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声明尸明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。研究生签名：缢盔缝a 。哆年乡月矽目学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研究生签名：三睦盔名建一毒D 务弓月影目硕士论文交通路锥自动收放系统的设计与研究摘要伴随着我国经济的腾飞，我国高速公路的建设也在飞速发展。随着公路里程的不断增加，公路养护的任务越来越繁重，所以公路养护机械的配置必不可少。目前，国内在公路维修作业时路锥的摆放与回收均采用人工操作，尚缺少路锥自动收放装置，这种人工摆放和回收不仅仅作业速度慢，更为重要的是它将工人暴露于危险的交通，安全系数低。本文以创新的思路，针对国内外研究现状，以N L 一1 0 0 型交通路锥自动收放车的开发为背景，结合机械设计相关知识及相关经验，利用三维建模软件s o l i w o r k s ，进行了整台工程车的设计，建立了可以代替人工作业，并且能够完成自动摆放和回收路锥的各项动作的三维虚拟样机。结合有限元相关知识，利用有限元分析软件A B A Q U S ，对整个交通路锥自动收放车中核心的部件一收放箱回收机构进行了有限元建模，并针对收放箱所处的不同位置，进行不同工况条件下的静态分析，根据分析结果，找到不足之处，进行结果优化设计，再对优化改进后的模型进行校核比对得出结论。对收放箱回收机构的振动特性进行较为深入的研究，进行模态分析，得到其固有频率和振型，为整个模型的动态特性分析提供重要依据，避免其发生共振现象。并且模拟急刹车过程中的冲击对该机构的影响，利用显示动态( E x p l i c i t ) 分析，得出机构在动态冲击情况下的特性。最后结合控制电路相关知识，利用P r o t e l 进行电路硬件设计，同时由于C 语言编写简单，效率高，在C C S3 3 集成开发环境下编译和调试软件。关键词：路锥自动收放车结构设计有限元静力分析模态分析动态响应控制电路设计垒竺型一堕A b s t r a c tW i mt h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，t h ec o n s t r u c t i o no fh i g h w a y sh a si m p r o v e dr a p i d l yi nC m n a T h et a s ko ft h em a i n t e n a n c eo ft h eh i g h w a y sb e c o m e sh e a v i e ra n dh e a v l e ra st h em i l e a g eo ft h er o a di n c r e a s e sc o n s t a n t l y , S Oi ti sn e c e s s a r yt oc o n f i g u r et h er o a dm a i m e n a l l c em a c l l i n e r y A tp r e s e n t ，p e o p l ep l a c i n ga n dr e t r i e v i n go ft h ec o n e sm a n u a l l yw h e nt h e ym a j n t a i n1 1 i 曲w a y s ，l a c k i n go fa u t o m a t i cr e t r a c t a b l ed e v i c e si nC h i n a T h i sk i n do fm a I l u a lo p e r a t i o ni sn o to n l ys l o wi ns p e e d ，a n dm o r ei m p o r t a n t l y ，i te x p o s e sw o r k e r st ot h eh a z a m so ft r a f f i c A c c o r d i n gt ot 1 1 er e s e a r c hs i t u a t i o na th o m e ，b a s e do nt h ee x p l o i t a t i o no fN L - 10 0a u t o m a t i cr e 仃a 以b l et m c ko ft r a f f i cc o n e s ，t h i sp a p e r , d e s i g n i n ga n di n t e g r a t i n gt h ew h o l es h o p 仃u c k ，p r o d u c e st h r e e d i m e n s i o n a lo b j e c to fv i r t u a ls a m p l ew i t ht h r e e 。d i m e n s i o n a lm o d e l i n gs o 凤眦i nac r e a t i v ew a y I tC a ns u b s t i t u t et h em a n u a lw o r ka n dC a nn n i s nt h ev a r i o u sw o r ko fp l a c i n ga n dr e c y c l i n gc o n e sa u t o m a t i c a l l y C o m b i n e d 诵t ht h er e l a t e dk n o w l e d g eo ff i n i t ee l e m e n ta n du s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t v 哪eA B A Q U S ，t h i sp a p e rc o n s t r u c t st h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h er e c y c l i n go r g a I l i z a t i o no ft h er e t r a c t a t i o n - j a c kw h i c hi st h ec o r ec o m p o n e n to ft h ea u t o m a t i ct r u c ko ft m 伍cc o n e s I tm a k e sas t a t i ca n a l y s i so fd i f f e r e n tw o r kc o n d i t i o n s ，d u et ot h ed i f f e r e n tl o c a t i o n so ft h er e c y c l i n go r g a n i z a t i o no fr e t r a c t a t i o n - j a c k ，t of i n do u tt h ed e f i c i e n c i e sw i t ht h ea n a l y s i sr e s u I t T h e nw ef i n do u tt h ed e f i c i e n c ya n do p t i m i z et h er e s u l t sa c c o r d i n gt ot h er e s u I t so fa n a l y s i s ，a n dm a k eac o n c l u s i o na f t e rt h em o d e lo p t i m i z a t i o n I nd e t a i l ，w ed 0ad e 印r e s e a r c ho ft h ev i b r a t o r yp r o p e r t yo fr e t r a c t a t i o n - j a c ka n dg a i n si t sn a t u r a lf f e q u e n c ya n dm o d eo fv i b r a t i o n 世e ram o d a la n a l y s i s T h i sr e s e a r c hp r o v i d e si m p o r t a n tb a s i sf o rt h ea n a l y s i so ft h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i sa n da v o i d st h er e s o n a n c e W ew i l lg e tt h ec h a r a c t e r i s t i c si nd y n a m i ci m p a c to ft h em e c h a n i s mb ys i m u l a t i n gt h ee f f e c ti nt h ep r o c e s so fS l a mt h eb r a k e sw i t ht h eu s a g eo fe x p l i c i ta n a l y s i s A tl a S t c o n l b i n e dw i t ht h er e l a t e dk n o w l e d g eo fc o n t r o lc i r c u i t ，w ee m p l o yP r o t e lt od e 8 1 9 nt h ec i r c u i th a r d w a r e A tt h es 锄et i m e ，d u et ot h es i m p l ea n dh i g he f f i c i e n c yo fCp r o g r a m m m gl a n g u a 窒p ，w ew i l lc o m p i l ea n dd e b u gs o f t w a r ei nt h ee n v i r o n m e n to fC C S3 3 K e y w o r d s ：A u t o m a t i cr e t r a c t a b l et r u c ko ft r a f f i cc o n e s ，S t r u c r u r a ld e s i g n ，F i n i 伦e l e m e n t ,S t a t i ca n a l y s i s ，M o d a la n a l y s i s ，D y n a m i cr e s p o n s e ，C o n t r o lc i r c u i t r y1 I硕士论文交通路锥自动收放系统的设计与研究目录摘! I j ，IA b s t r a c t 。I I目录。I 1 绪论11 1 课题背景11 2 国内外的研究现状和发展概述31 3 本论文研究的主要内容61 4 本章小结62 N L 1 0 0 型交通路锥自动收放车结构设计72 1 设计要求一72 2 各功能部件的设计及装配82 2 1 车体底盘92 2 2 皮带机机构92 2 3 横向拨锥机构1 62 2 4 收放箱机构2 02 2 5 收放小车机构2 42 2 6 收放箱回收机构2 42 2 7 控制柜2 72 2 8 发电机2 82 3 辅助部件的设计安装2 82 3 1 控制柜固定架2 82 3 2 收放小车固定架2 92 4 设计总装图及实际生产样机2 92 5 本章小结3 03 收放箱回收机构有限元模型的建立313 1 有限元分析方法及理论313 2A B A Q U S 软件3 53 3 有限元模型的建立3 63 3 1 单元类型的选取3 73 3 2 材料属性及截面属性3 93 3 3 网格的划：分3 9I l l目录硕士论文3 3 4 边界条件和载荷4 03 4 本章小结4 14 收放箱回收机构静力学分析4 24 1 收放箱回收机构的静力分析步骤4 24 2 收放箱回收机构的静态计算及结果分析4 24 2 1 计算前模型的处理4 24 2 2 收放箱处于最高点时的分析计算及结果4 34 2 3 收放箱处于丝杠中部时的分析计算及结果4 44 2 4 收放箱处于丝杠最低点时的分析计算及结果4 64 2 5 连接座部分单独计算校核4 74 3 收放箱回收机构的结构改进优化及计算结果分析4 94 3 1 结构改进优化方法4 94 3 2 优化设计的理论基础5 04 3 3 模型优化改进步骤5 04 3 4 模型优化改进后的分析计算及结果对比5 14 3 4 丝杠导轨模块单独分析对比5 34 4 本章小结5 45 收放箱回收机构动态特性分析。5 55 1 概述5 55 2 汽车的外部激励对整体的动态性能的影响5 55 3 收放箱回收机构模态分析5 75 3 1 模态计算理论基础5 75 3 2 模态的提取方法5 85 3 3 模态分析的边界条件5 85 3 4 收放箱回收机构模态计算及结果分析5 95 4 收放箱回收机构的显示动态分析6 25 4 1 显示动态分析的理论基础6 35 4 2 动态响应的载荷施加6 35 4 3 动态响应的结果分析6 45 5 本章小结6 66 整车控制系统设计6 76 1 硬件设计方案6 76 1 1 核心板6 76 1 2 主控板6 8硕士论文交通路锥自动收放系统的设计与研究6 1 3 从控板7 16 1 4 操作控制板7 26 1 5 强弱电信号隔离转换板7 66 1 6 皮带机的路锥输送控制7 66 2 软件设计方案7 76 2 1 主控板软件控制流程7 76 2 2 从控板软件控制流程7 96 3 供电设计8 06 4 应急停电控制器设计8 06 5 本章小结8 17 全文总结8 27 1 工作总结8 27 2 工作展望8 2致谢。8 4参考文献8 5附录。8 9V硕士论文交通路锥自动收放系统的设计与研究1 绪论1 1 课题背景高速公路建设体现了一个国家的交通发达程度、乃至经济发展的整体水平。它不仅方便了人们的出行，同时也加强了城市之间的联系跟合作，带动当地的经济发展。改革开放以来，我国经济高速发展，尤其现在是中国全面建设小康社会的关键时期，十二五规划期间，高速公路的建设与发展也将迎来一个历史发展时期。高速公路建设发展的同时，也对其相关的配套设施提出了新的要求。例如德国具有世界上最先进的公路系统，其中相当一部分的高速公路已经配备了先进的后续维护设备，不仅可以方便车辆快速通行，甚至还有路况监控系统，反馈到中央系统进行及时处理，更加人性化。任何事物都有其安全保障期限，高速公路也是一样的。我们在不断提高高速公路建造工艺及耐久性的同时：也需要对高速公路进行不断的养护【l J 。随着道路的不断损害及自然侵蚀，高速公路的使用功能不断下降。高速公路建设飞速发展，但是其养护管理工作却相对落后，两者的矛盾已经不断凸显。合理解决两者之间日益尖锐的矛盾，显得特别的重要。高速公路养护管理就是对公路的保养与维护，保养侧重于从建成通车就开始的全过程养护，维护侧重于对破坏的部分进行修复，是指通过管理数据库和有效的道路、桥梁评价预测系统，不断采用新的技术工艺，以最实用的方式保证路面平整、畅通以及各种设施完好，提高高速公路的耐久性和抗灾能力，使高速公路养护维修达到高标准、高效率、高机动性的要求，保持高速公路经常处于完好状态，防止其使用质量下降，并向高速公路使用者提供良好的服务所进行的作业。由此可见道路的养护管理是一项艰巨而又复杂的工作。中国自古就有养护公路的优良传统，西周时期就设有“司空”一职，负责按季节整平道路，并规定“列树以表道，立鄙食以守路”。同时养护工作应该按照“预防为主，防治结合”的原则进行开展。采取适当的工程技术措施，坚持日常保养及时修复，保证公路畅通、整洁、完好，延长公路的使用时间。公路维修养护时部分路段要封闭管制交通，即在作业区外放置交通标志，引导车辆的行驶。在维修养护作业时，必须要保证行车和作业区的安全，在作业区外摆放交通路锥或设置路障以引导车辆的行驶，特别是在高速公路上作业时，由于行车速度快，车流量大，更有必要摆放路锥等引导交通( 如图1 1 所示) 。l 绪论硕士论文图1 1 高速公路上作业时路锥对交通的引导交通路锥，可应用于道路危险地段，施工场地及大型活动现场等地方，起到指引、提示作用，以便减少道路交通事故和大型现场活动的踩踏事故。市面上主要的交通路锥如下：移动路桩、固定路桩、三角警示锥、蘑菇桶、防风黑黄路锥、伸缩路锥、塑料交通路锥、提环塑料交通路锥、橡胶反光路锥、方锥套、锥套、H 7 0 反光橡胶锥、H 7 0 普通反光橡胶、普通橡胶锥、树脂方锥、全反光橡胶锥、橡胶锥等。常见路锥如图1 2 所刁弋：图1 2 交通路锥上述路锥，除了材质，颜色不同之外，每种类型的路锥也都有不同的尺寸。为了推动我国全面建设小康社会的前进步伐，加强区域之间的经济交流与合作，推进城乡结合发展，缩短城乡之间的差距，我国的公路建设快速发展，公路里程在不断增加，各大中型城市已经逐步形成一个比较完善的公路交通体系，同时全国的交通运输网到2 0 2 0 年也将基本形成，届时全国的经济发展也将迎来一个全新的时代。公路建成后通车运行过程中，将实现集中时间内大量车辆的通行，要承受车辆的不断碾压，还有天气的影响以及路面沥青的不断老化，会导致公路在使用过程中产生不同程度的磨损和破坏，影n 向其使用性能。伴随着公路里程的不断增加，公路养护的任务也越来越繁重，所以公路养护机械的配置必不可少K J 。