陳鑫陽，王興全，史英桂，劉 旭，劉 偉，熊成強

(天津航海儀器研究所，天津 300131)

0 引言

近年來隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展、汽車工業(yè)的進步，特種作業(yè)車輛規(guī)模越來越大，種類也發(fā)展得越來越全面，覆蓋了軍事、民用等多個領(lǐng)域，執(zhí)行專業(yè)的監(jiān)測、測量、消防、醫(yī)療、清潔、作戰(zhàn)等任務(wù)。在特種車輛完成相關(guān)作業(yè)時，隨車設(shè)備必不可少，車載設(shè)備是完成相關(guān)工作的基本保障，同時絕大部分特種作業(yè)車輛的工作環(huán)境較為惡劣，這就對車載設(shè)備的可靠性提出了較高的要求。特種車輛在執(zhí)行任務(wù)時，有一些任務(wù)要求操作人員手持設(shè)備在車上或者車下進行作業(yè)，在高頻作業(yè)的情況下，設(shè)備與車輛的連接方式就尤為重要，傳統(tǒng)的螺釘緊固方式十分費時、費力，因此這就要求對這些設(shè)備用一些特殊的方式進行固定。此外，若設(shè)備安裝不牢靠，則車輛在移動時，設(shè)備就會存在損壞的危險，嚴(yán)重時還可能會造成人員的受傷。針對此種情況，本文設(shè)計了一種特種作業(yè)車輛車載設(shè)備快速拆裝裝置，可以保證操作人員隨時取用和安裝設(shè)備，極大地節(jié)省了準(zhǔn)備時間，同時具有高可靠性，保證惡劣工況時設(shè)備的安裝穩(wěn)定性。

1 快速拆裝裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文所述的新型車載設(shè)備快速拆裝裝置主要由鎖緊組件和支架組件組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。鎖緊機構(gòu)部件3與導(dǎo)向部件4一部分緊固在鎖緊組件1上，一部分緊固在支架組件2上，起到連接、緊固裝置的作用。裝置安裝時，通過支架組件2背部螺釘孔與車體連接，支架組件2上兩個弧形鈑金件與其焊接，目的是保證將設(shè)備導(dǎo)入裝置中，同時起到支撐設(shè)備的作用，為鎖緊機構(gòu)部件、導(dǎo)向部件創(chuàng)造安裝空間。

鎖緊組件結(jié)構(gòu)如圖2所示。安裝時，首先將鎖緊機構(gòu)彈簧34放置在鎖緊機構(gòu)殼體32內(nèi)腔中，將鎖緊機構(gòu)芯軸33從上至下依次穿過鎖緊機構(gòu)彈簧34、鎖緊機構(gòu)殼體32底部孔洞，用力壓入，直至從部件外部看到鎖緊機構(gòu)芯軸33下部環(huán)形溝槽，此時將開口擋圈35卡在鎖緊機構(gòu)芯軸33環(huán)形溝槽內(nèi)；然后將圓柱銷37與鎖緊機構(gòu)芯軸33通過壓力機壓入的方式裝配，保證兩者之間緊密配合；最后將蝶形旋鈕31通過螺釘緊固，此時鎖緊機構(gòu)部件組裝完成。

1-鎖緊組件；2-支架組件；3-鎖緊機構(gòu)部件；4-導(dǎo)向部件

31-蝶形旋鈕；32-鎖緊機構(gòu)殼體；33-鎖緊機構(gòu)芯軸；34-鎖緊機構(gòu)彈簧；35-開口擋圈；36-楔形卡塊；37-圓柱銷

裝置組裝時，楔形卡塊36法蘭端面與設(shè)備端螺釘緊固，鎖緊機構(gòu)殼體32法蘭端面與鎖緊結(jié)構(gòu)件緊固，鎖緊機構(gòu)彈簧34的剛度根據(jù)固定的設(shè)備重量進行調(diào)整，鎖緊機構(gòu)殼體32與楔形卡塊36之間的間隙通過實際工作情況可做調(diào)整。工作時，鎖緊機構(gòu)芯軸33與圓柱銷37通過楔形卡塊36中的孔洞，通過后旋轉(zhuǎn)蝶形旋鈕31，使圓柱銷37沿著楔形卡塊36斜面滑動，蝶形旋鈕31旋轉(zhuǎn)90°時，圓柱銷37彈入楔形卡塊36凹槽內(nèi)，依靠鎖緊機構(gòu)彈簧彈力達到鎖緊目的。楔形卡塊36凹槽的作用是保證圓柱銷37在非外力的作用下無法脫出。

導(dǎo)向部件結(jié)構(gòu)如圖3所示。安裝時，首先將導(dǎo)向部件彈簧43放置在導(dǎo)向部件外殼42內(nèi)腔，然后將導(dǎo)向部件芯軸41依次穿過導(dǎo)向部件外殼42頂部孔洞、導(dǎo)向部件彈簧43，最后由導(dǎo)向部件壓板44壓縮導(dǎo)向部件彈簧43，通過螺釘與導(dǎo)向部件芯軸41緊固。因為此部件作用是導(dǎo)向功能，因此導(dǎo)向部件外殼42與導(dǎo)向部件彈簧43、導(dǎo)向部件外殼42與導(dǎo)向部件壓板44之間的間隙不宜過大，在不影響運動的前提下，間隙越小越好，間隙值可根據(jù)實際工作情況而定。

