一種整體自裝卸車的設(shè)計(jì)

張?zhí)?齊蘭 李成 陳勇

遼寧陸平機(jī)器股份有限公司 遼寧鐵嶺 112001

1 前言

整體自裝卸車是一種集裝卸、運(yùn)輸、集裝化存儲(chǔ)為一體的運(yùn)載車輛，主要分為順裝式和側(cè)裝式兩種形式，能夠?qū)崿F(xiàn)多艙一車的配置，極大節(jié)省運(yùn)輸車資源。整體自裝卸車機(jī)動(dòng)、靈活，能在丘陵、山地等復(fù)雜地形上快速機(jī)動(dòng)；輔助隨車自裝卸系統(tǒng)，能在較短時(shí)間內(nèi)完成方艙、集裝箱、整裝物資或托盤化裝備的自裝卸作業(yè)。

筆者設(shè)計(jì)的一種整體自裝卸車，采用順裝伸縮臂結(jié)構(gòu)，能夠滿足額定質(zhì)量5 600 kg的裝載需要，可裝卸4 m方艙或集裝箱，裝載托盤的長(zhǎng)度不小于4 100 mm。當(dāng)裝卸物存放平面低于車輛停放平面時(shí)，能夠正常裝卸作業(yè)；車輛在側(cè)坡作業(yè)、縱坡作業(yè)，或車輛縱向與裝卸物資縱向存在夾角時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)裝卸物資與自裝卸車的導(dǎo)正、對(duì)中，完成不對(duì)正情況下的裝卸作業(yè)。

2 自裝卸車設(shè)計(jì)

順裝伸縮臂整體自裝卸車，采用新一代某品牌中型高機(jī)動(dòng)性通用戰(zhàn)術(shù)車輛（6×6）作為載體，上裝自裝卸機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、后視系統(tǒng)等，可自行裝卸4 m方艙、集裝箱、托盤化整裝物資，自裝卸車組成見圖1。

2.1 自裝卸機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

自裝卸機(jī)構(gòu)是整體自裝卸車的核心部件，采用順裝伸縮臂式結(jié)構(gòu)，主要由副車架、舉升臂、舉升臂油缸、吊鉤臂、吊鉤臂油缸、導(dǎo)向裝置及限位裝置等組成。副車架縱梁與汽車底盤縱梁固定為一個(gè)剛性整體；舉升臂下端鉸接在副車架中后部橫梁上；舉升臂油缸沿副車架縱向中心線進(jìn)行對(duì)稱布置，下端鉸接在副車架前部橫梁上，上端鉸接在舉升臂中部?jī)蓚?cè)。吊鉤臂套裝在舉升臂內(nèi)，在吊鉤臂油缸的作用下，沿舉升臂內(nèi)腔做往復(fù)運(yùn)動(dòng)；吊鉤臂油缸一端鉸接在滑動(dòng)臂端部，一端鉸接在舉升臂內(nèi)腔下端。自裝卸機(jī)構(gòu)效果見圖2。

圖1 順裝整體式伸縮臂自裝卸車

圖2 自裝卸機(jī)構(gòu)效果圖

整體自裝卸車需具備額定提升5 600 kg重物的能力，故采用ADAMS軟件，仿真裝載、卸載的全過程和動(dòng)態(tài)受力曲線，合理設(shè)計(jì)裝卸運(yùn)動(dòng)軌跡，分析自裝卸系統(tǒng)最大受力，自裝卸機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析如圖3所示。

設(shè)計(jì)過程中，采用Abaqus軟件進(jìn)行有限元分析和強(qiáng)度校核，有限元單元類型為實(shí)體四面體單元。許用應(yīng)力[σ]=σs/n，σs為材料的屈服強(qiáng)度，σmax為最大計(jì)算應(yīng)力，不同工況下，最大計(jì)算應(yīng)力由受力分析軟件自動(dòng)運(yùn)算得出。σmax<[σ]時(shí)強(qiáng)度滿足要求，反之則不滿足要求?？紤]零部件的重要程度、載荷計(jì)算及強(qiáng)度極限等因素，取安全系數(shù)n=2。HG60材質(zhì)，屈服強(qiáng)度460 MPa，則許用應(yīng)力為230 MPa；HG70材質(zhì)，屈服強(qiáng)度590 MPa，則許用應(yīng)力為295 MPa；45#鋼，屈服強(qiáng)度360 MPa，則許用應(yīng)力為180 MPa；鋼質(zhì)材料彈性模量206 MPa，泊松比為0.3，密度7 8 50 kg/m3。

