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摘要：在对市场现有的普通平板清障车充分调研的基础上，对其结构进行创新设计，在其驾驶室顶部设计出一种结构简单、容易制造的承载式拖车平台，使该类清障车可以实现一车拖三的功能。并应用HyperMesh和Optistruct等CAE分析软件对平台结构进行强度、刚度有限元分析及优化设计。
关键词：平板清障车
拖车平台
结构设计
有限元分析
中图分类号：U469.6+92.03 文献标识码：A 文章编号：1004-0226（2015）12-0100-04
1 引言
道路清障车在我国只有短短十几年的发展历程，然而却随着我国社会经济的快速发展，车辆保有量的不断上升，公路特别是高速公路的快速延伸，道路清障车的销量逐年上升。到目前为止，国内道路清障车已开发出托吊分离型、托吊联体型、平板背拖型三大系列，清障吨位已覆盖了微型至超重型的全系列车型。
市场占有率最多的清障车型为平板背拖型，该类车型是通过牵引或吊举车辆至平板上进行背载运输，同时还能进行拖载运输。该型车的最大特点：一车拖二，同时可以将两辆小型故障车拖离现场，运行效率较高。如果对该车型进行改进，改为一车拖三，即在现有一拖二基础上，在驾驶室顶部设计一个车辆装载平台，则可大幅提高车辆使用效率，降低运行成本；并且该车型总质量小，操作方便，运行效率高，可以更好地适应日益繁忙的高速公路运行的需要。
这种新型一拖三平板清障车是在消化吸收国外产品先进技术的基础上，自主创新研发的全新结构（如图1）。
2 驾驶窒顶部承载式拖车平台结构设计
驾驶室顶部承载式平板机构由平板支撑架、顶部拖车平板、液压绞盘、旋转销轴、平板液压举升系统、顶部拖车平板锁止机构和轮胎固定装置组成。顶部拖车平板安装后靠近车头的一端为前端。液压绞盘安装在平板前端中部，平板支撑架前端通过托架连接在底盘大梁前端，平板支撑架后端通过螺栓连接在底盘大梁上平面，顶部拖车平板后端通过活动的旋转销轴连接在平板支撑架后端上部，举升油缸两端分别连接平板支撑架前端下部和顶部拖车平板前端（如图2）。该产品在底盘选型时，选择底盘高度不高于2050 mm，保证整车空载高度不高于2450 mm，当顶部拖车平台装载后满载高度不高于4000 mm。
2.1 顶部拖车平板设计
顶部拖车平板主体材料采用高强度整体式花纹板，平板中间纵梁、两侧边梁、前端横梁及平板下面横梁皆采用矩形管材料。拖车平板主体、中间横梁、边梁、前端横梁和平板下面横梁采用焊接方式组装在一起。花纹板上面设计轮胎固定装置和轮胎限位装置，平台前端安装液压绞盘，前面下侧两端设计油缸安装座，后面下侧两端设计顶部拖车平板翻转座。平台两侧前端设计成可折叠式爬梯，操作人员通过爬梯对顶部拖车平台上的被拖车辆进行固定。
2.1.1 轮胎固定装置
轮胎固定装置（如图3）包括固定座和固定环，固定环先穿在固定座内，再把固定座焊接在顶部平板两侧边梁和平板相接处，相邻两个轮胎固定装置间隔500 mm，固定环可绕固定座自由转动。当被拖载的车辆装载到顶部平板上后，则可把被拖载车辆的轮胎通过扎带固定在相应轮胎固定装置上，确保被拖载车辆在运输过程中固定安全牢固。
2.1.2 轮胎限位装置
轮胎限位装置（如图4）是由花纹钢板折弯成截面为三角形的限位块，用螺栓固定拴接在顶部拖车平板上，其作用在于当液压绞盘牵引被拖车辆至顶部平板后对前部轮胎位置进行限制，防止车辆拖过安全位置造成掉落危险。
2.2 平板支撑架设计