目前，国内在公路维护作业时，路锥的摆放与回收均采用人工操作，尚缺少路锥自动收放装置，这种人工摆放和回收的模式，不仅作业速度慢，更为重要的是它将工人暴露于危险的交通环境下，安全系数低。国内已经发生过数起路锥人工铺设受伤事件，2 0 1 0，硕士论文交通路锥自动收放系统的设计与研究年仅上海地区高速公路上就发生了两起由于施工需要，人工摆放交通路锥时，因躲避不及而遭受过往车辆冲撞，导致三名路锥摆放施工人员遇难。而在英美等国家，在公路维修养护工程中，早已使用了路锥自动收放装置，并且技术相对成熟。根据交通部十二王i 发展规划，到十二五末，我国国家高速公路网将基本建设完成，高速公路总里程达N l O 8 万公里，随着道路施工及技术的进步，特别是以人为本的交通施工理念的提出，对交通施工的要求也越来越高，本着对路锥收放过程中工作人员的安全考虑以及节约人力、减少劳动量、提高工作效率的原则，对路锥自动收放装置的研究十分有必要。在中国兵器装备集团上海电控研究所的委托下，由南京理工大学1 0 2 教研室合作研发设计的N L 1 0 0 型交通路锥自动收放车工作有条不紊的开展了，该车要实现在高速公里养护过程中，对路锥实现自动摆放并回收的功能，有效降低了高速公里上放置路锥的危险性，减轻了养路施工人员的劳动量，可靠性高，填补了国内相关领域的空白。1 2 国内外的研究现状和发展概述国内公路养护机械处于起步阶段，虽然已经有一些知名企业大力开发相关配套产品，如三一重工、中联：重科等都有了自己自主研发的公路系列产品，如路面修补设备、沥青调质设备、大型路面铺设装置及挖掘设备等在不断增加及完善，但是仍然缺乏一些更加适用和人性化的公路养护机械。同时产品的数量和品种也都相对有限，不能完全适应道路建设发展需求，因此公路养护机械的研发具有广阔的发展平台。显而易见，目前国内在公路维修作业时，用于指导交通，完成车辆分流工作的交通路锥的摆放与回收仍然是采用人工方式，国内目前仍然没有相应的比较完善的机械产品，但是已经有人在这一领域进行积极的探索，并取得一定成效。2 0 1 0 年8 月，山东省潍坊市的刘庆亮先生发明了“一种用于高速公路快速摆放锥形标的摆放机”，并申请了国家专利，在其发明中，由一名工作人员在拖车里往滑道板上放置路锥，路锥在重力的作用下沿滑道滑下，再通过拨叉的作用使得路锥滑落，自动摆放在适当的位置。该发明从一定程度上减轻了工人手动铺设路锥的工作量和使得施工安全系数大大提高，工人只需在拖车里往滑道板上放置路锥，不必将路锥摆放至路上，但是相对于国外的自动收放装置，工人的工作量和工作环境及安全系数还是有待提升的，最关键的是，该发明只是半自动的摆放机，而不能完成交通路锥的回收功能。2 0 11 年1 2 月，北京联洁达公路养护工程有限公司的王彦涛等五人对其发明“交通锥自动收放装置”申请了国家专利，另外该装置还包括有监控子系统，这个发明相比之前的有了明显的改进，增加了自动回收的功能，同时还实现了通过语音装置的实时交流和通过摄像装置的实时操作。但是本装置中需要施工人员始终站在车上将交通路锥安放在滑板上，才能顺利完成下一步动作，即与上一个发明一样，这个发明在整个施工过程l 绪论硕士论文中也始终需要人工辅助才能完成。美国加利福尼亚州于1 9 9 0 年，在有关路锥手动铺设受伤索赔中赔付了3 6 0 0 0 美元。截止到1 9 9 4 年，四年内索赔额增长了1 0 倍，高达3 2 1 ，0 0 0 美元。据当时的统计资料表明，这种成本增加的趋势将持续下去。当时，路锥是由站在改装后车上的人进行人工部署的。卧式堆叠的路锥由传送带送给一名工人去摆放或回收，此人通常是站在卡车车尾的一个篮子里或坐在定制的锥体卡车靠近地面的水平车轴之间，如图1 3 所示，同时另一名工人驾驶卡车行驶。图1 3 路锥手动铺设过程上述方法铺设路锥需要相当大的人力，工人暴露于危险的交通环境中，作业速度慢、安全系数低、路锥放置间隔不统一，特别是在交通流量大的城市快速路上作业时上述问题尤为突出。在看到手动铺设路锥是多么危险，并经历这一过程造成的长时间延误之后，人们认为这个“石器时代”技术必须适应于二十一世纪。A H M C T 3 1 中心已研发出一种可以自动存储、放置和回收路锥的机械设备，该设备所有的操作都在驾驶室内部由司机或另外一个人控制，如图1 4 所示。在向前行驶时依次向路面整齐摆放交通路锥；正向或反向的方向行驶时以最高可达1 0 英里小时的速度自动回收路锥。该机械设备不需要进行现场设置，机构的部署和存放也很快速简单。目前使用的手动操作，在出现异常情况的时候方便快速解决。图1 4 A H M C T 路锥机英国的S a f e T c o n e 是一个独特的有国际专利的路锥自动存储、放置和回收系统，如图1 5 所示。该系统已经实现完全自动化，在驾驶室内通过人性化的触摸屏菜单驱动软件来操作控制，其驱动程序在出厂前已经预先编好，并记忆保存在控制系统中。该设计4硕士论文交通路锥自动收放系统的设计与研究采用了液压与气动相结合，使得操作更加平稳，同时使用了强度大，重量轻，耐腐蚀和耐冲击材料，增加车辆使用寿命。另外，不得不提的是，该系统与A H M C T 路锥机相比有了明显的发展，该系统有发声指示功能，从个人电脑中发出有声指示给操作人员，操作人员可以通过摄像系统看到正在进行的每项工作。图1 5S a f e T c o n e 路锥自动放置、存储和回收系统对比国内外的发展现状，我们可以明显看出该技术在国外的发展已经很成熟了，不仅实现了路锥自动输送、存储、放置和回收系统的完全自动化，而且通过语音装置和摄像装置实现了实时交流与实时监控，再反观国内的发展现状，可以看出国内人士在路锥的自动放置及回收装置上的研究已经有所成效，通过人工将交通路锥放置在上述装置上可以很快实现交通路锥自动放置目标，但是本着节约人力、减少劳动量及以人为本的原则，对路锥自动输送装雪的研究十分有必要【4 】。仔细研究上述国5 t - f t 0 两个成功的路锥自动收放车，可以看到它们所操作的路锥尺寸不一样，换而言之，它们各自只能操作某一种特定尺寸的路锥，也就是交通路锥要进行专门的定做，这是目前路锥自动收放车的普遍局限之处；另外，它们装载路锥的存储形式也不一样，前一个车中路锥是水平放置的，后一个车中路锥是竖直立放的，除此之外，还可以有其他形式的存储方式。而在每种存储方式下，路锥车所能携带的路锥数量必然不同，有多有少，而且将路锥从存储设备转移到收放设备的装置一即路锥的自动输送装置也相应的不同。综上所述，本课题的主要发展趋势至少有以下三种：( 1 ) 研究对不同类型，不同尺寸的路锥具有一定通用性的路锥自动收放车。对于不同场合，所使用的路锥不同，形状尺寸也各有不同，如果设计的路锥自动收放车对路锥能有一定的通用性，那么它的使用场合和利用率将会大大提高。( 2 ) 路锥的存储结构的合理化发展，优化装载方式，使存储机构的利用率提高，携带路锥的数量增加，相应路锥的自动输送机构也要进行改进。( 3 ) 路锥摆放( 及回收) 多元化，即可以针对不同路面，不同行驶方向，可以在道路任何一侧进行路锥的自动摆放及回收。1 绪论硕士论文1 3 本论文研究的主要内容本课题以高速公里养护过程中交通路锥的自动摆放跟回收为研究背景，研发设计整车系统。主要内容包括以下几个：( 1 ) 在符合技术要求的条件下，利用三维设计软件s o l i d w o r k s ，完成整车的各部件结构设计及装配；( 2 ) 针对设计中的不确定因素，引入有限元的思路，利用相关理论知识，借助有限元分析软件A B A Q U S ，对核心部件一收放箱回收机构建立有限元模型；( 3 ) 利用建立的有限元模型，对收放箱回收机构进行静力学分析，并根据分析结果进行结构优化，对优化后的模型再次分析计算，得出改进后的结果，并利用得出的结论指导实际生产；( 4 ) 对交通路锥自动收放车重点需要校核的部件一收放箱回收机构进行模态分析，求解计算得到模型的固有频率和振型，避免收放箱回收机构同车辆发动机的振动频率接近而发生共振；( 5 ) 利用A B A Q U S E x p l i c t 功能模块，结合路锥自动收放车的实际工作环境，对收放箱回收机构进行动态冲击下的模拟分析计算，并得出结论；( 6 ) 利用D S P 核心控制板，完成整车控制系统的设计，并进行软件的调试，使其能完成预期的路锥自动摆放和回收的各项指标。1 4 本章小结本章叙述了本课题的来源、研究背景及意义，总结了国内外的研究现状，提出课题的发展趋势。详细阐述了本文要研究的内容。硕： ：论文交通路锥自动收放系统的设计与研究2N L 一1 0 0 型交通路锥自动收放车结构设计2 1 设计要求对比国内外的发展现状，可以看出交通路锥自动收放技术在国外的发展已经很成熟了，我国在路锥的自动放置及回收装置上的研究虽然已经有所成效，但仍然处于起步阶段。因此针对我国现有的技术条件，提出此次开发研制的交通路锥自动收放工程车需在高速公路及跨海大桥上实现交通路锥的自动摆放和自动回收的基本功能，促进我国高速公路维护过程中安全保障的机械化设备的发展，并逐步缩小与国外领先水平的差距。整个过程中需要两名操作工人共同协作完成，施工过程中配备视频监控设备，便于施工人员及时的了解实时路况，正确的做出相应的调整。( 1 ) 鉴于庆铃轻型货车现己广泛用于路障清除车、路面清扫车等广泛应用于基础服务设施的特种车辆，所以整个车子采用庆铃N K R 7 7 P L L A C J A 轻型货车，如图2 1 所示。具体参数指标见图2 2 。要求设计后的车子要满足交通部门相关规定，不可超载( 3 5 t ) 、超高( 4 5 m ) 、超宽( 2 2 m ) ，车体颜色符合高速公路配备工程车辆规定( 按照上海交通部门规定，外层一律喷涂深黄色油漆) ，且要安装施工安全警示灯，以提示道路上高速行驶过往车辆注意减速避让。盐耆童号：I E r r q L L 亡n黼i ：m丰鼻长晨：6T 惦朱丰鼻l 睡：23 珠韩n ：2 蚋量大e 置量：8 啦产地：重庆始 h ) )首茸【斗) 长度：50 5 珠炳【斗) 酲：0 琳置i 由疆发动机墨号：庆特- 啦- t 自敞：；鼬井垃蓐准：殴：a ：-量丈丑歪转迁：蓦t 童参量) 准桑 蠹：2 委墨：R 丑I 滢丰蛙：1 5 -革鼻竞廛：l 骑米短：n 捶：15 0 l I 后艳蔓：1 z 5 -& 暑旺：3 或量五丰建：l U h锚：裟鬈溢焉黑簧葛( 斗) 竟度：T 9 木黄i ( 斗) 嚣式：栏式糙：矗：4捧量：2 嘲L量戈譬出b 事：* n马力：1 3 鸭力靛# ：c m巨位持鑫：并图2 15 0 铃轻型货车图2 25 0 铃轻型货车各项技术参数( 2 ) 交通路锥主要用于道路危险地段，施工场地及大型活动现场，对交通进行分流，减少道路交通事故。目前常用的路锥有塑料交通路锥、橡胶反光路锥、伸缩路锥等。考虑到跨海大桥风力较大，路锥制定为由上海路桥公司生产的H 7 0 反光橡胶路锥，如图2 3 所示，该路锥规格：4 2 4 4 2 4 x 7 0 0 m m ，整锥重量为5 2 堙。2N L i 0 0 型交通路锥自动收放车结构设计硕士论文图2 3H 7 0 反光橡胶交通路锥示意图( 3 ) 考虑到施工需求以及各电机工作时序安排，路锥收放间距定为7 1 0 m ，具体间隔与行车速度有关，根据交通安全规定，暂定该工程车的实际行驶速度为2 - 5 k m h ，1 0 0个路锥最多可放置达到一公里。( 4 ) 车子满载时装载路锥1 0 0 个，横向布置4 摞，每摞放置路锥5 个，纵向布置5排共一百个路锥，由路锥尺寸知道路锥实际占用长度k ( 4 2 4 + 1 0 ) X5 = 2 17 0m m ，宽度s = ( 4 2 4 + 1 0 ) 4 = 1 7 3 6m m ，可见整体并未超宽。( 5 ) 根据交通部工程机械工作过程中安全守则的相关规定，路锥自动收放车在回收过程中车辆倒车行驶，以保证行驶过程中始终有交通路锥位于车辆后面，行驶过程中需打开危险警示灯，提示其他行驶车辆减速避让，行驶过程中使用液晶监视屏和车辆自带反光镜进行路线定位。( 6 ) 施工过程中，路锥需从车子右侧逐个发放整齐摆到路面上，或者逐个回收至车子储存设备上，并且要保证回收的路锥摆放整齐有序。2 2 各功能部件的设计及装配目前国内各大型企业、高校及研究所常用的用于机械工程设计软件有P r o E 、U G 、C A T I A 、S o l i d W o r k s 、A u t o C A D 等。考虑到软件的交互操作界面的简单易学以及导出二维工程图的简单高效，以及本教研室的使用习惯，此次设计选用了S o l i d W o r k s 三维虚拟样机设计软件。S o l i d w o r k s 是一款基于W i n d o w s 操作系统的三维设计软件【5 J ，它提供的三种文件类型，零件图、装配体和工程图是相互关联的，便于模型修正。它把2 D 和3 D 设计工具结合起来，释放企业人员的创造力，同时提高工作效率，便于工作人员更好更快的完成产品的设计。根据整个设计要求，结合整个机械设计相关知识及生产实践经验，经过与合作单位的联合论证，从而确定最终的设计方案采用如下设计方案，本设计方案的机械部分总体构成【6 7 8 1 如下：R硕士论文交通路锥自动收放系统的设计与研究2 2 1 车体底盘整个车子采用现成的庆铃N K R 7 7 P L L A C J A 轻型货车，考虑到车子其它功能部件的安装及整车的合理布局，所以把原有的车厢进行拆除，只保留车子底板，并在原来的底板上加铺一层2 5 m m 厚的钢板，四周与车子框架进行焊接处理，中间部分与车子主梁进行焊接，以增加车二F 底盘的强度，便于其它部件的合理布局。2 2 2 皮带机机构皮带机既是路锥存储装置，也是纵向输送机构。皮带机主要由输送带、驱动滚筒、从动滚筒、上托辊、下托辊、机架、调平脚杯等组件组成【9 1 ，其中驱动滚筒和从动滚筒大小形状一样。路锥在纵向输送时，驱动滚筒旋转并利用摩擦力带动皮带和从动滚筒做同方向运动，两滚筒之间的输送带保持水平方向运动。皮带机总体设计如下图所示。o图2 4 皮带机总装图92N L 一1 0 0 型交通路锥自动收放车结构设计硕上论文囹1 驱动滚筒2 机架3 挡板4 皮带5 上托辊6 下托辊7 从动滚筒8 调平脚杯图2 5 皮带机结构图2 2 2 1 驱动滚筒与从动滚筒两滚筒之间中心距为2 2 6 5 m m 。考虑到路锥底面积较大，而整个车辆底板面积有限，为了使此次设计结构紧凑，外形尺寸小，驱动滚筒选用电动滚筒，驱动滚筒直径定为2 3 6 m m 。电动滚筒主要用于带式输送机，它将减速器和电机全部安装在滚筒内部，是一种新型的驱动装置，使得整个机构外观简洁，便于安装，驱动功率可选范围较大，性能稳定可靠。电动滚筒根据电机冷却方式的不同分为：风冷式电动滚筒、油冷式电动滚筒和油浸式电动滚筒。风冷式电动滚筒不用油液冷却，主要靠风的对流进行冷却；油冷式电动滚筒内部装有冷却油液，但是不允许冷却油进入电机内部，利用滚筒的不断转动，不断地把冷却油带到电机和内部传动机构上，把热量传递到滚筒体壁上；油浸式电动滚筒直接将电机浸入冷却液里，电机转子和定子绕组可以直接泡浸入冷却液里，冷却液将其工作过程中产生的热量传至筒壁上【l ，所以散热效果更加良好。所以此次设计过程中选用油浸式电动滚筒，具体结构见图2 6 。1 接线盒2 支座3 左端盖4 左法兰轴5 电机6 太阳轮7 齿圈8 行星轮9 行星架1 0 浮动齿套1 1 右端盖1 2 右法兰轴1 3 齿圈1 4 行星轮1 5 太I j 轮图2 6 油浸式电动滚筒从动滚筒尺寸形状与驱动滚筒的一样，不同之处在于从动滚筒座处设有张紧装置，硕士论文交通路锥自动收放系统的设计与研究可以定期对驱动滚筒和从动滚筒中心距进行调整，使输送带保持适当的张紧力。从动滚筒张紧装置如图2 ，7 所示。21 从动滚筒2 从动滚筒座3 l 长紧螺栓4 张紧座图2 7 从动滚筒张紧装置2 2 2 2 皮带皮带承载着路锥，是直接与路锥接触的部分，其尺寸规格与其上路锥的数量和摆放形式相关。由皮带机总装图可见，路锥摆放形式为横向4 摞，每摞放置路锥5 个，纵向5 排，共承载路锥1 0 0 个。5 排路锥之间加装小凸台隔开，凸台高2 5 m m ，长1 5 6 0 m m ，宽1 0 m m ，为保证凸台的使用寿命，将其直接焊接在皮带平面上。本文所选输送带为聚酯帆布带，型号为E P 一3 0 0 ，层数Z = 4 ，每层厚度1 5 m m ，每层质量1 5 2 奴m 2 ，覆盖层厚度及质量为上：8D i m ，9 5 堙朋2 下：3m m ，3 4 姆I m 2 。皮带横向长度为：1 6 9 8m m ，总长度为5 2 9 0 8 4m m 。具体结构如图2 8 所示。厂一上L 一、L 。一一一夕图2 8 输送带示意图2 2 2 3 上托辊和下托辊托辊主要是用于承载皮带及带上所放置的H 7 0 交通路锥，保证皮带的平整度，确保皮带机顺利运转。这里根据所在位置和作用的不同，分为上托辊和下托辊，由于输送的是成件物品，这里选用平行托辊。具体布置方式见图2 5 ，同时托辊之间加装托板以保证皮带上表面平整，使得路锥输送过程平稳，托板平面较托辊上切面低2 3m m ，以防止皮带运行过程中，出现路锥被托板顶死卡住现象。上托辊和下托辊结构示意图如图2 9 、图2 1 0 所示。图2 9 上托辊图2 1 0 1 - 托辊2N L 一1 0 0 型交通路锥自动收放车结构设计硕士论文2 2 2 4 其余附件机架部分用于安装固定整个皮带机，整个机架主要利用槽钢及方钢焊接而成，结构简单可靠，挡板主要用于路锥的限位，以免路锥在运输过程中散落，整个皮带机底部装有六个调平脚杯，便于安装过程中的整体调平，可调范围为0 5 5m m 。