垂直供排水抢险车整车稳定性分析.pdf

第 1 2期 2 0 1 5年 1 2月 机 械 设计 与 制造 Ma c h i n e r y De s i g n&Ma n u f a c t u r e 51 垂直供排水抢险车整车稳定性分析 周水庭 ， 张淼 ， 欧阳联格 ， 阙彬元 ( 1 ． 厦门理工学院 机械与汽车工程学院， 福建 厦门3 6 1 0 2 4 ； 2 ．福建侨龙专用汽车有限公司， 福建 龙岩3 6 4 0 0 0 ) 摘要： 以某款垂直供排水抢险车为研究对象， 分析 了影响整车稳定性的因素， 基于C R E O和 A D A MS建立了抢险车的 虚拟样机膜 型 ，并对整车受各 因素影响 下的工作状 态进行 了仿真 ，得 出了两个极 限工况下左右 支腿的受载情况 ；利用 A N S Y SWo r k b e n c h对 史腿进行了刚强度分析， 利用A D A MS对极限工况下整车的工作过程进行了仿真， 获得了支腿的振 动情况曲线， 并基于该曲线分析整车在极限工况下的稳定性。分析结果表明， 该款垂直供排水抢险车设计合理， 在极限工 况下 。 也能保持 良好的稳定性。 关键词： 特种车辆； 整车稳定性； 振动分析； A D A MS； A N S Y S Wo r k b e n c h 中图分类号： T H1 6 ； T H1 8 5 ； T H 2 1 3 ． 6 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 1 — 3 9 9 7 ( 2 0 1 5 ) 1 2 — 0 0 5 1 - 0 4 St a b i l i t y An a l y s i s o f t h e Ve r t i c a l Dr a i n a g e E n me r g e n c y Ve h i c l e Z H O U S h u i - t i n g ， Z H A N G Mi a o ， O U Y A N G L i a n - g e ， Q U E B i n - y u a n ’ ( 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c al a n d A u t o mo t i v e E n g i n e e r i n g ， X i a m e n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， F u j i a n X i a me n 3 6 1 0 2 4 ， C h i n a ； 2 ． F u j i a n Q i a o L o n g S p e c i a l P u r p o s e V e h i c l e C o ． ， L t d ． ， F u j i a n L o n g y a n 3 6 4 0 0 0 ， C h i n a ) ’ A b s t r a c t ： T a k i n g 0 ， ∞ t h e r e s e a r c h o b j e c t ．i t a n al y s e d t h e f a c t o r s w h i c h i m p a c t t h e v e h i c l e s t a b i l i ty ．B a s e d o n C R E O a n d A D A M S ， i t c r e a t e d a v i r t u a l p r o t o t y p l e m o d e ． S i mu l a t e d w o r k i n g c o n d i t i o n s u n d e r t h e e f f e c t o fa l l f act o r s ， g o t t h e b o t h s i d e l e g l o a d i n g s i t u a t i o ns u n d e r t h e t w o l i m i t c o n d i t i o ns． B a s e d o n A N S Y S Wo r k b e n c h ，i t a n a l y z e d t h e s t if f n e s s a n d t h e s t r e n g t h o fle g s ． S i m u l a t e d t h e v e h ic l e w o r k i n g p r o c e s s u n d e r t h e l i mi t c o ndi t i o n s ． a n a got t h e v i b r at i o n c u ~e s o fl e g s ． O n t h e b asis o ft h e c u ~e s ，i t a n a l y z e d t h e v e h i c l e s t abi l i t y u n d e r t h e l i mi t c o nd i t ions．