高速公路除障车吊臂的可靠性分析

第22卷第7期2clD5年7月公路交通科技JoIlrllal of Hi曲way and Tmnsponmion Research and DevelopmentV0122 No7Jlll2005文章编号：1002一0268(2005)Cr7_0147奶高速公路除障车吊臂的可靠性分析陈 燕1；倪秀英1；文春景2；杨志峰3(1鲁东大学交通学院，山东烟台264025；2山东省交通科研所，山东济南250031；3交通部公路科研所，北京100088)摘要：针对曾开发过的高速公路除障车进行了结构分析，就吊臂这一主要结构件，利用可靠性理论对其强度进行可靠性分析。在对吊臂进行可靠性分析过程中，除了借助传统的可靠性理论外，在对动载荷的确定上，利用了汽车平顺性理论；并且结合除障车的行驶路面情况，利用MA耵AB对决定动载荷的振动加速度进行了仿真分析，使得计算结果更为真实可靠。关键词：汽车工程；除障车；吊臂；可靠性中图分类号：U4696+4 文献标识码：AReabiIity AnaIysis Of Suspe ndIng Lifc Arm Of SpeeC|way Barrier RemOVing VehiCle删1；，舭一廊1，船1醌帆巾曙2，玢，旧冼母n93(1Couege ofTmsp呲“on，hldong UIlivers时，ShaIldong Ya n_tai 264025，C11im；2shangD0ng JiadTong Scie埘fic Research I枷t商on，酬ong Jirlall 25003l，Chna；3R斯arch InstitIlte of Highway MOC，Beijing 100088，C11im)Abst删：ne config呲tion 0f出e l洫tmck llas been arlal弘捌棚ch has been developed for re脚villgb枷er on speedway，nle s晚nglof tle slJspend她liR锄山e primary p献is aIlalyzed by reliabil畸tleoryIn t11e process of analyzing dle reliabil时of山e lifL锄，山etraditional reli出lity theory and the theory 0f veIlicle ride is used to dete枷ne咖IIlic loadIIl tllis paper M棚AB53 s如忸re packageis used to simulate vibration accelemtion of ch嘶ng load，w11ich makes t11e results of tlle calculation more reliableKey wos：Automobile en舀nee打rIg；veIlicles usedfor remov堍k面er on road；Suspen也ng liR锄；Reli如il蚵随着国民经济的发展，公路运输车辆的急剧增加，高等级公路也面临着诸多的使用问题亟需解决。其中之一是：汽车在行驶过程出现故障、或者发生交通事故时，应迅速进行救助，将事故或故障车辆拖离现场，以保证高等级公路的畅通，充分发挥高等级公路的运输效益。目前最好的办法就是使用公路除障专用车辆，即道路除障车。本文探讨的道路除障车是以东风EQl090E型汽车二类底盘为基础进行改装设计的。其上设计装备了车厢总成、吊臂总成、液压绞盘、支腿、液压传动系统、推栏、护栏及警示装置等。其基本结构如图1所示。1 吊臂的结构形式及强度计算11 吊臂的结构形式吊臂是完成车辆除障功能的主要工作部分，主要包括吊臂梁、折叠臂、伸缩臂、横担和托叉、托架等组成。在设计时既要考虑满足工作要求，同时还要考虑其结构合理、经济、美观等因素。吊臂采用长方管，因为吊臂主要受纵向的弯力矩，纵向高240蛐n，横向宽180mm，并且美观；吊臂收稿日期：20015o卜14基金项目：鲁东大学自然科学基金资助项目(521415270451)；刘宝琛院士资助项目作者简介：陈燕(1964一)，女，山东青岛人，副教授，主要研究方向为车辆工程(chenyan8236yah00comcn) 万方数据148 公路交通科技 第22卷1配重总成2推拦总成3EQl090E 4护拦总成5副车架6液压绞盘7液压缸8吊臂总成9多路换向阀10吊臂支撑座图1道路除障车结构图的最大受力点在油缸支座处，吊臂采用16Mn钢板，焊接性能好，强度高，其余材料采用Q235钢板。吊臂与车架连接处采用间距为600n的双铰耳轴销铰接，以提高吊臂的横向稳定性，受力好，连接强度高，又便于液压绞盘的安装固定；折叠臂采用油缸驱动，在不拖车时，臂及工作部分折叠起来，便于空车行驶；伸缩臂可以适应于托运不同前悬的车辆，调整除障车与托运车之间的最佳距离。