2 2 2 5 皮带机机构动力计算驱动滚筒上所需圆周驱动力E ，等于皮带机运行阻力之和，可由式( 2 - 1 ) 计算：F u = 露+ F N + V s l + F s 2 + C( 2 - 1 )式中：R 主要阻力；R 附加阻力；只特种主要阻力；只，特种附加阻力；E 倾斜阻力。最、目是皮带机所共有的，F s 。、F s 2 、E 根据皮带机实际情况而定。在本文设计的皮带机中，只有输送带、上下托辊、驱动滚筒和从动滚筒，没有其他的附属装置，因此实际计算过程中只需要考虑主要阻力。输送机的主要阻力B 是路锥及输送带移动所产生阻力的总和，可由式( 2 2 ) 计算：F _ = 醣b R 。+ g R 。+ ( 2 9 B + g G ) c o s 6 】( 2 2 )式中厂摩擦系数，一般可按( ( D T I I 型皮带机设计手册中表3 4 查取【1 1 1 ，查表3 4 ，取f = 0 2 2 。三皮带机长度( 头尾滚筒中心距) ，m ；q R o 承载分支托辊组每米长度旋转部分重量，k g m ；q R u 回程分支托辊组每米长度旋转部分质量，k g m ；g G 单位长度输送路锥质量，k g m ；g B 单位长度输送带质量，k g m ；6 运行方向的倾斜角。当6 5 2 6 2 石5 而吾_ 1 7 3 L 1 3 ( 2 ) 限制皮带下垂度的最小张力为了限制输送带在两组托辊间的下垂度，作用在输送带上任意一点的最小张力，需按式( 2 - 1 0 ) 和( 2 - 1 1 ) 进行计算：输送路锥分支：F m i n 鱼 享f 超回程分支：n 麓8 l 二I( 2 一l O )( 2 1 1 )式中仁 允许最大垂度，一般兰o 0 1 ；口。口0 上托辊间距( 最小张力处) ；D u 下托辊间距( 最小张力处) 。取( 尝) m 。= 。l - 由式( 2 - l 。) 、式( 2 - 11 ) 计算得：F 承m i n 0 4 3 3x1 ( 189瓦8+2矿40一74)x9 8 = 137 7 6 2 ，Q ：婴! 璺皇垒兰塑= 1 2 0 9 N，_) 一=回m m28 0 0 12 2 2 6 驱动功率计算及电机选择驱动滚筒轴功率只按公式( 2 1 2 ) 计算：只= 1 ，( 2 1 2 )式中，只驱动滚筒轴所需功率，W ；毛圆周驱动力，N ；v 带速，m s 。计算得：乞= 昂V = 3 5 0 8 4 4 x0 2 = 7 0 1 7W电动机功率嘞按式( 2 1 3 ) t - 1 - 算：2N L 一1 0 0 型交通路锥自动收放车结构设计硕二i ：论文：生( 2 1 3 )7 7式中：7 7 传动效率；0 8 0 9 5 之间，此处，取0 8 。计算得：= 只7 7 = 7 0 1 7 0 8 = 8 7 7 1W实际选用时吃。= 疡q s 】= 8 7 7 1 1 3 = 11 4 0 3W ，取整选用电机实际功率为1 2 0 0 W 。整个皮带机的启动及停止利用接触开关进行控制，其运输方式及控制将会在第六章中做详细介绍。2 2 3 横向拨锥机构横向拨锥机构完成路锥在皮带机上面的横向输送功能，即将路锥由皮带机送至收放箱机构的卡板上面( 回收反之) ，进而完成路锥的发放( 回收) 。整个机构由三个伺服电机精确控制，同时利用行程开关实现闭环控制。整体结构见图2 1 2 及图2 1 3 。1 底座2 位置行程开关3 拨杆24 丝杠组件5 拨杆l图2 1 2 横向拨锥机构结构图图2 1 3 丝杠组件及拨杆机构图2 2 3 1 底座底座承载并固定着丝杠和导轨，并和路锥纵向输送机构一皮带机通过一排内六角螺栓相连接。它们都是一些用板材或冷轧钢管加工而成的固定承载件，其结构如图2 1 41 6硕士论文交通路锥自动收放系统的设计与研究所示，下面用4 m m 钢板冷弯而成。图2 1 4 底座结构图2 2 3 2W L D 一2 欧姆：龙行程开关整个横向输送过程中，要实现每次只拨动一摞路锥，分四次将靠近横拨机构的一排路锥逐次拨送至收放箱的卡板上面，完成逐个发放过程；路锥回收过程中顺序刚好相反。考虑到位置控制的要求，所以利用行程开关进行信号检测，以实现精确定位。整个循环过程中共使用7 个W L D 2 欧姆龙行程开关，其中两个为限位开关，以免丝杠连接滑块横向移动过程中与丝杠座发生干涉。2 2 3 3 拨杆完成路锥横向输送功能的部件就是拨杆，它的尺寸与路锥尺寸相关，考虑到路锥尺寸，本文所设计的拨杆采用对称布置安装形式，使得结构更加紧凑美观。拨杆纵向部分长度为4 9 5 m m ，横向部分长度分别为5 5 7 m m 和2 2 8 m m 。两拨杆间距为8 2 8 m m 。当其中一拨杆拨动路锥横向移动时，另一拨杆由电机带动转动旋转至垂直方向，以免移动过程中与路锥发生干涉。拨杆结构如图2 1 5 所示。图2 1 5 拨杆结构图拨杆横向运动时为避免拨杆纵向部分与路锥干涉，需要拨杆纵向部分绕拨杆横向部分旋转9 0 。，旋转过程中，主要克服由拨杆纵向部分的重力所产生的力矩M ，所需扭矩M 按公式( 2 1 4 ) i r - 算得：M = m g L( 2 1 4 )式中：刀? 一拨杆纵向部分质量，为3 8 奴；L 一重心到电机轴的距离，为0 2 8 3 m ；计算得：M = m g L = 3 8 9 8 0 2 8 3 = 1 0 5 3 N m 。此次N L 。1 0 0 型交通路锥自动收放车的设计中，除皮带机机构中驱动电动滚筒内置的电机选用交流异步电机外，其余的电机均选用由北京阿沃德自动化设备有限责任公司生产制造的a 系列交流伺服电机，a 系列交流伺服驱动器以最新电机专用数字处理器D S P 为核心，配以高速度数字逻辑芯片、高品质功率模块，具有集成度高、体积小、响应速度快、接线简洁明了、可靠性高等一系列优点，同时该电机具有非常完善的防护功2N L 一1 0 0 型交通路锥自动收放车结构设计硕士论文能。具体型号参数见图2 1 6 。i 。嚣。鍪叠曩霉；i ! i i i i i ! i i ：i髑器辩剖瑚 3 0i 斓纂枣瀚I _ _ 6 i 8 睡B 黼攀i籀捆日韵8鞠e 霸3 9擘定臻艘功翠蛳1 2 4 0 铂7 当01 0 0 譬逶配孽赣器型弓S 强 3S E D 啦 3S g ) 啦3 3S E 4 3 3s ；E D 3s E 游3钟i I 壬分燕AAAA8B矮定转蓬f 靳j0 ，鑫0 3 2枉6 413 02 4 。3 饱嚣度转廷! N m拈聿80 蟠1 鑫138 2，1 巷9 各S镊定转邀! 鼍蕊籍遵r 娜，鬟煳为0 0 03 。瓣0 03 0 f S 0露暖 墨譬： 0 E m ，?00 3 童0 0 1巷档，03 溲1 潞13 巷登匿纛嚣譬，蝌 )1O 土氇3往6121S鳊鹤希冀擎鳐鹚嚣1 2 5 王蓐嚣黄，蓬壁一0 0 舶。，脚嚣下。再端一，i 毋夸嚣囊，谭嚏，一4 争站ir 洲碰下王喀j环渍要摹摧替渤蛙下：荐赫2 娥下援避( 赣磊鸯j 玉j ；豫j04 10S 816 n02t i 3g 霞g4 掣3 图2 1 6a 系列交流伺服电机参数电机选择型号为4 0 C 0 1 3 0 功率1 0 0 W 的a 交流伺服电机，配套使用减速比扛4 0 的减速器。电机可提供转矩M 。= M 新iX9 5 = 0 3 2 4 0 0 9 5 = 1 2 1 6 N 垅满足要求。2 2 3 4 滚珠丝杆组件滚珠丝杠的工作行程是由横向放置路锥的总长度所定。横向摆放4 摞路锥，当螺母运动到最里端时，拨杆1 能放下并拨动最里边的一摞路锥，当丝杠螺母运动到最外端时，拨杆2 能放下并收回收放箱上的一摞路锥，且丝杠的总长度不得超过车宽，即能满足工作要求。因此设计的丝杠螺杆的总行程长度为1 5 8 0 m m ，其结构设计如图2 1 7 所示。图2 1 7 滚珠丝杆结构图整个横拨机构的丝杠组件采用银泰科技股份有限公司生产的滚珠丝杠，质量可靠，运行安全平稳，具体的结构参数见图2 1 8 。纛蝴翟主黧嚣。，：一蠕气? 攀群雾篓薰熏囊墨湖l 砷 j 忡l 轴Ie 1 l 婶魁黯， 撺醅坤掉警s9 $蝴2 pi 霍 铷l 潍1始0j e讳 鳓；I地 甜珏科151 5 蜘稚p2 5 l I 毒。鲫0 0j$婶 “ Mi m“M渖讳：2 * I ，擗l ；5 I 捌# 堪如牲抽 ，爵I l - 博幢4 ji S “：，弛柏0 ti S一挣薹薹动俸鬯lS 磬x j 弼、lS 替_ 3 鬻、2 S 卷t 1 甏1 兹x j 嚣，l 巷x 帮性3 、s 巷x 2 魏。王s 整，3 魏1 巷x 6 争l图2 1 8 滚珠丝杠的结构参数实际工作过程中，工作台的重量彬= 2 2 , Y x 9 8 = 2 2 0 5 N ；每次只拨动一摞路锥，其重量哆= 5 2 5 9 8 = 2 5 4 8 N ；丝杠总长度为L = 1 5 8 0 m m ；最大线速度圪戡：5 0 珑I n i n ；( 1 ) 导程睑等= 5 而0 0 0 0 1 7 翮选定l = 2 0 r a m , 此时电机转速只需2 5 0 0 r r a i n , 就可以达到最高进给速度5 0 m 血n 。( 2 ) 丝杠轴径D利用危险谶柑算丝硼概筹厝= 厂扣7( 2 - 1 5 )所以4 n L 2x 1 。一7 式中f 取决于安装方式，本设计中采用固定一固定方式安装，查手册得厂= 2 l 9 。所以：有4 n 厂 L 2X 1 0 - 7 _ 百2 5 0 0 1 5 8 0 2 l n 2 8 5 溉取。= 3 2 m m 。因此选择丝杠直径为3 2 m m ，导程2 0 m m ，循环圈数为2 5 1 的外循环式丝杠组件。征动作所需扭矩驴筹( 2 - 1 6 )式中C 一轴向载荷；乞= F + u W ( 2 - 1 7 )户。= 7 啦：件9 2 1 2 7 4 ( 橡胶与皮带摩擦系数J L l 0 5 )W 工作台重量+ 工件重量( N ) ：卜一导程( m ) ；7 7 效率( 0 8 5 0 9 ) 。经测算知= ( 2 2 5 + 5 2 5 ) 9 8 = 4 8 5 9 8 ：4 7 5 3 N ；卵：0 8 5 。求得只= F + u W = 17 5 N ；因此由式( 2 1 6 ) n - f f J | l J t ：乃2 筹= 鬻= 0 6 6 N m选弩皇机时要保证电机的额定输出转矩兀8 0 乇，因此乃o 8 2 5 N 聊。( 4 ) 使用寿命回转寿命：k 愫F 。F a J f 枷6【。式中E 一负荷系数，取瓦：1 2 ，可求得：k 卜6 = 臁卜s 以4 3 枷s 删( 2 1 8 )1 92N L 一1 0 0 型交通路锥自动收放车结构设计硕二l ：论文( 5 ) 电机的选择根据上面计算结果，参照图2 1 6 可确定丝杠传动电机选择型号为6 0 8 0 4 3 0 功率4 0 0 W 的a 交流伺服电机。2 2 3 5 导轨滑块当丝杠回转运动时，螺母带动连接块以及连接块上的拨杆进行直线运动，在这个过程中，连接块、拨杆以及其他相关部件的重量都作用在丝杠上，由于丝杠跨度大刚度低，因此，在丝杠旁边布置了一根导轨，其作用是在丝杠螺母带动拨杆横向运动时，起支撑和导向作用。导轨的长度跟丝杠的总行程大致相同，为1 4 9 2 m m ，宽度为3 4 m m 。滑块的尺寸：长度1 4 0 m m ，宽度1 0 0 r a m ，高度3 9 m m 。导轨结构图如图2 1 9 所示。图2 1 9 导轨结构图横拨过程由拨杆将路锥拨送至收放箱卡板机构，要保证拨杆将离收放箱最远的第4摞路锥拨送至卡板所需的时I B J , J , 于将一摞5 个路锥放置到地上所需的总时间。对照上文的拨杆运动过程计算：首先，拨杆1 、2 旋转9 0 。至竖直位置，所需时间为1 s ，快速回程距离为三摞路锥的距离1 3 0 2 m m ，所需时间为，- S ：v = 1 3 0 2 o 7 5 = 1 7 4 s 接着拨杆2绕轴线再向下旋转9 0 。，接触到第四摞路锥的右端，到达工作位置所需时间也是1 s ；最后拨杆2 拨动距离收放箱最远的第四摞路锥向左移动至收放箱卡板机构，拨杆2 移动距离为1 9 8 0 m m ，移动速度选取最大进给速度的一半即v = 2 5 m m i n = O 4 1 6 7 m S ，所需时间扛S ：v = 1 9 8 0 4 1 6 7 = 4 7 5 s ，最后还需要对横拨机构进行复位，等待完成下一排路锥的拨动过程，复位过程为空载过程，可以达到最大进给速度，所需时间同样为1 7 4 s 。因此，将最后一摞路锥拨送至卡板机构所需时问为：，。= 1 + 1 7 4 + 1 + 4 7 5 + 1 7 4 = 1 0 2 3 s 。2 2 4 收放箱机构收放箱机构作为整台工程车的核心部件之一，主要用来完成路锥的逐个发放及回收功能。工作时，操作人员通过操作面板按键控制，按下放箱按钮，将收放箱放下，固定在车子侧面挂钩上，进入工作状态，如图2 2 1 所示。再按放锥启动按钮，命令通过串口通讯将指令发送至核心控制板，继而将指令发至伺服电机，驱动电机按照软件程序即可有条不紊的完成路锥的逐个发放工作；施工结束后，按下收箱按钮，把收放箱回收到车子底板上，避免连接部分长时间负重，同时在另一边也装有锥形孔挂钩，便于固定和非工作状态下的运输。同样收锥的过程也是一样的，只是收锥过程中的动作跟放锥动作相反，同时收锥过程中多了一个检测路锥是否到位的信号传感器，检测到信号以后，锥头部分才进行动作。考虑到工程机械的可靠性，及工作环境，为了提高整个收放箱的强2 0硕二t 论文交通路锥自动收放系统的设计与研究度，整个机构外框架采用5 0 x 5 0 角钢围成，结构坚固，但是整个机构的重量也随之增加，整个收放箱实际总重量约1 8 0 公斤，具体设计见图2 2 0 。图2 2 0 收放箱设计图图2 2 1 收放箱实物图收放箱由三个部分构成，共同协作实现功能。他们分别是：2 2 4 1 卡板机构图2 2 2 卡板整体装配图1 左侧面限位块2 弹簧3 弹簧座4 上卡板电磁铁5 下卡板电磁铁6 上插板7 右侧面限位块图2 2 3 卡板局部俯视图工作时，横拨机构：肥路锥从皮带机上拨至收放箱下插板上，拨动过程中，上插板吸2N L 一1 0 0 型交通路锥自动收放车结构设计硕二上论文合，以免发生干涉。由于路锥摆放时是5 个一摞，所以放锥过程中需要完成逐个分开并放下，卡板机构采用左右对称的形式设计，分为上下两个插板，每个插板利用电磁铁的吸合( 释放) 控制实现插板的自动收放，这样就可以完成路锥的逐个放下或者回收。放锥过程中：下电磁铁通电将跟铁芯连接的插板吸合，插板收回将路锥放下，然后下电磁铁断电，插板在弹簧弹力作用下顶出，承接其余路锥，然后上电磁铁通电吸合，将剩余的路锥释放至下插板，依次重复五次完成一摞路锥的发放过程。收锥过程中：路锥回收至收放箱内，上下电磁铁同时打开，利用提升机构将回收起来的路锥从收放箱的底面上升至下插板表面上方3 - 5 m m 处，然后上下电磁铁同时断电，上下插板释放弹出，路锥在重力作用下落至卡板机构，依次重复5 次，完成一摞路锥的回收过程。上下插板之问的间距为路锥底部厚度( 3 5 m m ) + 4 m m ，以适应个别路锥的变形，防止路锥发放或者回收过程中卡板卡死，整个卡板机构左右对称使用4 个电磁铁，型号为M Q l 8 ( 5 1 3 1 ) 2 2 0 V ，使用额定电压为2 2 0 V 的交流电，可提供8 奴的吸附力，足以克服摩擦力及弹簧的弹力将卡板吸回，同时由于电磁铁吸合点不在卡板的中间，因此两边的弹簧经过计算选用不同的规格，以保持整个卡板所受的力矩平衡，使得卡板吸合时平稳。2 2 4 2 路锥提升机构卡板完成路锥的逐个释放，然后逐个下落至提升机构的锥头外围延伸平面上，此时安装于底板上的伺服电机开始工作并通过钢丝绳带动滑轮，通过电机的正反转实现路锥的上升、下降功能，过程中整个底板跟随路锥同时升降，因此整套机构相当于使用动滑轮机构实现提升路锥的基本功能，可以节省一半的力，减轻电机的负载。位置的精确控制靠安装在收放箱外框架上的行程开关来保证。整个机构中的构件及其运动过程中的受力情况如图2 2 4 所示。1 摆动轴2 旋转轴3 行程开关4 电机及减速器组件5 提升滑轮6 底板7 底座8 电机固定法兰9 传动齿轮副1 0 轴承支座1 1 汇流环1 2 锥头图2 2 4 路锥提升机构及摆锥机构设计图及受力示意图2 2硕士论文交通路锥自动收放系统的设计与研究升降过程中所需提升的整个机构重量以及路锥总重量M = 4 4 6 7 k g ，提升电机配用钢丝轮直径d = 1 1 0 r a m ：需用电机力矩T ：M g r 2 ：1 3 6 N 堋，根据图2 1 6 电机参数，选用6 0 8 0 4 3 0 功率4 0 0 V _ 7 的a 交流伺服电机，配用减速比f _ 4 0 的二级减速器共同使用，以保证其留有足够的余量。齿轮选用模数m = 2 5 ，齿数z = 5 4 的两个齿轮进行一级传动，滑轮选用d = 5 5m m 的4 5 号钢进行调质处理。2 2 4 3 摆锥机构路锥垂直放下后仍在收放箱空间内，摆锥机构通过伺服电机连接减速器，通过平键与齿轮连接，通过齿轮传动实现路锥的摆上、摆下功能，整个摆动轴的剖视图见图2 2 5 。将路锥摆放至地面，或者从地面回收至箱内，锥头部分利用止推轴承和角接触球轴承的配合使用，使得锥头可以自由旋转，并在箱壁外面伸出一块调整板，用来将回收过程中的不规整路锥调整至合理位置然后顺利进入收放箱内。锥头部分的具体剖面图如图2 2 6所示，同时在锥头部分装有汇流环，以免回转过程中线路缠绕在一起。疆_d黼Il一墓F图2 2 7 收锥过程中受力图收锥过程中摆动所需力矩M = F ，S 1 - 1 5 0 x0 4 9 x1 5 = 11 0 2 5 N m根据图2 1 6 所示，选用6 0 8 0 4 3 0 功率4 0 0 W 的仅交流伺服电机，配用减速比扛1 0 0的三级减速器，可提供扭矩T = 瓦f 叩= 1 3x1 0 0x0 9 = 11 7 N m ；因此可选用。