一種縱向伸縮集裝箱及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)研究

趙柏程 潘庭發(fā)

摘 要：通過對(duì)常用幾種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析，確定了縱向伸縮集裝箱導(dǎo)軌滑塊導(dǎo)向+電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)齒條傳動(dòng)的基本形式，對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置關(guān)鍵零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)選型、理論計(jì)算，使用Visual Basic軟件編程開發(fā)了一個(gè)可視化界面實(shí)現(xiàn)了齒輪參數(shù)計(jì)算與公差查詢，并且通過實(shí)物投產(chǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)集裝箱的縱向伸縮運(yùn)動(dòng)。

關(guān)鍵詞：集裝箱、伸縮、擴(kuò)展、驅(qū)動(dòng)裝置

1.引言

集裝箱具有足夠的強(qiáng)度，可以快速裝卸載，種類多容積大，運(yùn)輸接口適應(yīng)公路、鐵路和水路運(yùn)輸，能長(zhǎng)期反復(fù)使用，具有良好的經(jīng)濟(jì)性，因此作為物流運(yùn)輸載體廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。由于各國(guó)地緣政治的不同及特定的利益導(dǎo)向，近年國(guó)外一些國(guó)家突破傳統(tǒng)觀念進(jìn)行革新設(shè)計(jì)，研制并推出了非常規(guī)的、采用集裝箱運(yùn)輸和FS的隱蔽DD系統(tǒng)—集裝箱式FS系統(tǒng)。為了拓展集裝箱在軍事上的應(yīng)用范圍，設(shè)計(jì)了一種縱向伸縮集裝箱及其驅(qū)動(dòng)裝置。

2.任務(wù)概述

一種縱向伸縮集裝箱應(yīng)能自動(dòng)收攏展開，收攏及展開到位后應(yīng)能可靠鎖定，收攏后外形尺寸與標(biāo)準(zhǔn)45英尺集裝箱（長(zhǎng)×寬×高：13716mm×2438mm×2896mm）相同，展開后長(zhǎng)度為65英尺（19774mm）。

3.技術(shù)分析

該縱向伸縮集裝箱伸縮擴(kuò)展行程為20英尺（6058mm），常用的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)執(zhí)行裝置通常有齒輪齒條、絲桿螺母、曲柄滑塊、凸輪機(jī)構(gòu)、鏈輪鏈條、液壓油缸等方式。

采用齒輪齒條傳動(dòng)應(yīng)用范圍較大，可適應(yīng)于不同行程、不同載荷的場(chǎng)合，且安裝中心距可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，成本低。

采用絲桿螺母裝置傳動(dòng)，受力較大且行程長(zhǎng)選用的絲桿直徑大，擴(kuò)展艙與固定艙之間鉛垂方向安裝距大，成本高。

采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，受力較大且行程長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致機(jī)構(gòu)本體尺寸較大，占用了集裝箱內(nèi)的存儲(chǔ)空間，該裝置只適合行程較小且空間尺寸不受限制的場(chǎng)合。

凸輪機(jī)構(gòu)一般適合受力較小的間歇往復(fù)運(yùn)動(dòng)，比如柴油機(jī)的氣門，無法應(yīng)用于受力工況復(fù)雜且行程較長(zhǎng)的場(chǎng)合。

采用鏈輪鏈條形式適合應(yīng)用受力較大且行程較長(zhǎng)的場(chǎng)合，但是鏈輪鏈條軸線平行于地面布置會(huì)導(dǎo)致擴(kuò)展艙與固定艙之間的安裝高度變高，集裝箱內(nèi)的有效利用空間變小。

采用液壓油缸的形式可適用受力較大且空間尺寸不受限制的場(chǎng)合，當(dāng)行程較長(zhǎng)時(shí)需采用多級(jí)伸縮缸，占用較大的空間尺寸，且液壓油缸需要配置一套液壓系統(tǒng)，難維護(hù)、易泄漏、成本高。

通過上述分析可知縱向伸縮集裝箱擴(kuò)展運(yùn)動(dòng)宜采用齒輪齒條傳動(dòng)形式。

4.縱向伸縮集裝箱設(shè)計(jì)

4.1結(jié)構(gòu)組成

一種縱向伸縮集裝箱主要由固定艙、擴(kuò)展艙、柔性伸縮風(fēng)道、拖鏈、驅(qū)動(dòng)裝置、控制系統(tǒng)、密封條等組成，其中固定艙由固定艙本體、頂蓋一、串鎖一、電動(dòng)缸、維修窗、后雙開門等組成，擴(kuò)展艙由擴(kuò)展艙本體、頂蓋二、串鎖二、電動(dòng)缸、隔艙、前雙開門等組成，如下圖所示。

驅(qū)動(dòng)裝置由動(dòng)力裝置（伺服電機(jī)、行星減速機(jī)、齒輪、過渡座、安裝座）導(dǎo)軌滑塊、齒條、伺服支腿、輔助滾輪、控制箱等組成。如下圖所示。

