高速公路除障车吊臂的可靠性分析.pdf

1、第2 2 卷第7 期 2 c l D 5 年7 月 公路交通科技 J o I l r l l a lo fH i 曲w a ya n dT m n s p o n m i o nR e s e a r c ha n dD e v e l o p m e n t V 0 1 2 2N o 7 J l l l 2 0 0 5 文章编号：1 0 0 2 一0 2 6 8 ( 2 0 0 5 ) C r 7 _ 0 1 4 7 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2 6 4 0 2 5 ；2 山东省交通科研所，山东济南2 5

2、 0 0 3 1 ； 3 交通部公路科研所，北京1 0 0 0 8 8 ) 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M A 耵A B 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：U 4 6 9 6 + 4文献标识码：A R e a b i I i t yA n a I y s i sO fS u s p en d

3、 I n gL i f cA r mO fS p e e C | w a yB a r r i e rR e m O V i n gV e h i C l e 删1 ；，舭一廊1 ，船1 醌帆巾曙2 ，玢，旧冼母n 9 3 ( 1 C o u e g eo f T m s p 呲“o n ，h l d o n gU I l i v e r s 时，S h a I l d o n g Y an _ t a i 2 6 4 0 2 5 ，C 1 1 i m ； 2 s h a n g D 0 n gJ i a d T o n gS c i e 埘f i cR e s e a r c hI 枷t 商

4、o n ，酬o n gJ i r l a l l 2 5 0 0 3 l ，C h n a ； 3 R 斯a r c hI n s t i t I l t eo fH i g h w a yM O C ，B e i j i n g1 0 0 0 8 8 ，C 1 1 i m ) A b s t 删：n ec o n f i g 呲t i o n0 f 出el 洫t m c kl l a sb e e na r l a l 弘捌棚c hh a sb e e nd e v e l o p e df o rr e 脚v i l l g b 枷e ro ns p e e d w a y ，n l es

5、 晚n g l o ft l es l J s p e n d 她l i R 锄山ep r i m a r yp 献i sa I l a l y z e db yr e l i a b i l 畸t l e o r y I nt 1 1 ep r o c e s so fa n a l y z i n gd l er e l i a b i l 时o f 山el i f L 锄，山e t r a d i t i o n a lr e l i 出l i t yt h e o r ya n dt h et h e o r y0 fv e I l i c l er i d ei su s e dt

6、od e t e 枷n e 咖I I l i cl o a d I I lt l l i sp a p e rM 棚A B 5 3s 如忸r ep a c k a g e i su s e dt os i m u l a t ev i b r a t i o na c c e l e m t i o no fc h 嘶n gl o a d ，w 1 1 i c hm a k e st 1 1 er e s u l t so ft l l ec a l c u l a t i o nm o r er e l i a b l e K e yw o s ：A u t o m o b i l ee n

7、 舀n e e 打r I g ；v e I l i c l e su s e d f o rr e m o v 堍k 面e r o nr o a d ；S u s p e n 也n gl i R 锄；R e l i 如i l 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E Q l 0 9 0 E 型汽 车

8、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 1 1 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2 4 0 蛐n ，横向宽1 8 0 m m ，并且美观；吊臂 收稿日期：2 0 0 1 5 o 卜1 4 基金项目：鲁东大学自然科学基金资助项目( 5 2 1 4 1 5

9、 2 7 0 4 5 1 ) ；刘宝琛院士资助项目 作者简介：陈燕( 1 9 6 4 一) ，女，山东青岛人，副教授，主要研究方向为车辆工程( c h e n y a n 8 2 3 6 y a h 0 0 c o m c n ) 万方数据 1 4 8公路交通科技第2 2 卷 1 配重总成2 推拦总成3 E Q l 0 9 0 E4 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1 0 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1 6 M n 钢板， 焊接性能好，强度高，其余材料采用Q 2 3 5 钢板。吊 臂与车架连接处采用间距为6 0 0

10、 n 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。 1 2 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 = 4 0 0 0 k g ，在B 点受力最大：M 一= F + 1 8 3 0 = 7 3 2 0 0 N m ( 2 ) 吊臂梁断面系数：梁断面为长方形：日= 2 4 0 m m ； = 2 2 8 m m ；曰= 1 8 0 m m ；6 = 1 6 8 m

11、m 。其断面 系数：形= ( B ”一脚) ( 6 + 日) = 3 4 5 2 2 5 6 咖n 3 盯= M 形1 = 2 1 2 0 3 5 M P a ( 3 ) 强度校核：按照( G B l 5 9 1 - 8 8 ) 低合金结构 钢的机械性能： 1 6 M n 的屈服强度盯。= 3 4 5 M P a 抗拉强度= 5 1 0 一6 6 0 M P a 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