12吊臂的强度计算(1)吊臂的受力分析：吊臂受力如图2所示，最大载质量F=4000kg，在B点受力最大：M一=F+1830=73200Nm(2)吊臂梁断面系数：梁断面为长方形：日=240mm；=228mm；曰=180mm；6=168mm。其断面系数：形=(B”一脚)(6+日)=3452256咖n3盯=M形1=212035MPa(3)强度校核：按照(GBl591-88)低合金结构钢的机械性能：16Mn的屈服强度盯。=345MPa抗拉强度=510一660MPa塑性材料屈服极限正即为极限强度。其值大于所受应力，考虑到安全系数，吊臂强度足够。图2吊臂受力图作为除障车工作的重要构件，吊臂工作的可靠性将直接影响到车辆的使用。尽管在前述的结构设计中对主要构件进行了强度计算，但在实际使用中曾出现过吊臂裂纹现象。通过分析认为：其主要原因是吊臂在托运事故车时，路面的冲击使所受载荷为动载荷。这样，常规的安全系数方法已不能适应变载荷构件的设计要求，而可靠性理论可以使汽车设计更加精确、更能符合实际，以下便是利用可靠性理论对除障车的主要构件吊臂进行的可靠性分析。2吊臂可靠性分析汽车在路面上行驶，由于路面的不平而对车轮产生冲击，致使除障车和被牵引的故障车在行驶过程中，都会产生上下振动，且其振动幅度是随机的，相应也决定吊臂所受的载荷也是随机的。按照吊臂的作用和结构分析，吊臂的危险截面所受载荷的实质是：被吊事故车对吊臂所产生的静载荷，以及由于车轮在路面上滚动而使除障车振动所激发的动载荷。按照随机振动理论11，振动的幅度、以及由此引起的载荷变化的幅度取决于路面的不平度、车速及悬架系统。21 路面不平度的功率谱密度通常把路面相对基准平面的高度q，沿道路走向长度s的变化口(s)，称为路面纵断面曲线或不平度函数2。在测量不平度时，可以用水准仪或专门的道路计来得到路面纵断面上的不平度值。测量得到的大量路面不平度随机数据，通过计算机进行拟合处理，得到路面不平度的功率谱密度e(n)为e(n)=G。(no)(n凡o)一谢 (1)式中，n为空间频率，m一，它是波长A的倒数，表示每米长度中包括几个波长；n。为参考空间频率，n。=01m；e()为参考空间频率n。下的路面功率谱密度值，称为路面不平度系数，单位为m2m。1(即m3)；形为频率指数，它决定路面功率谱密度的频率结构。当确定了路面不平度系数G。(凡。)和车速M之后，可按(2)式计算时间频率路面功率谱密度1 ，一、一2q()=去G。(n。)(嚣J =G。(n。)nj芳 (2)按(3)式计算加速度功率谱密度G(，)=(2巧)4G。(厂)=16一q()n；酽 (3)22汽车的幅频特性与车身上各点的振动输出在线性系统中，通过系统的动态特性来建立输入与输出之问的关系。有了动态特性就可以很快地找到系统各种不同输入时的不同响应。系统的动态特性可以用频率响应函数来表示，即日(曲)=1日(如)l e一却(m) (4) 万方数据第7期 陈燕，等：高速公路除障车吊臂的可靠性分析 149式中f日(柚)I是复函数日(如)的模量，它表示频谱上输入与输出的幅值之问的关系，称为幅频特性或增益因子。9()是相频特性或相位因子，表示了输出与输入相位差在频谱上的变化特性。系统的频率响应函数是由幅频特性和相频特性拉。两部分组成。已有证明，当线性系统的输入是一个平稳的遍历的正态随机过程，那么系统的输出仍然保持这些性质，即输出亦是一个平稳的遍历的正态随机过程；对于平稳随机过程而言，功率谱密度是重要的统计特性之一。如果系统输入是一个均值为零的平稳、遍历的随机过程，输入功率谱密度G。(厂)与输出的随机过程的功率谱密度G：(厂)之间存在以下关系：e(厂)=1日(厂)I 2 G(厂) (5)即系统输出的功率谱密度等于系统的频率响应函数模量的平方与输人功率谱密度的乘积。由于振动响应量的均值为零，所以统计特性值一标准差等于均方值，此值可由其功率谱密度对频率积分求得：p P盯；=I Q(厂)d厂=j 1日(，)I；。q(，)c炉(6)U U式中，盯；为车身振动加速度三的标准差(等于均方根值)。23车身振动加速度的仿真分析如果考虑汽车左右车轮分别行驶在石，(t)和戈：()线上，则还应考虑戈，()和戈：()之间的相互关系。为简化分析起见，把左右两个轮用一个轮子来代替，并认为前后车轮和悬架系统的振动是不相关的。基于上述车辆数学模型的建立，利用MArllAB对牵引车辆工作时车身振动的加速度进行仿真分析和加速度均方根值计算。仿真计算时，取：车速“=20kIllh(556“s)；路面不平度系数G。(n。)=6410“m3；悬挂质量埘=8 400kg；非悬挂质量m=700kg；悬架刚度K=77 5469Nm；悬架阻尼c=47 939Nsm；轮胎刚度K，=759 960Nm。得到除障车车身振动的加速度仿真曲线，如图3所示；标准差=182ms。 5乓。