至此，每个路锥的发放( 回收) 动作已经完成，整个过程所需要的时问：T = + 2 f ，+ 2 厶( 2 1 9 )一卡板动作及等待时间，= 3 s 。，一路锥升降时间；路锥上升距离，1 = 7 8 5 m m ，钢丝轮直径d = l1 0 m m ，周长，= 3 4 5 4 m m ，升降过程中电机需要转的角度r = 正l ，= 2 3 r ；电机输出转速2N L 一1 0 0 型交通路锥自动收放车结构设计硕： 论文玎= 3 0 0 0 4 0 = 7 5 t a d m l n = 1 2 5 r a d S ，2 = r 门= 1 8 4 s 。，：一路锥摆动时间；摆动过程中电机需要转的角度r = 1 2 0 。= 0 3 3 r a d ；电机输出转速胛= 8 0 0 1 0 0 = 8 t a d m i n = 0 1 3 3 r a d S ，t 3 = 厂聆= 2 4 8 s 。所以整个过程所需时间T = + 2 + 2 t 3 = 1 1 6 4 s 1 0 2 3 s ，而且要重复5 次将一摞路锥下放的时间远远大于所需时间，横拨过程不仅满足要求，还需要经常处在等待过程中，此处路锥的摆放速度有待提高。2 2 5 收放小车机构收放小车的结构设计简单，但在整个工作过程中必不可少，路锥由收放箱逐个放下后，是横躺在路面上的，它起到把路锥顺利竖起摆放及回收过程中把路锥推倒并顺利插进锥头的功能，同时正是由于小车的精确导向作用，才使得放锥工程中能够按规定路线顺利放置。同时在小车侧面附加两根直线导轨，在摆锥过程中可以让小车有一定的浮动空间，避免施工过程中由于路面情况的复杂性而受到冲击载荷，从而导致收放小车受冲击载荷而变形。同时尾部的张开喇叭口，可以增大整台车子的适应性，当路锥不在一条直线时，或者左右偏移不超过5 0 0 m m 时，都可以不必调整车子行走状态而顺利的将路锥归正，从而顺利回收。整个车子框架都是使用西= 2 0 m m 的不锈钢管【l5 1 ，使用氩弧焊焊接组装而成。下为收放小车的设计图及实际生产实物图。图2 2 8 收放小车设计图图2 2 9 收放小车实物图2 2 6 收放箱回收机构由于工作过程中，收放箱需要悬挂车体右侧作业，这样会导致车子非工作状态行驶时不便，这时就需要把收放箱回收并安放于车板平面上。为了提高整个车子的自动化程度，利用丝杠双导轨结构稳定可靠的实现收放箱的提升动作，并配合一套利用联轴器传动的回转机构完成整个动作。设计装配图见图2 3 0 。放锥之前，驾驶员按下放箱操纵按钮，回收机构先将整个收放箱抬起离开车板平面2 0 m m ，然后电机带动整个机构回转至离开车板，通过电机带动丝杠螺母旋转将收放箱放下，然后继续旋转至靠近皮带机，这个过程中靠行程歼关来检测收放箱是否到位，到位以后再继续下落至皮带机侧面的挂钩硕士论文交通路锥自动收放系统的设计与研究上，以保证施工过程中，整个丝杠部分不保持长时间受力，以免导致丝杠或者导轨部分变形。按照交通运输部的相关规定，车辆行驶过程中不得超宽，所以施工结束后，同样需要将整个收放箱回收至车板平面上，让车辆底板来承受整个收放箱的重量。回收过程跟放下过程相反，同样在收放箱另一侧装有固定锥销，车板平面上利用控制柜固定架焊有辅助固定设施，跟锥销配套的锥孔，便于行驶过程中收放箱的固定，控制柜固定架将在后面介绍。1 、机构安装架2 、丝杠固定座上3 、直线导轨4 、滑块5 、丝杠固定座下6 、提升板7 、滑块连接板8 、丝杠9 、滑块联轴器1 0 、电机1 1 、密封罩1 2 、连接块a1 3 、加强筋1 4 、安装座a 1 5 、安装座b1 6 、连接块b1 7 、连接螺栓1 8 、支撑焊接件图2 3 0 收放箱回收机构设计装配图1 、胀套2 、旋转轴3 、轴承及轴瓦4 、减速器5 、伺服电机6 、回转安装座a7 、齿式联轴器8 、回转安装座b9 、连接块b2 3 1 收放箱回收机构回转部分剖视图根据已知条件知实际工作过程中，工作台的重量彬= 2 3 6 3x9 8 = 2 3 1 6 ；工作物重量= 2 0 0 x9 8 = 1 9 6 0 N ；丝杠总长度为L = 1 2 8 0 m m ；最大线速度。= 5 0 m m i n ；选用的伺服电机X m 。= 3 0 0 0 r r a i n ；滚动面摩擦系数“= 0 0 0 3 。( 1 ) 黝惫2 裟1 7 m m 选肌2 ，此时电机转速只翮0 0 r m i n ，就可以达到最高进给速度5 0 m m i n 。( 2 ) 丝杠轴径D2N L - 1 0 0 型交通路锥自动收放车结构设计硕士论文利用危险速度来计算丝杠的轴鲦a 篑厝= 知7一孚l0 7 式中f 取决于安装方式，本设计中采用固定一固定方式安装，查手册得厂= 2 1 9 。所以有4 n 厂L 2 因此选择丝杠直径为2 0 m m ，( 3 ) 最大轴向负荷的计算1 0 - 7 ：= 2 5 0 0 x 1 2 8 0 22 1 91 0 - 7 ：1 8 7 m m 。取D = 2 0 m m 。导程2 0 m m ，循环圈数为1 5 X1 的外循环式丝杠组件。V O n m i n )图2 3 2 机构运转过程之v - t 图整个机构的运行动作比较简单，放箱( 收箱) 过程只是重复启动电机按照上图的运动规律，使收放箱顺利进入固定挂钩位置。如图2 3 2 所示，整个过程中，t l - - t 3 = O 2 s ，t 2 = 3 s ；最大轴向载荷发生在加速上升阶段，此时：口：鳖：竺丝：4 1 6 7 所s 20 2f = U ( + ) = 0 0 0 3 x ( 2 3 1 6 + 1 9 6 0 ) = 6 6 N( 2 2 0 )巳= + + M a + f = 2 3 1 6 + 1 9 6 0 + ( 2 3 1 百6 + 虿1 9 6 0 ) 4 1 6 7 + 6 6 = 3 1 3 0 ( 2 - 2 1 )( 4 ) 电机的选择由外部载荷产生的摩擦扣矩：z ，：卫：2 0 0 x 9 8 x 0 0 2 ：6 9 聊2 ( 2 - 2 2 )由外部载荷产生的摩擦扭矩：乙2 玄羔2 i x r 酉而x U29 聊)Z 7 r ，Zj 1 qy选择电机时要保证电机的额定输出转矩Lx 8 0 疋，因此L 0 8 2 5 N m根据上面计算结果，参照图2 1 6 可确定丝杠传动电机选择型号为1 2 0 A 1 0 3 0 功率1 0 0 0 W的a 交流伺服电机。回转部分只需克服整个机构重量的摩擦力矩，乙= ，= 3 0 6 x 9 8 x0 3 x0 0 7 7 = 6 9 3 N m( 2 _ 2 3 )电机选择型号为6 0 8 0 4 3 0 功率4 0 0 W 的a 交流伺服电机，配以减速比待8 0 的减速器，2 6硕士论文交通路锥自动收放系统的设计与研究瓦= 1 3 8 0 0 9 = ，3 6 N 嗍 6 9 3 N m ，满足条件且有足够余量。由于收放箱整体重量约2 0 0 k g ，所以整个回收机构的悬臂较长，翻转力矩较大，从而可能导致整个结构发生严重侧倾，固需要对此部分机构的刚强度进行校核计算，本设计过程中，引入有限元方法，利用A B A Q U S 有限元分析软件进行静力学及动力学分析计算，验证设计结构的可行性，具体会在后面章节进行详细介绍。经过计算得知整个结构的变形在弹性范围内，不会对整个结构的刚度产生影响，故采用整套方案。收放箱回收至车板平面上的具体实物见下图。2 2 7 控制柜图2 3 3 收放箱回收实际效果图整车正常工作共需8 台电机，其中7 台伺服电机，需要7 台驱动器，驱动器的尺寸为2 3 3 5 1 6 5 5 X 8 3 ( , r i m ) ，一台异步电机配合变频器使用，便于精确定位控制，整个控制柜采用侧开门方式设计，项部整体焊接，具有防雨功能，同时需考虑中控板的布置安装，及走线槽、电源开关的空间以及整个控制柜的散热功能，在控制柜的顶部安装有排风扇及照明灯。整体尺寸为8 0 0 x 2 4 8 x1 5 5 0 ( m m ) ，具体实物见图2 3 4 。1 、散热风扇2 、控制柜外壳3 、电机驱动器4 、电源开关5 、2 4 V 交流电源6 、皮带机控制板7 、继电器8 、走线槽9 、变频器1 0 、接口1 1 、D S P 中控板图2 3 4 控制柜实物图2N L1 0 0 型交通路锥自动收放车结构设计硕士论文2 2 8 发电机考虑到大量采用伺服电机，由滚珠丝杠和同步皮带等组成传动机构，结构简单、效率较高，消除了液压油所引起的麻烦，无须对液压油冷却，大幅度降低了成本。同时电动系统具有一系列优点，如精确度高、节省能源、精密控制、降低噪音、节约成本。因此全车动力来源采用汽油发电机配备交流电，发电机购买目前已经批量生产的系列产品，这里选用了韩国现代公司生产的H Y U N D A I ，型号为H Y 9 0 0 0 L E 一3 。发电机实物图如图2 3 5 所示。图2 3 5N L - 1 0 0 型交通路锥自动收放车配备发动机2 3 辅助部件的设计安装2 3 1 控制柜固定架控制柜的整体尺寸较大，作为整车的中控系统，必须合理的进行布置安装，下图为控制柜固定架，整个控制柜安装在架子左边的空间中，利用螺栓与底部及侧面进行固定，同时底部留有走线槽，固定架右边又焊接有两个锥形销座，当收放箱回收至车板平面上时，用于固定收放箱，防止收放箱运输过程中的窜动。同时在接触面上装一层橡胶( 现场加装) ，用于吸振，防止电子元器件在汽车振动下，出现故障。设计图见图2 3 6 。图2 3 6 控制柜同定架设计图硕士论文交通路锥自动收放系统的设计与研究2 3 2 收放小车固定架收放小车作为一个单独的部件，需要跟整车进行装配，这里单独设计一个固定架，利用两个三角板及5 0 方管焊接而成，三角板上面装有两个圆柱销，利用两个圆柱销进行定位，一个斜面进行固定，然后利用快速夹具进行固定，方便拆卸。整个固定架焊接安装于汽车底部的横梁上，安装时要保证整个收放小车的中心跟收放箱的中心对齐。具体设计见图2 3 7 。图2 3 7 收放小车固定架2 4 设计总装图及实际生产样机至此，整个收放机构的结构设计已经完成，具体的设计图见图2 3 8 ，按照设计落实生产，并结合下面过程中利用有限元方法计算校核的结果指导实际生产，在生产过程中做出相应的优化及改：莲，设计过程中为了视图美观对不同的零部件赋予了不同的材料属性及颜色方案，而实际生产过程中需要根据相关规定及使用要求，表面喷涂工程车辆专用漆，实际生产加工样机见图2 3 9 。实际使用的电控柜较之前偏大，并且实际的工程车辆要考虑到布线走位等因素，需要安装走线拖链等辅助设施。ii l 蠹ii 豢漂豢鬻! 鬟篓鬻鼗鬻萋蓑；鏊鎏图2 3 8N L 一1 0 0 型交通路锥自动收放车设计图2N L 一1 0 0 型交通路锥自动收放车结构设计硕士论文2 5 本章小结图2 3 9 实际生产加工样机本章利用三维设计软件s o lid w o r k s ，结合设计要求，进行多次方案探讨及总结，初步设计得到可以实现路锥自动收放功能的主要部件以及一些辅助安装部件，设计过程中综合考虑了电机的选取，丝杠组件的校核，进行了必要的校核计算，避免了机构之间的干涉，合理布局。基本上满足工程施工要求。硕士论文交通路锥自动收放系统的设计与研究3 收放箱回收机构有限元模型的建立3 1 有限元分析方法及理论有限元分析是工程领域进行科学分析的重要方法之一【1 6 】，利用有限元分析不仅可以对结构设计客观地进行评判，还可以通过分析计算得到结构的相关机械性能信息，针对各种工程事故实施分析。自从美国波音研究组的相关工作和T u r n e r 、C l o u g h 、M a r t i n 、T o p p 的相关著名文章，使得线性有限元分析得以闻名，进入2 l 世纪，随着计算机技术的腾飞，有限元方法在工程技术分析中起到了举足轻重的作用【l 7 1 。有限元法是把某一连续体进行分割，看成有限个单元，在单元之间用边界上的节点贯穿起来，并在单元上假设未知量的变化规律。取节点处的未知量为基本未知量，并在节点上引进边界条件或等效载荷来代替实际作用在系统上的外部作用。从而将一个无限自由度的问题化为有限自由度的问题。使问题转化为适合于数值求解的结构型问题。弹性体在载荷作用下，体内任意一点的应力状态可以由6 个应力分量来表示【1 8 11 1 9 。位移列阵 厂l _ uvw 。；应力列阵 仃 = 仃x仃y仃：r 捌f 弦f 船 1 ：应变歹0 阵 s 一- s 工s ys ：y 叫) ，弦) ，船 1 。弹性体V 域内任一点沿坐标轴X ，y ，Z 方向的平衡方程为：( 3 一1 )其中六、乃、Z 分别为单元体积的体积力在X ，y ，Z 方向的分量。在微小位移和微小变形的情况下，略去位移导数的高次幂，则应变分量和位移分量间的几何关系有：锄S J2 _O Xg vS y2 _。砂g wS ：2 _O Zg w 抛k2 i + i(试dz3 lO00=一六一一正+丝瑟笠叙蔓砂一砂蔓瑟眈百峨一缸峨一砂虹i乏0加一f15跏一钞+十锄一砂加一瑟=l l砂声yy三些堕堕韭型型型堑望里重堡型堕壁垩| - 堡主笙奎应力与应变分量之间的物理方程有：b = 掣( 3 - 3 )式中卜弹性模量；材一泊松比。弯文中主要使用位移法来求解弹性力学问题，即以单元节点处的位移作为基本未知量。单元内任一点的位移：单元应变单元应力 门= 【】，H = 吲r= ，单元的节点力 ，) T = 【K 】 6 ) 7 。，! ! 1 芏兰聋紫节点位移矩阵，f 】称为形函数矩阵，【B 】称为应变矩阵，力矩阵，【K 】称为单元的刚度矩阵。( 3 - 4 )( 3 5 )( 3 6 )( 3 - 7 )【S 】称为应从某单元集合体上任意取一个单元作为研究对象，平面基本单元如图3 1 所示：y单元的节点位移矩阵 6 7 1图3 1平面单元图= v 吩_ X；假设位移函数为以下多项( 3 8 )对于位移分量甜有：l，一、J一甜一一hE一E，一、= 二一一掣掣kk妇门妇qqqy：0仃仃气-L-、，t、甜甜引吨吨屯qq吒一一一一批如扣=l I，q勺t入标坐yy泊德等懒声各口仅一D托托吭i刚叫弹砘砘扭力力一孤wW断OO 坐甜V之，。P 义称的式式弛硕士论文交通路锥自动收放系统的设计与研究( 3 9 )对于位移分量v t g 有类似的三个方程，六个方程联立求解，可以确定六个未知数a l ，a 2 ，- - 。从式( 3 9 ) 中可以解出：a l2其中A ：一121 l ix iy iu j x jy jU mX mY m1x ly i1X jY y1X mY m1I。= l2 AItx jy jx my m+x my mx ty t甜J +x iy ix jy j是以f ，m 为顶点的三角形的面积。同理可解出：旷斟1 (2 砑l1Y j1Y m1x j1X r nq2q2+x jy jx my m1Y j1y m1x j1X m1y m1Y i1 1 u j u j 2x j y m x m y j2y j y m2 X m x j1Y i1Y j1 薯1x j将广义坐标a l ，a 2 ，O t 3 代入式( 3 8 ) 则可得：”= 击 ( t I + 包x + q J ，) 咋+ ( q + 岛x + 巳少) U j + ( a m + 屯x + y ) 同理可得：V = 击 ( t t + 匆z + q y ) M + ( q + 屯x + 巳y ) _ + ( + 6 m x + y ) 再令：M = 互1 a j + 包x + c f y )则式( 3 1 4 ) 并- 1 1 ( 3 1 5 ) 可以写成：( f ，J ，历)( 3 - 1 0 )( 3 1 1 )( 3 1 2 )( 3 - 1 3 )f 3 - 1 4 )( 3 - 1 5 )( 3 - 1 6 )3 3咒幽蚺蚴鸭把托托一薯，w 嘶qq 泡刮l I=，m 怫3 收放箱回收机构有限元模型的建立硕士论文( 3 1 7 )M 称为形函数，它表示节点i 发生单位位移U ，= v i = 1 时，单元内部位移“，v 的分布状态。由于是平面单元，应变分量只有s ，s ，外力沿厚度方向无变化，所以就只剩下x o y 面内的三个应力分量仃，仃，L ，并且它们是坐标x ，Y 的函数，有了位移模式确定了单元内位移随坐标而变化的函数关系，利用几何方程就可求得单元的应变，利用物理方程求出单元的应力。因此有：S 工S _ yy 叫平面应力问题中应变表示应力的物理方程为：旷告( E xU E y ) q U E y )q2 再【仃y = F E 了( U E x - t - E , y )仃y2F IEl 一“2F 7 了郴棚黼黼一卧告001 一“2= 【6 】7 ( 3 - 1 8 )( 3 - 1 9 )( 3 2 0 )简写成【仃】= 【D 【s 由式( 3 5 ) 得：【仃】_ 【D 】【B 】【6 】r = 【s 】【6 】r ，所以有应力矩阵：【S - - D I B 】( 3 2 1 )节点力都可以用x ，Y 方向的分量U ，y 表示，将单元上的所有节点力用一个列矩阵表M 心+卜咿+吩MM=V盟锄+堕缸+吩盟锄+弧i峨一砂峨一砂+叶0吩坐良堕砂盟砂+B坼眦一缸眦一钞姒一砂坼U 吩o砜一砂盟苏盟缸。盟钞。盟砂堕舐盟缸。咝砂。盟砂盟缸眦一砒。