平板支撑架（如图5）由竖支撑、横支撑、前横梁、油缸支座、平板旋转支座等零件焊接组成。平板支撑架的竖支撑、横支撑、前横梁等主要结构件采用矩形管材料，其中油缸支座焊接在前竖支撑上，平板翻转支座焊接在后竖支撑上端两侧。支撑架前下端通过托架与底盘大梁用螺栓连接，支撑架后端通过螺栓连接在底盘大梁上平面。框架前端下侧设计底部油缸旋转座，后端上侧设计平板翻转座。前横梁位置在设计时应确保前横梁既不会与驾驶室翻转发生干涉，也不能与平板举升油缸发生干涉.因此在设计时须进行三维模拟，以便精确定位前横梁位置。
2.3 液压操纵系统
液压操纵系统主要由液压泵，液压油缸（如图6），液压管路，液压控制阀等部件组成。为保证两侧液压油缸工作同步，液压管路系统配置有同步阀，为确保平板举起之后位置精确，在平板支撑架后端设置了平板限位装置。液压控制阀与主平板控制阀同为多路换向阀，布置在车辆后端两侧。图7为一拖三清障车的整车液压原理图。
3 一拖三平板清障车顶部拖车平板工作原理
驾驶室顶部拖车平台工作时，翻转油缸伸长，平台沿翻转座旋转，平台旋转到一定角度，同时主拖车平板在举升油缸作用下旋转同样角度与顶部拖车平台相接，组成一个斜面，再由主拖车平板的平推油缸把主拖车平板推至与地面接触，由顶部平台的液压绞盘把被拖车辆拽至主拖车平板上，平推油缸收回使主拖车平板与顶部拖车平台相接，此时顶部平台液压绞盘的牵引速度与主拖车平推油缸收回速度一致，保证被拖车辆和主拖车平板同时运动。之后再由顶部拖车平台液压绞盘把被拖车辆拽至顶部拖车平台，收回顶部旋转油缸，固定被拖车辆，顶部平台拖车工作完成（如图8）。
4 顶部拖车平板总成有限元分析
顶部拖车平板总成是在现有的一拖二平板清障车基础上新增加的拖车装置，且顶部拖车平板总成在装载拖车之后载荷量较大，因此顶部拖车平板总成的安全性非常重要，需要对其结构强度进行有限元分析，保证结构设计合理，强度刚度符合要求。
使用主流前处理软件HyperMesh对顶部平台结构进行有限元网格划分，单元尺寸10 mm，单元数量26.2万个，平台自重0.89t（不合液压系统），载荷1.5 t（乘用轿车）。分析工况含高速公路或城市道路两种工况，其中高速公路工况动载系数取2.0，城市道路工况动载系数取1.5。
材料包括Q345和45号钢（调质处理）两种，其中销轴为45号钢（调质处理），其余部件均为Q345。相关材料具体属性见表1。
网格划分完成之后，设置材料属性，然后施加相关载荷和约束。载荷包括平台自重和被拖移车辆的载荷。其中自重载荷通过重力场的方式施加（9.8 m/s2）。被拖移车辆载荷通过RBE3单元来施加，使用RBE3单元而非刚性的RBE2单元的优点是使用该单元并不会给平台结构带来附加刚度，分析结果会更加真实和准确。约束按实际约束来施加，右后立柱约束xyz自由度，左后立柱约束xz自由度，右前立柱约束yz自由度，左前立柱约束z自由度，确保整个结构不会过约束。过约束也会引起附加刚度，导致分析的变形及应力结果整体偏向保守。
载荷和约束设置好之后，提交给Optistruct求解器进行有限元分析。Optistruct求解器是一款著名的有限元分析和优化求解器，拥有很强的求解能力和精度。求解完成后得到的变形云图和应力分布云图如图10～13。
从图10～13所示的分析结果可以看出，在高速公路或城市道路两种工况下，结构的最大变形量为9.3 mm，未发生肉眼明显可见的变形。结构的最大应力值为344 MPa，仍小于材料0345的屈服强度345MPa。分析结果表明，该结构的强度和刚度均能满足设计要求。
5 结语
该清障车顶部拖车平台结构简单、设计合理，与汽车底盘连接可靠。顶部拖车平板能够在油缸驱动下翻转并与主拖车平板相接，从而实现顶部拖车平板的车辆装载功能。顶部平板设置了轮胎限位装置和轮胎固定装置，能有效保证顶部拖车平板装载车辆的安全性。对整个顶部拖车平台进行了CAE分析和优化，保证了整个结构的强度和安全性。该平板清障车顶部拖车平台的设计能有效提高现有平板清障车的清障装载能力，提高单次作业效率，降低能源消耗和运营成本。