12、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

13、车振动所激发的动载荷。 按照随机振动理论1 1 ，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。 2 1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 。( n o ) ( 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

14、度中包括几个波长；n 。为参考空间频率，n 。= 0 1 m ；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m 2 m 。1 ( 即m 3 ) ； 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、一2 q ( ) = 去G 。( n 。) ( 嚣J= G 。( n 。) n j 芳 ( 2 ) 按( 3 ) 式计算加速度功率谱密度 G ( ，) = ( 2 巧) 4 G 。( 厂) = 1 6 一q ( ) n ；酽 ( 3 ) 2 2 汽车的

15、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) le 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1 4 9 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

16、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 2G ( 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；=

17、IQ ( 厂) d 厂= j1 日( ，) I ；。q ( ，) c 炉( 6 ) UU 式中，盯；为车身振动加速度三的标准差( 等于均方根 值) 。 2 3 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M A r l l A B 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“= 2 0 k I l l h ( 5 5 6

18、“s ) ；路面不平度系数G 。( n 。) = 6 4 1 0 “m 3 ；悬 挂质量埘= 84 0 0 k g ；非悬挂质量m = 7 0 0 k g ；悬架刚度 K = 7 75 4 6 9 N m ；悬架阻尼c = 4 79 3 9 N s m ；轮胎刚 度K ，= 7 5 99 6 0 N m 。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 = 1 8 2 m s 。 5 乓。 世 型5 O2 4 6 8 1 0 频率H z 图3 除障车车身振动加速度仿真曲线 2 4 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

19、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= 4 0 0 0 k g = 3 92 0 0 N 由于车身振动，标准差取决于车身振动加速度 e = 4 0 0 0 1 8 2 9 8 = 7 4 3 N 2 5 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

20、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 4 1 分别为：x 。= 18 0 0 M P a 、玎。= 2 2 5 M P a 。 ( 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：X 2 = 13 0 0 M P a 、口2 = 1 3 0 M P a 。 ( 3 ) 可靠性 按可靠性理论利用下式 X =

21、X 1 一X 2 = 1 8 0 0 1 3 0 0 = 5 0 0 M P a 仃= 口1 + 仃2 = 2 6 0 M P a 并由正态分布的耦合方程b 得出“下百分位点”： z ：尝：- 1 9 2 3 一2 6 0 1 。7 。 查正态分布表，得失效概率为 P ，= ( 一1 9 2 3 ) = 2 7 2 吊臂的可靠度为 R = 1 一B = 9 7 2 8 3 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1 6 2 页) 万方数据 1 6 2公路交通科技第2 2 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

22、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

23、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。 q p q 声q p q 声t p q 声q j p ( 上接第1 4 9 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： 1 f t a I l a l dc o a

24、 s e T h en a l u r e0 ft l l ef l 1 1 J E c 佣哪i c a ，1 9 3 7 ，( 4 ) ： 3 8 6 4 0 5 2 0 l i v e rW i u i 粕l s o n 1 协s a c o n C o s tE c o n o I l l i c s ：T h eG o v e m 锄c eo fC 叽一 t r a c t l l a l R e l a t i o n s J J o 啪a l0 f k l wa n d E c o n o I I l i c s 1 9 r 7 5 ( 2 2 ) ：2 3 3 2 6 l ：4

25、0 3 u iA m o l d N e wD i I n e n s i o n 80 fO u t s o u r c i I l g ：AC o 玎【】b i I l a t i 叽0 f1 h I l s a c t i C o s tE o o n o n i c sa I 】dt I l ec o c o r n p e t m c i e sc o n c 印t J E l “p e J 0 u I T l a lo f P u r c h a s i I l g S u p p l yM a g e I I 】m t ，2 0 0 0 ( 6 ) ：2 6 ，2 7 2 8 4

26、 0 l i v e rW i i 砌s o n M 8 r k e t s 和dH i e r a r c I l i e s ：A n a l y s i sm l dA n t i t m s tI I I l p U c a t i o n s M N e wY o I l 【：n eF b ep r ；e s s ，1 9 7 5 5 王淑云物流外包的理论与应用 M 北京：人民交通出版 社，2 0 0 4 6 m a nDs r l l i 山，w i 锄TR u p p A p p l i c a t i o nS e w i c ef 】I o v i d e r s ：A nA p p l i c 撕0 n0 fd l e1 h n s a c t i o nc o s tM o d e l J I n f 0 I m 撕0 nM 矾a g e m