鉸接式抱罐車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計

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：

即

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。

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