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      鉸接式抱罐車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計

      2014-01-15 09:33:54柯友金
      關(guān)鍵詞:鉸接式力臂罐車

      柯友金

      (中冶寶鋼技術(shù)服務(wù)有限公司,上海200941)

      抱罐車既是冶金企業(yè)用于轉(zhuǎn)運(yùn)和處理鋼渣的專用特種運(yùn)輸機(jī)械,又是鋼渣處理生產(chǎn)線上的主要生產(chǎn)設(shè)備,具有背罐、放罐、翻罐卸料、運(yùn)輸?shù)裙δ堋Kc鐵路等有軌運(yùn)輸相比,具有投資少、占地少、機(jī)動靈活、安全可靠的特點,促進(jìn)了冶金制造行業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步。抱罐車實現(xiàn)了鋼鐵鋼渣運(yùn)輸從軌道運(yùn)輸向無軌運(yùn)輸?shù)霓D(zhuǎn)變,符合現(xiàn)代社會節(jié)能、環(huán)保的理念。

      1 鉸接式抱罐車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

      抱罐車按照車架結(jié)構(gòu)可分為整體式、拖拉式、鉸接式,按照噸位可分為35t、45t、60t、80t、100t等。鉸接式抱罐車由前車架、中間鵝頸機(jī)構(gòu)和后車架三部分組成(圖1)。中間鵝頸機(jī)構(gòu)由前鵝頸和后鵝頸組成,由中間立銷軸相連,前鵝頸與前車架由臥銷相連,后鵝頸與后車架焊接成為一體,并由轉(zhuǎn)向油缸使前、后車架圍繞中間立銷軸完成左右轉(zhuǎn)向動作,從而使車輛實現(xiàn)直線行駛或以不同的半徑在地面上轉(zhuǎn)向。

      圖1 中間鵝頸機(jī)構(gòu)

      前車架裝有發(fā)動機(jī)、變速箱、驅(qū)動橋,與中間鵝頸機(jī)構(gòu)、后車架之間可以圍繞臥銷軸左右擺動±7°,即使車輛行駛路面坑洼不平,載有渣罐的后車架也能夠保持平穩(wěn)。后車架下部布置著一線雙橋承重輪組,裝有16只實心輪胎。鉸接式抱罐車結(jié)構(gòu)布置示意圖見圖2。

      圖2 鉸接式抱罐車結(jié)構(gòu)布置示意圖

      2 鉸接式抱罐車轉(zhuǎn)向系載荷計算

      圖3為鉸接式抱罐車轉(zhuǎn)向系載荷計算示意圖,其中:B、C為前后橋的輪距,O點為前后車間的鉸接點,r為前橋輪軸線至鉸接點的距離,L為前后橋的軸距。

      圖3 鉸接式抱罐車轉(zhuǎn)向系載荷計算示意圖

      轉(zhuǎn)向系應(yīng)能保持底盤直線行駛的穩(wěn)定性,并能根據(jù)要求靈活改變行駛方向。轉(zhuǎn)向時,抱罐車運(yùn)動的質(zhì)量比轉(zhuǎn)向車輪大很多,抱罐車轉(zhuǎn)向阻力矩[1-2]

      式中:M為相對鉸接點轉(zhuǎn)動時的阻力矩;B為前輪輪距;r為前橋輪軸線至鉸接點的距離;G1為前橋載荷;μ為輪胎與路面之間的綜合阻力系數(shù)(取0.1≤M ≤0.15)。

      式(1)表示轉(zhuǎn)向時前橋是繞固定不動的鉸接點轉(zhuǎn)動,也就是以后橋不動的工況作為確定計算載荷的狀態(tài)。而μ是綜合滾動及滑動兩種成分的阻力系數(shù),鉸接點離前橋軸線愈遠(yuǎn),應(yīng)選用較大的μ值,此時側(cè)向滑動的成分較大。

      同時,根據(jù)經(jīng)驗公式計算,得轉(zhuǎn)向阻力矩[3-4]

      式中:M0為相對鉸接點轉(zhuǎn)動時的阻力矩;L為軸距,m;α為轉(zhuǎn)向角,rad;η為效率;G1為前橋載荷;f為驅(qū)動輪上滾動阻力系數(shù)(取0.1≤f≤0.15)。