盟砂甜101甜O硕士论文交通路锥自动收放系统的设计与研究t F ，r = 主 = t 配，K ，巧，乩，7 根据虚位移定理，节点力在虚位移上所做的虚功为：形= 7 万= J s + ) r c r t d x d y = J 6 ) 【B n D 7 可得：r = 【B 】r 【D 删6 r爿令 K 】- m B 】r D 】 B 】砌咖，称为单元刚度矩阵则式( 3 2 6 ) 可简化为：A出方= 么为单元面；职，K = 而E 而t3 2A B A Q U S 软件r = 【K ) r弧k 口【K 】- Ik j i l l 良+ 半c ，q嵋良+ 半巩蚍+ 半呐c ，C s - I - 旱地f _ b p s( 3 2 2 )( 3 2 3 )( 3 - 2 4 )f 3 2 5 )( 3 - 2 6 )( 3 - 2 7 )( 3 - 2 8 )( ，s = f ，J ，m )( 3 - 2 9 )前面已经讨论了：有限元分析是进行科学计算分析的非常重要的方法之一，A B A Q U S以其先进的非线性分析技术，已逐渐成为工程分析过程中非常优秀的软件【2 0 】。A B A Q U S 是一款新的有限元分析软件，它可解决从简单的线性分析到较为复杂的非线性问题。它包括一个丰富的单元库，同时还有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能。A B A Q U S 作为一种通用的模拟工具，不仅能够解决结构分析问题，3 收放箱吲收机构有限元模型的建立硕士论文而且还能够分析声学、土壤力学等其它领域中的问题。A B A Q U S 包含两个主求解器模块- - A B A Q U S S t a n d a r d 、A B A Q U S E x p l i c i t ，以及一个全面支持求解器的前后处理模块- - A B A Q U S C A E 。A B A Q U S S t a n d a r d 是个通用分析模块，它能够求解各类问题，例如静态分析、动态分析。A B A Q U S E x p l i c i t 可以进行显示动态分析，它适于求解复杂非线性动力学问题，特别是用于模拟短时间内的动态特性，如冲击和爆炸问题1 。A B A Q U S C A E 是A B A Q U S 软件的人机操纵界面，可以方便快捷地完成模型的构建，并且给各部件定义材料特性、边界条件等相关参数，同时还具有专业的网格划分功能，进而提交分析作业，并通过后处理模块来显示计算结果。3 3 有限元模型的建立建立收放箱回收机构的有限元模型，需要根据N L 1 0 0 型交通路锥自动收放车的实际情况，选择合适的有限元单元，对该机构进行网格划分，再赋予模型合适的材料属性，定义边界条件，最后给出一个合理的收放箱回收机构的有限元模型。有限元分析只是对工程分析的模拟，是对工程虚拟样机的近似，而且要求分析的结果能够真实的反应工程设计的结构特性川。建立合适而又准确的有限元模型是有限元分析中重要的一步，否则其它的工作无法有序开展，有限元模型的质量还关系到计算结果是否精确可靠。本文主要是考虑到收放箱部分整体质量较大，担心收放箱回收机构运行过程中的可靠性，所以针对设计中的收放箱回收机结构进行有限元模型的建立和计算分析。收放箱回收机构主要分为两大部分，即回转机构和收放箱提升机构，提升机构负责收放箱的上下，回转机构负责收放箱转至车板上或者转出，中间靠两根外六角螺栓通过过盈配合进行连接，在保证计算结果准确的条件下，为了节省计算时间，提高工作效率，建模在与原始结构符合的同时，也需要对模型进行必要的简化，如忽略一般不影响整体结构性能的圆角跟倒角。本文在进行有限元建模时，主要考虑整个机构的强度，即连接部位的应力以及位移和连接螺栓的强度校核，所以对伺服电机等相关组件不进行考虑。图3 2 收放箱回收机构工程图及三维设计图硕士论文交通路锥自动收放系统的设计与研究3 3 1 单元类型的选取A B A Q U S 具有丰富的单元库，共分为八类：实体单元、梁单元、壳单元、杆单元、薄膜单元、连接单歹j 、刚体单元和无限元【2 3 。在收放箱回收机构中，如支撑焊接件及提升板，构件的厚度远小于其整体结构尺寸，并且可以基本上忽略厚度方向的应力，因此选用壳单元( S 4 R 单元) ；见图3 - 3 、图3 4 。图3 3 支撑焊接件有限元模型丝杠的横截面尺寸远小于其轴向长度，图3 4 提升板有限元模型选用梁单元( B 2 1 H ) ，如图3 5 。图3 5 丝杠有限兀模型其余部分均为机械加工非标件，选用实体单元进行分析。对于三维问题，单元形状又有六面体单元( H e x ) ，四面体单元( T e t ) 和楔形单元( W e d g e ) ，其中H e x 单元可用较小的计算代价得到：饺高的精度，因此尽可能选用该单元。为方便求解运行过程中导轨是否会出现松动，产生位移，导轨、滑块及丝杠固定座选用了C 3 D 8 R ( 8 节点六面体线性缩减积分单元) ，如图3 6 所示。图3 6 导轨滑块组件有限元模型3 收放箱回收机构有限元模型的建立硕士论文连接块a 、连接块b 、连接螺栓采用C 3 D 8 I ( 8 节点六面体线性非协调模式单元) ，在非扭曲单元或扭曲较小的单元分析过程中，克服了剪切自锁问题，得到的位移、应力结果仍然很精确，并且降低了计算成本。对于收放箱部分，我们不考虑其变形量，所以建模时用一立方体质量块取代，选用S 4 R 单元，性能稳定。回转安装座a 、b 为了便于分析计算，进行简化处理，整体建模，使用C 3 D 2 0 R 单元，其有限元模型见图3 7 。图3 7 回转部分整体装配图及有限元模型至此，收放箱回收机构各部件的有限元模型都已经建立，在机构的整体装配过程中，利用A B A Q U S 的A s s e m b l y 功能模块，按照设计要求进行各部件装配。如图3 8 所示，由下图可见，整个机构的网格划分均匀，基本无变形较大或者扭曲单元，并且在网格划分过程中，对于形状不规则的部件进行了实体分割，以方便网格的划分，对于容易出现应力集中的部位、存在接触的部位和螺栓连接部位进行了网格种子的重新布置，设置了较为密集的种子，进行了网格细化 2 4 1 ，可以更好的控制单元的位置和密度，以便得到更加精确的计算结果。图3 8 收放箱回收机构有限元模型硕士论文交通路锥自动收放系统的设计与研究3 3 2 材料属性及截面属性模型中使用的对料主要为碳钢及合金钢材料，包括4 5 号钢、Q 2 3 5 、不锈钢及2 0 C r M n T i 。其基本属性见表3 1 【25 I 。表3 1 材料属性参数蕊，篙a 模量泊松比屈麓度抗麓度拉伸率数值7 8 2 e 92 1 0 0 0 00 3 2 1 5 4 0 0 4 0 由于模型中使用了壳单元，可是实际上这些部件是有厚度的，这里就需要通过截面属性将材料的厚度赋予部件。焊接件中西8 8 的圆管厚度为5 r a m ，其余方管厚度为3 m m 。截面属性赋予时的操作界面及参数设置如图3 9 所示。：1 f h 油_ 爿t 娩0 粘吐过，t ；Cl t 矗卜I 登? 如”“h “”国滕f k “】如t ! i b 口tI l 一：I - l ”甜：- 匦西：A 。b 。4 麝“。l ：l 菅l 一_ ：I 岛，；蕊釜迸矗i ：；因藏3 3 3 网格的划分图3 9 截面属性赋予时的操作界面及参数设置A B A Q U S 具有强大的网格划分功能，提供了三种网格划分技术。( 1 ) 结构化网格( S t r u c t u r e d ) ，应用于一些形状简单的几何区域；( 2 ) 扫掠网格( S w e e p ) ，首先在面上生成网格，然后沿着扫掠路径拉伸，得到三维网格；( 3 ) 自由网格( F r e e ) ，这种划分方法最为灵活，几乎适用于任何几何形状，但分析精度相对不高。本机构中部件的网格划分综合考虑以上三种划分方法，以得到较为精确的网格1 2 6 j 。网格划分完成后还有重要的一步，那就是网格质量的检查，当划分的网格达不到理想的形状，或者网格扭曲较大，过渡不理想的时候，会降低整个分析计算的准确度，在A B A Q U S 中通过M e s h 功能模块中的V e r i f yM e s h 选项，可以选择部件、实体、几何区域，检查其网格质量，获得节点和单元信息，并可将符合检查判据的单元高亮度显示出来，进而继续对不符合模型建立要求的网格通过其它合适的方法进一步重新划分。如图3 10 、图3 1l 所示。3 93 收放箱回收机构有限元模型的建立硕士论文图3 1 0 统计检查参数设置图3 11 不合格单元高亮显示收放箱回收机构各分部件的网格划分有效的利用各种划分方法，得到了较为合理的各部件网格，具体参数统计见表3 2 。表3 2 收放箱回收机构各分部件的网格划分统计表3 3 4 边界条件和载荷收放箱回收机构运行过程中所受的载荷主要为机构本身的重力及收放箱的重量。这里机构自身的重力在分析步中添加，如图3 1 2 所示，重力方向为一Y 方向，区域选择整个模型，收放箱的重力利用场变量赋予其质量属性，如图3 1 3 所示，质量M a s s 参数设置栏中输入0 2 5 t ，这里收放箱实际的质量为1 9 6 5 姆，考虑到工程施工过程中安全性，这里留有一定的安全余量。4 0图3 1 2 载荷定义图3 1 3 收放箱质量赋予硕士论文交通路锥自动收放系统的设计与研究收放箱回收机构在运行过程中始终安装固定在车板平面上，回转安装座各个自由度均被限制。如图3 1 4 所示为整个收放箱回收机构的有限元模型图，此时处于放箱过程时的状态。3 4 本章小结图3 1 4 收放箱回收机构分析计算整体模拟本章引入有限元方法，利用有限元的理论知识，借助A B A Q U S 有限元分析软件，结合路锥自动收放车的工作状况，对其核心部件一收放箱回收机构进行了模型的简化，对其中的部件完成了单元的选取，网格的划分及单元质量的控制，并在操纵界面C A E总完成模型的装配工作，根据实际条件进行了边界条件的添加以及载荷加载，建立了合理的收放箱回收机构的有限元模型。4 收放箱回收机构静力学分析硕士论文4 收放箱回收机构静力学分析结构静力分析( s t a t i ca n a l y s i s ) 2 7 1 是有限元分析的基本应用领域，主要用来分析由于稳态外载荷所引起的位移、应力和应变等，其中的稳态载荷主要包括外部施加的力、稳态的惯性力( 如重力和旋转速度) 、位移和温度等。4 1 收放箱回收机构的静力分析步骤( 1 ) 利用A B A Q U S 有限元分析软件，结合相关知识，建立收放箱回收机构的有限元模型。通过上文介绍，本文的第三章已经建立好合理的该机构的有限元模型，并赋予了有效的材料属性；( 2 ) 综合考虑收放箱回收机构的受力特点，该机构容易产生变形的地方有支撑焊接件、提升板部分及连接座部位的连接螺栓。整个分析过程根据收放箱所处的位置的不同，分为收放箱处于整个丝杠的上、中、下三个位置过程分别进行校核计算，以体现各种工况下该机构的受力特性；( 3 ) 针对出现的问题，进行理论分析，找到其中的原因，进而提出可靠的结构优化改进方案，然后再次对改进后的设计方案重新建立有限元模型，添加载荷及边界条件，根据相关理论重新进行校核计算，将分析计算结果与之前的方案进行分析对比，得出结论，指导实践生产，以达到有效解决现有问题的目的。4 2 收放箱回收机构的静态计算及结果分析4 2 1 计算前模型的处理I n t e r a c t i o n 功能模块训主要用于定义模型中两个实体之间或者一个装配件的两个区域之间在空间位置上的相互关系，包括接触、约束等。( 1 ) 在本文中对于焊接起来的部位及固定起来不进行相对移动的部分统一采用绑定约束( T i e ) ，表示模型中的两个面被牢固的粘结在一起，在分析过程中不再分开，同时被绑定的面允许不同几何形状和网格的出现；( 2 ) 由于在螺栓连接部分存在较为复杂的接触及耦合过程，因此会给计算过程带来较大的难度，这里采用对比分析的方法解决这一冲突，即将连接座a 、b 及两个螺栓单独作为一个装配体进行定义计算，将其余部分产生的力等效的施加在该机构上，这样一来使得整个机构的分析过程中会大大简化。因此在整个机构强度校核计算过程中将该部4 2硕士论文交通路锥自动收放系统的设计与研究分先进行绑定约束：T i e ) 处理；( 3 ) 丝杠的安装比较复杂，这里并未对与丝杠相配合的轴承、联轴器及电机等逐一建模，而是在丝杠的约束关系中使用了耦合约束( c o u p l i n g ) ，让丝杠与丝杠固定座进行耦合，以便进行下步的模拟仿真，如图4 1 ，4 2 所示；图4 1 丝杠与上l 司定座的耦合图4 2 丝杠与F 崮定座的耦合( 4 ) 本论文中收放箱的变形及车体平板的变形不是主要讨论的问题，因此将这两个部件施加显示体约束( D i s p l a yB o d y ) ，只用于图形显示，不参与分析计算过程，这样一来，整个计算量将大大减少；( 5 ) 在收放箱质心点处建立一个新的参考点以代替整个收放箱的质量，然后对该点与收放箱回收机构的提升板整个面进行耦合约束，如图4 3 所示。图4 3 收放箱与提升板之间的耦合约束示意图4 2 2 收放箱处于最高点时的分析计算及结果根据弹性静力学分析的基本原理，利用前面构建的有限元模型，进行了约束及载荷的添加，并在载荷添加过程中设定所施加的载荷大于实际载荷，具体见图3 1 3 ，这样就保证了计算过程中已经提前留有足够的安全余量，然后用有限元分析软件A B A Q U S 的通用分析模块A B A Q U S S t a n d a r d 进行计算求解得出，当收放箱位于最高点时，整个收放箱回收机构的应力主要集中在支撑焊接件上端的方管焊接部位、提升板的左上角及回转轴部分，详见图4 4 。并且最大应力为3 2 3 M P a ，整个模型的应力云纹图见图4 5 ；图4 3硕二仁论文4 4 所示的节点1 的应力输出曲线如图4 6 所示。图4 4 收放箱回收机构一上应力集中部位截图图4 5 收放箱回收机构一上的应力云纹图图4 6 应力集中点1 的应力输出曲线整个机构的最大位移变形发生在收放箱与提升板处，将整个变形放大倍数修改为1 5 ，可得出整个模型的位移变形图4 7 ，并知道最大位移为3 7 6 m m ，提升板右上角节点处的位移曲线如图4 8 所示，该点的最大位移为3 2 m m ，变形属于可接受范围。图4 7 收放箱回收机构一上位移变形图3 5 r r r r - r 一一3 Or 广JI?tO 。5 J0O【1，。J。，j-O 0 。0 Z O0 4 006 00 8 0I l m e图4 8 提升板右上角处节点的位移曲线4 2 3 收放箱处于丝杠中部时的分析计算及结果当收放箱稳态运行至丝杠的中间部位时，整个运动过程是匀速稳态进行的，因此看做是平衡静态的进行处理计算，边界条件及载荷跟当收放箱处于丝杠最高点的时候是一致的。通过校核计算得出整个收放箱回收机构的应力云纹图如图4 9 ，应力最大点在图硕士论文交通路锥自动收放系统的设计与研究中已经标注出来，该点的最大应力为2 6 8 M p a ，且应力主要集中在支撑焊接件中部的方管焊接部位和提升板部分的右上角点，如图4 1 0 所示的两个区域，将这两个区域进行放大显示如图4 1 0 。图4 9 收放箱回收机构一中的应力云纹图图4 1 0 收放箱回收机构一中的局部应力放火图当收放箱稳态运行至丝杠的中间部位时，将整个变形放大倍数设定为1 5 ，计算得出整个模型的位移变；嘭图如图4 1 1 所示，整个机构的最大位移处仍然是在收放箱与提升板处，且由图4 1 1 可知在此条件下的最大位移为2 8 8m m ，位移最大点如图4 1 1 所示在收放箱质心处。提升板左下角节点处的位移曲线如图4 1 2 ，该点的最大位移为2 5 m m 。变形较收放箱处于最高点时有所减小。图4 1 1 收放箱回收机构一中模型位移变形图T i m e图4 1 2 提升板左下角节点处的位移曲线4 55 U5050i1l0 UCmU日一Q一0漤鞲瓣；不、。j4 收放箱回收机构静力学分析硕士论文4 2 4 收放箱处于丝杠最低点时的分析计算及结果当收放箱运行至丝杠的最低点时，提升电机接受主控板发出的命令，停止脉冲的发送，此时丝杠停止旋转，收放箱停在该点，等待回转机构运行使得收放箱转至工作位置，利用侧面挂钩固定在车子皮带机的右侧面。通过校核计算得出此时整个收放箱回收机构的应力云纹图如图4 1 3 ，由图可见，此时的最大应力为3 1 0 M p a ，且主要集中在支撑焊接件的方管焊接部位和提升板的右上角部分及回转轴端部分，如图所示的1 ，2 ，3 三个区域。图4 1 3 收放箱回收机构一下的应力云纹图当收放箱稳态运行至最低点时，将整个模型计算后的变形放大倍数同样设定为1 5 ，计算得出整个模型的位移变形图如图4 1 4 所示，整个机构的最大位移仍然是处在收放箱与提升板左下角处，且由图4 1 4 可知在此条件下的最大位移是4 r a m 。提升板左下角节点处及右下角节点处的位移曲线分别如图4 1 5 、4 1 6 ，提升板左下角节点处的最大位移为3 6 r a m ，右下角节点的最大位移为3 O m m ，由此可见，变形较收放箱处于最高点时有所增加。图4 1 4 收放箱回收机构一下的位移图硕士论文交通路锥自动收放系统的设计与研究 r i m e l i m e图4 1 5 左下角节点处的位移曲线图4 1 6 右下角节点处的位移曲线为了方便比较这里列出当收放箱处于上、中、下三种状态时收放箱回收机构的最大位移和应力表，如表4 1 所示。表4 1 收放箱回收机构的最大应力、位移表由分析结果可知不管收放箱处于什么位置，应力最大的地方都出现在提升板的拐角处及支撑焊接件的方管焊缝处，并且最大值超过2 4 0M P a ，即这些部位的应力已经达到材料的屈服极限，容易产生较大变形甚至破坏。同时位移最大的地方出现在收放箱部分，为3 4m m ，虽然变形目前不太大，但是为了保证结构的可靠性，仍然需要对该机构进行优化改进。4 2 5 连接座部分单独计算校核整个收放箱回收机构分为凹转机构跟提升机构两个部分，这两个部分靠连接座a ，连接座b 及两根外六角螺栓连接，由于连接座的设计使得整个过程中存在较多的接触，因此将该部分单独进行计算分析。