半掛車機(jī)械爬梯裝置的設(shè)計(jì)與研究

林成歡 周新紅 馮海青

湖北三江航天萬(wàn)山特種車輛有限公司 湖北孝感 432000

1 前言

爬梯裝置是在半掛車尾部與地面之間形成斜坡過(guò)渡的過(guò)渡裝置。借助爬梯裝置，輪式和履帶式車輛可以順利上下半掛車貨臺(tái)。爬梯裝置在運(yùn)輸重型工程裝備的低平板半掛車上有廣泛運(yùn)用，目前市面上的機(jī)械爬梯裝置或多或少都存在一些問(wèn)題，主要有以下幾個(gè)方面；一是外形不美觀，細(xì)節(jié)粗糙；二是強(qiáng)度不足，市面上的機(jī)械爬梯裝置，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用，普遍會(huì)出現(xiàn)較大的變形，變形位置主要集中于承載本體縱梁、面板和爬梯與車架連接結(jié)構(gòu)處；三是操作費(fèi)力，爬梯裝置的收回和放下都需操作人員手動(dòng)操作，十分費(fèi)力。因此，筆者通過(guò)對(duì)半掛車機(jī)械爬梯裝置的分析研究，總結(jié)研發(fā)了一套設(shè)計(jì)方法，并對(duì)機(jī)械爬梯裝置的復(fù)位彈簧機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。

2 爬梯裝置總體布置設(shè)計(jì)

爬梯裝置由左右爬梯本體、復(fù)位彈簧機(jī)構(gòu)和系留裝置等組成。

爬梯本體是爬梯裝置的承載結(jié)構(gòu)，主要由縱梁、橫梁、支耳等結(jié)構(gòu)組成。當(dāng)爬梯本體放下時(shí)，可在半掛車尾部與地面之間形成斜坡過(guò)渡。根據(jù)爬梯本體分段數(shù)的不同，爬梯本體可分為單級(jí)爬梯和二級(jí)爬梯。

復(fù)位彈簧機(jī)構(gòu)由壓縮彈簧、導(dǎo)向桿和支撐結(jié)構(gòu)組成，彈簧兩端分別支撐在爬梯本體與車架尾部支耳上，在爬梯本體放下時(shí)彈簧受壓將爬梯勢(shì)能轉(zhuǎn)化成彈簧壓縮能而起到緩沖作用，在爬梯本體收起時(shí)彈簧則將壓縮能轉(zhuǎn)化為爬梯勢(shì)能而起助力作用，使爬梯本體收放平順、省力，改善爬梯裝置的操作性能。

機(jī)械爬梯裝置布置圖如圖1所示。

圖1 機(jī)械爬梯裝置布置圖

3 爬梯本體設(shè)計(jì)

3.1 縱向外形輪廓設(shè)計(jì)

爬梯本體設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要根據(jù)爬梯安裝位置與斜坡角度要求，規(guī)劃其縱向外形輪廓，并兼顧復(fù)位彈簧機(jī)構(gòu)的空間需求，為后續(xù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。根據(jù)爬梯本體斜坡面前端是否設(shè)置過(guò)渡斜坡，可將縱向外形輪廓分為3種，如圖2所示。

圖2 爬梯本體的縱向外形輪廓

a.單一斜坡本體外形。此種外形爬梯斜坡角度較小，長(zhǎng)度較長(zhǎng)，主要用于待裝載的車輛接近角較小或其車體長(zhǎng)度很長(zhǎng)的場(chǎng)合。因爬梯本體較長(zhǎng)，此種外形結(jié)構(gòu)通常需設(shè)計(jì)成二級(jí)爬梯結(jié)構(gòu)，才能滿足掛車總高限制要求；

b.帶小過(guò)渡斜坡的本體外形。增加過(guò)渡斜坡可以截短爬梯本體長(zhǎng)度，同時(shí)被裝載車輛采用牽引方式下車完畢時(shí)，不易壓住爬梯本體前端。此種外形結(jié)構(gòu)主要用于掛車貨臺(tái)高度可調(diào)（貨臺(tái)低位裝載）或采用二級(jí)爬梯結(jié)構(gòu)場(chǎng)合；

c.帶較大過(guò)渡斜坡的本體外形。此種外形特點(diǎn)與帶小過(guò)渡斜坡的本體外形相近，差別在于過(guò)渡斜坡更大，本體長(zhǎng)度可以更短。此種外形結(jié)構(gòu)主要用于掛車貨臺(tái)高度較高且要求必須采用單級(jí)爬梯結(jié)構(gòu)場(chǎng)合。