关键词：平板清障车
拖车平台
结构设计
有限元分析
中图分类号：U469.6+92.03 文献标识码：A 文章编号：1004-0226（2015）12-0100-04
1 引言
道路清障车在我国只有短短十几年的发展历程，然而却随着我国社会经济的快速发展，车辆保有量的不断上升，公路特别是高速公路的快速延伸，道路清障车的销量逐年上升。到目前为止，国内道路清障车已开发出托吊分离型、托吊联体型、平板背拖型三大系列，清障吨位已覆盖了微型至超重型的全系列车型。
市场占有率最多的清障车型为平板背拖型，该类车型是通过牵引或吊举车辆至平板上进行背载运输，同时还能进行拖载运输。该型车的最大特点：一车拖二，同时可以将两辆小型故障车拖离现场，运行效率较高。如果对该车型进行改进，改为一车拖三，即在现有一拖二基础上，在驾驶室顶部设计一个车辆装载平台，则可大幅提高车辆使用效率，降低运行成本；并且该车型总质量小，操作方便，运行效率高，可以更好地适应日益繁忙的高速公路运行的需要。
这种新型一拖三平板清障车是在消化吸收国外产品先进技术的基础上，自主创新研发的全新结构（如图1）。
2 驾驶窒顶部承载式拖车平台结构设计
驾驶室顶部承载式平板机构由平板支撑架、顶部拖车平板、液压绞盘、旋转销轴、平板液压举升系统、顶部拖车平板锁止机构和轮胎固定装置组成。顶部拖车平板安装后靠近车头的一端为前端。液压绞盘安装在平板前端中部，平板支撑架前端通过托架连接在底盘大梁前端，平板支撑架后端通过螺栓连接在底盘大梁上平面，顶部拖车平板后端通过活动的旋转销轴连接在平板支撑架后端上部，举升油缸两端分别连接平板支撑架前端下部和顶部拖车平板前端（如图2）。该产品在底盘选型时，选择底盘高度不高于2050 mm，保证整车空载高度不高于2450 mm，当顶部拖车平台装载后满载高度不高于4000 mm。
2.1 顶部拖车平板设计
顶部拖车平板主体材料采用高强度整体式花纹板，平板中间纵梁、两侧边梁、前端横梁及平板下面横梁皆采用矩形管材料。拖车平板主体、中间横梁、边梁、前端横梁和平板下面横梁采用焊接方式组装在一起。花纹板上面设计轮胎固定装置和轮胎限位装置，平台前端安装液压绞盘，前面下侧两端设计油缸安装座，后面下侧两端设计顶部拖车平板翻转座。平台两侧前端设计成可折叠式爬梯，操作人员通过爬梯对顶部拖车平台上的被拖车辆进行固定。
2.1.1 轮胎固定装置
轮胎固定装置（如图3）包括固定座和固定环，固定环先穿在固定座内，再把固定座焊接在顶部平板两侧边梁和平板相接处，相邻两个轮胎固定装置间隔500 mm，固定环可绕固定座自由转动。当被拖载的车辆装载到顶部平板上后，则可把被拖载车辆的轮胎通过扎带固定在相应轮胎固定装置上，确保被拖载车辆在运输过程中固定安全牢固。
2.1.2 轮胎限位装置
轮胎限位装置（如图4）是由花纹钢板折弯成截面为三角形的限位块，用螺栓固定拴接在顶部拖车平板上，其作用在于当液压绞盘牵引被拖车辆至顶部平板后对前部轮胎位置进行限制，防止车辆拖过安全位置造成掉落危险。
2.2 平板支撑架设计
平板支撑架（如图5）由竖支撑、横支撑、前横梁、油缸支座、平板旋转支座等零件焊接组成。平板支撑架的竖支撑、横支撑、前横梁等主要结构件采用矩形管材料，其中油缸支座焊接在前竖支撑上，平板翻转支座焊接在后竖支撑上端两侧。支撑架前下端通过托架与底盘大梁用螺栓连接，支撑架后端通过螺栓连接在底盘大梁上平面。框架前端下侧设计底部油缸旋转座，后端上侧设计平板翻转座。前横梁位置在设计时应确保前横梁既不会与驾驶室翻转发生干涉，也不能与平板举升油缸发生干涉.因此在设计时须进行三维模拟，以便精确定位前横梁位置。
