甩掛運輸車輛的改造技術(shù)

王 琦

（包鋼集團機械化有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

引言

甩掛運輸是指牽引車按照預(yù)定的運行計劃，在貨物裝卸作業(yè)點甩下所拖的掛車，換上其他掛車?yán)^續(xù)運行的運輸組織方式。

與傳統(tǒng)運輸方式相比，甩掛運輸具有明顯優(yōu)勢：一是減少裝卸等待時間，加速牽引車周轉(zhuǎn)，提高運輸效率和勞動生產(chǎn)率；二是減少車輛空駛和無效運輸，降低能耗和廢氣排放；三是節(jié)省貨物倉儲設(shè)施，方便貨主，減少物流成本；四是便于組織水路運輸、鐵路運輸?shù)榷嗍铰?lián)運，促進綜合運輸?shù)陌l(fā)展。甩掛運輸在國際上得到了廣泛的推廣應(yīng)用，已經(jīng)成為非常普遍的先進運輸組織方式。發(fā)展甩掛運輸對于降低物流成本，推動現(xiàn)代物流和綜合運輸發(fā)展，促進節(jié)能減排，提升經(jīng)濟運行整體質(zhì)量具有重要意義。我國的甩掛運輸方式處于國家采取措施引導(dǎo)和推動的階段，相關(guān)技術(shù)、政策也在摸索試驗過程中。

包鋼集團機械化有限公司（以下簡稱我公司）包鋼煉鋼廠8、9號轉(zhuǎn)爐廢鋼原料運輸過程中，由于卸料隨著煉鋼生產(chǎn)的節(jié)奏進行，等待卸車時間較長，限制了車輛、人員的工作效率。為此，研究改造該處的運輸車輛，使1臺牽引車能拖掛2臺或多臺半掛車，以實現(xiàn)甩掛運輸?shù)慕M織方式。

1 運輸車輛技術(shù)改造設(shè)計

1.1 目標(biāo)

將牽引車與掛車分別進行改造，實現(xiàn)主、掛快速自動分離的目標(biāo)。

1.2 技術(shù)改造方法

通過加裝液壓系統(tǒng)，將牽引車的鞍座變?yōu)樽詣由蛋白瑸闋恳嚺c半掛車的順利分離提供了必需的條件。

制作新的矩形可折疊鋼結(jié)構(gòu)支腿，安裝在原支腿位置；加裝氣動裝置實現(xiàn)對支腿起落的氣動控制。同時為增加支腿的安全穩(wěn)定性，加裝橫拉板及氣動鎖銷固定。

1.3 牽引車與掛車的分離方法

牽引車鞍座由液壓缸頂升抬高一定距離，氣動支腿通過電磁閥控制支起并固定，之后將鞍座泄壓回位，牽引車與半掛車之間產(chǎn)生可分離間隙，實現(xiàn)主掛分離。改造后的車輛主掛分離前、后如圖1、圖2所示。

圖1 廢鋼運輸車

圖2 分離后的掛車

2 鞍座處、支腿處的受力計算

2.1 車輛受力模型確定

汽車傳統(tǒng)設(shè)計理論認(rèn)為，在縱梁設(shè)計中，通常只對縱梁進行簡化的彎曲強度計算，以確定縱梁的截面尺寸。根據(jù)上述理論設(shè)計縱梁時做如下假設(shè)：

1）縱梁為支承在牽引銷和后輪上的簡支梁；

2）空車時的荷載質(zhì)量均布在左右兩縱梁的全長上，滿載時的有效載荷則均布在承載面的全長上；

3）所有作用力均通過承載面彎曲（忽略不記局部扭轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的影響）。

所以在分析半掛車承載情況、受力狀況、建立數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)模型工作時，以車輛縱梁承載情況和受力狀況設(shè)計計算的力學(xué)模型為依據(jù)進行計算，盡管實際承受載荷情況錯綜復(fù)雜，總得來說，掛車主要承受靜載荷和動載荷（對稱垂直、斜對稱），可把掛車結(jié)構(gòu)簡化為支承在牽引銷和后軸上的簡支梁做彎曲強度計算。因車架結(jié)構(gòu)左右對稱受力相差不大，所以可假設(shè)其所有荷載均作用在中部的軸線上，用傳統(tǒng)的設(shè)計理論進行強度計算。