對(duì)于爬梯本體長(zhǎng)度較長(zhǎng)，爬梯裝置收回后整車高度不滿足掛車總高限制要求的情況，爬梯本體需采用二級(jí)爬梯結(jié)構(gòu)，二級(jí)爬梯的折疊方式有向前折疊和向后折疊二種。

a.向前折疊，如圖3所示。此種方式便于手動(dòng)折疊，爬梯收起前，第二級(jí)爬梯已折疊，操作安全，收起過(guò)程中質(zhì)心平穩(wěn)，適用于機(jī)械爬梯；

b.向后折疊，如圖4所示。此種方式爬梯收起前二級(jí)爬梯無(wú)法提前折疊，只能在收起過(guò)程中折疊第二級(jí)爬梯，此方式適用于液壓爬梯。

圖3 向前折疊的二級(jí)機(jī)械爬梯示例

圖4 向后折疊的二級(jí)機(jī)械爬梯示

3.2 承載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

爬梯本體承載結(jié)構(gòu)主要采用箱形結(jié)構(gòu)和框架式結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)形式。

a.箱形結(jié)構(gòu)如圖5所示。與框架式結(jié)構(gòu)相比，箱形結(jié)構(gòu)外形簡(jiǎn)潔，占用空間較小，但在相同承載能力條件下，其結(jié)構(gòu)質(zhì)量較大。為加強(qiáng)爬梯斜坡面承載能力，箱形結(jié)構(gòu)內(nèi)部需沿縱向設(shè)置多條加強(qiáng)筋，因空間有限，其焊接操作性不是很好。箱形結(jié)構(gòu)主要用于對(duì)外觀要求較高的場(chǎng)合。

b.框架式結(jié)構(gòu)如圖6所示?？蚣苁浇Y(jié)構(gòu)爬梯本體一般由縱梁、橫梁和面板組成，當(dāng)外觀要求不高且主要裝載履帶式車輛時(shí)也可以不設(shè)面板?？蚣苁浇Y(jié)構(gòu)是爬梯本體通常采用的結(jié)構(gòu)型式，一般有雙縱梁和三縱梁兩種布局形式。

圖5 采用箱形結(jié)構(gòu)的爬梯示例

圖6 采用框架式結(jié)構(gòu)的爬梯示例

圖7 采用三縱梁結(jié)構(gòu)的爬梯本體示例

3.3 與車架連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.3.1 連接結(jié)構(gòu)形式

爬梯本體與掛車尾端通過(guò)耳板-銷軸結(jié)構(gòu)連接，根據(jù)銷軸數(shù)量不同，有單軸連接和多軸連接兩種型式。

a.單軸連接如圖8所示。此種結(jié)構(gòu)采用一根通軸，將爬梯本體所有耳板與掛車尾端所有耳座連接在一起；

b.多軸連接如圖9所示。對(duì)于此種結(jié)構(gòu)，本體上每一根縱梁均有一根銷軸與車架連接。 兩種結(jié)構(gòu)中，單軸結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，零件數(shù)量少，但結(jié)構(gòu)質(zhì)量較大，加工成本較高，裝配較困難。通常情況下爬梯本體應(yīng)采用多軸結(jié)構(gòu)，對(duì)于需要左右調(diào)節(jié)的爬梯裝置來(lái)說(shuō)，則只能采用單軸結(jié)構(gòu)。