圖3 自裝卸機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

2.1.1 基本參數(shù)確定

設(shè)計(jì)時(shí)，先確定自裝卸機(jī)構(gòu)長(zhǎng)度和高度，自裝卸機(jī)構(gòu)長(zhǎng)度是指吊鉤鉤心到直滾輪軸線的水平距離，自裝卸機(jī)構(gòu)高度是指吊鉤頂端到副車架下平面的垂直距離。

通過總體布置，壓縮吊鉤臂前端液壓油箱和電控箱等結(jié)構(gòu)件的尺寸；滾輪設(shè)置在副車架后橫梁上方，后橫梁與底盤縱梁后端面平齊，此處支撐位置最佳。在不改變底盤車架尺寸、保持底盤原有性能的前提下，確定自裝卸機(jī)構(gòu)長(zhǎng)度尺寸為4 016 mm，尺寸示意見圖4（a）。

自裝卸機(jī)構(gòu)吊鉤中心距托盤導(dǎo)軌承載面的距離1 570 mm，在運(yùn)輸空托盤狀態(tài)下，整車總高不超過3 100 mm，裝卸時(shí)確保自裝卸機(jī)構(gòu)任何部位不與托盤發(fā)生干涉，吊鉤臂自身高度滿足極限條件下的作業(yè)需求，充分利用底盤前、中、后橋彈性元件的剛度特性值差異（即各橋中心處車架上表面離地高度的不同），確定自裝卸機(jī)構(gòu)高度為1 917 mm。自裝卸機(jī)構(gòu)與底盤組裝后，在運(yùn)載空托盤狀態(tài)下，吊鉤最高外沿距地3 085 mm，尺寸示意見圖4（b）。

圖4 自裝卸結(jié)構(gòu)尺寸

2.1.2 副車架結(jié)構(gòu)

副車架是自裝卸機(jī)構(gòu)的安裝平臺(tái)，是上裝貨物的承載平臺(tái)，承載和固定方艙、集裝箱和托盤化整裝物資。副車架主要由左、右縱梁、各橫梁、舉升臂鉸支座、舉升臂油缸前鉸支座、托盤支承座（滾動(dòng)支承座、滑動(dòng)支承座）、托盤鎖止鉤、連接板等組成。為充分利用底盤自身的剛強(qiáng)度，滿足額定質(zhì)量5 600 kg的裝載需要，副車架縱梁與汽車底盤縱梁采用剛性接觸結(jié)構(gòu)，通過連接板和螺栓固定為一個(gè)剛性整體，此種連接方式，有利于在自裝卸過程中，利用底盤車架自身的剛強(qiáng)度提高副車架的剛強(qiáng)度，利于副車架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化。副車架結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 副車架結(jié)構(gòu)圖

副車架各主要梁構(gòu)件采用6 mm厚HG60優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼冷彎成形，再組焊成一體。外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為4 750 mm×1 610 mm×303 mm。左、右縱梁截面采用Z字型結(jié)構(gòu)，保證上裝寬度空間滿足裝卸機(jī)構(gòu)的布置要求。經(jīng)計(jì)算，副車架最大計(jì)算應(yīng)力為207.4 MPa，小于許用應(yīng)力230 MPa，強(qiáng)度滿足要求。副車架有限元分析見圖6。

圖6 副車架有限元分析

2.1.3 舉升臂和吊鉤臂

舉升臂長(zhǎng)度和翻轉(zhuǎn)軸位置、吊鉤臂伸縮行程，是設(shè)計(jì)自裝卸機(jī)構(gòu)時(shí)重點(diǎn)考慮的參數(shù)。裝卸時(shí)，前橋車輪不能離地，后橋不能超載；吊鉤臂伸縮行程要保證托盤裝載到位，與舉升臂預(yù)留適宜的重合長(zhǎng)度；吊鉤中心的運(yùn)動(dòng)軌跡盡可能低，以減小托盤的裝卸角，托盤與自裝卸車尾部不發(fā)生干涉；舉升臂油缸的作用力臂盡量大，工作行程盡量小。