2.2 受力計算

2.2.1 車體各個部分的質(zhì)量

廢鋼運輸半掛車板質(zhì)量約10×103kg（不包括輪胎重量）、廢鋼槽質(zhì)量20×103kg、槽內(nèi)廢鋼最大裝載質(zhì)量40×103kg，則半掛車車架合計總質(zhì)量為70×103kg。

考慮到實際使用過程中車輛主梁的局部變形、裝卸料時受到的沖擊力等不確定因素，半掛車車架設(shè)計最大荷載G按照實際荷載的1.5倍計算。

2.2.2 軸荷分配

如圖3所示，半掛車承受縱向單位線長度均勻載荷qa，有：

圖3 半掛車車架支反力計算簡圖

式中：RA為前支承（牽引銷）反力；RB為后支承反力；R′B為后鋼板彈簧前支承反力；R″B為后鋼板彈簧后支承反力；L2為后鋼板彈簧兩支承點距離為車架單位長度線載荷：

式中：G為車架總質(zhì)量，G0為車架自身質(zhì)量，Gt為車架滿載均布載荷。

廢鋼半掛車整車長度La＝11 000mm

當(dāng)鞍座被舉起時，半掛車受力模型簡圖如圖4。

圖4 鞍座舉升時車架支反力簡圖

由圖4中可知：L＝7 010mm、Lk＝2 890mm，則：鞍座處支承力RA由公式

求得：

后支承處支承反力RB由公式RB＝qaLa－RA計算得出：

這說明，在主掛分離時鞍座處需舉起的荷載為383.14kN，而雙后橋承受的力為646kN。

當(dāng)主車與掛車分離后，半掛車受力模型簡圖如下頁圖5。

由圖5可知：L＝4 360mm、Lk＝2 890mm，則：處支承力RA由公式：

圖5 支腿支撐時車架支反力簡圖

求得：

后支承處支承反力RB由公式RB＝qaLa－RA計算得出：

這說明，主掛分離后掛車支腿處承受的壓力為616kN，每條支腿承受的壓力為308kN［1］。

3 牽引車自動升降鞍座系統(tǒng)的設(shè)計

為實現(xiàn)鞍座的自動升降，需在鞍座下方、牽引車車架結(jié)構(gòu)上加裝一套液壓機構(gòu)，主要部件包括：翻轉(zhuǎn)橫軸及梁間襯板、軸套、升降縱梁、面板，車架主梁間垂直承力襯板，U型底座，液壓缸底銷座、液壓缸。

3.1 實施方法

在牽引車車架主梁內(nèi)側(cè)，利用原車架上的孔對稱固定液壓機構(gòu)。動力取自主車上的取力器，液壓系統(tǒng)按照選取的液壓缸進行系統(tǒng)配置。主要結(jié)構(gòu)形式如圖6。

圖6 自動升降鞍座結(jié)構(gòu)示意圖（mm）

3.2 液壓缸的選擇

3.2.1 液壓缸的類型及安裝方式選擇

由鞍座的運動方式?jīng)Q定了液壓缸的類型為單作用活塞式［1，2］。

根據(jù)液壓缸標(biāo)準(zhǔn)安裝方式、其適用的場合以及設(shè)計擬安裝的位置，我們選擇耳環(huán)連接的上下均帶絞支的擺動液壓缸，缸體的額定負(fù)荷不低于383kN。