T h e r e s u l t s h o w s t h a t t h e v e r t i c al d r a i n a g e e me r g e n c y v e h i c l e i s a r ati o n a l d e s i g n，e v e n u n de rt he l i mi t c o nd i t ions ，i t c o u l d a l s o k e e p i t s s t a b i l i t y q u i t ego o d ． Ke y W o r d s ： S p e c i a l Ve h i c l e ； W h o l e Ve h i c l e S t a b i l i t y ； Vi b r a t i o n An a l y s i s ； ADAM S ； ANS YS W o r k b e n c h 1引言 垂直供排水抢险车是在以二类底盘为基础安装有高压油 泵、 轴流泵、 平移装置、 转盘、 举升装置、 滑动装置、 伸缩管、 液压支 腿等功能部件 ， 具有大排量快速排水功能的专用作业车。由于伸 缩管全部伸出时的工作长度可达 1 1 ．4 m，会产生较长的倾覆力 臂， 整车工作状态下的重心也会有较大偏移 ， 故对整车进行稳定 性分析与研究， 对抢险车的高效、 安全工作具有现实意义嗍。 垂直供排水抢险车的关键部件结构形式复杂，如举升、 回 转、 变幅机构等， 因此应用传统的稳定性计算方法进行计算较为 繁琐， 计算难度大。利用 A D A MS 对抢险车在极限工况下整车稳 定性进行动力学分析。相较于传统的设计方法， 利用 A D A MS建 立仿真实验平台， 对抢险车实际工况的稳定性分析和实验分析的 方法更为灵活、 高效、 多样化。 垂直供排水抢险车的稳定性分为两 类： 一类是工作状态稳定性， 即液压支腿伸出， 使后车身离开地 面， 各滑移及旋转机构开始工作； 另一类是非工作状态稳定性， 即 液压支腿收回， 各移动机构收缩， 即整车完全由轮胎支撑。 这里根 据垂直供排水抢险车的特点， 对处于非工作状态的抢险车稳定性 不予分析， 着重对工作状态的稳定性具体分析。 2稳定性的影响因素 垂直供排水抢险车长期工作在洪涝区域， 工作环境恶劣， 其 稳定性受多方面 因素影响 ， 为 了更好的进行稳定性分析 ， 选 取抢 险车的两个极限工况为分析对象， 分别为垂直工作状态和非垂直 工作状态 。 工作状态下泵头需完全没人水源中， 故选取泵头在纵 向和横向距回转平台最远位置分别为极限工况下的垂直工况和 非垂直工况， 如图 1 、 图 2 所示。将从伸缩管的工作长度 、 作业喷 水的反作用力、 风载荷及供排水水源水流速度等 4个方面分析稳 定性的影垧因素。 2 ． 1伸缩管的工作长度 因作业需要，抢险车工作时的伸缩管会长时间处于伸出状 态， 不仅其所受外载荷的力矩随之增加， 整车的重心相较于非工 来稿 日期 ： 2 0 1 5 - 0 5 — 1 4 作者简 介： 周水庭 ， ( 1 9 7 0 - ) ， 男 ， 湖南湘潭人 ， 博士研究生 ， 副教授 ， 主要研究方向： 汽车动力学 、 C A D ／ C A E、 专用车辆及轮式机械的科研工作 5 2 周水庭等： 垂直供排水抢险车整车稳定性分析 第 1 2期 作状态也会有很大的偏移。 取伸缩管装置各部件伸出至极限时泵 头端面中心到回转平台回转中心的横向距离为 A，纵向距离为 曰， 两个极限工况下A值、 B值、 翻转角度及各部件伸出极限长度 及如表 1 所示。 伸缩管总伸长量为主滑动轨道、 副滑动轨道、 伸缩 管三者之和， 其中垂直工况下为 7 ．6 m， 非垂直工况为 9 ． 4 m 。 ● ～ —— ’—， r - _ ， r‘ 工 图 l垂直极限工况图 F i g ． 1 Ve r t i c a l Li mi t Co n d i t i o n 图 2非垂直极 限工况图 F i g ． 2 No n - Ve rt i c a l L i mi t Co n d i t i o n 表 1伸缩管装置 T a b ． 1 T e l e s c o p i c Pi p e 2 _ 2作业喷水的反作用力 垂直供排水抢险车配备的是轴流泵， 其效率高， 便于恶劣环 境下的应急使用 ，轴流泵各项参数如下表所示。伸缩管管径为 3 0 0 ra m， 加之轴流泵的大流量排水， 作业喷水的反作用力会对长 伸缩管结构施以较大的力矩， 对整车的稳定性造成影响， 特别是 在初始工作状态。