平板清障車頂部拖車平臺結構設計

陳貴智 李銘 曹宏濤 姜偉

陜西汽車控股集團有限公司 陜西西安 710200

1 引言

道路清障車在我國只有短短十幾年的發展歷程，然而卻隨著我國社會經濟的快速發展，車輛保有量的不斷上升，公路特別是高速公路的快速延伸，道路清障車的銷量逐年上升。到目前為止，國內道路清障車已開發出托吊分離型、托吊聯體型、平板背拖型三大系列，清障噸位已覆蓋了微型至超重型的全系列車型。

市場占有率最多的清障車型為平板背拖型，該類車型是通過牽引或吊舉車輛至平板上進行背載運輸，同時還能進行拖載運輸。該型車的最大特點：一車拖二，同時可以將兩輛小型故障車拖離現場，運行效率較高。如果對該車型進行改進，改為一車拖三，即在現有一拖二基礎上，在駕駛室頂部設計一個車輛裝載平臺，則可大幅提高車輛使用效率，降低運行成本；并且該車型總質量小，操作方便，運行效率高，可以更好地適應日益繁忙的高速公路運行的需要。

這種新型一拖三平板清障車是在消化吸收國外產品先進技術的基礎上，自主創新研發的全新結構（如圖1）。

2 駕駛室頂部承載式拖車平臺結構設計

駕駛室頂部承載式平板機構由平板支撐架、頂部拖車平板、液壓絞盤、旋轉銷軸、平板液壓舉升系統、頂部拖車平板鎖止機構和輪胎固定裝置組成。頂部拖車平板安裝后靠近車頭的一端為前端。液壓絞盤安裝在平板前端中部，平板支撐架前端通過托架連接在底盤大梁前端，平板支撐架后端通過螺栓連接在底盤大梁上平面，頂部拖車平板后端通過活動的旋轉銷軸連接在平板支撐架后端上部，舉升油缸兩端分別連接平板支撐架前端下部和頂部拖車平板前端（如圖2）。該產品在底盤選型時，選擇底盤高度不高于2 050 mm，保證整車空載高度不高于2 450 mm，當頂部拖車平臺裝載后滿載高度不高于4 000 mm。

2.1 頂部拖車平板設計

頂部拖車平板主體材料采用高強度整體式花紋板，平板中間縱梁、兩側邊梁、前端橫梁及平板下面橫梁皆采用矩形管材料。拖車平板主體、中間橫梁、邊梁、前端橫梁和平板下面橫梁采用焊接方式組裝在一起。花紋板上面設計輪胎固定裝置和輪胎限位裝置，平臺前端安裝液壓絞盤，前面下側兩端設計油缸安裝座，后面下側兩端設計頂部拖車平板翻轉座。平臺兩側前端設計成可折疊式爬梯，操作人員通過爬梯對頂部拖車平臺上的被拖車輛進行固定。

2.1.1 輪胎固定裝置

輪胎固定裝置（如圖3）包括固定座和固定環，固定環先穿在固定座內，再把固定座焊接在頂部平板兩側邊梁和平板相接處，相鄰兩個輪胎固定裝置間隔500 mm，固定環可繞固定座自由轉動。當被拖載的車輛裝載到頂部平板上后，則可把被拖載車輛的輪胎通過扎帶固定在相應輪胎固定裝置上，確保被拖載車輛在運輸過程中固定安全牢固。

2.1.2 輪胎限位裝置

輪胎限位裝置（如圖4）是由花紋鋼板折彎成截面為三角形的限位塊，用螺栓固定拴接在頂部拖車平板上，其作用在于當液壓絞盤牽引被拖車輛至頂部平板后對前部輪胎位置進行限制，防止車輛拖過安全位置造成掉落危險。

2.2 平板支撐架設計

平板支撐架（如圖5）由豎支撐、橫支撐、前橫梁、油缸支座、平板旋轉支座等零件焊接組成。平板支撐架的豎支撐、橫支撐、前橫梁等主要結構件采用矩形管材料，其中油缸支座焊接在前豎支撐上，平板翻轉支座焊接在后豎支撐上端兩側。支撐架前下端通過托架與底盤大梁用螺栓連接，支撐架后端通過螺栓連接在底盤大梁上平面。框架前端下側設計底部油缸旋轉座，后端上側設計平板翻轉座。前橫梁位置在設計時應確保前橫梁既不會與駕駛室翻轉發生干涉，也不能與平板舉升油缸發生干涉，因此在設計時須進行三維模擬，以便精確定位前橫梁位置。