这里运用到了罚函数法【2 9 1 定义模型之间的接触属性。对于接触问题，我们将物体A 和B 作为两个求解区域，各自在接触面上的边界视为给定面力边界，这样一来，虚位移原理【3 0 1 可以表示为：工f v 舢巧4 + 出t + A t d V 一“出一H 址w I H 血W c= 荟| f + 虮，r + 址r ；4 + 吒t + A t d V _ t + & t w r _ t + A tw ；r _ t + A 眦JH 1 )= = 0式中H 出W ，是位形上外载荷的虚功；H 出W 是位形上惯性力的虚功，如果惯性力的影响忽略，则彬：0 ；H 出是接触面上接触力的虚功。4 收放箱回收机构静力学分析硕士论文对于接触问题【3 1 ，利用罚函数法进行求解的原理，可以将泛函表示为：其中1 1 。是不包括接触约束条件的总位能，1 1 印是用罚函数引入接触定解条件的附加泛函；此时引入约束条件：( 1 ) “另一“：+ g = 0( 4 3 )式中的A 、甜舅是r 至f + r 时问间隔内的从主接触点的法向位移增量；( 2 ) U ；一U ；= 0( 4 - 4 )式中的U ：、U ：是，至，+ ，时间间隔内的从主接触点的法向位移增量。此时的附加泛函和它的变分表达式如下：叩= kh ( “嚣一“石) 2 蛔( z ，? 叫，) 2 慨( “f 一材纠d S( 4 5 )-r1 ，+ ，f i l l 印= + 出sl 啊( 礤一“舅+ l - - g ) ( 6 晰A _ 0 B ) 托l ( 甜f 一“f ) ( 6 A _ 0 晰BJ 十L 地A 一“字) ( 6 咐A - 0 晰B ) J t峦( 4 6 )r + ，从6 n = 6 1 I 。+ f i I l 。= 0 可以得到接触问题的求解方程，所以利用罚函数求解粘结接触问题时，应有：H 山= 吗= j 呶I 繇+ 赢) ( 礤础h ( 彳暂) ( 碥弼h ( 遁) ( 础粥) 7 l + A t 峦( 4 7 )r_因此接触面上的接触力应表达为：H 出：一H 出氏B ：一a ( 叫B + 7 9 N ) = - - 0 c N gH 出g N( 4 8 )凡2 一氏2 一a f ( “_ 一z ，+) 2( 4 _ 8 )“彳：一H 出B ：一a 丁( 一z ，r B )( 4 - 9 )= 一2 一a7 1 ( “7 1 一z ，7 )()由此可见，罚函数法不会增加问题的自由度，而且使求解方程的系数矩阵保持正定，因此罚函数法得到较广泛的应用。具体模型及边界条件和载荷施加见图4 1 7 ，图4 1 8 。4 8图4 1 7 模型接触及耦合关系的建立图4 1 8 模型边界条1 t ：及载荷的施加经过计算得出整个连接部位的最大应力为2 2 6M P a ，应力云纹图见图4 1 9 ；最大硕士论文交通路锥自动收放系统的设计与研究位移为2 1 9 2 e 一0 2m u ，见图4 2 0 。同时得出两个连接螺栓的应力分布图如图4 2 1 所示，应力最大值为1 0M P a ，螺栓的强度足够。这里整个部件的应力及位移都比较小，螺栓的应力较小主要是由于两个连接块之间存在接触关系，分担相当一部分载荷。图4 1 9 连接部件的应力云纹图：、一碱；”一、 醮鬻糕薹! ：i ；霉? j图4 2 0 连接部件的位移云纹图图4 2 1 连接螺栓的应力云纹图4 3 收放箱回收机j 陶的结构改进优化及计算结果分析优化问题，就是在一定约束条件下，通过改变某一个或者某几个设计变量，使产品某一性能达到更加理想的状态1 32 1 。这里主要是对收放箱回收机构进行结构的优化，通过改进设计，从而使的整个机构的应力减小，变形情况得到显著改善。优化设计能为工程产品设计提供一种在解决复杂设计问题时，从众多的设计方案中找到尽可能完善的设计方案的重要的方法，从而使得设计效率大大提高【33 | 。4 3 1 结构改进优化方法结构优化设计根据设计变量选取的不同可以分为尺寸优化、形状优化、拓扑优化 3 4 J三个层次。针对所担心的收放箱回收机构目前存在的结构强度存在一定不足的问题，要么是改变局部部件的杉料，要么是改变局部结构的设计形式。在此次优化过程中选用第一种方案跟第二种方案结合的思路进行结构的优化改进，从而实现提高结构的强度，使其能够满足使用要求。一给臻露臻怒臻基强麓懑誊慧m一一_o州一“n矿“叫州一。2Il爨滚黼m誓量4 收放箱回收机构静力学分析硕士论文4 3 2 优化设计的理论基础优化模型的建立主要包括以下基本内容口5 】：( 1 ) 设计变量。一个设计方案可以用一组基本参数的数值来表示。可以是截面尺寸、某些点的坐标值等几何量，也可以是重量、力矩、惯性矩等物理量，还可以是应力、固有频率等导出量；( 2 ) 约束条件。如果一个设计满足所有对它提出的要求，就称为可行设计，反之为不可行设计。一个可行设计必须满足某些设计限制条件，简称约束；( 3 ) 目标函数。建立目标函数是整个优化设计过程中重要的一步。用来使设计得以优化的函数叫做目标函数；( 4 ) 数学模型。优化问题的数学模型是实际优化设计问题的数学抽象【3 6 】。m i n厂( X ) ；X R ”s 2 g k ( X ) 0k = 1 ，2 ，k办。( X ) ：0p ：1 ，2 ，p ( 4 - 1 0 )五l 型，FJi = 1 州2 一刀在式( 4 1 0 ) q b ，X 为设计变量，( x ) 0 ，吃( X ) = 0 为约束条件，f i x ) 为目标函数。通过某一最优途径，利用某种寻优方法对数学模型求得最优解，得到一组基本变量使得目标函数f i x ) 达到最小，它即表示了一个优化设计的方案。4 3 3 模型优化改进步骤优化改进过程的基本步骤是：( 1 ) 针对焊接件方管部位的应力集中问题，对方管及圆管的厚度同时增加至5 m m ，并增加支撑方管的数量，材料改用4 5 号钢；( 2 ) 各部位应力较大的一个很重要的原因是因为此机构属于单悬臂梁结构，翻转力矩较大，因此需要再设计一个支撑点来缓解各部分的受力情况，这里在下面加焊一个可跟随焊接件一同旋转的利用四个圆滚子与固定座接触的机构进行改进；( 3 ) 对收放箱部件进行轻量化设计，减轻整体重量，减轻整个收放箱回收机构的负重，从根本上解决整个问题；( 4 ) 对于连接部位，为了避免此处的变形影响并放大到收放箱部分，将原先的两个部件改为一体设计，不再使用螺栓连接结构；( 5 ) 将提升板同样加厚至5m m ，同时在提升板的上端增加一块加强筋，以提高其强存D 己。按照上面的方法及步骤，设计出机构的优化模型的三维装配图及网格划分如图4 2 25 0硕士论文所示。交通路锥自动收放系统的设计与研究图4 2 2 优化模型的三维装配图及网格划分4 3 4 模型优化改进后的分析计算及结果对比对照原先方案，按照前面的分析步骤，添加同样的边界条件及载荷，对改进后的模型根据实际情况添加约束，利用A B A Q U S S t a n d a r d 分析模块分别计算得出当收放箱处在丝杠最高点、丝杠中间、丝杠最低点时优化改进后模型的应力云纹图及最大应力，如图4 2 3 所示分别求得其最大应力为2 0 2M P a ，1 3 8M P a ，2 0 1M P a 。S ，M i s e $S N E G ，( h a 击o n =( A v 0 ：7 5 )+ 2 0 2 1 e + 0 2+ 1 0 0 0 e + 0 2+ 91 6 7 e + 0 1+ 83 3 3 e + 0 1渊+ 5 0 0 0 e + 0 l+ 4 1 6 7 e + 0 1+ 3 3 3 3 e + 0 1+ 2 5 0 0 e + 0 1+ 1 ，6 6 7 e + 0 1+ 8 3 3 3 e + 0 0+ 7 4 0 0 e - 0 5燃I图4 2 3 改进模型收放箱处于高、中、低不同位置的应力云图5 14 收放箱回收机构静力学坌堑堡兰塑将整个模型变形放大倍数仍然设定为1 5 ，依次计算得出整个模型的位移变形图及最大位移如图4 2 4 一图4 2 6 所示，整个机构的最大位移处仍然是在收放箱与提升板接合处，同时绘出提升板左下角节点处的位移曲线，由下图可知左下角节点处的最大位移分别为2 9 9 聊聊，2 0 1 聊聊，2 8 0 r a m 。变形均保持在3 m m 之内，较初始模型有所减少。同时考虑到所施加的载荷为0 2 5 f ，大于收放箱实际的重量1 9 6 5 堙，因此有所改善。一F = 一面忑i 磊；磊i图4 2 4 收放箱处于最高点时的位移云纹图及提升板左下角节点处的位移曲线2 0 - 一1 T T 一- _ 广r j。1 5 -一1il?三。j鲋f1J0 3 铲。0 , 2 0 1 0 , 4 0 打前广一0 0 00 6 00 T 1 m eE 三匦图4 2 5 收放箱处于中间时的位移云纹图及提升板左下角节点处的位移曲线| | m e“_ v ，”l u f t a lw q ：k 图4 2 6 收放箱处于最低点时的位移云纹图及提升板左下角节点处的位移曲线现在将优化模型不同位置状态的最大应力和最大位移和初始模型的最大应力及位移做出表格进行对比，得出结论，详见表4 2 、表4 3 。5 20 0 0 0 0 0LLL lL 1 l 旧摇摇摄嵇册珊盘eeeeeeeeeee 官ee10505000000口0010752050505e5005321075207亏2021111187653鲁10+十+硕士论文交通路锥自动收放系统的设计与研究由此可见经过对材料的修改及部分结构的改进，整个机构的最大应力较之前有明显降低，最大位移也有所减少，同时考虑到载荷施加时已经留有一定安全空间，同时当收放箱处在最高点和最低点的时候，整个收放箱是靠固定销固定在车上的，因此收放箱的重量也靠固定销座来承担，这样一来改进后的结构完全可以达到要求，实际生产过程中利用这一分析结果指导生产，效果良好，具体实物图见图4 2 7 。图4 2 7 改进后实际生产样机图4 3 4 丝杠导轨模块单独分析对比为了更清楚直观的了解整个结构的性能，这里将丝杠导轨模块的应力，位移云图单独取出进行比较，分析当整个机构运行至不同部位时，直线导轨、滑块、以及丝杠部分的受力状况，并检查丝杠导轨部分是否满足使用要求。图4 2 8 、图4 2 9 依次为初始模型和优化改进模型在：卞同位置的应力云纹图。图4 2S 初始模型低不同仲4 收放箱回收机构静力学分析硕士论文图4 2 9 改进后模型收放箱处于高、中、低不同位置的应力云图通过对图4 2 8 及图4 2 9 的分析对比得知整个丝杠导轨模块整体的应力在1 0 0M P a左右，并且优化前后整体的应力变化较小，甚至局部区域的应力有微小的增加，不过通过分析计算知道整个模块最大的应力只有1 0 9M P a ，远小于材料的屈服极限，不对机构的性能造成太大的影响，可正常使用。4 4 本章小结本章针对已经建好的有限元模型，利用A B A Q U S 求解器，首先对初次设计的收放箱回收机构三个不同工作状态进行静力学计算分析，得出整个机构的应力分布及位移变形情况，然后针对原因提出优化改进方案，再次进行建模分析计算，得到新的结果较之前有明显改善。并且针对模型较大计算耗时等问题，对连接座部分进行单独校核，同时将整个机构中核心的丝杠导轨部分进行单独观察，得出结果，计算结果令人满意，整个机构满足使用要求。硕士论文交通路锥自动收放系统的设计与研究5 收放箱回收机构动态特性分析5 1 概述N L 1 0 0 型交通路锥自动收放车作为一台交通道路( 主要针对高速公路及跨海大桥)工程维护特种车辆，其正常行驶过程中及工作状态时，要求车子在行驶过程中的振动和冲击条件下，不影响车上各个部件的使用寿命以及内部的电子元器件的正常工作。对于交通路锥自动收放车各部分的模态分析，由于收放箱回收机构是我们这个车辆中的重点需要校核的部件，这里我们只对收放箱回收机构进行模态分析，通过对收放箱回收机构有限元模型的固有频率和振型的计算，避免收放箱回收机构同车辆发动机的振动频率接近而发生共振。模态分析用于确定零部件的固有频率，可以使设计人员在设计时避开这些频率或者最大限度地减少对这些频率上的激励，从而消除振动和噪声。为了避免设计机构出现共振现象，工程机械的结构模态不可以跟激励频率相耦合，否则会造成机构的疲劳破坏等，影响结构的使用性能1 3 。从1 9 8 8 年的结构模态分析大会以后，社会上掀起了针对结构模态进行系统研究的热潮。此后，每次的国际模态分析大会都有一些新的方法提出来。例如，美国斯坦福大学的H y e n u n g - - Y u nK i m 教授【3 引，普度( P u r d u ) 大学的D o u f g l a s E 教授【3 9 】、杜克( D u k e ) 大学的D T a n g 教授【4 0 】以及日本大学的K a r u b e 教授【4 1 】等都在从事相关研究。5 2 汽车的外部激励对整体的动态性能的影响N L 1 0 0 型交通路锥自动收放车的使用环境主要为高速公路、跨海大桥及城市主要交通干道，外部激励主要是汽车发动机的振动以及由于路面不平产生的随机颠簸。汽车正常行驶时，由于道路情况的不确定性，会受到由于路面异常而产生的颠簸。不同的路面会给在它上面行驶的车辆施加不规则的道路冲击，由这种随机激励产生的振动会引起车辆局部产生共振，影响车辆的性能，严重时甚至可能造成汽车失控等，所以不可忽视。由实际经验可知，这种随机振动不仅与道路的情况有关还与汽车的行驶速度有关，当汽车以速度v ( m s ) 行驶在路面不平度的空问频率为Q 的路面上时，频率f C H z )是Q 和v 的乘积，即：f = Q V( 5 1 )路面激励频率一旦与车辆上面安装的部件的模态频率相接近，其部件就会发生共5 收放箱回收机构动态特性分析硕士论文路面不平度波长( 聊)0 7 7 2 50 3 2 6 30 7 扣5 61 O 6 3为防止道路激励频率引起车架的共振，车架的一阶频率石需满足：石圪瓤3 6 L( 5 3 )本次设计中所选用的轻卡货车正常行驶速度为6 0 k m h ，行驶路面为平坦公路路面，取乞= 3 0 ，此时的石3 6 乞= 6 0 + 3 6 + 3 = 5 5 6 H z 。工作状态时的车速一般为2 k m h ，取L = 3 0 ，故彳V m a x 3 6 L = 2 + 3 6 + 3 = 0 1 9 H z 。由于路面激励是通过轮胎及弹簧传到车上的，轮胎弹簧具有缓解、吸收因路面不平传递给车架的振动和冲击的能力，所以实际的值比计算值更低。现代汽车发动机最高转速可达3 0 0 0 6 0 0 0 r p m m i n 【4 3 1 ，这样也即是汽车发动机曲轴每分钟转动3 0 0 0 6 0 0 0 r p m ，这样发动机的凸轮轴每分钟转动1 5 0 0 3 0 0 0 r p m 。又由于重庆长安生产的庆铃N K R 7 7 P L L A C J A 轻型货车，发动机工作时，柴油喷入气缸后，在很短的时间内与空气混合，由于柴油机的压缩比高，所以压缩后气缸内的空气压力可达3 5 4 5 M P a ，同时温度可达7 5 0 1 0 0 0 K ，大大超过了柴油的自燃温度，所以混合后便立即自行燃烧，导致气缸内气压急剧上升到6 - 9M P a ，在高压气体推动下，活塞向下运动并带动曲轴旋转，产生的惯性力和惯性力矩传递到车子其他部位，可见发动机振动是比较重要的激励源。所以整个机构的模态频率应尽量避开发动机的激励频率范围。由于整车的底盘使用的是庆铃N l 7 7 P L L A C J A 轻型货车，该车的发动机是四缸四冲程风冷柴油机，发动机的振动频率计算公式为m 】：五= 等( 5 - 4 )式( 5 4 ) 中：，z 为发动机转速；Z 为发动机气缸数；f 为发动机的冲程数。因此对于该发动机，由图2 2 知Z = 4 ，f = 4 。当怠速转速玎3 0 0 0 r m i n 时，怠速激励频率厶1 0 0 H z 。常用车速下发动机转速3 0 0 0 门6 0 0 0 r m i n 时，所以相应的一阶励频率1 0 0 ，；2 0 0 H z 。工作状态时的车速一般为2 1 0 n h ，转速门8 0 0 r m i n ，厶= 2 6 7 H z 。机构的各阶模态应该尽量避免与发动机和路面激励频率相重合，以免发生共振，对机构性能造成不良影响。5 6硕士论文交通路锥自动收放系统的设计与研究5 3 收放箱回收机构模态分析5 3 1 模态计算理论基础多自由度的无阻尼系统会有多个固有频率，当系统以任意一个固有频率做自由振动时，称其为主振动，主振动所对应的振动形态称为主振型，或称为模态【4 5 1 。结构系统的动力响应都可以用固有模态进行组合，因此在动力分析中，固有模态十分重要，固有模态分析的结果是各种动态行为的判据，也是进一步分析( 如瞬态分析，频域响应分析，随机振动分析) 的基础数据，所以，模态分析可以说是所有动态分析的基础。多自由度线性振动系统微分方程的表达式为【4 6 】：【M 】 ，詈l + c 】丁牙l + K 】 “) ： 尸( ，) )( 5 5 )其中 M 】为整体结构的质量矩阵， “) 如) 甜 分别表示结构的位移、速度和加速度列阵，由各个单元的质量矩阵组合而成，方法类似于总体刚度矩阵【K 】的成形规则，【C 】为结构的阻尼矩阵。对于无阻尼的自由振动系统，动力学方程可以简化为：【M 水l + ：o( 5 - 6 )由于弹性体的自由振动总可以分解为一系列的简谐振动的叠加，因此式( 5 6 ) 的解为： 铭) = 厂) ( 5 7 )式中 f ) 为系统自由振动时的振幅列阵向量，则将式( 5 7 ) 带人方程( 5 6 ) 中通过计算可知：( 一2 【叫) 力= o( 5 8 )式( 5 - 8 ) 即为系统的特征方程，2 称为特征值， 介称为对应特征值的特征向量。