      3 鉸接式抱罐車最小轉(zhuǎn)彎半徑計算

      圖4為鉸接式抱罐車在水平面上穩(wěn)定轉(zhuǎn)向的示意圖。在轉(zhuǎn)向時通過前后車架繞其銷軸相對轉(zhuǎn)過一角度,使前后橋也相對轉(zhuǎn)過同一角度,而前輪相對于前車架,后輪相對于后車架沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn),每一橋上兩側(cè)車輪轉(zhuǎn)動平面始終保持平行。OA為轉(zhuǎn)動軸線,由圖4可知,前外側(cè)車輪轉(zhuǎn)向半徑

      后外側(cè)車輪轉(zhuǎn)向半徑

      式中:B為前橋的輪距,m;C為后橋的輪距,m;α為轉(zhuǎn)向角;L為前后橋的軸距,m;r為前橋輪軸線至鉸接點的距離,m;k為鉸接點距前橋軸線距離與前后軸距的比值,即[5]

      圖4 鉸接式抱罐車最小轉(zhuǎn)彎半徑示意圖

      4 液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計

      液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計包括:分析系統(tǒng)設(shè)計要求,確定設(shè)計方案;初步擬定液壓系統(tǒng)原理圖;分析系統(tǒng)的工況,確定基本參數(shù);計算和選擇液壓元件;完善液壓系統(tǒng)原理圖,確定系統(tǒng)元件布置圖;驗算分析液壓系統(tǒng)性能;編寫技術(shù)文件等[6]。

      4.1 轉(zhuǎn)向油缸

      為了計算轉(zhuǎn)向油缸的缸徑、桿徑、行程等主要參數(shù),必須先計算轉(zhuǎn)向力矩。如圖5所示,轉(zhuǎn)向力矩的大小前連桿作用力相對交接點O的力矩之和,轉(zhuǎn)向油缸與前連桿相對后連桿的鉸接點C、D的力矩之和為零。而轉(zhuǎn)向油缸的作用力相對C、D點的力臂是隨著轉(zhuǎn)向角αi的大小而變化。A點為左轉(zhuǎn)向油缸與后鵝頸的鉸接點,B點為右轉(zhuǎn)向油缸與后鵝頸的鉸接點,G點為左轉(zhuǎn)向油缸、后連桿與前連桿的鉸接點,C點為左后連桿與后鵝頸的鉸接點,E點為左前連桿與前鵝頸的鉸接點,O點為后鵝頸與前鵝頸的鉸接點,H點為右轉(zhuǎn)向油缸、后連桿與前連桿的鉸接點,D點為右后連桿與后鵝頸的鉸接點,F(xiàn)點為右前連桿與前鵝頸的鉸接點。

      圖5 轉(zhuǎn)向油缸參數(shù)確定示意圖

      當(dāng)車輛在轉(zhuǎn)向油缸的作用力下向左轉(zhuǎn)向αi時,右轉(zhuǎn)向油缸、鉸接點H圍繞D點做圓周運(yùn)動至H′,鉸接點G圍繞D點做圓周運(yùn)動至G′,鉸接點F圍繞O點做圓周運(yùn)動至F′,鉸接點E圍繞O點做圓周運(yùn)動至E′。

      已知:

      右轉(zhuǎn)向油缸無桿腔的壓力為F1,左轉(zhuǎn)向油缸有桿腔的壓力為F2,求解可得到:左轉(zhuǎn)向油缸的作用力相對C點的力臂=L1;左前連桿的作用力相對C點的力臂=L2;左前連桿的作用力相對O點的力臂=L3;右轉(zhuǎn)向油缸的作用力相對D點的力臂=L4右前連桿的作用力相對D點的力臂=L5;右前連桿的作用力相對O點的力臂=L6。

      數(shù)值根據(jù)正弦和余弦定理來計算,或者直接在工程圖上量取。

      轉(zhuǎn)向油缸在液壓系統(tǒng)的作用下相對O點的轉(zhuǎn)向力矩之和必須大于前驅(qū)動橋的轉(zhuǎn)向阻力矩,才能實現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向。右轉(zhuǎn)向油缸與右前連桿圍繞D點做圓周運(yùn)動,根據(jù)力矩平衡∑()M D=0,設(shè)定右連桿的作用力為N1,則有

