一種鋁合金散裝糧食自卸半掛車的結(jié)構(gòu)及特點

嚴(yán)國祥，夏德偉，朱玉乾，王雪飛，劉 洋

（忠旺鋁業(yè)有限公司，北京100020）

0 前言

近年來，我國各地的糧庫基礎(chǔ)設(shè)施已逐步改進(jìn)并完善，快速高效的地井直下式卸料坑日漸增多，港口糧食的周轉(zhuǎn)流通量日益加大。傳統(tǒng)的糧食袋裝運輸逐漸發(fā)展為散裝運輸，運輸車輛也由倉柵車逐漸向自卸式車輛過渡，大大節(jié)省了人力成本，提高了糧食周轉(zhuǎn)效率。

目前，散裝糧食自卸車主體結(jié)構(gòu)基本選用鋼制。車架縱梁、橫梁均由鋼板沖壓成型，車廂板選用瓦楞板焊接，油缸安裝在車架上，通過液壓系統(tǒng)舉升油缸工作，有側(cè)翻和后翻兩種車型的，下文稱液壓自卸半掛車。還有一種半掛車，同樣是鋼制結(jié)構(gòu)。它根據(jù)糧食堆積角，將地板設(shè)計為固定角度的斜面，單側(cè)布置卸料口，頂棚為敞口，通過港口吊車或鏟車裝糧，到達(dá)卸料點后打開卸料口可實現(xiàn)糧食快速卸凈，下文稱其為地板傾斜自卸半掛車。因省卻液壓系統(tǒng)，它比液壓自卸半掛車自重可減輕1～2 t[2]。

液壓自卸半掛車和地板傾斜自卸半掛車運輸散裝糧食具有自動化程度高、物流環(huán)節(jié)少、人力和物力成本低、運輸效率高等優(yōu)點。但因液壓自卸車車輛自重大，標(biāo)載時可裝糧食少，空載燃油消耗高，在未來物流運輸行業(yè)中的競爭力將越來越低。地板傾斜自卸車自重相對液壓自卸車較輕，雖然地板可支起、可放平，但因?qū)嶋H操作不便，地板常態(tài)下為傾斜狀態(tài)，車廂內(nèi)空間變小，糧食裝載量隨之減少，而且只能運輸顆粒狀貨物，不能配送托盤、袋裝或輕拋類貨物，貨物種類單一，返程空載率高，導(dǎo)致運輸效益偏低。為了解決上述兩種車型存在的問題，研發(fā)一種自重更輕、貨物種類不受限制的自卸車就成為糧食運輸行業(yè)的迫切需求，可增加單車糧食裝載量，減小返程空載率，為物流企業(yè)增加收益。

1 車型設(shè)計

新車型的設(shè)計目標(biāo)是滿足目前糧食物流系統(tǒng)對散裝糧食自卸半掛車輕量化、貨物種類多樣化、人員勞動強(qiáng)度低、糧食裝卸效率高的要求，既能滿足地井直下式卸料，也能夠在采用傳送帶的平房倉使用，同時有利于散裝糧食自卸汽車的應(yīng)用和推廣。通過各項指標(biāo)的綜合分析，主車型設(shè)計采用牽引車和并裝三軸半掛車組成的六軸汽車列車，牽引車驅(qū)動形式為6×2，半掛車行走機(jī)構(gòu)選用單胎空氣懸架。車廂地板為內(nèi)側(cè)翻活動部件，頂棚敞口，左側(cè)雙門和后門設(shè)計為翼開啟式結(jié)構(gòu)，方便叉車裝卸貨物。因整車除底盤行走機(jī)構(gòu)及外購件外，其余零部件均為鋁合金材質(zhì)，整備質(zhì)量僅6 t，載質(zhì)量高達(dá)33.95 t，有效容積61 m3。常規(guī)地井式卸料坑長度為6 m，因此該半掛車長度設(shè)計為12.6 m，左側(cè)每扇門長6 m，底部均布5個卸料口[3～5]。

2 整車結(jié)構(gòu)