41-導(dǎo)向部件芯軸；42-導(dǎo)向部件外殼；43-導(dǎo)向部件彈簧；44-導(dǎo)向部件壓板

裝置組裝時，將導(dǎo)向部件芯軸41安裝在鎖緊組件上，然后將導(dǎo)向部件外殼42安裝在支架組件上，以實現(xiàn)兩者間的導(dǎo)向作用。其中，導(dǎo)向部件彈簧的作用有兩個：一是當(dāng)進行設(shè)備安裝時輔助操作人員將鎖緊組件與支架組件貼合；二是防止設(shè)備拆卸后，操作人員忘記將鎖緊機構(gòu)部件進行鎖緊，造成車輛運動時裝置發(fā)生異響。因此，導(dǎo)向部件彈簧剛度的選取主要依據(jù)鎖緊組件的質(zhì)量而定。

當(dāng)裝置組裝完成后，裝入設(shè)備時首先將鎖緊機構(gòu)部件3旋轉(zhuǎn)打開，拉動把手，將設(shè)備放入支架組件2中，然后將把手松開，此時由于導(dǎo)向部件4的導(dǎo)向作用，可以保證鎖緊機構(gòu)部件3中的鎖緊機構(gòu)芯軸33與圓柱銷37精準(zhǔn)地通過楔形卡塊36中的孔洞，最后旋轉(zhuǎn)蝶形旋鈕31，鎖緊設(shè)備，保證車輛進行特種作業(yè)或者車輛通過惡劣工況時設(shè)備的穩(wěn)定性。

2 隨機振動

在車載環(huán)境下，設(shè)備會受到自身或者外部的不確定載荷影響，對于這種不確定性，通常情況下基于統(tǒng)計學(xué)原理，認為隨機振動穩(wěn)態(tài)的隨機過程是符合正態(tài)分布的，對于車載設(shè)備應(yīng)通過隨機振動分析來計算其內(nèi)部的變形和應(yīng)力是否滿足設(shè)計要求。其中，隨機振動結(jié)果值1σ(σ為標(biāo)準(zhǔn)差)表示出現(xiàn)小于該仿真結(jié)果的概率為68.269%；2σ表示出現(xiàn)小于該仿真結(jié)果的概率為95.45%；3σ表示出現(xiàn)小于該仿真結(jié)果的概率為99.73%。

根據(jù)國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB150.16A中關(guān)于振動試驗部分規(guī)定，選取組合輪式車振動環(huán)境，其加速度譜密度曲線如圖4所示。

圖4 組合輪式車振動環(huán)境的加速度譜密度曲線

設(shè)備裝置支架組件采用1.5 mm厚的鋼板，利用鈑金工藝將其加工成型，導(dǎo)向部件與鎖緊部件采用機加工方式加工成型。在利用ANSYS軟件進行有限元仿真時，將設(shè)備通過質(zhì)量點的方式插入，質(zhì)量點設(shè)置為2.5 kg。裝置材料的材料屬性如表1所示。

表1 裝置材料屬性

根據(jù)組合輪式車振動環(huán)境，對設(shè)計的車載設(shè)備快速拆裝裝置進行隨機振動分析，得出如圖5所示的應(yīng)力和變形云圖。

圖5 車載設(shè)備快速拆裝裝置的1σ應(yīng)力、變形云圖

由圖5可知，振動譜為1σ時(即變形和應(yīng)力小于上述云圖的概率為62.268%)，裝置的最大應(yīng)力為63.8 MPa，遠小于裝置材料(20Cr13不銹鋼)的許用應(yīng)力值；在X、Y、Z方向上的最大變形量分別為0.38 mm、0.19 mm、0.12 mm。

振動譜為2σ時(即變形和應(yīng)力小于上述云圖的概率為95.45%)，裝置在垂向、橫向、縱向的變形及應(yīng)力如圖6所示。由圖6可知：裝置的最大應(yīng)力為127.55 MPa，小于裝置材料(20Cr13 不銹鋼)的許用應(yīng)力值；在X、Y、Z方向上的最大變形量分別為0.76 mm、0.38 mm、0.23 mm。

圖6 車載設(shè)備快速拆裝裝置的2σ應(yīng)力、變形云圖

振動譜為3σ時(即變形和應(yīng)力小于上述云圖的概率為99.73%)，裝置在垂向、橫向、縱向的變形及應(yīng)力如圖7所示。由圖7可知：裝置的最大應(yīng)力為191.33 MPa，小于裝置材料(20Cr13 不銹鋼)的許用應(yīng)力值；在X、Y、Z方向上的最大變形分別為1.14 mm、0.57 mm、0.35 mm，設(shè)計滿足使用需求。

圖7 車載設(shè)備快速拆裝裝置的3σ應(yīng)力、變形云圖

綜合圖5～圖7可知：最大應(yīng)力集中在支架組件背板處，由于支架組件采用鈑金折彎，整體成型，未采用其他工藝處理，針對此種情況可以對支架組件背板處沖壓加強筋等方式進行處理；最大變形主要在支架組件右前端，因為此處懸置，可以在此處折彎邊緣采用鈑金壓死邊工藝處理，加強此處剛度。

3 結(jié)論

本文針對現(xiàn)有特種車輛車載設(shè)備應(yīng)用情況，提出一種新型設(shè)備安裝方式，以滿足設(shè)備在惡劣工況條件下的使用。通過對結(jié)構(gòu)進行隨機振動分析，最大的3σ應(yīng)力為191.33 MPa，最大3σ形變?yōu)?.14 mm，滿足設(shè)計需求。