按上述設(shè)計(jì)要求和作業(yè)工況，確定舉升臂長(zhǎng)度為1 665 mm，吊鉤臂與舉升臂重合長(zhǎng)度為470 mm，吊鉤臂最大行程為850 mm，吊鉤臂油缸閉合長(zhǎng)度為1 310 mm。舉升臂油缸閉合長(zhǎng)度為1 900 mm，最大行程為1 380 mm。裝卸作業(yè)時(shí)，舉升臂最大擺動(dòng)角度可達(dá)141°，在裝卸物存放平面低于自裝卸車停放平面時(shí)，可進(jìn)行正常裝卸作業(yè)。舉升臂和吊鉤臂工作狀態(tài)見圖7。

圖7 舉升臂和吊鉤臂工作狀態(tài)

舉升臂橫截面設(shè)計(jì)成箱形結(jié)構(gòu)，采用6 mm厚HG70優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼冷彎成形，再組焊成一體，局部進(jìn)行加強(qiáng)。舉升臂后端為鉸接軸套，通過翻轉(zhuǎn)軸與副車架舉升臂鉸支座相聯(lián)；中部為油缸后鉸支座；內(nèi)腔設(shè)有吊鉤臂油缸鉸接軸套，用于吊鉤臂油缸的鉸接固定。經(jīng)有限元分析和計(jì)算，舉升臂最大計(jì)算應(yīng)力為156 MPa，小于許用應(yīng)力295 MPa，強(qiáng)度滿足要求。舉升臂有限元分析見圖8（a）～（c）。

吊鉤臂整體為L(zhǎng)型，水平部分設(shè)計(jì)成等截面箱形結(jié)構(gòu)，垂直部分設(shè)計(jì)成上小下大的變截面箱形結(jié)構(gòu)，采用6 mm厚HG70優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼冷彎成形，再組焊成一體，局部進(jìn)行加強(qiáng)。吊鉤臂下部設(shè)油缸前鉸接軸套，頂端設(shè)置吊鉤，吊鉤選用45#鋼，調(diào)質(zhì)處理。吊鉤設(shè)計(jì)時(shí)，保證托盤吊環(huán)在吊鉤內(nèi)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，減小運(yùn)動(dòng)沖擊，避免產(chǎn)生脫鉤現(xiàn)象，兼顧掛鉤、摘鉤方便性，對(duì)吊鉤頭部形狀進(jìn)行優(yōu)化，在保證吊鉤強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，通過改變導(dǎo)向段曲率半徑，合理設(shè)計(jì)吊鉤線形，外曲面和內(nèi)曲面均采用二次曲面。裝卸時(shí)吊鉤狀態(tài)見圖9。

經(jīng)有限元分析和計(jì)算，吊鉤臂最大計(jì)算應(yīng)力為251.3 MPa，小于許用應(yīng)力295 MPa，強(qiáng)度滿足要求；吊鉤最大計(jì)算應(yīng)力為94.97 MPa，小于許用應(yīng)力180 MPa，強(qiáng)度滿足要求；吊鉤臂有限元分析見圖8（a）、（b）、（d）、（e）。

2.1.4 導(dǎo)向裝置和后橫梁

圖8 舉升臂和吊鉤臂有限元分析

圖9 裝卸作業(yè)時(shí)吊鉤狀態(tài)

導(dǎo)向裝置是自裝卸車裝卸作業(yè)的專用導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，設(shè)置在副車架后橫梁上兩側(cè)，包括一對(duì)水平滾輪和一對(duì)斜滾輪。托盤導(dǎo)軌與水平滾輪接觸，有效減小裝卸過程中的摩擦阻力，降低系統(tǒng)工作壓力，同時(shí)延長(zhǎng)托盤導(dǎo)軌的使用壽命。根據(jù)托盤導(dǎo)向角度和結(jié)構(gòu)空間要求，斜滾輪傾角設(shè)計(jì)為24°，當(dāng)車輛在側(cè)坡上作業(yè)，或車輛縱向與托盤縱向存在夾角，依靠斜滾輪的斜度使托盤產(chǎn)生側(cè)向力，使托盤與自裝卸車導(dǎo)正、對(duì)中；同時(shí)，利用高度的變化，限制托盤導(dǎo)軌脫離水平滾輪。導(dǎo)向裝置和后橫梁結(jié)構(gòu)見圖10。