轴流泵流量范围为( 8 0 0 ～ 1 8 0 0 ) m3 ／ h ， 扬程范围 为( 2 3 ～ 1 3 ) m， 基于泵的最大流量及对应的扬程， 运用流体力学知 识可计算出两个极限工况下的作业喷水反作用力[4 1 。作用力在 ， ， 、 方向上的分力， 如表 2所示。 表 2极 限工况下作业喷水 的反作用力 Ta b ． 2 Re a c t i o n o f t h e Wa t e r Sp r a y i n g Un d e r t h e L i mi t Co n d it i o n 2 ． 3风载荷 据不完全统计， 我国多发洪涝区域常伴有大风出现， 险情剧 烈的区域可达 8 级风。抢险车各机构是全液压驱动， 为保证其正 常工作， 整车套装箱体， 大大增加了风载荷的作用面积； 同样， 伸 缩管伸出时也会增加管外表面面积，大大增加了迎风受阻面积； 而且， 整车进入工作状态时， 车高也将大幅增加， 继而增大了受载 力矩， 故而风载荷也是抢险车稳定性的影响因素之一， 抢险车受 垂直于车体侧面的载荷最大。 根据 G B ／ T 3 8 1 1 起重机设计规范圈 ， 风力等级为 8 级时， 计算 风压p = 5 0 0 N ／ m 。风载荷计算公式如下： P w = C K h p A ( 1 ) 式中： —作用在抢险车上的风载荷 ， N； c —迎风物体的风载体 型系数， 这里取 1 ． 1 ； —风压高度的变化系数， 这里取 1 ． O ； p —计算风压 ， N ／ m ； —抢险车垂直于风向的迎风面积 ， 这 里取 l 1 ． 8 6 8 m 。 可计算得出风载荷 P w = 6 5 2 7 ．4 N。 2 ． 4供排水水源水流速度 洪涝区域的水源受地势影响， 常具有一定的流速， 加之伸缩 管的伸出改变了整车的重心， 水源水流会对伸缩管没入水源部分 造成影响整车稳定性的载荷， 所受载荷最大时的方向为垂直于车 身的横向载荷 ， 可由式( 2 ) 式( 3 ) 计算得出[6 1 。 F o = 1 ．2 8 [ - o ．2 6 ] _J1 ． 8 4 1~ r D D = V 1 6 ． 9 手 l + 1 2 ．3 + 2 ．5 ( 等) ( 2 ) ( 3 ) 式中： 6 —没入水源部分宽度， 这里取 0 ．5 4 m； s —没入水源部分高度， 这里取 0 ． 7 7 m； —顺 水流方 向上 的长 度 ， 这里 取 0 ． 6 3 2 m； ， ～没入水源部分最底部到床面的距离，这里取 3 ．3 m； 一 水深， 这里取 4 m； 源平均流速， 这里取 3 ri d s ； 一当量 粒径 ， m。 可计算得出水源载荷 1 8 4 7 ． 6 N。 3复杂工况下支腿的受力 基于 C r e o及 A D A MS 建立虚拟样机模型，步骤如下： ( 1 ) 在 C r e o中修改每个 P a r t 的质量和材料属性； ( 2 ) 在 A D A MS中给不同 P a r t 间添加约束， 包括运动副和驱动 ； ( 3 ) 将 C r e o中获得的各零 部件的转动f贯量和重心坐标等参数输入 A D A MS中， 并调整重心 位置； ( 4 ) 在 A D A MS中对虚拟样机进行自检， 查看 自由度 、 约束 关系和p a r t 的数量 ， 结果显示无冗余约束。影响因素的载荷施加 方向为沿 轴正向， 即由整车的左侧向右侧加载。仿真得出两个 极 限工况下 的受载情况 ， 如表 3 、 表 4所示 。 表 3垂直工况载荷 Ta b ． 3 L o a d i n g o f Ver t i c a l L i mi t Co n d it i o n 表 4非垂直工况载荷 Ta b ．4 L o a d i n g o f No n - Ve rtic a l L i m． 1 Co n d i t io n 4极限工况下受力最大的支腿刚强度分析 由实际经验和仿真结果可知， 右支腿所受载荷最大， 因此变 形也最为明显， 根据在 A D A MS中仿真得出的的载荷值， 用A N S Y S Wo r k b e n c h对两个极限工况下的右支腿的应力 、 应变进行校核。 5 4 机 械 设 计 与 制 造 No ． 1 2 De c ． 2 Ol 5 ( 3 ) 通过仿真分析， 将宏观的极限工况下各影响因素对整车 的作用映射到直观的支腿位移变化 ， 得出支腿与大地之间的震颤 相对位移曲线， 从而对整车的稳定性进行判定 ， 结果表示支腿位 移在一定范围内波动， 但始终处于水平线之下 ， 即整车处于稳定 状态 。 这里的研究方法可为抢险车其他机构或相关工程机械的动 力学分析提供参考， 具有借鉴意义。后续进一步的稳定性分析可 以对两个极限工况下支腿的位移曲线进行比较， 研究支腿的刚强 度对整车的稳定性影响。 