集裝箱自裝卸運(yùn)輸車工作裝置鉸點(diǎn)位置對(duì)油缸載荷影響

成 凱，高 健，程 磊

（1.吉林大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130025；2.徐州徐工隨車起重機(jī)有限公司，江蘇 徐州 221000）

隨著我國(guó)物流業(yè)的迅猛發(fā)展，門對(duì)門運(yùn)輸需求也逐步增加.我國(guó)現(xiàn)階段應(yīng)用最多的仍是效率較低、方法單一的裝卸模式：集裝箱運(yùn)輸車輛到達(dá)裝卸貨地點(diǎn)后，再租用集裝箱起重機(jī)或正面吊進(jìn)行裝卸.集裝箱側(cè)面自裝卸運(yùn)輸車是將裝卸與運(yùn)輸結(jié)合在一起的車輛，工作效率高［1］.

對(duì)集裝箱側(cè)面自裝卸運(yùn)輸車（簡(jiǎn)稱側(cè)面吊，下同）的開發(fā)設(shè)計(jì)得到了各大企業(yè)的重視［2－3］.在設(shè)計(jì)初期，工作裝置鉸點(diǎn)位置大多數(shù)時(shí)候都是通過“經(jīng)驗(yàn)＋試驗(yàn)”確定，需要大量人力、物力，研制周期長(zhǎng).基于此，本文從實(shí)際設(shè)計(jì)角度出發(fā)，結(jié)合側(cè)面吊的實(shí)際作業(yè)工況，對(duì)側(cè)面吊工作裝置的鉸點(diǎn)位置進(jìn)行理論研究，并運(yùn)用動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件ADAMS進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，最終得出鉸點(diǎn)位置對(duì)油缸載荷、工作幅度等的影響規(guī)律.圖1所示為側(cè)面吊工作狀態(tài).

1 鉸點(diǎn)位置對(duì)油缸載荷影響的數(shù)學(xué)模型分析

1.1 數(shù)學(xué)模型

將側(cè)面吊工作裝置簡(jiǎn)化為平面動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)［2－5］，包括上吊臂部分（包括上吊臂和上臂油缸）、下吊臂部分（包括下吊臂和下臂油缸）和支座部分等.工作機(jī)構(gòu)由油缸驅(qū)動(dòng)，并且以下臂油缸載荷作為主要研究目標(biāo).坐標(biāo)系設(shè)定如下：橫軸為x，縱軸為y，坐標(biāo)系原點(diǎn)為車架中心線與地面的交點(diǎn).

圖2中各鉸點(diǎn)意義：A為下臂油缸下鉸點(diǎn)，B為下吊臂下鉸點(diǎn)，C為上臂油缸下鉸點(diǎn)，D為下臂油缸上鉸點(diǎn)，E為上臂油缸上鉸點(diǎn)，F(xiàn)為上吊臂上鉸點(diǎn)，G為上吊臂下鉸點(diǎn).

圖1 側(cè)面吊工作狀態(tài)圖Fig.1 Working position of side container crane

圖2 側(cè)面吊工作裝置油缸全收狀態(tài)及邊界Fig.2 Contraction state and boundary of side container crane’cylinders

假設(shè)側(cè)面吊工作裝置在工作過程中某一時(shí)刻狀態(tài)如圖3所示，將側(cè)面吊工作裝置按下吊臂部分和上吊臂部分進(jìn)行分解，將上吊臂部分看作一個(gè)整體，建立下吊臂分離體的力學(xué)平衡方程［5］.

下吊臂部分B點(diǎn)的矩平衡方程為

其中，

對(duì)式（1）進(jìn)行整理，得

作業(yè)幅度方程為

將式（2）代入式（5），得

式中：P1為下臂油缸載荷；lBD，lBG，lGF分別為鉸點(diǎn)BD，BG，GF之間的距離；α為直線AD與直線BD所夾銳角；S為工作裝置的起重力；a為鉸點(diǎn)B與鉸點(diǎn)F之間的水平距離；X為作業(yè)幅度中的遠(yuǎn)度，同時(shí)也是作業(yè)過程中鉸點(diǎn)F的動(dòng)態(tài)橫坐標(biāo)；xB為鉸點(diǎn)B的橫坐標(biāo)；Y為作業(yè)幅度中的高度，同時(shí)也是作業(yè)過程中鉸點(diǎn)F的動(dòng)態(tài)縱坐標(biāo)；yB為鉸點(diǎn)B的縱坐標(biāo)；θ為直線BG與縱軸所夾銳角；γ為直線GF與橫軸所夾銳角.

