王旭 朱愛平 韓月琴

摘 要：對硬頂環(huán)保自卸車的頂蓋舉升過程進行了分析，據(jù)此設定頂蓋的舉升機構參數(shù)，然后分別運用CAD作圖分析法和Creo Mechanism機構求解法對頂蓋的舉升機構進行校核，并對兩種方法進行總結對比，旨在為硬頂環(huán)保自卸車舉升機構的設計者提供更多的校核方法和理論依據(jù)。

關鍵詞：硬頂環(huán)保 自卸車 頂蓋 舉升機構 校核

1前言

自卸車作為中短途運輸?shù)闹髁Γ诠こ探ㄔO中扮演著越來越重要的角色。近年來，隨著國家對霧霾天氣問題的高度重視，各地政府部門相繼出臺規(guī)定，特別要求從事城市基建運輸?shù)淖孕镀嚤仨毎惭b符合一定要求的密閉頂蓋。

一時間各種頂蓋應運而生，隨著市場及時間的檢驗，頂蓋形式也從最初的軌道軟質伸縮式，逐漸演變?yōu)楝F(xiàn)在更為實用的擺臂硬質拱頂式。目前，擺臂硬質頂蓋環(huán)保自卸車已逐漸被用戶廣泛接受。但是，擺臂硬質頂蓋環(huán)保自卸車在實際使用中存在著諸多問題，如頂蓋油缸舉升力不夠，頂蓋運行速度慢，油缸漏油、損壞等現(xiàn)象時有發(fā)生。本文就目前市場上最為常見的頂蓋舉升機構的鉸接關系和布置方式，分別采用常規(guī)CAD作圖以及Creo Mechanism三維機構分析兩種方法對其強度進行分析校核，旨在為擺臂硬質頂蓋環(huán)保自卸車頂蓋舉升機構的設計提供更多的校核方法和理論依據(jù)。

2 舉升過程分析

首先，按照箱體、頂蓋、擺臂，以及驅動油缸的實車生產(chǎn)裝配關系，繪制出頂蓋驅動油缸的上軸點圍繞后擺臂下軸點的運行軌跡，作出頂蓋在運行過程中驅動油缸的舉升力矩變化圖，如圖1所示。由圖1可知，頂蓋在回落至最后完全閉合狀態(tài)下且剛要舉升時，以及頂蓋在舉升至最前完全打開狀態(tài)下且剛要回落時，這兩種狀態(tài)下油缸的力矩最小;又因頂蓋舉升狀態(tài)下，油缸下腔供油，頂蓋回落狀態(tài)下，油缸上腔供油，所以油缸上腔在頂蓋舉升至最前完全打開狀態(tài)下且剛回落時受力最大、油缸下腔在頂蓋回落至最后完全閉合狀態(tài)下且剛要舉升時受力最大。所以，擺臂硬質頂蓋環(huán)保自卸車舉升機構的強度校核，只需對此兩種狀態(tài)下的油缸進行校核分析即可。以下將分別采用常規(guī)CAD作圖以及Creo Mechanism三維機構兩種分析方法對其進行強度分析校核。

3 分析參數(shù)設定

為方便后續(xù)分析校核，此處設定擺臂硬質頂蓋環(huán)保自卸車的舉升機構參數(shù)如下：頂蓋自重G₁=520 kg，前擺臂自重G₂=80kg，后擺臂自重G3-70 kg，重力模量G=10 N/kg，N₁=2 550 mm，N₂=2 165 mm，N₃=650 mm。油缸規(guī)格：缸徑ψ63、桿徑ψ45，額定壓力30 MPa。設定油缸運行平穩(wěn)勻速。頂蓋及舉升機構各部件鉸接關系及位置示意如圖2所示。

4 常規(guī)CAD作圖力學分析

基于上述對舉升過程分析的兩種狀態(tài)，以下運用CAD作圖[1]結合力學原理分別對整體舉升機構、前擺臂以及后擺臂進行力學作圖分析。

4.1 頂蓋剛舉升狀態(tài)

頂蓋完全閉合且剛舉升狀態(tài)下，以后擺臂上軸為支點對頂蓋進行受力分析，如圖3所示，由力矩平衡原理[2]可知：

1/2G₁=F_1y+f_1'y

F_1x=f_1'x

1/2G₁L₁=f_1'yL₂

經(jīng)CAD測量：L₁=2 120 mm，L₂=2 550 mm。代入上述設定的已知分析參數(shù)，由上式綜合可得：F_1y=44 kg，f_1'y=216 kg。

以前擺臂下軸為支點對前擺臂進行受力分析，如圖4所示，由力矩平衡原理可知：

G₂2L₃+F_1'yL₄= F_1'xL₅

經(jīng)CAD測量：L₃=1 472 mm，L₄=2 944 mm，L₅=1 595 mm。代入上述設定的已知分析參數(shù)，由上式綜合可得：F_1x=F_1'x=473kg。

以后擺臂下軸為支點對厚擺臂進行受力分析，如圖5所示，由力矩平衡原理可知：

G₃3L₆+F_1yL₇+F_1xL₈= F₃L₉

經(jīng)CAD測量：L₆=1 472 mm，L₇=2 944 mm，L₈=1 595 mm，L₉=361 mm。代入上述設定的已知分析參數(shù)，由上式綜合可得：F₃3=33 154N。

也即，頂蓋在回落至最后完全閉合狀態(tài)下且剛要舉升時，油缸下腔供油，油缸舉升力為2 734 kg。

由：P-F/S;S=πr²/2，代入上述已知數(shù)據(jù)及參數(shù)，求得P₁=21.3 MPa，小于油缸額定壓力30 MPa，滿足設計要求。

4.2頂蓋剛回收狀態(tài)