由线性代数理论可知，要使方程( 5 8 ) 有非零解的充分必要条件是：悯一2 【M 】I = 0( 5 9 )由于结构离散后有n 个自由度，则【K 】和阻】都是n 阶方阵，解方程( 5 - 9 ) 即可得到结构的n 阶固有频率和相应的主振型。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态都具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。模态分析能够识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据【4 7 1 。5 收放箱回收机构动态特性分析硕士论文5 3 2 模态的提取方法在有限元分析软件对应的模态分析的模块中，提供了多种模态提取方法，提取方法的选择是否恰当将直接影响求解的速度和精度，以下将分别介绍几种模态提取方法及其适用范围。( 1 ) 反迭代法。该方法的特点是算法较为简单，适合于只要求得到系统的很少数目特征值的情况。( 2 ) 子空间迭代法( S u b s p a c e ) 。用于求解特征值对称的大矩阵的问题。( 3 ) 里兹向量直接叠加法。可以避免漏掉可能激起的振型和引入不可能激起的振型，能够显著提高计算的效率。( 4 ) L a n c z o s 方法【4 8 1 。生成一组组相互正交的L a n c z o s 向量，舍去了某些已经被证明了不必要的项，收敛速度更快，但由于计算机的舍入误差，可能导致数值上的不稳定。( 5 ) 凝聚法( R e d u c eH o u s eh o l d e r 法) 。采用缩减的系统矩阵来求解，求解速度快于子空间叠代法，但准确性要稍微差一些。本文使用A B A Q U S 有限元分析软件进行结构的模态分析，分析计算时采用L a n c z o s方法进行模态的提取。5 3 3 模态分析的边界条件模态分析的边界条件分为自由模态和约束模态。自由模态分析是分析结构在自由状态下即没有约束的条件下的动态特性，约束模态分析是针对机构在实际工作状态时的边界条件【4 9 】进行的动态特性分析。二者的主要联系与区别是：( 1 ) 自由和约束模态分析是边界条件不同的两种模态分析。结构的模态与结构本身的特性和约束有关，根据工作的需要来确定需要求解自由模态还是约束模态，模态分析的约束方式应与实际工作条件下的相一致，如果工作时结构没有约束，如飞机、火箭等，则需要进行自由模态的分析。( 2 ) 自由模态和约束模态的作用完全一样，都用于结构的模态分析，自由模态分析的对象主要是无约束的结构。( 3 ) 在作自由模态分析时，可能会得出前几阶固有频率为0 ，这些为0 的固有频率表现为刚体模态，而约束模态分析则不会。( 4 ) 约束模态和自由模态是两种条件下的模态，不存在一个包含另一个的问题，也不存自由条件下添加约束后，模态数变少的问题，模态数多少与系统的自由度有关，与约束无关。在实际工程问题中，自由模态和约束模态两种边界条件均广泛存在。对工程结构的分析，模型一定是要尽量的符合实际，理论上不同的结构系统相应的振动固有特性是不一样的，没有比较的必要，更不会存在自由模态特性表示固定模态的特性。硕士论文交通路锥自动收放系统的设计与研究5 3 4 收放箱回收机构模态计算及结果分析结构振型展示了结构的固有振动形态，通过分析易于找到结构的薄弱环节，在结构的动态分析中各阶模态所具有的权因子大小与该模态频率的倒数成反比，即低阶模态特性决定了产品的动态性能。这主要是由于低阶频率较容易与外界条件耦合，且结构件的低阶振型造成的影响较高级的严重f 5 0 J 5 J 】。所以一般只研究低阶固有频率对机构的性能的影响，本章通过计算显示放大了1 0 0 倍以后的振型图图形。由于本文所分析的收放箱回收机构主要由回转部分和提升部分构成，其中提升部分的焊接支撑架的刚性对整个结构的动力影响最大，因此本文分别对焊接支撑架和整个模型的模态进行分析。5 3 4 1 焊接支撑架的自由模态分析首先对焊接支撑架的模态进行分析，这里提取模型的前2 0 阶的频率和振型。根据建立的模型进行自由模态计算，省去前六阶频率为0 的模态，各阶频率值如表5 1 所示。表5 1 焊接支撑架的各阶频率表阶数频率振型特征阶数频率振型特征71 9 3 9 1右侧方管前后弯曲1 45 4 5 9 4整体扭曲82 0 9 7 8右侧方管左右弯曲1 55 5 7 2 1整体扭曲，局部膨胀92 9 7 5 8两侧方管前后弯曲1 65 6 9 5 5膨胀拉湾1 03 0 6 8 6右侧方管前后扭曲1 76 3 3 4 7整体扭曲113 6 6 0 9两侧方管前后摆动1 87 0 6 1 5膨胀扭曲变形1 24 2 5 1 0右侧方管左右弯曲1 97 1 7 2 5膨胀扭曲1 34 8 3 8 6整体扭曲2 08 1 4 1 2膨胀扭曲分析结果的7 、8 、1 0 、1 5 、1 8 、2 0 阶模态振型如图5 1 5 6 所示图5 1 第7 阶振型图图5 2 第8 阶振型图图5 3 第1 0 阶振型图5 收放箱回收机构动态特性分析颂I j 论文图5 4 第1 5 阶振型图图5 5 第1 8 阶振型图图5 6 第2 0 阶振掣图从焊接支撑架的各阶模态振型可以看出，该结构的的振动主要集中在前面安装导轨的两根方管部分。这些部件振动对整车的使用性能影响较大，若发动机等部件的振动频率与车架的振动频率相同时就会造成共振现象的发生。不过由表5 1 可知，其固有频率基本上不会与发动机的激励频率相耦合，由此可知设计效果较为良好。5 3 4 2 整体机构的约束模态分析下面对整个机构模型进行模态的计算，在这个模拟过程中需要研究在重力场作用下机构的特征模态和特征频率，因而分析时将分成两个步骤：( 1 ) 一般分析步，施加重力场作用；( 2 ) 线性摄动分析步，计算模态和频率。本文中计算提取该机构的前3 0 阶频率和振型。前3 0 阶模态频率及振型描述分别如下表5 2 所示。表5 2 收放箱回收机构各阶频率表1 01 11 21 31 41 51 4 1 0 71 4 8 7 l1 5 8 0 01 9 3 6 82 2 6 4 42 3 1 3 0交通路锥自动收放系统的设计与研究轻微变形丝杠扭曲整体左倾、提升板右倾丝杠扭曲丝杠导轨扭曲丝杠导轨扭曲2 52 62 72 82 93 04 4 7 1 84 6 0 4 84 7 0 7 84 8 5 3 84 9 3 1 75 6 2 7 2丝杠波动膨胀整体波动扭曲轻微弯曲焊接件膨胀变形整体扭曲扭曲膨胀变形根据上述方法进行计算求解，分析结果的1 8 、1 5 、2 0 、2 8 、3 0 阶模态振型如图5 7 5 1 5所示。5 7 第l 阶振型图图5 8 第2 阶振型图图5 9 第3 阶振型图图5 1 0 第4 阶振型图图5 1 l 第5 阶振型图图5 1 2 第6 阶振型图6 l5 收放箱回收机构动态特性分析硕士论文图5 1 3 第15 阶振型图图5 1 4 第2 0 阶振型图图5 1 5 第3 0 阶振? 鬯图从整个收放箱回收机构的第1 - 6 阶模态振型可以看出，机构的振动主要集中在丝杠以及提升板部分。同时整个机构中丝杠作为提升动作的核心部件，其较大幅度的振动对整体的机械性能将会有一定程度上的影响；在车辆行驶时，这些部件振动对整体的性能影响较大，若发动机等部件的振动频率与收放箱回收机构的振动频率相同时，就会造成共振现象的发生。从模态分析结果可知，车架的模态频率存在一定的不足之处，主要表现在：前车架第1 0 1 3 阶频率为处于1 0 0 2 0 0 恐范围内，与车辆正常行驶过程中发动机怠速频率较接近，易引起共振。同时可见丝杠5 阶之后的模态，出现较大的扭曲变形，考虑到丝杠部分跨度较大，因此需要对该结构形式做相应的改进优化，增加丝杠的刚度。5 4 收放箱回收机构的显示动态分析显示动态对于求解广泛的、各种各样的非线性固体和结构力学问题是一个非常有效的工具【52 1 。A B A Q U S E x p l i c i t 适合于求解：( 1 ) 高速动力学问题；( 2 ) 复杂的接触问题；( 3 ) 复杂的后屈曲问题；( 4 ) 高度非线性的准静态分析；( 5 ) 材料的退化和失效。通过对收放箱回收机构进行显示动态分析可得到节点的位移、速度、加速度、单元的力及应力等结果，求出该机构关键部位在各时刻的应力分布及数值大小，找出危险点，并得出某些重要节点的整个应力随时间变化历程。硕士论文交通路锥自动收放系统的设计与研究5 4 1 显示动态分析的理论基础A B A Q U S E x p l i c i t l 5 3 1 应用中心差分方法【5 4 1 对运动方程进行显示的时间积分，应用一个增量步的动力学条件计算下一个增量步的动力学条件。在增量步开始时，程序求解动力学平衡方程：Mu = P I( 5 1 0 )式中P 为所施加的外力，为单元内力，在当前增量步开始时，t 时刻，计算加速度为：k ( 帅叫( 5 - 1 1 )对加速度在时间上进行积分采用中心差分方法，在计算速度的变化时假定加速度为常数，应用这个速度变化值加上前一个增量步中点的速度来确定当前增量步中点的速度为：刊o + 鲁) = 剖( f i f i t ) + 墨垒生学习( D( 5 一，2 )速度对时间的积分加上在增量步开始时的位移以确定增量步结束时的位移：d叫( f 础) 2 叫+ 纠。他习( f # )( 5 - 1 3 )得到了加速度，：葩时间上“显示地”前推速度和位移。为了产生精确的结果，时间增量必须小，这样在增量步中加速度几乎为常数。A B A Q U S E x p l i c i t 提供了适于显示分析的单元库，有些A B A Q U S S t a n d a r d 单元不能用于A B A Q U S E x p l i c i t ( 例如C 3 D 8 I 、C 3 D 2 0 R 单元) 。5 4 2 动态响应的载荷施加交通路锥自动收放车作为特种工程车辆，主要工作地点为高速公路、跨海大桥以及城市交通干道，行驶过程中难免会出现由于道路状况不同而产生的瞬间冲击载荷，或者由于急刹车情况下惯性力产生的冲击，这里我们主要针对车辆在应急情况下，采取紧急制动措施后，由于汽车在短时间内产生较大的加速度，会使整个机构产生冲击，实际刹车过程中一般会由正常行驶速度急剧下降至低速行驶或者停车，其速度变化曲线如图5 1 6 所示。本文中为了节省计算量，将采取将速度在O 5 s 时间内由8 0 k i n h 急剧降至4 6 k m h ，最大限度的对整个冲击进行分析计算，并且只针对收放箱处于丝杠最低端时的工况下进行分析，因为丝杠在最高点时整个收放箱已经安放在车板平面上，并用锥销6 35 收放箱回收机构动态特性分析硕士论文进行固定，瞬时冲击所产生的影响较小。同时收放箱处于最低点时也会固定在皮带机右侧的销座上。图5 1 6 车辆制动过程中的速度曲线图5 4 3 动态响应的结果分析本文中只是针对施工过程中的紧急制动工况下进行计算，即收放箱位于丝杠最低点时的状态。实际施工过程中，当收放箱在最低点时，整个收放箱固定在皮带机侧面的销座上，如图5 1 7 所示。这里为了全面得到其状态参数，不仅对固定状态下的模型进行了分析计算，同时设想当收放箱处于自由状态时受到冲击惯性载荷的情况下，对其应力及位移进行了求解。图5 1 7 收放箱工作状态同定图( 1 ) 收放箱固定情况下下紧急制动时的应力及位移图图5 1 8 收放箱固定状态应力云纹图图5 1 9 收放箱同定状态位移变形图硕士论文交通路锥自动收放系统的设计与研究冀厂一1 _9j2 12 一。湖s t 俐秽学I f 0 - O芒p8p o苎凸_ 6 00 + 0 0 50 1 00 1 50 2 0l i m e一L ：幔K 阻l 畦删阱：I lH图5 2 0 收放箱同定状态单元节点应力曲线图5 2 l 收放箱同定状态单元节点位移曲线由计算结果可知，此时整个收放箱回收机构的应力小于4 坳口，并且逐步趋于稳定，位移的数量级为1 0 ，可以认为几乎为零。图5 2 0 、图5 2 1 分别为最大应力单元的节点应力曲线和位移曲线，可见应力跟位移在一较小范围内作随机波动，并不断趋于稳定。因此机构在瞬间的冲击下不会出现较大应力，认为机构足够安全。( 2 ) 收放箱自由状态下紧急制动时的应力及位移变形图3 0 0 三c ) 2 0 0 1 。0U ，R e s u l t a n t+ 6 4 5 B e + 0 口+ 5 9 2 口e + 0 0+ 5 3 8 2 e + 0 口+ 4 8 4 3 e + 0 0+ 4 3 0 5 e + 0 0+ 3 7 6 7 e + 0 0+ 3 2 2 9 e + 0 0+ 2 6 9 1 e + 0 0+ 2 1 5 3 e + 0 0+ 1 6 1 4 e + 口0+ 1 0 7 6 e + 口0+ 5 3 8 2 e 一0 1+ 0 0 0 0 e + 0 0图5 2 2 收放箱自由状态应力云纹图图5 2 3 收放箱自由状态位移变形图0 ：0 0 5瓜面r 叫T i m eS m m m _ 弘5 m 嘴T3 - 1 j 5 5 8 N 枷0图5 2 4 收放箱自由状态单元应力曲线卜j T i m eE 至圆图5 2 5 收放箱自由状态单元位移曲线6 5o o oi4_CEOU一amO5 收放箱回收机构动态特性分析硕士论文此处模拟的情况只是用于参考，实际过程中基本不会出现，不过由分析可知，万一当固定座脱落后，整个收放箱的重量将传递至收放箱回收机构，由图5 2 2 可知，此时的最大应力为2 9 7M p a ，已经接近材料的屈服极限，最大位移为6 m m ，已经较之前有大幅度增加。同时由图5 2 4 、图5 2 5 可知，变形较严重的单元应力随振动作周期性变化，并且伴随有不规则波动，单元位移基本随振动作正弦曲线变化。所以要极力避免此情况的出现，对固定座进行加固处理。5 5 本章小结本章的工作是对收放箱回收机构的有限元模型进行动力分析，分两个步骤即固有模态分析和瞬态响应分析。通过固有模态分析得到了支撑焊接件的前2 0 阶模态频率及相应振型和整个收放箱回收机构的前3 0 固有模态及振型，并对前几阶模态进行了重点深入分析。通过瞬态响应分析得到了收放箱回收机构在紧急制动刹车时的应力状况，得出了在瞬时冲击的情况下最大动应力节点和最大位移部位及其所在的时间点，以及一些重要部位节点的应力时间历程。硕士论文交通路锥自动收放系统的设计与研究6 收放功能控制子系统设计6 1 硬件设计方案硬件设计包括产品的芯片选型、电路原理图和P C B 板的制作【5 引。硬件电路主要包括五块电路板：核心板、主控板、从控板、操作控制板、强弱电信号隔离转换板。控制板控制对象及采集信号繁多，控制八台电机，采集二十余个传感器信号，同时，路锥车工作环境温度可能较高，在行驶过程中产生较频繁的震动，因此控制电路板在设计开发过程中必须充分考虑电路板材料以及所有元器件的耐高温、散热以及抗冲击振动的因素，以提高系统可靠性。在路锥收放系统中伺服电机及驱动器的选用产品规格型号有：( 1 ) S E D 0 1 2 3 3 0 ( 1 0 0 w ) 共二套，用于两个拨杆的摆动控制。( 2 ) S E D 0 4 2 3 3 0 2 ( 4 0 0 w ) 共三套，用于拨杆移动和箱内路锥的升降和锥头旋转。( 3 ) S E D 0 4 3 3 1 0 ( 4 0 0 w ) 共一套，用于收放箱的转动控制。( 4 ) S E D 一1 0 3 3 3 0 ( 1 0 0 0 w ) 共一套，用于收放箱的升降控制P C B 电路板是实现分散式功能模块的基板支撑体，电子元器件电气连接的提供者。考虑到电路板的安装j 亨式，采用双层板设计，所有焊接元器件及电阻电容等元器件放置在P C B 的两面，两面均进行走线，采用整体板粘嵌壳体的方式，P C B 板无定位孔。考虑电磁兼容设计以及散热的要求，双层电路板设计布局合理讲究并且表面进行铺地铜的方式防止衍生辐射的产生和增加散热面积，P C B 板走线尤其地线应尽量粗。P C B印制电路板上印有产品型号、生产日期等丝印层，方便以后进行区分。6 1 1 核心板核心板由两部分组成：电源模块和D S P 微处理器【5 6 】。电源模块主要完成外部输入电源的转换和滤波，使之转换成适合D S P 微处理器的工作电压。电源管理芯片选用T P S 7 6 7 D 3 1 8 型号，T P S 7 6 7 D 3 1 8 是一款D S P 专用电源转换芯片，其输入电压5 V ，输出3 3 V 和1 8 V 分别供D S P 芯片内外设单元和内核单元使用。D S P 微处理器模块主要完成七台伺服电机和一台异步电机的时序控制，是本产品的控制中心。D S P 芯片选用T I 公司生产的T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 P G F A1 7 6 芯片【5 7 】【5 8 】。核心板的原理图见图6 1 ，P C B 板设计图如图6 2 所示。6 收放功能控制子系统设计硕：1 ：论文图6 1 核心板的原理图6 1 2 主控板图6 2P C B 设计图主从控制板对车载7 部伺服电机及一部异步电机进行控制，主要完成系统的传感器信息及主控板命令的采集与接收并作出数据处理，产生相应的电机控制信号，控制电机进行位置定位的功能，图6 3 为结构示意原理图。塑! 望，赢磊i图6 3 结构示意原理图主控板主要由以下几部分组成：电源模块、C P L D 信号处理模块【59 1 、电机驱动模块、串口通信模块6 0 1 以及行程开关信号采集模块。图6 4 为主控板的工作原理图，图6 5 为主控板P C B 设计图。