圖3 側(cè)面吊工作裝置任意工作位置Fig.3 Optional position of side container crane

1.2 各鉸點(diǎn)位置與油缸載荷的關(guān)系

由式（3）可以看出，影響下臂油缸載荷的因素為：S，a，lBD和α.由于起重力S與鉸點(diǎn)位置無關(guān)，在這里不予研究.下面分析各鉸點(diǎn)通過a，lBD，α三個(gè)因素對(duì)油缸載荷P1的影響.

（1）P1隨a的減小而減小.影響a的鉸點(diǎn)有B，G，F(xiàn)三個(gè)鉸點(diǎn).因?yàn)橛凶鳂I(yè)幅度的要求，假定遠(yuǎn)度不變，即式（4）中X不變.由式（6）可知，xB越大，a越小，即鉸點(diǎn)B向右側(cè)移動(dòng)，會(huì)使下臂油缸載荷減小.

（2）lBD越大P1越小.鉸點(diǎn)D向遠(yuǎn)離B點(diǎn)的方向移動(dòng)，對(duì)下臂油缸載荷的影響有利.

（3）sinα越大P1越小，即α越大P1越小.當(dāng)工作幅度X，Y不變時(shí)，影響α的鉸點(diǎn)有A，B，D三個(gè)鉸點(diǎn).如圖4所示，A點(diǎn)向左上移動(dòng)，α變大；如圖5所示B點(diǎn)向右下移動(dòng)，α變大；如圖6所示D點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)，α變大.由此可知，鉸點(diǎn)A向左側(cè)和上側(cè)移動(dòng)，鉸點(diǎn)B向右側(cè)和下側(cè)移動(dòng)，鉸點(diǎn)D向遠(yuǎn)離B點(diǎn)的方向移動(dòng)，都會(huì)使下臂油缸載荷減小，對(duì)下臂油缸載荷的影響有利.如圖7所示，鉸點(diǎn)A，D對(duì)油缸載荷的有利調(diào)整區(qū)域?yàn)閰^(qū)域2，鉸點(diǎn)B的有利調(diào)整區(qū)域?yàn)閰^(qū)域1.

圖4 鉸點(diǎn)A對(duì)α的影響Fig.4 Effect of hinge－point Aonα

圖5 鉸點(diǎn)B對(duì)α的影響Fig.5 Effect of hinge－point Bonα

圖6 鉸點(diǎn)D對(duì)α的影響圖Fig.6 Effect of hinge－point Donα

圖7 有利調(diào)整區(qū)域Fig.7 Beneficial adjustment area

此外，鉸點(diǎn)C和E包含在上吊臂分離體內(nèi)部，對(duì)下臂油缸不產(chǎn)生影響.鉸點(diǎn)A不變，G和F兩點(diǎn)無論如何調(diào)整，對(duì)P1都沒有影響.由式（4）可以看出，當(dāng)γ＝0時(shí)，X可以達(dá)到最大.為了保證作業(yè)幅度需求，在圖2狀態(tài)鉸點(diǎn)G和F應(yīng)該盡量靠近邊界位置.

2 鉸點(diǎn)位置對(duì)油缸載荷影響的動(dòng)力學(xué)仿真試驗(yàn)分析

2.1 動(dòng)力學(xué)仿真模型

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，除了油缸受力這一因素外，還有油缸行程、工作幅度等因素的制約，而動(dòng)力學(xué)仿真能夠?qū)⑦@些因素同時(shí)考慮進(jìn)去.

應(yīng)用ADAMS軟件建立工作裝置的動(dòng)力學(xué)模型，仿真工作裝置的極限工況.模型中包括圖2所示的七個(gè)鉸點(diǎn)，每個(gè)鉸點(diǎn)的坐標(biāo)均作參數(shù)化處理，如A點(diǎn)的橫坐標(biāo)設(shè)置為變量DV＿AX，其他坐標(biāo)如此類推.此外，還包括邊界約束、油缸行程約束、工作幅度約束等.工作裝置模型如圖8所示.