頂蓋完全開啟舉升至最前端，且剛要回收時，以后擺臂上軸為支點對頂蓋進行受力分析，如圖6所示，由力矩平衡原理可知：

1/2G₁=F_2y+f_2'y

F_2x=f_2'x

1/2G₁L₂=f_2'yL₂

經(jīng)CAD測量，L₁=2 120 mm，L₂550 mm，代入上述設定的已知分析參數(shù)，由上式綜合可得：F_2y=44 kg，F(xiàn)_2'y=216 kg。

以前擺臂下軸為支點對前擺臂進行受力分析，如圖7所示，由力矩平衡原理可知：

G₂L₁₀+F_2'yL₁₁=F_2'x2L₁₂

經(jīng)CAD測量：L₁₀=1 333 mm，L₁₁=2 666 mm，L₁₂=2 025 mm。代入上述設定的已知分析參數(shù)，由上式綜合可得：F_2x=f_2'x=337kg。

以后擺臂下軸為支點對厚擺臂進行受力分析，如圖8所示，由力矩平衡原理可知：

G₃L₁₃+F_2yL₁₄+F_2xL₁₅=F₄L₁₆

經(jīng)CAD測量：L₁₃=1 333 mm，L₁₄=2 666 mm，L₁₄=2 025 mm.L₁₆=391 mm。代入上述設定的已知分析參數(shù)，由上式綜合可得：F₄=22 840N。

也即，頂蓋在舉升至最前完全打開狀態(tài)下且剛要回落時，油缸下腔供油，油缸舉升力為2 734 kg。

由P=F/S;S=πr²/2，代入上述已知數(shù)據(jù)及參數(shù)，求得P₂=28.7MPa，小于油缸額定壓力30 MPa，滿足設計要求。

5 Creo Mechanism機構求解

Creo Mechanism是一個運動學模擬附加組件，用于計算機構中的力以了解3D虛擬原型在現(xiàn)實裝配中的運行方式。

5.1簡化模型建立

運用三維軟件Creo建立力學分析簡化模型[3]，并將箱體、頂蓋、擺臂，以及驅動油缸各部件之間按照圖1所示的裝配鉸接關系裝配在一起，如圖9所示。

5.2力矩分析

如圖9所示，建立C點至E點力矩長度D，相對于頂蓋舉升油缸上軸點A至下軸點B長度L的行程變化范圍的分析函數(shù)，其力矩變化函數(shù)曲線如圖10所示，由圖易知油缸在頂蓋回落至最后完全閉合狀態(tài)下且剛要舉升時，以及頂蓋舉升至最前完全打開狀態(tài)下且剛要回落時，油缸的舉升力矩最小，且頂蓋完全打開剛回收時的油缸力矩大于頂蓋完全閉合剛舉升時的油缸力矩;由此說明此兩種狀態(tài)下油缸的舉升力最大，且頂蓋完全打開剛回收時的油缸拉力大于頂蓋完全閉合剛舉升時的油缸推力。

5.3油缸受力求解

進入Mechanism模塊，依據(jù)上述設定的已知分析參數(shù)添加約束及各自屬性載荷，并設置重力模量G=9.8 N/kg，將簡化模型分別設置在頂蓋在完全閉合回落至最后端，以及頂蓋完全打開舉升至最前端兩種狀態(tài)，運行機構分析，如圖11所示求得，頂蓋完全閉合剛舉升狀態(tài)時的油缸反作用連接軸向力為F_3'=33181.51 N。

如圖13所示求得頂蓋完全打開剛回收狀態(tài)時的油缸反作用連接軸向力為F_4'=22836.75 N。

由P=F/S; S=πr²/2，代入上述已求得的數(shù)據(jù)以及已設定的已知分析參數(shù)，求得P_1'=21.3 MPa，P_2'=28.7 MPa，均小于油缸額定壓力30 MPa，滿足設計要求。

此外，建立油缸舉升力F相目對油缸上下軸點長度L的運行關系，還可得出油缸受力相對油缸舉升長度的變化曲線，如圖13所示。

6 對比分析

通過上述對擺臂硬質頂蓋環(huán)保自卸車舉升機構油缸的強度校核可知，常規(guī)CAD作圖力學分析以及Creo Mechanism機構求解這兩種方法均能求出油缸上下腔所受壓強的大小。然而，兩種計算方法的快捷程度顯而易見.Creo Mechanism機構求解法較CAD作圖力學分析法的求解過程更為簡便，其過程完全由軟件自動運行分析計算，運算結果精確度更高而且能夠得到直觀的油缸力矩變化圖以及舉升力F的變化圖。常規(guī)CAD作圖法雖也能計算出結果，但是其求解過程太過繁雜，其間需要經(jīng)過大量的作圖以及力學計算，加之CAD軟件線條圖形采用近似矢量逼近方法作圖[4]，其誤差較大，這也是兩種計算結果存在些許偏差的原因。

7 結語

本文就目前市場上擺臂硬質頂蓋環(huán)保自卸車最為常見的頂蓋舉升機構的鉸接關系和布置方式，分別采用常規(guī)CAD作圖以及Creo Mechanism=維機構分析兩種對其進行強度分析校核，并對兩種求解方法的求解過程以及求解結果進行分析總結，分析結果表明，Creo Mechanism機構求解法在機構強度分析和校核中，求解更為簡便，計算結果精確度更高。

參考文獻

[1]趙大興.工程制圖[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2]孫桓，陳作模，葛文杰.機械原理[M].北京：高等教育出版社，2013.

[3]詹友剛.Creo1.0機械設計教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[4]劉極峰.計算機輔助設計與制造[M].北京：高等教育出版社，2004.