世型5O 2 4 6 8 10频率Hz图3除障车车身振动加速度仿真曲线24吊臂载荷分析吊臂危险断面的载荷，取决于吊臂后端所吊事故车辆的静作用力和车身振动的幅度。根据国内外积累的路面不平度的测量统计资料，证明路面不平度大体符合正态分布规律，而且路面不平度的频谱结构也大同小异。按照路面输入所决定的车身振动特点和动载荷产生的机理，吊臂后端所吊事故车辆的静作用力和车身振动的幅度皆服从正态分布3，故吊臂所受载荷可视为服从正态分布。其均值为吊臂的最大托举重量瓯=4000kg=39 200N由于车身振动，标准差取决于车身振动加速度e=400018298=743N25吊臂可靠性计算由于设计上采用强度和应力服从正态分布比按对数正态分布或其他分布来考虑要保守一些，故即使对强度变量或应力变量s中任何一个分布形式并没有作出假设检验，采用正态分布的耦合方程来进行设计，在绝大多数情况下还是可行的。由前述分析得出明确结论：吊臂的强度和应力均服从正态分布。(1)吊臂强度根据吊臂所用的啦材料，查阅有关资料，得到其强度的均值和标准差41分别为：x。=1 800MPa、玎。=225MPa。(2)危险断面应力根据吊臂的结构和受力特点，得出所拖事故车辆对危险断面产生的力矩为肘=钇，应力的均值和标准差分别为：X2=1 300MPa、口2=130MPa。(3)可靠性按可靠性理论利用下式X=X1一X2=18001300=500MPa仃=口1+仃2=260MPa并由正态分布的耦合方程b得出“下百分位点”：z：尝：-1923一260 1。7。查正态分布表，得失效概率为P，=(一1923)=272吊臂的可靠度为R=1一B=97283结束语(1)本文利用汽车平顺性理论，根据路面特性和牵引车自身结构所决定的振动特性，确(下转第162页) 万方数据162 公路交通科技 第22卷寡占经营的时候，企业放弃物流自营而采用物流外包有助于降低生产成本，而且也有助于降低交易费用，进而降低总的物流运作成本。当然，对于不同的物流服务需求，因其具有不同的交易特性，企业应采用不同的规制方式，以更好地利用外部资源既强化自身的核心能力，又降低物流成本。具体来说，对于一般货物的运输、仓储等物流业务要积极从市场采购；对于集成性的物流服务要积极开创物流外包的合作关系；只有对那些需要使用专用资产才能运作的物流业务由内部自营才是明智之举。当物流产业发展到相当程度且日趋走向垄断之时，当资产的专用性居中时，企业可采用内包的形式，当然也可以采用外包，但要求企业通过增加业务量与物流供应商之间建立起平稳和可靠的关系来克服瓶颈问题；对于资产的专用性较低仍应该采用市场采购的形式，对于资产的专用性较高企业就应该采用物流自营。qpq声qpq声tpq声qjp(上接第149页)定出牵引车吊臂和故障车之间的动载荷。(2)吊臂危险断面的载荷，取决于吊臂后端所吊事故车辆的静作用力和车身振动的幅度。由于设计上采用强度和应力服从正态分布比按对数正态分布或其他分布要保守一些，因此在对吊臂进行可靠性分析中按吊臂的强度和应力均服从正态分布处理。利用吊臂资料的均值和标准差，以及危险断面应力的均值和标准差，由可靠性理论计算出：失效概率为P=参考文献：1ftaIlald coaseThe nalure 0f tlle fl11JEc佣哪ica，1937， (4)：3864052 0liver Wiui粕lson1协saconCost EconoIllics：The Govem锄ce of C叽一tractllalRelationsJJo啪al 0fklw andEconoIIlics19r75(22)：23326l：403ui AmoldNew DiInension8 0f OutsourciIlg：A Co玎【】biIlati叽0f 1hIlsactiCost Eoononics aI】d tIle cocornpetmcies conc印tJEl“peJ0uITlal ofPurchasiIlgSupply MageII】mt，2000(6)：26，27284 0liver Wii砌sonM8rkets和d HierarcIlies：Analysis mld Antitmst IIIlpUcationsMNew YoIl【：ne Fbe pr；ess，19755 王淑云物流外包的理论与应用M北京：人民交通出版社，20046 man D srlli山，wi锄T RuppApplication Sewice f】Ioviders：An Applic撕0n 0f dle 1hnsaction cost ModelJInf0Im撕0n M矾agementComputer SlIity，2003，(11)：17一18q产q)u声q声upu)pup272；可靠度为R=1一Pf=9728。故改进后吊臂的可靠性大幅提高。参考文献：1 GB703卜1987，车辆振动输入潞面平度表示方法s2 余志生汽车理论M北