参考文献 [ 1 ] 彭学磊． 基于虚拟样机航空食品车行驶稳定性分析[ J ] ．机械设计与制 造 ， 2 O l 1 ( 6 ) ： 2 2 4 — 2 2 6 ． ( P e n g X u e - l e i ．A n a l y s i s o n ri d i n g s t a b i l i t y o f c a t e ri n g t r u c k b a s e d o nv i r t u a l p r o t o t y p e [ J ] ．Ma c h i n e r yD e s i g n＆Ma n u f a c t u r e ， 2 0 1 1 ( 6 ) ： 2 2 4 — 2 2 6 ． ) [ 2 ] 邢哲． 矿用防爆混凝土罐车的稳定性分析[ J ] ．煤炭技术， 2 0 1 5 ， 3 4 ( 5 ) ： 2 3 8 — 2 4 0 ． ( X i n g Z h e ．S t a b i l i t y a n a l y s i s o f m i n e fl a me p r o o f c o n c r e t e mi x e r t r u c k [ J ] ． C o a l T e c h n o l o g y ， 2 0 1 5 ， 3 4 ( 5 ) ： 2 3 8 - 2 4 0 ． ) [ 3 ] 江海燕． 汽车起重机稳定性影响因素分析[ J ] _现代机械， 2 0 0 9 ， 1 ( 1 7 ) ： 5 0 -5 2 ． ( J i a n g H a i — y a n ． T h e a n aly s i s o f t h e f a c t o r s a f f e c t i n g t h e s t a b i l i t y o f t h e t r u c k — c r a n e [ J ] ．M o d e rnM a c h i n e ry， 2 0 0 9 ， 1 ( 1 7 ) ： 5 0 - 5 2 ． ) [ 4 ] 吕 康． 室内消火栓系统水枪反作用力的计算探讨[ c ] ．第一届中国建筑 学会建筑给水排水研究分会第二次会员大会暨学术交流会论文集 ， 2 O1 O ． ( L v K a n C a ku l a t j o n o f n o z z l e r e a c t i o n f o r t h e i n d o o r f i r e h y d r a n t s y s t e m l C J ．T h e F i r s t S e s s i o n o f t h e S e c o n d Me mb e r C o n g r e s s a n d t h e A c a d e mi c Ex c h a n g e Me e t i n g o f t h e Re s e a r c h S o c i e t y o f Bu i l d i n g Wa t e r S u p p l y a n d D r a i n a g e ， 2 0 1 0 ． ) [ 5 ] G B f F 3 8 1 1 起重机设计规范I s ] ． ( G B ／T3 8 1 1 D e s i g n r u l e s f o r c r a n e s [ S ] ． ) [ 6 ] 庞启秀冰流作用下块体受力试验研究[ D ] ．南京： 河海大学， 2 0 0 5 ． ( P a n g Q i - x i u ． E p e r i me n t a I s t u d y o f t h e h y d r o d y n a m i c f o r c e s o n t h e s q u a r e - s e c t i o n c y l i n d e r [ D ] ．N anj i n g ：H o h a i U n i v e r s i t y ， 2 0 1 5 ． ) [ 7 ] 欧阳联格． 沙滩清洁车举升机构性能研究[ J ] _ 机械设计与制造， 2 0 1 5 ( 1 ) ： 2 7 - 3 1 ． ( O U Ya n g L i a n - g e ． P e r f o r ma n c e s t u d y o n t h e l i f t i n g me c h a n i s m o f b e a c h c l e a n e r [ J ] ． M a c h i n e r y D e s i gn＆M a n u f a c t u r e ， 2 0 1 5 ( 1 ) ： 2 7 — 3 1 ． ) [ 8 ] 欧阳联格． 沙滩清洁车举升机构优化设计与仿真 [ J ] ．