圖10 導(dǎo)向裝置和后橫梁

滾輪均選用45#鋼，調(diào)質(zhì)處理。后橫梁采用6 mm厚HG60優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼冷彎成形，再組焊成一體。經(jīng)有限元分析和計(jì)算，滾輪最大計(jì)算應(yīng)力為95.59 MPa，小于許用應(yīng)力180 MPa，強(qiáng)度滿足要求；后橫梁最大計(jì)算應(yīng)力為191.1 MPa，小于許用應(yīng)力230 MPa，強(qiáng)度滿足要求；導(dǎo)向裝置和后橫梁有限元分析見圖11。

圖11 導(dǎo)向裝置和后橫梁有限元分析

2.1.5 限位裝置

限位裝置是自裝卸車中固定和限位托盤的主要部件，設(shè)計(jì)成五點(diǎn)限位結(jié)構(gòu)，采用吊鉤和左右兩側(cè)鎖止鉤三點(diǎn)限位，在托盤導(dǎo)軌前端設(shè)置兩個(gè)限位錐銷，提高裝卸過程和越野行駛時(shí)的可靠性和安全性。限位裝置結(jié)構(gòu)見圖12。

圖12 限位裝置

2.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整體自裝卸車裝卸方艙、集裝箱、托盤化整裝物資時(shí)，自裝卸機(jī)構(gòu)采用全液壓驅(qū)動(dòng)形式。利用汽車底盤的動(dòng)力，通過加裝取力器，帶動(dòng)液壓泵運(yùn)轉(zhuǎn)，輸出具有壓力能的液壓油分別進(jìn)入不同的系統(tǒng)回路中，其方向、壓力、流量被控制元件調(diào)控后，經(jīng)管路傳輸?shù)礁鲌?zhí)行元件中，實(shí)現(xiàn)各機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。液壓系統(tǒng)包含2個(gè)基本回路，即舉升臂回路和吊鉤臂回路，主要由斜軸式軸向柱塞泵、負(fù)載敏感比例多路閥、平衡釋放閥、雙向平衡閥、行程控制閥、防爆閥、手動(dòng)泵、舉升臂油缸、吊鉤臂油缸、液壓管路及附件等組成，液壓系統(tǒng)原理見圖13。

經(jīng)計(jì)算，確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)如下，系統(tǒng)工作壓力為27 MPa，系統(tǒng)流量為56 L/min，泵工作轉(zhuǎn)速為1 300 r/min。液壓系統(tǒng)采用電控操作和手動(dòng)操作兩種操作方式。

2.3 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電控系統(tǒng)采用PLC控制系統(tǒng)，控制器將采集的輸入信號(hào)和反饋信號(hào)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，輸出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)裝、卸動(dòng)作的“一鍵式”操作和有序動(dòng)作；實(shí)現(xiàn)油缸伸、縮速度的無級(jí)調(diào)節(jié)；檢測(cè)和指示各類故障信息，避免出現(xiàn)危險(xiǎn)狀態(tài)。

電控系統(tǒng)采用底盤電源供電，主要由PLC控制器、電控操作裝置、接近傳感器、濾油傳感器、比例電磁閥、指示燈等組成，原理框圖見圖14。

PLC控制器選用專門為行走機(jī)械控制而設(shè)計(jì)的C101-A可編程控制器，該控制器電磁兼容性好，功能強(qiáng)且可寬溫使用，抗沖擊，適合車載工況。C101-A控制器采用SmartPLC嵌入式操作系統(tǒng)和OpenPCS開發(fā)軟件，完全兼容國(guó)際PLC標(biāo)準(zhǔn)的IEC61131-3，界面友好且編程靈活。C101-A控制器集成在電控箱內(nèi)，安裝在駕駛室后左側(cè)，其安裝位置見圖15。

圖13 液壓系統(tǒng)原理圖

圖14 電控系統(tǒng)原理框圖

電控系統(tǒng)設(shè)置了駕駛室內(nèi)操作和駕駛室外有線遙控器操作兩種方式，通過操作電控手柄實(shí)現(xiàn)“一鍵式”裝、卸動(dòng)作。系統(tǒng)中設(shè)置6組傳感器，輸出信號(hào)均傳給PLC控制器，傳感器的布局見圖16，1、2位設(shè)置濾油傳感器，用于判斷液壓系統(tǒng)中回油和高壓濾油器是否堵塞；3、4位和5、6位設(shè)置接近傳感器，用于檢測(cè)各動(dòng)作機(jī)構(gòu)的位置狀態(tài)，其中，3、4位用于檢測(cè)吊鉤臂裝卸是否到位，5、6位用于檢測(cè)舉升臂裝卸是否到位。

