，由圖9可知銷軸兩端與U型叉之間，以及銷軸中間與下固定座絲桿之間的裝配關(guān)系均為面接觸，據(jù)此將上述求解的力F施加在銷軸相應(yīng)的面上[5]。運(yùn)行分析結(jié)果如圖10所示，可知U型叉銷軸最大變形位移為0.035 mm，小于設(shè)定最大允許變形位移0.05 mm，可見滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語

鐵鏈開門機(jī)構(gòu)作為自卸車啟閉開門的重要部件，其結(jié)構(gòu)還有待很多改進(jìn)和優(yōu)化之處。本文通過對自卸車舉升卸貨過程進(jìn)行分析，進(jìn)而根據(jù)庫侖土壓力理論計(jì)算出貨箱后端具有下滑趨勢的干沙楔塊體對后門的推力，然后用三維軟件Creo的Mechanism機(jī)構(gòu)模塊自動(dòng)拓?fù)溆?jì)算出U型叉銷軸所受的最大拉力，并據(jù)此對U型叉銷軸進(jìn)行有限元強(qiáng)度校核，為自卸車鐵鏈開門機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及校核提供了一種新的方法和理論依據(jù)。