由于爬梯裝置長(zhǎng)期露天工作，粉塵較多，為確保爬梯收放順暢，其耳板與銷軸應(yīng)采用大間距配合。當(dāng)耳板與銷軸無(wú)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，配合間距取0.5～

圖8 單軸連接結(jié)構(gòu)示例

3.3.2 支耳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

支耳設(shè)計(jì)時(shí)，其結(jié)構(gòu)有整體耳板、耳板+單（雙）側(cè)環(huán)板和耳板+套管3種結(jié)構(gòu)形式，如圖10所示。

圖9 雙軸連接結(jié)構(gòu)示例

圖10 爬梯本體支耳結(jié)構(gòu)類型示例

a.整體耳板結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但結(jié)構(gòu)質(zhì)量較大，主要用于采用單軸連接結(jié)構(gòu)的爬梯本體；

b.耳板+單（雙）側(cè)環(huán)板結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)時(shí)，其耳板按強(qiáng)度需求選擇板厚，并設(shè)置單（雙）側(cè)環(huán)板滿足接觸應(yīng)力需求，其結(jié)構(gòu)質(zhì)量小于整體式耳板，是爬梯支耳通常采用的結(jié)構(gòu)形式；

c.耳板+套管。此種支耳實(shí)際上是縱梁的一部分，通過(guò)增加套管來(lái)滿足接觸應(yīng)力需求，其結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小，但因縱梁腹板厚度較小，其與套管連接處易出現(xiàn)應(yīng)力集中，主要用于載荷較小的爬梯本體。

當(dāng)支耳采用整體耳板和耳板+單（雙）側(cè)環(huán)板結(jié)構(gòu)型式時(shí)，需考慮耳板與縱梁的連接結(jié)構(gòu)。

a.當(dāng)一根縱梁僅設(shè)置一塊支耳時(shí)，可將耳板與縱梁腹板沿斜向?qū)ζ春附樱_保耳板有足夠焊縫長(zhǎng)度，如圖10 （a）所示；

b.當(dāng)一根縱梁設(shè)置兩塊支耳時(shí)，因支耳間距需按車架尾部尺寸確定，耳板與縱梁腹板對(duì)正有困難，此時(shí)可在縱梁端部設(shè)置擋板，再在擋板上布置支耳，如圖10(b)所示，此種結(jié)構(gòu)必須校核耳板焊縫強(qiáng)度。

4 復(fù)位彈簧機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 爬梯裝置收放力矩特性

壓縮彈簧的作用就是讓彈簧力矩匹配重力矩，使爬梯裝置能平穩(wěn)落下和輕松收回，爬梯裝置的工作過(guò)程就是彈簧力矩和爬梯重力矩相互作用的過(guò)程。圖11為爬梯裝置彈簧力矩和爬梯重力矩的力矩特性圖，圖中縱坐標(biāo)為爬梯重力矩和彈簧力矩，橫坐標(biāo)為爬梯角度α，以爬梯本體與鉛垂方向的夾角表示。

圖11 爬梯力矩特性圖

由圖11可知，爬梯裝置整個(gè)工作過(guò)程中彈簧力矩和爬梯本體重力矩有A、B、C3個(gè)平衡點(diǎn)，這3個(gè)平衡點(diǎn)將整個(gè)工作過(guò)程分為4個(gè)區(qū)域，現(xiàn)以爬梯裝置放下過(guò)程為例說(shuō)明。A點(diǎn)之前，彈簧力矩大于重力矩，爬梯斜靠在車架尾部，需要操作力將爬梯推倒；AB之間，重力矩大于彈簧力矩，爬梯加速落下；BC之間，彈簧力矩大于重力矩，爬梯減速落下，會(huì)在BC段某處?kù)o止，需操作力將爬梯放下；C點(diǎn)之后，重力矩大于彈簧力矩，爬梯落地靜止。

爬梯裝置收回和放下兩種工作過(guò)程在4個(gè)區(qū)域都需要操作力。操作力的大小等于彈簧力矩和爬梯重力矩的差值/操作力力臂，彈簧力矩和重力矩差值越小，操作力越小，爬梯裝置放下和收回越省力。