3.2.2 液壓缸參數(shù)確定

已知：需要移動的質(zhì)量和所需要的力≥383kN；工作壓力≥25MPa。

根據(jù)負(fù)載大小、選定系統(tǒng)工作壓力計算液壓缸的內(nèi)徑D。

式中：D為液壓缸內(nèi)徑（m）；F為液壓缸的推力（kN）；P 為選定的工作壓力（MPa）。

由于鞍座下的液壓缸支座處中間有一根牽引車的傳動軸通過，因此需將液壓缸放置在傳動軸的兩邊，這樣就產(chǎn)生偏心現(xiàn)象，液壓缸的內(nèi)徑還要增大，但車架間的距離是有限的，缸徑大了就會與傳動軸發(fā)生干涉現(xiàn)象。故決定選2個小液壓缸，每個液壓缸的推力為200kN，分別安裝在傳動軸兩側(cè)的支架上，滿足舉升鞍座的要求［2］。

3.2.3 液壓缸參數(shù)校核

1）液壓缸活塞推力F1（液壓缸的輸出按負(fù)載F決定）。

式中：P1為工作壓力（MPa）（按牽引車選定液壓機選25MPa）；F1為推力（kN），F(xiàn)1＝200kN；A1為活塞與活塞桿的作用面積（m2）；A1＝πD2／4；D 為液壓缸內(nèi)直徑（m）。

故缸體的內(nèi)徑應(yīng)大于101mm。

2）活塞桿直徑d的計算。

根據(jù)速度比的要求來計算d：

式中：d為活塞桿直徑（m）；D為液壓缸內(nèi)直徑（內(nèi)）（m）；ψ 為速度比，ψ＝v2／v1＝D2／（D2－d2），V2活塞桿縮入速度（m／min）；V1活塞桿伸出速度（m／min）。

根據(jù)工作壓力選用速度比（見表1）。

表1 速度比的選用

根據(jù)GB／T 2348、GB／T 2349，按照標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)先選擇系列，選定液壓缸的內(nèi)徑為125mm、活塞桿外徑為80mm；從而選定液壓缸的型號為：HG－F 125／80×250E－00。

4 自動伸縮支腿系統(tǒng)的設(shè)計

4.1 半掛車支腿結(jié)構(gòu)

掛車支腿分為兩部分：一節(jié)為固定部分，與掛車車架連接，位置與原支腿相同；二節(jié)為活動部分，用軸與一節(jié)相連。以原支腿安裝位置為基準(zhǔn)，主、掛車分離時，掛車牽引銷至地面高度為1 440mm，支腿伸出長度為550mm。主掛結(jié)合時，支腿完全收回時，總長900mm，離地高度500mm。利用牽引車氣包的氣體推動氣缸伸縮運動，從而帶動連桿機構(gòu)提起或放下支腿的活動部分，同時利用另一組氣缸推動銷軸將提起或落下的支腿鎖死，在安全可靠的條件下滿足掛車行駛和停車等待卸料的要求。結(jié)構(gòu)布置示意圖如圖7。

由表選定速度比ψ＝2

圖7 支腿結(jié)構(gòu)布置圖

4.2 支腿設(shè)計計算

4.2.1 支腿氣缸選型

支腿活動部分的質(zhì)量約為150～200kg，活動支腿鎖銷進出鎖孔的阻力50～90kg；為了提起或放下支腿、鎖銷進出鎖孔需匹配合適的氣缸。

一般氣動系統(tǒng)中最常使用的氣缸為單活塞桿雙作用氣缸，它由缸筒、活塞、活塞桿、前端蓋、后端蓋及密封件等組成。雙作用氣缸內(nèi)部被活塞分成兩個腔。有活塞桿腔稱為有桿腔，無活塞桿腔

氣缸的實際負(fù)載是由實際工況所決定的，若確定了氣缸負(fù)載率β，則由定義就能確定氣缸的理論輸出力，從而可以計算氣缸的缸徑。

對于阻性負(fù)載，如氣缸用作氣動夾具，負(fù)載不產(chǎn)生慣性力，一般選取負(fù)載率β為0.8；對于慣性負(fù)載，如氣缸用來推送構(gòu)件，負(fù)載將產(chǎn)生慣性力，負(fù)載率β的取值如下：