圖8 工作裝置三維模型Fig.8 Three－dimensional dynamic model of side container crane

2.2 各鉸點(diǎn)位置對(duì)油缸載荷的設(shè)計(jì)研究

以下臂油缸載荷為目標(biāo)，對(duì)七個(gè)鉸點(diǎn)共14個(gè)變量進(jìn)行設(shè)計(jì)研究［6］，得出各個(gè)變量的敏感度，如表1所示.

由表1可知，對(duì)下臂油缸載荷影響最大的是DV＿AX，DV＿BX，DV＿BY，DV＿DX，DV＿DY，DV＿GX，DV＿GY這七個(gè)變量.

表1 設(shè)計(jì)變量對(duì)下臂油缸載荷的敏感度Tab.1 Sensitivity of design variables for down cylinder

2.3 各鉸點(diǎn)位置對(duì)油缸載荷的試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了減少計(jì)算量同時(shí)有利于分析，將最重要的的五個(gè)變量DV＿AX，DV＿BY，DV＿DX，DV＿DY，DV＿GY分為兩組進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)［6］.

（1）DV＿AX，DV＿BY與DV＿GY

根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)要求，DV＿AX值域取為［－1 000，－650］，DV＿BY值域取為［1 750，2 450］，DV＿GY值域取為［2 200，2 830］.確定等分水平數(shù)為8.以下臂油缸受力和工作遠(yuǎn)度為研究目標(biāo)，分別進(jìn)行512次試驗(yàn)，得到512組試驗(yàn)結(jié)果.對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理.首先按工作遠(yuǎn)度進(jìn)行排序，在合理的遠(yuǎn)度范圍內(nèi)，均勻地選出八個(gè)遠(yuǎn)度相同的數(shù)組（遠(yuǎn)度變化極小即可認(rèn)為相同）.如對(duì)于遠(yuǎn)度為3 120mm，得到如表2所示數(shù)組.

表2 數(shù)組示例Tab.2 An example of the arrays

為方便觀察變化趨勢(shì)與規(guī)律總結(jié)，在不改變各變量自身相對(duì)變化趨勢(shì)的前提下，對(duì)各組數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，使變量之間相對(duì)大小相近，以便在同一張圖中表示出來.整理所用公式為

式中：U為整理后數(shù)值，即相對(duì)變化量；Qx為數(shù)組中各項(xiàng)（設(shè)計(jì)變量）的第x個(gè)數(shù)（即序號(hào)）；Q1為數(shù)組中各項(xiàng)的第1個(gè)數(shù)；h為縮小因數(shù).數(shù)組中DV＿AX項(xiàng)的縮小因數(shù)h值取為50，DV＿BY項(xiàng)的縮小因數(shù)h值取為100，DV＿GY項(xiàng)的縮小因數(shù)h值取為90，油缸載荷項(xiàng)的縮小因數(shù)h值取為10 000.對(duì)表2中數(shù)據(jù)利用式（7）進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖10所示.

八個(gè)數(shù)組整理后的數(shù)據(jù)繪制成圖9～16.圖中橫坐標(biāo)表示每個(gè)數(shù)組中各項(xiàng)序號(hào)，縱坐標(biāo)表示按照式（7）計(jì)算得出的相對(duì)變化量，正方向表示變大，負(fù)方向表示變小.“力”曲線表示油缸載荷.

圖9 工作遠(yuǎn)度為2 950mm時(shí)各變量變化曲線Fig.9 Variables’curves at a distance of 2 950mm

圖10 工作遠(yuǎn)度為3 120mm時(shí)各變量變化曲線Fig.10 Variables’curves at a distance of 3 120mm

由圖9～16可見，無論DV＿BY與DV＿GY如何變化，只要DV＿AX變化，力曲線總能隨著產(chǎn)生相同的變化.由此可知，DV＿AX對(duì)下臂油缸影響最顯著，下臂油缸載荷隨著DV＿AX的減小而減小.分析圖9中的序號(hào)3與4及5與6，圖10中的序號(hào)3～5，以及其他圖中DV＿AX折線段的水平部分，可以發(fā)現(xiàn)，力曲線的變化趨勢(shì)與DV＿BY相同.所以當(dāng)DV＿AX不變時(shí)，下臂油缸載荷隨著DV＿BY的減小而減小.在變量變化范圍內(nèi)，上述變量對(duì)油缸受力的影響都是單調(diào)的.DV＿GY對(duì)下臂油缸載荷影響規(guī)律不明顯，不難推測(cè)出，DV＿GY的變化是對(duì)應(yīng)不同的DV＿AX和DV＿BY為保證相同工作幅度而做出的調(diào)整.