整車由底盤總成、鋁合金車廂總成組成。底盤總成由行走機(jī)構(gòu)、鋁合金車架總成、空氣彈簧舉升系統(tǒng)、鋁合金支承裝置組成。鋁合金車廂總成由前后倉兩個內(nèi)側(cè)翻地板、前圍工具箱總成、左側(cè)圍、右側(cè)圍、后門、頂棚六大部件組成。

3 底盤總成

3.1 鋁合金車架總成

鋁合金半掛車車架由不同截面鋁型材加工成型后，通過焊接+螺栓+鉚釘連接而成。包括左右縱梁、貫穿橫梁組件、加強(qiáng)橫梁組件、牽引板組件、鵝頸加強(qiáng)板、懸架加強(qiáng)組件等?？v梁和橫梁截面為工字型，選用6082 高強(qiáng)鋁合金擠壓型材，橫梁選用6061 鋁合金擠壓型材?？v梁橫梁組件通過拉鉚連接，永不松動，跟焊接相比具有一定柔性，可承受車架更大的變形量。貫穿橫梁穿過縱梁腹板上仿形孔通過角鋁與縱梁螺接。牽引板組件由牽引板和連接架螺接而成，此處為鞍座支承面，工況比較惡劣，所以選用鋼制結(jié)構(gòu)，連接架由兩根縱梁和兩根橫梁焊接而成，與縱梁腹板通過過渡鋼板螺栓連接。懸架加強(qiáng)組件的作用是加強(qiáng)行走機(jī)構(gòu)懸架支架與車架連接部位，此處創(chuàng)新點是采用坡面過渡設(shè)計，并且加強(qiáng)組件在上下翼板之間不貫通，可使該部位應(yīng)力更均勻，實現(xiàn)柔性過渡[6～7]。圖1為車架模型，圖2為車架有限元分析結(jié)果。

圖1 車架總成

圖2 車架有限元分析結(jié)果

3.2 空氣彈簧舉升系統(tǒng)

空氣彈簧舉升系統(tǒng)是該車的核心控制部件（見圖3），布置在內(nèi)側(cè)翻地板下方，由電控系統(tǒng)、氣源、空氣彈簧舉升裝置三部分組成。電控系統(tǒng)由開關(guān)、電磁閥、壓力保護(hù)閥、快速排氣閥及電氣管路組成；氣源由若干個儲氣筒串聯(lián)而成，接通牽引車供氣管路；空氣彈簧舉升裝置由底部托架、空氣彈簧、導(dǎo)向板、連接板、限位裝置等組成，安裝在車架縱梁之間。

圖3 空氣彈簧舉升裝置

3.2.1 工作原理

考慮到半掛車長度大，內(nèi)側(cè)翻地板如若做成一體，抗彎剛度較差，因此設(shè)計成前后兩個內(nèi)側(cè)翻地板，由前后倉空氣彈簧舉升系統(tǒng)分別控制。卸料時先打開卸料口，糧食自流，到達(dá)糧食堆積角后，自流結(jié)束。此時，啟動提升開關(guān)，電磁閥通電，打開充氣通道，串聯(lián)儲氣筒組通過快速排氣閥給空氣彈簧充氣，舉升地板翻轉(zhuǎn)?？焖倥艢忾y連桿與地板連接并隨之旋轉(zhuǎn)，到達(dá)設(shè)計角度，連桿轉(zhuǎn)至水平狀態(tài)，快速排氣閥切斷氣源，地板側(cè)翻停止，此行程為卸料過程。反之，關(guān)閉提升開關(guān)，空氣彈簧放氣，地板復(fù)原。舉升過程中由隨停開關(guān)控制隨停電磁閥切斷氣源，空氣彈簧停止供氣，實現(xiàn)內(nèi)側(cè)翻地板隨停功能。

內(nèi)側(cè)翻地板的卸料角度設(shè)計很重要，要充分參考所運輸?shù)募Z食堆積角。我國主要糧食品種有豆類、玉米、稻谷和小麥，它們的堆積角分別為26°～30°、30°～32°、35°～37°和34°～36°。綜合考慮各種糧食的堆積角和運輸?shù)募竟?jié)性、流動性，內(nèi)側(cè)翻地板支起時，卸料角度設(shè)計為40°，以適用于各種散裝糧食的裝卸[2]。