4.2工作原理

一種縱向伸縮集裝箱擴(kuò)展艙通過四方向等載荷滾柱滑塊導(dǎo)軌導(dǎo)向，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)大速比行星減速機(jī)、齒輪旋轉(zhuǎn)，齒輪齒條嚙合帶動(dòng)擴(kuò)展艙沿導(dǎo)軌作直線運(yùn)動(dòng)，在初始狀態(tài)下，擴(kuò)展艙由后端的滑塊與前端輔助滾輪支撐，擴(kuò)展艙伸出700mm后，此時(shí)伺服支腿開始伸出與地面接觸，輔助滾輪可在伺服支腿未伸出以及伸出后虛腿時(shí)起支撐作用，以減輕滑塊載荷，提高滑塊使用壽命。集裝箱的擴(kuò)展艙與固定艙的頂蓋均為雙開頂形式，采用電動(dòng)推桿為動(dòng)力開蓋，頂蓋可開啟90°可實(shí)現(xiàn)載體快速在箱內(nèi)起吊裝卸。在集裝箱內(nèi)設(shè)置固定風(fēng)道、柔性伸縮風(fēng)道實(shí)現(xiàn)將擴(kuò)展艙內(nèi)的熱冷風(fēng)輸送至固定艙指定位置。通過拖鏈裝置實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展艙與固定艙之間電力、信號(hào)互聯(lián)互通。

5.伸縮驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

5.1導(dǎo)軌滑塊選型計(jì)算

擴(kuò)展艙重心分布及驅(qū)動(dòng)裝置安裝形式如下圖所示。

根據(jù)滑塊布置情況，將運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型計(jì)算滑塊在使用過程中的等效載荷，如下圖所示。

5.2阻力矩計(jì)算

a）滑塊承載懸臂工況

四方向等載荷滾柱滑塊的滾動(dòng)摩擦系數(shù)f=0.01左右，根據(jù)上述計(jì)算可知每個(gè)滑塊處的等效載荷代入計(jì)算可知F摩1=3429.33N。

在8級(jí)風(fēng)21m/s的環(huán)境條件下，根據(jù)伯努利方程動(dòng)壓計(jì)算簡(jiǎn)化公式wp=v2/1600可以計(jì)算出8級(jí)風(fēng)速條件下的動(dòng)壓為0.276（kN/m2），最大迎風(fēng)面積為14.67m2，風(fēng)載荷F風(fēng)=4048.9N，根據(jù)力矩平衡計(jì)算滑塊在風(fēng)載荷作用下的側(cè)向載荷，受力簡(jiǎn)圖如下圖所示。

6.不足之處

集裝箱擴(kuò)展艙在伸縮過程中只能在路面平整的堅(jiān)實(shí)水泥路面使用，伺服支腿無法實(shí)時(shí)伸縮適應(yīng)較大變化的路面形態(tài)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)方向有較大的凸起對(duì)支腿的沖擊傳遞到導(dǎo)軌滑塊、齒輪齒條及減速機(jī)，當(dāng)遇到路面較大的凹坑時(shí)，伺服支腿與地面無接觸，擴(kuò)展艙相當(dāng)于懸臂安裝，此時(shí)滑塊承受傾翻力矩，兩種情況均影響其使用壽命。后續(xù)產(chǎn)品擬在伺服支腿上進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高對(duì)路面的適應(yīng)能力，減小對(duì)減速機(jī)、齒輪齒條、導(dǎo)軌滑塊的沖擊振動(dòng)。

7.結(jié)束語

本文通過對(duì)縱向伸縮集裝箱的伸縮擴(kuò)展運(yùn)動(dòng)需求分析，綜合對(duì)比多種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)了導(dǎo)軌滑塊+齒輪齒條+輔助滾輪+伺服支腿的驅(qū)動(dòng)裝置，通過實(shí)物驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了“集裝箱具備自動(dòng)擴(kuò)展收攏功能，收攏及展開到位后能可靠鎖定，收攏后外形尺寸為45英尺，擴(kuò)展后長(zhǎng)度為65英尺”目標(biāo)。

伸縮集裝箱的設(shè)計(jì)，會(huì)受到載體外形尺寸、工作方式及箱體安裝空間的限制，需要根據(jù)具體情況選擇合適的技術(shù)路徑，本文的縱向伸縮集裝箱及其驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)，可以為集裝箱運(yùn)輸及FS載體設(shè)計(jì)提供一種借鑒。

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趙柏程（1988-10），男，湖南人，工程師，本科，主要研究方向：方艙、特種改裝車輛的研發(fā)工作。

潘庭發(fā)（1983-02），男，廣西人，工程師，本科，主要研究方向：通信車輛系統(tǒng)集成的研發(fā)工作。