2.3 液壓操縱系統

液壓操縱系統主要由液壓泵，液壓油缸（如圖6），液壓管路，液壓控制閥等部件組成。為保證兩側液壓油缸工作同步，液壓管路系統配置有同步閥，為確保平板舉起之后位置精確，在平板支撐架后端設置了平板限位裝置。液壓控制閥與主平板控制閥同為多路換向閥，布置在車輛后端兩側。圖7為一拖三清障車的整車液壓原理圖。

3 一拖三平板清障車頂部拖車平板工作原理

駕駛室頂部拖車平臺工作時，翻轉油缸伸長，平臺沿翻轉座旋轉，平臺旋轉到一定角度，同時主拖車平板在舉升油缸作用下旋轉同樣角度與頂部拖車平臺相接，組成一個斜面，再由主拖車平板的平推油缸把主拖車平板推至與地面接觸，由頂部平臺的液壓絞盤把被拖車輛拽至主拖車平板上，平推油缸收回使主拖車平板與頂部拖車平臺相接，此時頂部平臺液壓絞盤的牽引速度與主拖車平推油缸收回速度一致，保證被拖車輛和主拖車平板同時運動。之后再由頂部拖車平臺液壓絞盤把被拖車輛拽至頂部拖車平臺，收回頂部旋轉油缸，固定被拖車輛，頂部平臺拖車工作完成（如圖8）。

4 頂部拖車平板總成有限元分析

頂部拖車平板總成是在現有的一拖二平板清障車基礎上新增加的拖車裝置，且頂部拖車平板總成在裝載拖車之后載荷量較大，因此頂部拖車平板總成的安全性非常重要，需要對其結構強度進行有限元分析，保證結構設計合理，強度剛度符合要求。

使用主流前處理軟件HyperMesh對頂部平臺結構進行有限元網格劃分，單元尺寸10 mm，單元數量26.2萬個，平臺自重0.89 t（不含液壓系統），載荷1.5 t（乘用轎車）。分析工況含高速公路或城市道路兩種工況，其中高速公路工況動載系數取2.0，城市道路工況動載系數取1.5。

材料包括Q345和45號鋼（調質處理）兩種，其中銷軸為45號鋼（調質處理），其余部件均為Q345。相關材料具體屬性見表1。

表1 Q345和45號鋼材料屬性表

網格劃分完成之后，設置材料屬性，然后施加相關載荷和約束。載荷包括平臺自重和被拖移車輛的載荷。其中自重載荷通過重力場的方式施加（9.8 m/s2）。被拖移車輛載荷通過RBE3單元來施加，使用RBE3單元而非剛性的RBE2單元的優點是使用該單元并不會給平臺結構帶來附加剛度，分析結果會更加真實和準確。約束按實際約束來施加，右后立柱約束xyz自由度，左后立柱約束xz自由度，右前立柱約束yz自由度，左前立柱約束z自由度，確保整個結構不會過約束。過約束也會引起附加剛度，導致分析的變形及應力結果整體偏向保守。

載荷和約束設置好之后，提交給Optistruct求解器進行有限元分析。Optistruct求解器是一款著名的有限元分析和優化求解器，擁有很強的求解能力和精度。求解完成后得到的變形云圖和應力分布云圖如圖10～13。

從圖10~13所示的分析結果可以看出，在高速公路或城市道路兩種工況下，結構的最大變形量為9.3 mm，未發生肉眼明顯可見的變形。結構的最大應力值為344 MPa，仍小于材料Q345的屈服強度345 MPa。分析結果表明，該結構的強度和剛度均能滿足設計要求。

5 結語

該清障車頂部拖車平臺結構簡單、設計合理，與汽車底盤連接可靠。頂部拖車平板能夠在油缸驅動下翻轉并與主拖車平板相接，從而實現頂部拖車平板的車輛裝載功能。頂部平板設置了輪胎限位裝置和輪胎固定裝置，能有效保證頂部拖車平板裝載車輛的安全性。對整個頂部拖車平臺進行了CAE分析和優化，保證了整個結構的強度和安全性。該平板清障車頂部拖車平臺的設計能有效提高現有平板清障車的清障裝載能力，提高單次作業效率，降低能源消耗和運營成本。