電控系統(tǒng)中主要功能件有電磁閥、快速排氣閥、壓力保護(hù)閥3 種。儲氣筒選用鋁制品，容積60 L。根據(jù)空氣彈簧在最大行程時的體積計算所需儲氣筒數(shù)量，儲氣筒數(shù)量越多，內(nèi)側(cè)翻地板舉升速度就越快，但同時還需考慮車架上的安裝空間。

3.2.2 舉升載荷計算

選用運輸量比較大的大豆作為貨物來計算。如圖4所示，當(dāng)打開左側(cè)卸料口卸料，重力作用完成后，倉內(nèi)大豆會形成30°的堆垛。單倉內(nèi)長6 m，內(nèi)寬2.4 m，堆垛最高點為1.373 m，計算可求得該30°堆垛容積為：

大豆密度ρ 按750 kg/m3計算，則該堆垛質(zhì)量為：

單倉內(nèi)側(cè)翻自重m=370 kg

單倉空氣彈簧需承載力G等于大豆重量加上內(nèi)側(cè)翻地板自重

圖4 大豆堆垛剖面

圖5 內(nèi)側(cè)翻地板受力橫截面圖

3.2.3 舉升力計算

如圖5 所示，假設(shè)空氣彈簧在a 點支撐力F與內(nèi)側(cè)翻及其承載大豆重力G關(guān)于鉸接點o 力矩平衡，那么可以得出如下平衡方程：

式中G=76.15kN，X=1327mm，算得F=87.4kN

即若要舉升起單個內(nèi)側(cè)翻地板，最大需要舉升力為87.4 kN。若設(shè)計2組空氣彈簧，則單組空氣彈簧舉升力不得低于43.7 kN。依據(jù)此數(shù)據(jù)選擇合適的空氣彈簧即可。

3.3 鋁合金支承裝置

支承裝置同樣選用6×××系鋁合金擠壓型材制作，采用了內(nèi)外套筒式簡易結(jié)構(gòu)?？夸撝其N軸垂向限位，支腿可輕松收起和放下，實現(xiàn)半掛車甩掛功能。支承裝置總重30 kg，而傳統(tǒng)鋼制支腿重量約100～120 kg，采用鋁合金支腿后減重70%以上，可承受40 t靜載，且操作簡便、快捷。

4 鋁合金車廂總成

4.1 內(nèi)側(cè)翻地板

內(nèi)側(cè)翻地板形如簸箕狀，前后兩個倉（見圖6）。內(nèi)側(cè)翻地板與左側(cè)圍下邊梁通過鋼制合頁鉸接，前倉后墻和后倉前墻皆為可拆卸結(jié)構(gòu)，且后倉后墻可向后翻轉(zhuǎn)90°，方便叉車從后門進(jìn)入車廂內(nèi)部裝卸貨物。

內(nèi)側(cè)翻地板作為舉升承力部件，其強(qiáng)度及剛度至關(guān)重要。采用中空鋁型材插接拼焊，插接處設(shè)置加強(qiáng)筋，后墻與地板連接處設(shè)計專用插接型材，前后活動三角形墻兼具拉筋作用，活動墻連接處與地板采用高強(qiáng)螺栓連接。

圖6 內(nèi)側(cè)翻地板

4.2 左右側(cè)圍、后門

左側(cè)圍由框架、前后兩個側(cè)門組成。側(cè)門底部均布若干卸料口，運輸散裝糧食時，只需開啟卸料口即可；運送托盤、袋裝或輕拋貨物時，打開側(cè)門或后門裝卸貨物。門體為骨架+內(nèi)外蒙皮+中填聚苯乙烯泡沫的三明治結(jié)構(gòu)，內(nèi)蒙皮選用430鐵素體不銹鋼，外蒙皮選用5×××系鋁板。

右側(cè)圍為固定結(jié)構(gòu)，同樣為三明治結(jié)構(gòu)，與左側(cè)圍通過貫穿橫梁與車架連接。后門除了無卸料口，其余結(jié)構(gòu)與左側(cè)圍一樣。左側(cè)門和后門為翼開啟式，靠兩根氣彈簧的推力繞鉸鏈旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)開啟和閉合，氣彈簧布置在門兩側(cè)的立柱上。