AB段的操作力力臂小于BC段操作力力臂，在操作力一定的情況下，BC段彈簧力矩和重力矩差值應(yīng)大于AB段彈簧力矩和重力矩差值。

爬梯裝置收回后斜靠在車架尾部，沒(méi)有系留的情況下要保證爬梯不會(huì)在車輛啟動(dòng)時(shí)落下，爬梯要以一定角度斜靠在車架上。半掛車啟動(dòng)加速度較低，一般為0.15g左右，爬梯傾斜10°左右時(shí)即可保證爬梯不會(huì)在車輛啟動(dòng)時(shí)落下，增加了爬梯裝置系留的可靠性。同時(shí)此傾斜角度推動(dòng)爬梯所需的操作力也較為適中。

綜上所述，爬梯裝置工作過(guò)程的力矩特性應(yīng)同圖11類似。

4.2 壓縮彈簧參數(shù)選取

圖12為爬梯裝置處于水平位置的點(diǎn)位示意圖，爬梯支點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，(X1,Z1)為彈簧固定支點(diǎn)坐標(biāo)， (X2,Z2) 為彈簧運(yùn)動(dòng)支點(diǎn)參數(shù)，G1為爬梯本體質(zhì)心，G2為彈簧和支撐桿質(zhì)心。由于爬梯本體質(zhì)量和質(zhì)心已知，可得到長(zhǎng)度LOG1和角度β。預(yù)估彈簧和支撐桿質(zhì)量可以獲得長(zhǎng)度LOG2和角度ε。

圖12 水平位置彈簧示意圖

圖13 α角度位置彈簧示意圖

由圖12可計(jì)算出以下參數(shù)。

由圖13可計(jì)算出以下參數(shù)。

爬梯本體質(zhì)心橫坐標(biāo)：

彈簧和支撐桿質(zhì)心橫坐標(biāo)：

彈簧運(yùn)動(dòng)支點(diǎn)橫坐標(biāo)：

彈簧運(yùn)動(dòng)支點(diǎn)縱坐標(biāo)：

彈簧連桿長(zhǎng)度：

解?OAB，求得角度δ值。

彈簧力臂：

由4.1可知，彈簧力矩和爬梯重力矩應(yīng)符合圖11中的力矩特性，爬梯本體初步設(shè)計(jì)完成后，通過(guò)預(yù)估彈簧和支撐桿質(zhì)量可以得到爬梯重力矩曲線，彈簧力矩與彈簧力臂、彈簧壓縮量和彈簧剛度相關(guān)；彈簧力臂和彈簧壓縮量由圖12(圖13)中的?OAB決定，在圖13中，B點(diǎn)往右移，彈簧壓縮量變大，反之變??；考慮到復(fù)位彈簧安裝機(jī)構(gòu)安裝空間，X2值不宜過(guò)大，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)初選X2為爬梯本體長(zhǎng)度一半，X2初定為0。A點(diǎn)往右下角移動(dòng)，彈簧力臂變大，反之變??；在滿足車架尾部安裝條件和整車離去角的情況下，X1、Z1盡量取大，從而初步確定X1、Z1初始值。

（X1、Z1） 、（X2、Z2） 取值依據(jù)計(jì)算結(jié)果可做相應(yīng)調(diào)整，優(yōu)先調(diào)整（X2、Z2） 值,且X2作為粗調(diào)，Z2作為微調(diào)。為了計(jì)算方便，假設(shè)α為0°時(shí)壓縮彈簧為自然狀態(tài)。

圖11的理想狀態(tài)即是彈簧力矩曲線和爬梯重力矩曲線完全重合，爬梯裝置在收回和放下過(guò)程中的任意角度位置彈簧力矩和爬梯重力矩平衡，整個(gè)工作過(guò)程中人所施加的操作力為0，可以達(dá)到完全省力的效果。

工作過(guò)程中每隔1°計(jì)算一次力矩平衡，可以計(jì)算出任意角度位置彈簧所需的剛度，由于選取的壓縮彈簧為單一剛度，故可以計(jì)算出所有角度位置的彈簧剛度值并取其均值作為壓縮彈簧理論剛度值。具體計(jì)算公式如下：