机械设计 与制造 ， 2 0 1 4 ( 7 ) ： 5 2 — 5 7 ． ( O U Y a n g L i a n - g e ．O p t i m i z a t i o n d e s i gn a n d s i mu l a t i o n o f t h e l i f t i n g m e c h — a n i s m o f b e a c h - c l e a n e r b a s e d o n v i rt u a l p r o t o t y p e t e e h n o l o g y [ J ] ．M a c h i n e ry D e s i g n＆Ma n u f a c t u r e ， 2 0 1 4 ( 7 ) ： 5 2 ～ 5 7 ． ) [ 9 ] 欧阳联格． 沙滩清洁车履带地盘摆动轴优化设计[ J ] ． 机械设计与制造， 2 0 1 4 ( 8 ) ： 2 2 4 ～ 2 2 6 ． ( 0U Y a n g L i a n — g e ． O p t i ma l d e s i g n o f s w i n g a x l e i n t h e c r a w l e r c h a s s i s o f b e a c h - -c l e a n e r [ J ] ．Ma e h i n e ryD e s i gn&Ma n u f a c t u r e ， 2 0 1 4 ( 8 ) ： 2 2 4 - 2 2 6 ． ) [ 1 0 ] 郑夕健．基于A D A M S 的汽车起重机整机稳定性分析[ J ] ．机电产品开 发与创新， 2 0 0 9 ， 2 2 ( 2 ) ： 8 9 — 9 1 ． ( Z h e n g X i - j i a n ． S t a b i l i t y ana l y s i s o f t h e t rnc k - c r a n e b a s e d o n A D A M S [ J ] ． De v e l o p me n t ＆I n n o v a t i o n o f Ma c h i n e ry ＆El e c t ric a l P r o d u c t s ， 2 0 0 9， 2 2 ( 2 ) ： 8 9 - 9 1 ． ) ( 上接 第 5 0页) 计算圆形铣削切削力， 并与试验结果对比。选取其中一组试 验数据为例。为了方便计算切削力， 选取的径向切削厚度 为定 值。切削参数为主轴转速 n = 2 0 0 0 d mi n ， 进给量f = 6 0 0 m m ／ mi n ， 已 加工表面圆弧半径为R= 2 0 mm， 径向切削厚度 a e = 1 ． 5 m m， 轴向切 深 a p -- O ． 2 ram。对 比结果 ， 如图 5所示 。图 5的切削力对 比可 以看 出， 切削力仿真值在波形变化趋势及幅值大小等方面都与实测值 吻合较好。但是由于测量设备的误差以及零点漂移的存在， 试验 结果与仿真结果之间仍然存在一定的偏差。 5结论 ( 1 ) 建立了平头铣刀与圆形加工轮廓交点的数学模型， 通过 求解铣刀与工件的时变交点，获得了铣削过程中切人角与切出 角， 用于判断切削刃微元是否参与切削。 ( 2 ) 分析了铣刀路径轨迹 曲率效应对瞬时切削厚度的影响， 确定圆形铣削过程中的瞬时切 削厚度， 提高了切削厚度的精确度。 ( 3 ) 通过试验辨识获得了铣削 力系数， 然后应用到铣削力的数学模型中， 运用数值积分方法求 出了整个铣刀的切削力。 ( 4 ) 试验结果表明， 提出的切削力预测方 法能够很好地预测圆形铣削加工中切削力的幅值及其变化趋势。 参考文献 [ 1 ]E h m a n n K F， Ka p o o r S G， D e V o r R E ． Ma c h i n i n g P r o c e s s Mo d e l i n g ： A R e v i e w [ J ] ．A S M E J ． M a n u f ．S c i ．E n g ． ， 1 9 9 7 ( 1 1 9 ) ： 6 5 5 — 6 6 3 ． 【 2 J A l t i n t a s Y．Ma n u f a c t u ri n g A u t o ma t i o n - Me t a l C u t t i n g Me c h a n i c s ， Ma c h i n e T o o l V i b r a t i o n s a n d C N C D e s i gn 【 M] ．C a m b r i d g e ： C a mb ri d g e U n i v e rsi t y P r e s s ． 2 0 0 0 ． [ 3 ] K u m a n c h i k L M ．