β＜0.65，當(dāng)氣缸低速運動，v＜100mm／s時；β＜0.5，當(dāng)氣缸中速運動，v＝100～500mm／s時；β＜0.35，當(dāng)氣缸高速運動，v＞500mm／s時。故選定負(fù)載率β＝0.5。

則氣缸理論輸出力Ft：稱為無桿腔。

當(dāng)從無桿腔輸入壓縮空氣時，有桿腔排氣，氣缸兩腔的壓力差作用在活塞上所形成的力克服阻力負(fù)載推動活塞運動，使活塞桿伸出，此時支腿被放下；當(dāng)有桿腔進氣，無桿腔排氣時，使活塞桿縮回，此時支腿被提起。若有桿腔和無桿腔交替進氣和排氣，活塞實現(xiàn)往復(fù)直線運動。

4.2.2 支腿氣缸的計算

氣缸直徑的設(shè)計計算需根據(jù)其負(fù)載大小、運行速度和系統(tǒng)工作壓力來決定。首先，根據(jù)氣缸安裝及驅(qū)動負(fù)載的實際工況，分析計算出氣缸軸向?qū)嶋H負(fù)載F，再由氣缸平均運行速度來選定氣缸的負(fù)載率β，初步選定氣缸工作壓力（一般為0.4MPa～0.6MPa），再由 F／β，計算出氣缸理論出力Ft，最后計算出缸徑及桿徑，并按標(biāo)準(zhǔn)圓整得到實際所需的缸徑和桿徑［2，3］。

氣缸推動構(gòu)件上下往復(fù)運動，已知構(gòu)件等運動件質(zhì)量為m＝200kg，氣缸行程s為100mm，經(jīng)2s時間支腿運動到位，系統(tǒng)工作壓力p＝0.6MPa，則：

氣缸實際軸向負(fù)載F＝mg＝200×9.81＝1 962N

負(fù)載率β，從對氣缸運行特性的研究可知，要精確確定氣缸的實際輸出力是困難的，于是在研究氣缸性能和確定氣缸的輸出力時，常用到負(fù)載率的概念。氣缸的負(fù)載率β定義為：

式中：Ft為氣缸理論輸出力（N）；A為活塞面積（m2），A＝πD2／4；D 為氣缸內(nèi)徑（m）；p 為氣缸工作壓力（Pa）。

故缸體的內(nèi)徑應(yīng)大于91mm；按標(biāo)準(zhǔn)選定氣缸缸徑為100mm。

同理計算支腿一、二節(jié)臂安全鎖銷自動鎖緊氣缸的缸徑D應(yīng)大于61.2mm，按標(biāo)準(zhǔn)選定該氣缸缸徑為63mm，且由該氣缸固定的位置選定氣缸的行程為200mm。

4.2.3 氣缸的安裝形式

根據(jù)安裝位置和使用目的我公司選定氣缸的安裝形式為底座法蘭固定式氣缸；又根據(jù)活塞運動的速度確定氣動系統(tǒng)應(yīng)采用緩沖裝置、電氣控制，故需選用帶磁開關(guān)的氣缸。

由于Ft＝Ap

所以：

5 結(jié)語

按上述方法改造的牽引車和掛車可以在1～2min內(nèi)自動分離，經(jīng)過半年的運行完全能夠滿足廢鋼運輸?shù)囊蟆Ｍ瑫r，我公司對承擔(dān)包鋼8號、9號轉(zhuǎn)爐廢鋼運輸?shù)?臺牽引車、9臺半掛車進行了改造，改造完成后，8號、9號轉(zhuǎn)爐的廢鋼運輸生產(chǎn)實現(xiàn)了主車與掛車比為1∶1.5，達到了甩掛運輸?shù)幕疽螅矠槲夜驹谄渌麡I(yè)務(wù)上開展甩掛運輸起到了示范的作用。

［1］ 何光里.汽車運用工程師手冊［M］.北京：人民交通出版社，1993.

［2］ 容一鳴，陳傳艷.液壓傳動［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

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