      右連桿與前鵝頸、車架組合體圍繞O點做圓周遠(yuǎn)動,從而完成車輛轉(zhuǎn)向動作。根據(jù)力矩平衡

      設(shè)定右連桿能夠克服的阻力矩為M1,則

      根據(jù)右轉(zhuǎn)向油缸的推算方法,同理可以推算出左轉(zhuǎn)向油缸所產(chǎn)生的推力轉(zhuǎn)矩。

      左轉(zhuǎn)向油缸與左前連桿圍繞C點做圓周運(yùn)動,根據(jù)力矩平衡,有

      設(shè)定左連桿的作用力為N2,則

      左連桿與前鵝頸。車架組合體圍繞O點做圓周遠(yuǎn)動,從而完成車輛轉(zhuǎn)向動作。根據(jù)力矩平衡

      設(shè)定左連桿能夠克服的阻力矩為M2,則

      因此

      4.2 轉(zhuǎn)向油缸缸徑和桿徑

      由于本車的轉(zhuǎn)向油缸對稱布置,當(dāng)轉(zhuǎn)向角αi最大時,轉(zhuǎn)向力矩最小。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊》選擇液壓油缸的速比,即可求出液壓缸的作用力,忽略回油背壓的影響。選取動載安全系數(shù)計算得出轉(zhuǎn)向油缸的實際兩腔作用力,依據(jù)液壓缸的工作效率,則可以求得液壓缸的缸徑、桿徑及行程[6]。

      設(shè)定轉(zhuǎn)向油缸的參數(shù):D為缸徑,mm;d為桿徑,mm;S為行程,mm;P為轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)工作壓,初步取P=16MPa;η為液壓缸的效率;φ為液壓缸的速比,

      液壓油缸相關(guān)計算公式:

      實踐表明,在許多動壓的轉(zhuǎn)向狀態(tài)下,按理論計算轉(zhuǎn)向油缸和轉(zhuǎn)向壓力可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)向壓力不足。實踐證明:在理論值的基礎(chǔ)上再增加約5MPa,通常會得到令人滿意的轉(zhuǎn)向性能。

      4.3 轉(zhuǎn)向油缸行程

      如圖3所示,當(dāng)轉(zhuǎn)向角αi從初始位置轉(zhuǎn)到最大位置時,右轉(zhuǎn)向油缸伸長距離,左轉(zhuǎn)向油缸縮短距離。故轉(zhuǎn)向油缸總行程S=-,在實際確定最大行程時,可根據(jù)最大轉(zhuǎn)向角的值進(jìn)行計算,或者在工程圖上直接量取。

      4.4 轉(zhuǎn)向油缸流量

      轉(zhuǎn)向油缸轉(zhuǎn)到最大行程位置時所需油液容積

      4.5 轉(zhuǎn)向器排量

      式中:q為轉(zhuǎn)向器排量,m3;f為流量放大器放大倍數(shù),取2、4、6、8、10、20,f =8;i為方向盤從鎖定到鎖定時所需圈數(shù),取3≤i≤5;ηZ為轉(zhuǎn)向器的容積效率 取ηZ=0.90。

      4.6 轉(zhuǎn)向泵的排量

      轉(zhuǎn)向泵的供油量為轉(zhuǎn)向器的排量與轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)速及放大器放大倍數(shù)的乘積。轉(zhuǎn)向泵的實際流量與其排量、效率及轉(zhuǎn)速有關(guān)。由于轉(zhuǎn)向泵通過發(fā)動機(jī)驅(qū)動,所以轉(zhuǎn)向泵的最大排量必須按發(fā)動機(jī)怠速時來確定。發(fā)動機(jī)的怠速取750r/min。轉(zhuǎn)向泵必須滿足整車在怠速工況下原地轉(zhuǎn)向要求。

      轉(zhuǎn)向泵的供油量

      轉(zhuǎn)向泵的排量

      式中:nZ為方向盤轉(zhuǎn)速,取100~150r/min,而發(fā)動機(jī)怠速時取60r/min;ηP為轉(zhuǎn)向泵的容積效率,取ηP=0.95;n為發(fā)動機(jī)怠速,n=750r/min。

      [1] 蔣美華.工程鉸接式車輛轉(zhuǎn)向系的合理化設(shè)計[J].1996(02):4-9.

      [2] 關(guān)景泰,嚴(yán)繼東.鉸接車輛轉(zhuǎn)向油缸主要參數(shù)的理論分析[J].建筑機(jī)械2002(06):41-44.

      [3] 董長雷,擎 宇.雙液壓缸鉸接轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)的確定方法[J].建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理,2008(07):97-98.

      [4] 王國彪,李海濤.鉸接式工程車輛轉(zhuǎn)向能力的計算[J].礦山機(jī)械,1999(08):26-27.

      [5] 劉 剛,張子達(dá).鉸接式車輛行駛穩(wěn)定性的理論分析與數(shù)值計算[J].吉林大學(xué)學(xué)報,2004,34(03):367-372.

      [6] 馬永輝.工程機(jī)械液壓系統(tǒng)設(shè)計計算[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1985.

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