基于車載方艙的手動式輕便雙軌行車的研究

張瑜

（新興重工湖北三六一一機(jī)械有限公司，湖北襄陽441002）

0 引言

車載艙體內(nèi)物品受空間局限和行駛過程顛簸的影響，無法采用普通吊具和液壓鏟車吊裝與搬運，現(xiàn)需要一種新型手動式輕便雙軌行車，實現(xiàn)在野外條件下車載艙體內(nèi)以及艙內(nèi)與艙外地面的吊裝。本文從人工操作角度出發(fā)，面向行車行走機(jī)構(gòu)和移動吊葫蘆優(yōu)化與選型，設(shè)計了一款應(yīng)用于車載艙體內(nèi)的手動式輕便雙軌行車，通過驗算和應(yīng)力分析，驗證了強(qiáng)度，完成樣機(jī)試制，獲得了預(yù)期效果。

1 總體構(gòu)思與建模

該設(shè)備由橫向行走機(jī)構(gòu)、縱向行走機(jī)構(gòu)和移動吊葫蘆構(gòu)成。圖1為行車總體結(jié)構(gòu)直角坐標(biāo)系，t1、t2為橫向行走機(jī)構(gòu)（T）的主動導(dǎo)軌、從動導(dǎo)軌，d為縱向行走機(jī)構(gòu)（D）的縱向?qū)к?。T形連接板h連接導(dǎo)輪對a1、a2與縱向?qū)к塪為一體，攜帶移動吊葫蘆一起向T方向移動，移動吊葫蘆沿縱向?qū)к塪可向D方向移動，同時可完成H方向吊裝。整體建模如圖2所示。

2 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計

圖1 幾何模型

采用雙導(dǎo)軌導(dǎo)輪行走原理，設(shè)計橫向行走機(jī)構(gòu)和縱向行走機(jī)構(gòu)，通過主動導(dǎo)軌運動副、與主導(dǎo)軌運動副配合的從動導(dǎo)軌運動副和縱向?qū)к夁\動副實現(xiàn)橫向行走T向和縱向行走D向移動，行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)、橫向雙向?qū)л唽1、a2和縱向雙導(dǎo)軌導(dǎo)輪c如圖3所示。

2.1 橫向行走機(jī)構(gòu)設(shè)計與選型

圖2 手動式輕便行車建模圖

圖3 行走機(jī)構(gòu)

如圖3所示，主動行走機(jī)構(gòu)和與其配合的從動行走機(jī)構(gòu)組成橫向行走機(jī)構(gòu)；選用內(nèi)腔為斜面的異形型材作為主動行走機(jī)構(gòu)的主動導(dǎo)軌t1（如圖4），小圓錐導(dǎo)輪對為主動導(dǎo)輪對，主動導(dǎo)軌與主動導(dǎo)輪小圓錐外圓的接觸面為內(nèi)腔斜面，形成主動導(dǎo)軌運動副；選用內(nèi)腔為平面的方形型材作為從動行走機(jī)構(gòu)的從動導(dǎo)軌t2（如圖4），圓柱導(dǎo)輪對為從動導(dǎo)輪對，從動導(dǎo)軌與從動導(dǎo)輪圓柱外圓的接觸面為內(nèi)腔平面，形成與主動導(dǎo)軌運動副相應(yīng)配合的從動導(dǎo)軌運動副；小圓錐主動導(dǎo)輪對、圓柱從動導(dǎo)輪對由T形連接板h與縱向?qū)к塪相連；導(dǎo)軌兩端設(shè)帶型腔的（15 mm）固定板，通過GB/T5782螺栓M16×60，8.8級的緊固件組與方艙縱梁固定連接；主動導(dǎo)軌、從動導(dǎo)軌材質(zhì)為Q235B，小圓錐導(dǎo)輪、圓柱導(dǎo)輪材質(zhì)為QT500-250。