2.3 液压操纵系统
液压操纵系统主要由液压泵，液压油缸（如图6），液压管路，液压控制阀等部件组成。为保证两侧液压油缸工作同步，液压管路系统配置有同步阀，为确保平板举起之后位置精确，在平板支撑架后端设置了平板限位装置。液压控制阀与主平板控制阀同为多路换向阀，布置在车辆后端两侧。图7为一拖三清障车的整车液压原理图。
3 一拖三平板清障车顶部拖车平板工作原理
驾驶室顶部拖车平台工作时，翻转油缸伸长，平台沿翻转座旋转，平台旋转到一定角度，同时主拖车平板在举升油缸作用下旋转同样角度与顶部拖车平台相接，组成一个斜面，再由主拖车平板的平推油缸把主拖车平板推至与地面接触，由顶部平台的液压绞盘把被拖车辆拽至主拖车平板上，平推油缸收回使主拖车平板与顶部拖车平台相接，此时顶部平台液压绞盘的牵引速度与主拖车平推油缸收回速度一致，保证被拖车辆和主拖车平板同时运动。之后再由顶部拖车平台液压绞盘把被拖车辆拽至顶部拖车平台，收回顶部旋转油缸，固定被拖车辆，顶部平台拖车工作完成（如图8）。
4 顶部拖车平板总成有限元分析
顶部拖车平板总成是在现有的一拖二平板清障车基础上新增加的拖车装置，且顶部拖车平板总成在装载拖车之后载荷量较大，因此顶部拖车平板总成的安全性非常重要，需要对其结构强度进行有限元分析，保证结构设计合理，强度刚度符合要求。
使用主流前处理软件HyperMesh对顶部平台结构进行有限元网格划分，单元尺寸10 mm，单元数量26.2万个，平台自重0.89t（不合液压系统），载荷1.5 t（乘用轿车）。分析工况含高速公路或城市道路两种工况，其中高速公路工况动载系数取2.0，城市道路工况动载系数取1.5。
材料包括Q345和45号钢（调质处理）两种，其中销轴为45号钢（调质处理），其余部件均为Q345。相关材料具体属性见表1。
网格划分完成之后，设置材料属性，然后施加相关载荷和约束。载荷包括平台自重和被拖移车辆的载荷。其中自重载荷通过重力场的方式施加（9.8 m/s2）。被拖移车辆载荷通过RBE3单元来施加，使用RBE3单元而非刚性的RBE2单元的优点是使用该单元并不会给平台结构带来附加刚度，分析结果会更加真实和准确。约束按实际约束来施加，右后立柱约束xyz自由度，左后立柱约束xz自由度，右前立柱约束yz自由度，左前立柱约束z自由度，确保整个结构不会过约束。过约束也会引起附加刚度，导致分析的变形及应力结果整体偏向保守。
载荷和约束设置好之后，提交给Optistruct求解器进行有限元分析。Optistruct求解器是一款著名的有限元分析和优化求解器，拥有很强的求解能力和精度。求解完成后得到的变形云图和应力分布云图如图10～13。
从图10～13所示的分析结果可以看出，在高速公路或城市道路两种工况下，结构的最大变形量为9.3 mm，未发生肉眼明显可见的变形。结构的最大应力值为344 MPa，仍小于材料0345的屈服强度345MPa。分析结果表明，该结构的强度和刚度均能满足设计要求。
5 结语
该清障车顶部拖车平台结构简单、设计合理，与汽车底盘连接可靠。顶部拖车平板能够在油缸驱动下翻转并与主拖车平板相接，从而实现顶部拖车平板的车辆装载功能。顶部平板设置了轮胎限位装置和轮胎固定装置，能有效保证顶部拖车平板装载车辆的安全性。对整个顶部拖车平台进行了CAE分析和优化，保证了整个结构的强度和安全性。该平板清障车顶部拖车平台的设计能有效提高现有平板清障车的清障装载能力，提高单次作业效率，降低能源消耗和运营成本。