圖16 傳感器布局

圖17 視頻主機(jī)

2.4 后視系統(tǒng)設(shè)計(jì)

人員在駕駛室內(nèi)操作時(shí)，無法從后視鏡觀察尾部裝卸作業(yè)情況，存在作業(yè)危險(xiǎn)。為了提高安全性和可操作性，加裝了后視系統(tǒng)，見圖17。

后視系統(tǒng)的7″視頻主機(jī)安裝在儀表盤上方（靠近駕駛員座位），共配置三個(gè)攝像頭：第一個(gè)位于車輛尾部中間，用于倒車影像觀察；第二個(gè)位于車輛尾部左側(cè)，用于在側(cè)面觀察吊鉤臂、舉升臂的運(yùn)動(dòng)情況；第三個(gè)位于駕駛室頂部，用于俯視觀察整個(gè)吊裝過程。影像既可單屏顯示，也可同時(shí)多屏顯示。

后視系統(tǒng)預(yù)留通信接口，采用CAN總線通信方式，通過與PLC通信，實(shí)現(xiàn)裝卸信息顯示和語音提醒功能。系統(tǒng)配置測(cè)距探頭，可探測(cè)、顯示本車與待裝卸物之間的距離。

3 基本性能試驗(yàn)

研制樣車產(chǎn)成后，進(jìn)行了機(jī)、電、液系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)試，保證自裝卸機(jī)構(gòu)工作動(dòng)作準(zhǔn)確、安全和可靠。調(diào)試過程按空轉(zhuǎn)、空載、負(fù)載裝卸幾個(gè)階段分別進(jìn)行。調(diào)試后，進(jìn)行了質(zhì)量和尺寸參數(shù)測(cè)量、裝卸時(shí)間測(cè)試和短途行駛試驗(yàn)。為驗(yàn)證性能指標(biāo)，進(jìn)行了應(yīng)力測(cè)試，測(cè)試各種作業(yè)工況下，舉升臂、吊鉤臂、吊鉤、副車架等主要結(jié)構(gòu)件在各種作業(yè)工況的最大應(yīng)力；進(jìn)行了液壓系統(tǒng)參數(shù)測(cè)試，包括液壓系統(tǒng)的壓力、流量和溫度，液壓系統(tǒng)測(cè)試見圖18。測(cè)試數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)方案計(jì)算結(jié)果基本吻合。

圖18 液壓系統(tǒng)測(cè)試

針對(duì)通用托盤、罐體托盤等裝載工況，進(jìn)行了極限作業(yè)能力測(cè)試；裝卸物存放平面低于車輛停放平面裝卸作業(yè)，高度大于400 mm；裝卸物與車輛縱向夾角作業(yè)，夾角大于10°；側(cè)坡作業(yè)，坡度大于10%；縱坡作業(yè)，坡度大于20%；各裝載工況和極限作業(yè)工況下，均可進(jìn)行正常裝卸作業(yè)。按標(biāo)準(zhǔn)的要求，在專用試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了長(zhǎng)途行駛、循環(huán)作業(yè)可靠性、高低溫等性能試驗(yàn)，結(jié)果各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

本文分析了基于某中型高機(jī)動(dòng)性底盤的順裝伸縮臂整體自裝卸車的功能，詳細(xì)介紹了自裝卸車的設(shè)計(jì)，進(jìn)行作業(yè)工況的運(yùn)動(dòng)分析，對(duì)自裝卸機(jī)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析和校核。樣車產(chǎn)成后，進(jìn)行了各項(xiàng)基本性能試驗(yàn)，驗(yàn)證了理論計(jì)算的準(zhǔn)確性、設(shè)計(jì)方案的合理性和可行性。

該自裝卸車已研制成功，機(jī)、電、液系統(tǒng)動(dòng)作安全、穩(wěn)定、可靠，滿足使用要求，為同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn)。隨著第三代中型高機(jī)動(dòng)性戰(zhàn)術(shù)車輛的廣泛應(yīng)用，該自裝卸車應(yīng)用范圍也將越來越大。