圖11 工作遠(yuǎn)度為3 310mm時(shí)各變量變化曲線Fig.11 Variables’curves at a distance of 3 310mm

圖12 工作遠(yuǎn)度為3 600mm時(shí)各變量變化曲線Fig.12 Variables’curves at a distance of 3 600mm

圖13 工作遠(yuǎn)度為3 750mm時(shí)各變量變化曲線Fig.13 Variables’curves at a distance of 3 750mm

（2）DV＿DX，DV＿DY與DV＿GY

根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)要求，DV＿DX值域取為［200，550］，DV＿DY值域取為［1 850，2 340］，DV＿GY值域取為［2 200，2 830］.然后采用組（1）的方法進(jìn)行處理，得到圖17～24.圖中橫坐標(biāo)表示每個(gè)數(shù)組中各項(xiàng)序號(hào)，縱坐標(biāo)表示按照式（7）計(jì)算得出的相對(duì)變化量，正方向表示變大，負(fù)方向表示變小.

圖14 工作遠(yuǎn)度為3 950mm時(shí)各變量變化曲線Fig.14 Variables’curves at a distance of 3 950mm

圖15 工作遠(yuǎn)度為4 230mm時(shí)各變量變化曲線Fig.15 Variables’curves at a distance of 4 230mm

圖16 工作遠(yuǎn)度為4 410mm時(shí)各變量變化曲線Fig.16 Variables’curves at a distance of 4 410mm

由圖17～24可以發(fā)現(xiàn)，無論DV＿DY與DV＿GY如何變化，只要DV＿DX變化，力曲線總能隨著產(chǎn)生相同的變化.可見DV＿DX對(duì)油缸影響最顯著，DV＿DX越小，下臂油缸受力越小.DV＿DX減小時(shí)，DV＿DY也要減小，可以推測(cè)出，這是為了滿足工作幅度不變的要求.從圖17中的序號(hào)3～5和6～8，圖18中的序號(hào)3～7，以及其他圖中DV＿DX折線段的水平部分，可以發(fā)現(xiàn)，力曲線的變化趨勢(shì)與DV＿DY相反.可見DV＿DX不變時(shí)，DV＿DY越大，下臂油缸受力越小.在變量變化范圍內(nèi)，上述變量對(duì)油缸受力或工作幅度的影響都是單調(diào)的.與組（1）情況相同，DV＿GY對(duì)下臂油缸載荷影響規(guī)律不明顯，DV＿GY的變化是對(duì)應(yīng)不同的DV＿DX和DV＿DY為保證相同工作幅度而做出的調(diào)整.

圖17 工作遠(yuǎn)度為3 050mm時(shí)各變量變化曲線Fig.17 Variables’curves at a distance of 3 050mm

圖18 工作遠(yuǎn)度為3 150mm時(shí)各變量變化曲線Fig.18 Variables’curves at a distance of 3 150mm

圖19 工作遠(yuǎn)度為3 250mm時(shí)各變量變化曲線Fig.19 Variables’curves at a distance of 3 250mm

圖20 工作遠(yuǎn)度為3 440mm時(shí)各變量變化曲線Fig.20 Variables’curves at a distance of 3 440mm

圖21 工作遠(yuǎn)度為3 650mm時(shí)各變量變化曲線Fig.21 Variables’curves at a distance of 3 650mm

圖22 工作遠(yuǎn)度為3 850mm時(shí)各變量變化曲線Fig.22 Variables’curves at a distance of 3 850mm

圖23 工作遠(yuǎn)度為4 060mm時(shí)各變量變化曲線Fig.23 Variables’curves at a distance of 4 060mm

3 理論分析結(jié)果與仿真試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

對(duì)照?qǐng)D2可以看出，理論分析和仿真試驗(yàn)兩種方法中主要鉸點(diǎn)A，B，D對(duì)下臂油缸載荷影響趨勢(shì)的分析結(jié)果是一致的，鉸點(diǎn)G“主要影響工作幅度”的理論也相同.通過理論分析可知，鉸點(diǎn)C，E對(duì)下臂油缸載荷不產(chǎn)生直接影響，可見理論分析更加全面.通過仿真試驗(yàn)可知，鉸點(diǎn)A的橫向位置和鉸點(diǎn)D的橫向位置對(duì)下臂油缸的影響更顯著，可見仿真試驗(yàn)?zāi)艿贸龈縻q點(diǎn)的影響程度，而且試驗(yàn)數(shù)據(jù)更直觀.理論分析與動(dòng)力學(xué)仿真分析既是相互驗(yàn)證，又是相互補(bǔ)充.