圖4 主從動導(dǎo)軌

2.2 縱向行走機(jī)構(gòu)設(shè)計與選型

考慮移動吊葫蘆行走可靠，選用工字鋼為縱向?qū)к塪（如圖5），大圓錐導(dǎo)輪對為縱向?qū)л唽?，縱向?qū)к壟c大圓錐導(dǎo)輪的接觸面為工字鋼兩側(cè)導(dǎo)槽斜面，形成縱向?qū)к夁\動副，如圖6所示；設(shè)在吊葫蘆體外側(cè)三對大圓錐導(dǎo)輪對，便于吊葫蘆移動到縱向?qū)к壸钔舛?，可增大工作行程；為了方便操作，在縱向?qū)к壙拷鲃訉?dǎo)軌部件上方設(shè)環(huán)形扶手；縱向?qū)к塪為8號工字鋼，Q235B材質(zhì)，大圓錐導(dǎo)輪材料為QT500-250。

圖5 工字鋼

圖6 縱向行走機(jī)構(gòu)

2.3 行走機(jī)構(gòu)連接與鎖緊設(shè)計

圖7 橫向行走機(jī)構(gòu)與縱向?qū)к夁B接示意圖

圖8 移動吊葫蘆與縱向?qū)к夁B接示意圖

橫向行走機(jī)構(gòu)與縱向?qū)к夁B接結(jié)構(gòu)如圖7所示，小圓錐主動導(dǎo)輪對、圓柱從動導(dǎo)輪對分別經(jīng)T形連接板與縱向?qū)к壗呛高B接，移動吊葫蘆經(jīng)固定板與縱向?qū)л唽B接。T形連接板厚度10 mm，材質(zhì)Q235B，移動吊葫蘆固定板為型材鋼板，移動吊葫蘆與縱向?qū)к夁B接如圖8所示。

考慮橫向行走T方向鎖緊問題，在縱向?qū)к壣涎b有橫向鎖緊機(jī)構(gòu)，橫向鎖緊機(jī)構(gòu)與橫向主動導(dǎo)軌相對應(yīng)，如圖7所示；因小圓錐主動導(dǎo)輪對對稱鑲?cè)胫鲃訉?dǎo)軌內(nèi)腔斜面異形槽內(nèi)，當(dāng)運用于車載方艙運輸過程中出現(xiàn)顛簸、轉(zhuǎn)彎時，導(dǎo)輪不會脫軌；扳動偏心鎖緊輪上的手柄即可鎖住縱向機(jī)構(gòu)沿橫向行走T方向移動，為了提高安全可靠性，在偏心鎖緊輪外圓面處粘接耐磨橡膠，增加了偏心鎖緊輪外圓面與橫向主動導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)，有效地解決了縱向機(jī)構(gòu)在橫向方向移動鎖緊問題。

考慮縱向行走D方向鎖緊問題，在移動吊葫蘆殼體上設(shè)縱向鎖緊機(jī)構(gòu)，與8號工字鋼縱向?qū)к壪鄬?yīng)，如圖8所示；旋轉(zhuǎn)手輪即可將移動吊葫蘆鎖在縱向?qū)к壣先我馕恢茫敆U與縱向?qū)к壗佑|面處粘接耐磨橡膠，增加了頂桿與縱向軌道的摩擦因數(shù)，從根本上解決了移動吊葫蘆在縱向方向移動鎖緊問題。

3 移動吊葫蘆設(shè)計與選型

移動吊葫蘆與縱向行走機(jī)構(gòu)形為一體使用，結(jié)構(gòu)與應(yīng)用如圖10所示。起吊最大貨物為120 kg,選用φ8 mm鋼絲繩，卷筒直徑80 mm，升降搖柄力臂150 mm。

圖9 縱向鎖緊機(jī)構(gòu)

圖10 移動吊葫蘆與應(yīng)用

設(shè)鋼絲繩導(dǎo)輪，可以使被吊的物品伸出車載方艙外面，完成裝卸車動作；導(dǎo)軌裝在移動車廂或車載方艙上，在野外路況低速行駛過程中駐車對廂內(nèi)及廂外被裝載設(shè)備及物品的吊裝與移動；可實現(xiàn)廂內(nèi)移動、吊裝，廂外縱向尾部吊裝；吊裝與移動過程依靠手動操作實現(xiàn)；也可以擴(kuò)充到艙船等移動及固定場合使用。