I m p r o v e d a n a l y t i c al c h i p t h i c k n e s s m o d e l f o r m i l l i n g [ J ] ． P r e c i sEn g ． 2 o o 7 ( 31 ) ： 3 1 7 —3 2 4． 1 4 j Go n z a l o 0， B e r i s t a i n J ， J a u r e g i H．A me t h o d f o r t h e i d e n t i f i c a t i o n o f t h e s p e c i fi c for c e e o e me i e n t s i n e n dmi l l i n g [ J ] J n t J Ma c h T o o l s Ma n u f ， 2 0 1 0 ， 5 0 ( 9 ) ： 7 6 5 — 7 7 4 ． [ 5 ] 『 Ji Z Q ， L i u Q ． P r e d i c t i o n o f c u t t i n g f o r c e f o r c i r c u l a r c o rn o r m i l l i n g 【 C 3 P roe e e d i n g s o f I CMEM2 0 0 7 I n t e r n a t i o n al Co n f e r e n c e o n Me c h a n i c a l E ng i n e e rin ga n d Me c h a n i c s ． 2 0 0 7： 1 2 8 3 —1 2 8 9 ． 1 6 J Ka r d e s N， Ah i n t a s Y ． Me c h a n i c s a n d d y n a mi c s o f t h e c i r c u l a r mi l l i n g p r o c e s s [ J ] ．J o u r n a l o f Ma n u f a c t u ri n g S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g ， 2 o o 7 ( 1 2 9 ) ： 2 2 — 3 1 ． [ 7 ]wu Q， Z h a n g Y D， Z h ang H W．C o r n e r m i l l i n g o f t h i n w a l l e d c a v i t i e s o n a e r o n a u t i c al c o m p o n e n t s [ J J ．C h i n J A e ro n a u t ， 2 0 0 9 ， 2 2 ( 6 ) ： 6 7 7 - 6 8 4 ． [ 8 J Ya n g Y， Z h ang W H， Wa n M． E f f e c t o f c u t t e r r u n o u t o n p r o c e s s g e o m e t r y a n d foI C e S i n pe rip h e r al mi l l i n g o f c u r v e d s u l f a c e 8 wi t h v a r i a b l e c u rva t u r e l J J ． I n t J Ma c h T o o l s Ma n u f ， 2 0 1 1 ， 5 1 ( 2 ) ： 4 2 42 7 ． [ 9 ] wu B H， Y an X， L u o M． C u t t i n g f o r c e p r e d i c t i o n for c i rcu l a r e n d mi l l i n g p r o c e s s [ J ] ． C h i n J A e ron a u t ， 2 0 1 3 ， 2 6 ( 4 ) ： 1 0 5 7 — 1 0 6 3 ． 1 1 0 j B u d a k E ， A l t i n t a s Y， A r m a r e g o E J A ．P r e d i e t i o n o f mi l l i n g f o r c e c o e f fi c i e n t s f r o m o ~ h o g o n a l c u t t i n g d a t a l J j ． T r a n s a c t i o n s o f t h e AS ME J o u r n a l o f Ma n u f a c t u ri n g S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g ， 1 9 9 6 ， l l 8( 2 ) ： 2 1 6 — 2 2 4 ．