圖24 工作遠(yuǎn)度為4 260mm時(shí)各變量變化曲線Fig.24 Variables’curves at a distance of 4 260mm

4 結(jié)論

（1）下臂油缸下鉸點(diǎn)對(duì)下臂油缸所受載荷影響非常大，位置越靠左，下臂油缸所受載荷越小.在作業(yè)幅度滿足要求的條件下，應(yīng)將此鉸點(diǎn)盡可能靠左側(cè)設(shè)計(jì).

（2）下吊臂下鉸點(diǎn)向下側(cè)或右側(cè)移動(dòng)，都會(huì)使下臂油缸受力減小.因此，在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該在結(jié)構(gòu)允許的條件下，盡可能使此鉸點(diǎn)偏向右下側(cè)，靠近邊界，這樣對(duì)下臂油缸載荷的影響非常有利.

（3）下臂油缸上鉸點(diǎn)距離下吊臂下鉸點(diǎn)越遠(yuǎn)，下臂油缸載荷越小.因此，在滿足作業(yè)幅度與結(jié)構(gòu)要求的條件下，應(yīng)盡量拉大下臂油缸上鉸點(diǎn)與下吊臂下鉸點(diǎn)之間的距離.

（4）上臂油缸的上下鉸點(diǎn)、上吊臂的上下鉸點(diǎn)對(duì)下臂油缸載荷均不產(chǎn)生直接影響，而主要影響作業(yè)幅度.

本文采用的理論分析與仿真試驗(yàn)相結(jié)合的方法可以為同類問題的研究提供參考，得出的結(jié)論可以為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在鉸點(diǎn)位置設(shè)計(jì)及后續(xù)調(diào)整時(shí)提供指導(dǎo)，研究?jī)?nèi)容還可以為鉸點(diǎn)優(yōu)化平臺(tái)的開發(fā)提供理論依據(jù)與數(shù)據(jù)庫支持.

［1］肖獻(xiàn)法.我國(guó)應(yīng)大力發(fā)展公路集裝箱自裝卸系統(tǒng)［J］.商用汽車，2002（10）：34－37.XIAO Xianfa.Self－loading and tipper system of road container should be developed in China［J］.Commercial Vehicle，2002（10）：34－37.

［2］成凱.集裝箱自裝卸運(yùn)輸車用折臂式起重機(jī)的運(yùn)動(dòng)和受力分析［J］.建筑機(jī)械，1995（8）：12－14.CHENG Kai.The movement and force analysis of fold－arm hoist on self－loading and unloading container trailer［J］.Construction Machinery，1995（8）：12－14.

［3］成凱，秦四成，黃海東.集裝箱自裝卸半掛運(yùn)輸車［J］.工程機(jī)械，1996（10）：3－4.CHENG Kai，QIN Sicheng，HUANG Haidong.Self－loading and unloading container trailer［J］.Construction Machinery and Equipment，1996（10）：3－4.

［4］馮曉梅，詹雋秀.集裝箱側(cè)面吊起重機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2004，21（12）：21－25.FENG Xiaomei，ZHAN Juanxiu.Optimization design on lifting mechanism of the side crane［J］.Journal of Machine Design，2004，21（12）：21－25.

［5］張子達(dá)，鄒廣德，劉剛.裝載機(jī)鉸接系統(tǒng)鉸點(diǎn)位置對(duì)鉸點(diǎn)載荷的影響［J］.吉林工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1997（2）：68－72.ZHANG Zida，ZOU Guangde，LIU Gang.Effect of the location of articulated joints of wheel loader on articulated joint load ［J］.Journal of Jilin University of Technology，1997（2）：68－72.

［6］MSC.Software.ADAMS／VIEW 高級(jí)培訓(xùn)教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.MSC.Software.Advanced ADAMS／VIEW training［M］.Beijing：Tsinghua University Press，2004