4 部分件校核及有限元分析

4.1 行走機(jī)構(gòu)連接用M16×60螺栓剪切校核

已知起重量Q=120 kg，行車自重g=52 kg，其中縱向行走機(jī)構(gòu)自重g1=30 kg；12個螺栓連接。

螺栓受剪切應(yīng)力為

式中：F′A為螺栓受橫向載荷，N；d0為螺栓受剪直徑，mm；m為螺栓個數(shù)?？紤]車載條件，由式（1）得τ=789 N＜［τ］。

4.2 主動導(dǎo)軌t1有限元分析

考慮1.5倍動載荷系數(shù)和1.2倍的安全系數(shù)，安全運行載荷（SWL）為120 kg×1.5×1.2=270 kg，取300 kg。

用SolidWorks Simulation Xpress軟件分析主動導(dǎo)軌t1靜態(tài)應(yīng)力，夾具固定主動導(dǎo)軌兩端（15 mm）固定板，加載3000 N，取安全系數(shù)2倍，圖11表明，該導(dǎo)軌靜態(tài)應(yīng)力、靜態(tài)位移處在安全范圍內(nèi)。

圖11 主動導(dǎo)軌t1靜態(tài)應(yīng)力位移圖

4.3 T形連接板b有限元分析

選用該連接板厚度10 mm，材質(zhì)Q235B，考慮行車車載等因素，取作用在兩小圓錐主動導(dǎo)輪和圓柱導(dǎo)輪固定孔承受力約3000 N，夾具固定T形平面，SolidWorks Simulation Xpress靜態(tài)分析如圖20、圖21所示。

通過對連接用M16×60螺栓剪切校核、主動導(dǎo)軌t1、T形連接板b的有限元靜態(tài)分析后得出結(jié)論，設(shè)計部件處在安全范圍內(nèi)。

圖12 T形連接板b靜態(tài)應(yīng)力位移圖

5 應(yīng)用情況與分析

設(shè)計的基于車載方艙的手動式雙軌行車通過樣機(jī)試制、型式試驗的驗證，各項指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計要求。樣機(jī)如圖13所示。

圖13 手動式行車圖

圖14 改進(jìn)后主動導(dǎo)軌t1

試驗情況：1）手動式行車與方艙有機(jī)結(jié)合，由自裝卸作業(yè)車裝載完成自裝卸作業(yè)200次、道路行駛性能試驗、6000 km行駛可靠性試驗、240 kg載重強(qiáng)度試驗和用戶適應(yīng)性試驗；2）在傾斜路面段駐車完成方艙內(nèi)15個重80 kg貨物裝卸和方艙與地面吊裝，由人工操作實現(xiàn)橫向行走機(jī)構(gòu)行走與鎖緊、縱向行走機(jī)構(gòu)行走與鎖緊和移動吊葫蘆垂直吊裝，橫向運動副和縱向運動副行走正常，鎖緊動作可靠；3）在試驗過程中，發(fā)現(xiàn)主動導(dǎo)軌、從動導(dǎo)軌與方艙連接固定處有錯位現(xiàn)象，經(jīng)局部整改，在原2個M16螺栓緊固基礎(chǔ)上，配制2個直徑10mm定位銷，防止在行駛過程中再次出現(xiàn)錯位移動異?，F(xiàn)象。

需要進(jìn)一步探討地方：1）球鐵導(dǎo)輪與碳鋼導(dǎo)軌摩擦副進(jìn)一步分析，鎖緊裝置摩擦副的鎖緊力分析，當(dāng)方艙傾斜狀態(tài)時對行走機(jī)構(gòu)移動的影響程度探討；2）在行駛過程中方艙骨架變形因素對導(dǎo)軌固定影響，導(dǎo)軌安裝誤差對行車移動的影響；3）針對基于車載方艙的手動式行車的設(shè)計規(guī)范需要進(jìn)一步明確與制定。

6 結(jié) 論

本課題研制的基于車載方艙的手動式輕便雙軌行車，解決了車載艙體內(nèi)物品手動搬運與吊裝的難題，尤其適用于車載艙體在道路顛簸和從艙體內(nèi)吊到艙外地平面上的情況。目前，該行車已批量運用于某裝備，批量服役于部隊。