图6 4 主控板的：1 ：作原理图三篓罄量霎芙一一一一僦塑石二固重引硕士论文交通路锥自动收放系统的设计与研究图6 5 主控板P C B 设计图6 1 2 1 电源模块电源模块主要完成外部输入电源的转换和滤波，使之转换成适合各类芯片的工作电压，满足整个系统的供电。电源转换芯片选用F M 2 0 2 4 S 1 2 、F M 5 2 4 S 0 5 和T M S l l l 7 3 3三种型号，F M 2 0 2 4 S 1 2 用于将2 4 V 电源转换成1 2 V ，F M 5 2 4 S 0 5 用于将2 4 V 电源转换成5 V ，T M S l l l 7 3 3 用于将5 V 电源转换成3 3 V 。图6 6 所示为电源管理电路原理图。D G N DlJ 1 0T M S l l l 7 33D G N D+ 5 V1+ 5 V+ 5 V+ 2 4 V2D 3 N Di丁32+ 33 V3v I N 金V O U T+ 2 4 V4oC 3 4r - - -+C 3 2C O N 2C O N 4C 3 3! 出m - l1 0 u 5 F1 0 u FT =01 u FF 1 4 1O 1 1 | FD O N D16D 】户7C N TT m MD G N D：，I譬”3 LD G N DD G N D2jD t 圳U再Fr踟结I U K L 南C 2 8+ 2 4 V34+ 1 2 VC 3 0D 2 一一十国 昭= 吣，F 啦v iH R T 0。D G l D。_ =。+ 1 2 V N D 。R 1 4 0 47 K D ? ，D ，正1 ，F l玎幔2 02 4 S 1 21F M 2D G N Dl4D G N DC 2 93 11 KL矗。C胁昭+ 2 4 V23+57一FT品。o D G N D ： 5 1 0+ 渤+ 踢_ 一4 7 l l F图6 6 电源管理系统电路原理图6 1 2 2C P L D 信号处理模块C P L D 信号处理模块主要完成各种信号的采集( 包括外部行程开关信号、电机准备好信号、电机转矩到达信号、主从板应答信号等) 和电机选择信号( 即脉冲禁止信号)的输出。C P L D 芯片选用A l t e r a 公司生产的E P M 3 2 5 6 A T I l 4 4 1 0 N 芯片。图6 7 为C P L D信号处理模块电路原理图。6 96 收放功能控制子系统设计硕士论文主斗萨立，：l 了：1 一z 了：= i 了= ，一：Z ? = r 一：I ：+ F ：i - 一：享r o - 一；r j = 趸一= ；5 暑：7 一：r ：! Z 下一：_ ：! 曩罩一：! Z ? 一自雌雌雌燃雕雌鹾箧斟图6 7C P L D 信号处理模块电路原理图6 1 2 3 电机驱动模块交流伺服电机选用M O T E Ca 交流伺服电机，电机采用脉冲输入信号方式进行控制。电机驱动模块主要提供用于驱动伺服电机的P W M 脉冲，芯片选用7 4 H C 2 4 4 。图6 8 为电机驱动电路原理图。甜 VD G N I )一l ，、1 0 E、C C2 0 T1 9 ：1 0 D G N I )2 。2 0 EG N D1 8- ll A D1 Y 06l A ll Y l1 6j 垦叫一p 二一匡0 6 一8l A 2l ul - lG P I O A 81 7l A 3l H1 2T 2 P 飞I1 j2 A o2 啪3I NPP ( ) S lJ，? 点丘，? e- 1 ? KT l P 飞I1 32 A 12 Y 15I NDP ) S l2 A 2二Y 27I NPP ) S 2( j P I O A _ ll l9B 可I ) P ( ) S 二2 A 3二? - l H C 2 4 4图6 8 电机驱动电路原理图6 1 2 4 串口通信模块串口通信模块主要完成主控板与操作控制板之间的通信，芯片选用M A X 3 4 8 5 芯片。图6 9 为串口通讯电路原理图。7 0一：；：埒一渤撼沿埒泣一一沁曼：蔓沁墙一渖s：沿播一一埒一hl ：v H ：三一，v l v If ：舌 v l差tI) ： = o _ ； 5f v H S v Ic 1 l 宝o 若：一 暑，v I 毫 基h 基 葺 若黉主I)- 差o ；X1 _ H l o ；-I气一霉】泄_ z 箕釜1 )，M一=_l!H晕【|銮牟 v l-_1|r1筻|_宰妄_lH v t鳃嚣擎辜邑l 鳕卜，鲁Il霉。芏_薹l_军1)-蓦：l；鞋_ 车。；鳐臻u鳟 蓦：暮 基2 一舞上J苫 基 兰v l 苫 若2 一一暮 基 蓦 苫 v lh 薹 羞 v l S一。鹕一W一一m：|!m一一(：一。一硕士论文交通路锥自动收放系统的设计与研究+ 3 3 VC 2 4队X 7 l=“1：h 7 KU 2 8O I a F+ 1 2 76S C 琢譬l8h T v ，。m2一的V C C9 1 “下|_ oG P I O A 42 7B广3OR EB一4 8F - - O36 矗+I4D 盯B广_ oSCITX45、礤D5D IG N D3V司均船5+ 3 3 VD B 9厂TL 1Ic 2 5睨陡强l =A l +l趴0 1 m F6s c 球X Bl8I n 1 n 、2O1 c C- - O9 4 “”广G P l O A 22 ，B I 阻LO髓B4 9f - O36A 1 +U 2 0L一D E_ oLB 1 9S C m 殂45。D G H D5D IG N D图6 9 串口通讯电路原理图6 1 2 5 行程开关信号采集模块行程开关信号采集模块主要完成行程开关信号的采集，芯片选用四通道光耦隔离T L P 5 2 1 4 芯片。图6 1 0 为行程开关信号采集电路原理图图6 1 0 行程开关信号采集电路原理图6 1 3 从控板从控板的组成与主控板相同，只是采集的信号和驱动的电机不同而已。主控板与从控板采用重叠安装的方式固定于控制柜的顶部，具体实物图如图6 1 1 所示，结构布置合理，走线方便，并且在电路板外面加盖有一个金属制的屏蔽层，避免使用过程中的信号干扰。7 l6 收放功能控制予系统设计硕二i 二论文6 1 4 操作控制板图6 1 1 主从控制板实物图操作控制板是路锥自动收放车驾驶舱操作盒控制电路板。采用串口与中控板通信。驾驶舱操作盒用作人机界面，供操作手对路锥自动收放车操作控制，主要功能是：( 1 ) 由键盘发送路锥收放控制命令。操作功能键盘设有：收锥放锥控制开关，收箱放箱控制键，启动键，暂停键。( 2 ) 显示路锥收放个数，四位数码显示。显示范围：一1 0 0 _ 叶1 0 0 。操作控制板主要由以下几部分组成：电源模块、A V R 总控模块【6 1 1 、C P L D 信号处理模块、按键输入模块、数码管显示模块以及串口通信模块。6 1 4 1 电源模块电源模块主要完成外部输入电源的转换和滤波，使之转换成适合各类芯片的工作电压。电源转换芯片选用F M l 2 2 4 S 0 5 ，F M l 2 2 4 S 1 2 用于将1 2 V 电源转换成5 V 。具体原理见图6 1 2 。争霉掣哥j N p 嘲工一争电源图6 1 2 电源管理系统电路原理图硕士论文交通路锥自动收放系统的设计与研究6 1 4 2A V R 总控模块A V R 总控模块主要用于根据按键信号下达相应的命令给主控板。芯片选用A T M E G A l 2 8 ( A ) 型号。详见图6 1 3 。a l黜Al ；U 啊口l 。B口旺Ml 正旺Y 7l2唧M 阳唧陋Y 4阿6 1 4 3C P L D 信号处理模块粪冀羹a 一山凸E卜U凸吒；【L譬一一U 苣t 芒凸凸。图6 1 3A V R 总控模块原理图A V R 单片机主要完成与A V R 单片机的通信及对数码管的控制。芯片选用A l t e r a 公司生产的E P M 7 1 2 8 S L C 8 4 1 5 N 芯片，并采用H X O 3 3 B 2 0 M H Z 有源晶振。具体系统电路如图6 1 4所示。7 3N av N 山一口v一o o o -u u a z o硒一默一渐一脚一聊一脏一皇一小一心一舭一一m一舶一席一m一帆船一盯一拍一帖一一犯一鸵一虬一钟一剪一强一竹一弘一站一弘一站鬻黜黜篇黜黜巡黑琵箔醇筹醢雨黧鳓纛一u _ o 山n卜z三oenakNLz三o)(苣Ha山I工苫、口I凸ko_三1譬oa“1 1 L ) (N，I卜)(a z o456739一mnnB一一b一6 收放功能控制子系统设计硕士论文J 敉图6 1 4C P L D 系统电路6 1 4 4 按键输入模块主要完成与按键信号的采集，并将其输入A V R 单片机，图6 1 5 为芯片处理电路原理图。7 4W图6 1 5 按键输入电路6 收放功能控制子系统设计硕士论文6 , 1 5 强弱电信号隔离转换板强弱电信号隔离转换板主要进行强弱电信号转换与隔离，用于控制电磁铁与异步电机。6 1 6 皮带机的路锥输送控制在传送带两头设一组限位开关一L 1 、L 2 ，当有路锥边缘碰到限位开关时，将中断传送带驱动电机的运行。在传送带一边装一个感应式接近行程开关X 1 。传送带的凸台条相应位置上装有五个金属块。当金属块移到接近开关上面时，将有感应信号输出，可控制传送带按凸台问隔距离前后移动。皮带传送机的工作原理如图6 1 8 所示。? S 游贰、再方订而孓+ 0 ：= = 二小、二二，心j 0 、二二，jji式心乍渐髂潮幕t,、 二。一i ，j I 人、x j 。f I 心之，J 二0p，一、，一、，一、Y 一弋鸿霍j一一，、h j1l 。jjl “一) 、二7 八、= ，型j = 二j 、 二。乏 冰引适：；i ：【匿泌 匿：j 联月一k !* ，W +图6 1 8 皮带传送机满载时俯视图在皮带传送机的控制部件中，受控设备是异步电机，而用非接触式的感应开关作为位置反馈元件。异步电机若直接用5 0 H z 工频电源驱动时，在停机时因惯性较大，难于控制使其停到指定位置。现采用变频器对异步电机进行调速控制，可较好解决该难题。图6 1 9 是皮带机控制器的组成。图6 2 0 是皮带机感应开关信号转换电路。l I L 踊I图6 2 0 皮带机感应开关信号转换电路硕士论文交通路锥自动收放系统的设计与研究6 2 软件设计方案软件设计包括根据操作控制板发来的命令对七台伺服电机与l 台异步电机的时序控制和容错处理。运行环境：C C SS t u d i ov 3 3 1 6 2 】；编程语言：A N I CC 语言。由于C 语言编写简单，效率高，所以用C 与C C S3 3 汇编语言编写软件，并在C C S3 3 集成开发环境下编译和调试软件蚓【6 4 1 。6 2 1 主控板软件控制流程主控板串口中断服务程序主要实现接收驾驶室控制板控制命令，并将其控制命令传递给主函数程序，进行系统工作模式选择( 收箱，放箱，收锥，放锥) ；在某种特定工作模式下，主函数对事件管理器E V A E V B 进行初始化，生成一定频率的方波，驱动电机运行。同时，定时中断开启，对脉冲进行计数，若所发脉冲个数达到所需数量，关闭定时器中断，并关闭：事件管理器，电机制定动作完成。此外，定时器中断在收到暂停命令时关定时器，并设置按键按下标志，定时器在电机输出力矩到达信号时吗，亦需关闭定时器，设置力矩到达标志。具体程序设计流程见下图：图6 2 l 主控板软件总体设计程序框图图6 2 2 定时器中断服务程序6 收放功能控制子系统设计硕士论文7 8图6 2 3 串口中断服务程序图6 2 4 收锥子程序图6 2 5 放锥子程序硕士论文交通路锥自动收放系统的设计与研究6 2 2 从控板软件控制流程从控板主要是接受主控板信号，控制皮带机及横拨电机运行，配合主控板实现收锥、放锥操作，其软件流程如下：图6 2 6 从控板软件总体设计程序框图否图6 2 7 放锥子程序流程图图6 2 8 收锥子程序流程图6 收放功能控制子系统设计硕士论文6 3 供电设计路锥收放控制器是一种车载设备，其所需驱动功率较大，因此需要独立供电。现配用汽油交流发电机组，功率为5 K W 。在控制柜内，安装有一排空气开关和交流接触器，为系统供电1 6 川。如图6 2 9 所示：其中，S 1 ：D Z 4 7 6 3 4 C 2 0 小型断路器，电源总闸，外接三相四线3 8 0 V 发电机。S 2 ：D Z 4 7 6 3 2 一C 2 0 小型断路器，电气柜照明，风扇开关。S 3 ：D Z 4 7 6 3 2 一C 2 0 小型断路器，中控板电源开关，接2 4 V 开关电源。S 4 ：D Z 4 7 6 3 2 一C 2 0 小型断路器，驱动器1 5 供电开关。S 5 ：D Z 4 7 6 3 2 一C 2 0 小型断路器，驱动器仁7 供电开关。$ 6 - D Z 4 7 6 3 2 C 2 0小型断路器，托板牵引电磁铁供电开关。S 7 ：D Z 4 7 6 3 2 一C 2 0 小型断路器，警灯开关。S 8 ：D Z 4 7 6 3 2 一C 2 0 小型断路器，变频器电源开关。D 1 ：C J X 2 0 9 交流接触器，紧急停电时，关断总电源。D 2 ：C J X 2 0 9 交流接触器，为第一组牵引电磁铁供电。D 3 ：C J X 2 0 9 交流接触器，为第二组牵引电磁铁供电。图6 3 0 为所选用的空气开关实物图。急停开关启动囊。孽* 。16 4 应急停电控制器设计图6 2 9 系统供电示意图开托板1 开托板2图6 3 0 空气开关外形图系统在运行时，会有一些突发事件的发生，要求系统立即断电，以确保设备的安全。为此设计应急停电控制装置，当踩下驾驶室内脚动开关时，即令系统断停电，等移开脚后，系统又可继续上电。应急停电控制器电路示意图如下：8 0。一一。一。胖；，癸硕二仁论文6 5 本章小结交通路锥自动收放系统的设计与研究图6 3 1 应急停电电路设计图本章根据整车实琢需求，结合经验，进行了整台路锥自动收放车的硬件及软件的设计，包括产品的芯片：选型、电路原理图和P C B 板的制作。硬件电路利用P r 3 t e l9 9S E 软件，主要针对主控板、操作控制板进行了不同模块的具体设计及整体的布局及P C B 板的设计。同时作为一台工程机械，本文对其供电系统进行设计，并备用有应急停电控制器，保证系统的安全性。软件部分利用C C S3 3 汇编语言编写软件，并在C C S3 3 集成开发环境下编译和调试软件，给出具体动作的软件流程图。7 全文总结硕士论文7 全文总结7 1 工作总结本文以道路施工安全以及道路维护机械化需求为背景，通过与上海电控研究所的紧密合作，结合工程实践经验，设计并制造了中国首台交通路锥自动收放车，填补了我国在这一领域的空白。同时利用有限元相关知识，建立核心部件的有限元模型，对其进行了强度校核跟动力学响应分析，获得了结构工作过程中的力学性能参数及动力学参数，优化了局部结构，对新的一轮的设计生产制造提供了具有建设性的意见。本文取得的主要研究成果如下：( 1 ) 结合机械设计的相关知识，理论结合实际，完成了N 卜1 0 0 型交通路锥自动收放车的各功能部件的设计，并结合实际条件，在现有的庆铃N K R 7 7 P L L A C J A 轻型货车底盘上进行合理的安排布局。( 2 ) 根据弹性力学知识，并借助有限元相关知识及有限元分析软件A B A Q U S ，针对路锥自动收放车的关键部件一收放箱回收机构建立合适的有限元模型。( 3 ) 利用已经建立的有限元模型，对其添加边界条件和载荷，并在不同的工况下进行静力学分析，得出收放箱回收机构的应力集中部位和位移较大的部分，针对这些地方结合实际生产调试过程中的经验，进行结构的合理优化改进，并对优化后的模型再次进行校核计算，进行对比分析，得到结论，指导实际生产。( 4 ) 为了避免N L l o o 交通路锥自动收放车各个部件在振动和冲击条件下，发生共振现象，对交通路锥自动收放车重点需要校核的部件一收放箱回收机构进行模态分析，通过对有限元模型的固有频率和振型的求解计算，避免收放箱回收机构同车辆发动机的振动频率接近而发生共振，使的机构产生破坏现象。( 5 ) 模拟行车过程中产生的应急状况，急刹车过程中由于惯性力产生的瞬时冲击，利用A B A Q U S E x p l i c i t 进行显式动态分析，并在计算过程中模拟临界状态下的冲击，得到计算结果，为下一期路锥收放车的设计提供理论依据。( 6 ) 作为一台工程使用车辆，包含有8 台电机及2 6 个行程开关及感应开关，对整个N 卜1 0 0 型交通路锥自动收放车进行控制电路硬件设计及软件程序编写，并进行程序调试，最终使其能够顺利完成各项预定动作。7 2 工作展望虽然当前的研究工作已经取得了重大成果，第一台研制样机已被需求单位采购并投硕士论文交通路锥自动收放系统的设计与研究入实际工程施工过程中，但仍然有进一步提高的空间，以改善整车的整体使用性能，目前第二代产品的研制工作已经有条不紊的展开，针对第一台样机的设计生产过程，就以下几个方面提出改进需求：( 1 ) 考虑地面的各种工况进行整体的校核分析，建立合理的数学模型，通过软件二次开发，将有限元、无限元、刚体融合一体，编写相关程序，使得模拟更加真实，建立更加真实有效的仿真模型；( 2 ) 将整个收放车的各个部件以及车体底板综合建模进行有限元静力及动态分析，得到更多零部件的力学性能参数；( 3 ) 进一步利用相关优化理论对整车进行轻量化设计，使得整体结构布局合理，结构简单，运行安全可靠；( 4 ) 对调试过程中的问题：如路锥码放间隔不便控制；收放路锥时间较长；收放小车仍然需要人工辅助安放；路锥放置记忆功能等问题进行深入思考，理论分析结合实践生产，进一步提高其使用性能，面向更广大的用户。致谢硕士论文致谢时光荏苒，岁月如梭，在这繁花似锦的岁月，我在南京理工大学度过了三年的研究生生涯。带着一