α角度位置彈簧力：

彈簧自由高度：

彈簧壓縮量：

彈簧剛度：

彈簧理論剛度：

彈簧壓縮行程：

彈簧最大工作負(fù)荷：

實(shí)際工作中，爬梯在0°位置時(shí)彈簧仍處于壓縮狀態(tài)，故彈簧實(shí)際自由高度應(yīng)略大于理論計(jì)算值。爬梯裝置落地后，壓縮彈簧處于整個(gè)工作過(guò)程中的最大壓縮量和最大工作負(fù)荷狀態(tài)，為了防止地面不平導(dǎo)致彈簧壓縮量不夠，實(shí)際彈簧壓縮行程和最大工作負(fù)荷應(yīng)大于理論計(jì)算值。

壓縮彈簧參數(shù)選取按以下步驟進(jìn)行:

a. 根據(jù)彈簧最大工作負(fù)荷，按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2089-2009選取彈簧線徑d、中徑D和標(biāo)準(zhǔn)節(jié)距t；

b. 根據(jù)彈簧理論剛度計(jì)算彈簧有效圈數(shù)；

c. 計(jì)算彈簧自由高度和彈簧壓縮行程；

d. 若彈簧自由高度和彈簧壓縮行程均符合要求，則選擇彈簧基本合格；若不符合要求，則需更改初始參數(shù)（X1、Z1） 、 （X2、Z2）值重新計(jì)算并選取彈簧參數(shù)直至符合要求。

4.3 壓縮彈簧參數(shù)和安裝點(diǎn)位優(yōu)化

若選取彈簧判定為基本合格，則需將實(shí)際彈簧參數(shù)帶入公式中驗(yàn)算，計(jì)算任意爬梯角度位置彈簧力矩和爬梯重力矩，并繪制同圖11的力矩特性圖。分析爬梯力矩特性圖，判斷力矩特性是否符合以下2個(gè)條件：

1.曲線特征。力矩曲線走勢(shì)應(yīng)與圖11類似，有3個(gè)平衡位置4個(gè)工作區(qū)域，BC段彈簧力矩和爬梯重力矩差值大于AB段彈簧力矩和爬梯重力矩差值，爬梯角度為0時(shí)彈簧還有一定壓縮量。

2.操作力。操作力等于彈簧力矩和爬梯重力矩差值/操作力臂，分別計(jì)算A點(diǎn)之前、AB之間、BC之間、C點(diǎn)之后共4個(gè)區(qū)域的最大操作力(一般不大于20 kg)。

依據(jù)對(duì)比結(jié)果，對(duì)彈簧參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化：

a.若力矩特性同時(shí)滿足第1、2條或僅滿足第2條，則彈簧參數(shù)和安裝點(diǎn)位合理，完成彈簧設(shè)計(jì)。

b.若力矩特性僅滿足第1條，首先須微調(diào)X2、Z2值使力矩特性滿足第2條，若仍不滿足，需按照彈簧參數(shù)選取步驟重新選擇彈簧線徑、中徑，直至力矩特性同時(shí)滿足第1、2條或僅滿足第2條。

c.若力矩特性同時(shí)不滿足第1、2條，則需從4.2開(kāi)始重新設(shè)計(jì)彈簧安裝點(diǎn)位，重新選取壓縮彈簧參數(shù)，直至同時(shí)滿足第1、2條或僅滿足第2條。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)當(dāng)前市面上半掛車機(jī)械爬梯裝置的研究，對(duì)爬梯裝置本體承載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析研究，指出了爬梯本體設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題，對(duì)壓縮彈簧的安裝點(diǎn)位和主要參數(shù)進(jìn)行了分析和計(jì)算，發(fā)明了一種彈簧參數(shù)選取方法，優(yōu)化了復(fù)位彈簧機(jī)構(gòu)，使爬梯的放下和收回過(guò)程更省力。