4.3 卸料口

地井直下式糧倉卸料速度快，流量大；平房倉傳送帶卸料速度慢，流量小，因此卸料口的設(shè)計應(yīng)考慮適應(yīng)兩種卸料方式，同時控制裝置結(jié)構(gòu)應(yīng)簡單易操作，成本低。

卸料口由擋板、擋板開關(guān)、合頁組件和鋼絲繩控制裝置組成。卸料口擋板用5×××系鋁板折彎制作，通過合頁組件與側(cè)門連接。每扇側(cè)門底部有5個卸料口，由一組鋼絲繩控制裝置控制。鋼絲繩控制裝置包括緊繩器、鋼絲繩、滑輪、掛鉤等組成。裝料時鋼絲繩在緊繩器棘輪棘爪的嚙合作用下張緊，卸料口關(guān)閉；卸料時先打開全部或單個擋板開關(guān)，再松開緊繩器，卸料口擋板在糧食自流的沖擊力下被動打開，實現(xiàn)快速卸料，擋板最大開啟角度70°。實踐證明，5個卸料口同時打開能滿足地井直下式卸料坑的高速卸料；單個卸料口卸料，可用于平房倉皮帶傳輸機(jī)。

5 整車有限元分析

5.1 工況分析

有限元分析的目的是考量整車在靜止態(tài)及運輸態(tài)的整車受力水平及位移，主要分析以下工況：

（1）垂直工況：模擬靜止或勻速行駛狀態(tài)，底部垂向2 mg，車廂前后左右內(nèi)壁施加靜水壓0.5 ρgh。

（2）扭轉(zhuǎn)工況：模擬惡劣路況，加載條件同垂直工況，同時后部右前輪胎懸空。

（3）制動工況：前圍0.5 ρgh+0.3 mg，側(cè)圍0.5 ρgh，底部垂向mg。

（4）轉(zhuǎn)向工況：前后圍0.5 ρgh，左側(cè)圍0.5 ρgh+mgL/2 h，右側(cè)圍無載荷，底部底部垂向mg。

載質(zhì)量m=35 t，貨物仍以大豆為例，大豆密度ρ=750 kg/m3。半掛車輪胎外緣距離L=2 461 mm，滿載重心高度h=2 260 mm。

5.2 邊界條件

規(guī)定車輛前進(jìn)方向為y軸，x軸垂直y軸指向車身左側(cè)，z 軸由右手法則確定。車架上部結(jié)構(gòu)邊界約束如下：約束牽引銷X、Y、Z 三個方向自由度以及牽引銷鞍座板Z向自由度，并裝三軸約束左側(cè)X、Z向及右側(cè)Z向自由度（見圖7）。

圖7 邊界約束條件

5.3 材料及單元類型

有限元網(wǎng)格數(shù)量如表1所示，其中三角形數(shù)量占比1.1%，四面體數(shù)量占比0.5%。車身相應(yīng)鋁合金材料參數(shù)見表2。

表1 單元類型

表2 材料屬性

5.4 分析結(jié)果

垂直工況最大應(yīng)力位于左側(cè)圍門立柱與底邊梁連接部位，為241 MPa，最大位移10.49 mm。

圖8～圖11 是上述4 種工況時的應(yīng)力云圖和位移云圖。

圖8 垂直工況應(yīng)力云圖和位移云圖

圖9 扭轉(zhuǎn)工況應(yīng)力云圖和位移云圖

圖10 制動工況應(yīng)力云圖和位移云圖

圖11 轉(zhuǎn)向工況應(yīng)力云圖和位移云圖

6 結(jié)束語

綜上所述，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)合有限元分析車架及整車強(qiáng)度和剛度，試制后的鋁合金散裝糧食運輸半掛車通過路試驗證，其強(qiáng)度和剛度均滿足使用要求。

地板傾斜自卸半掛車和液壓自缷半掛車自重分別為8 t和10 t，而鋁合金散裝糧食運輸半掛車比上述2種車型分別減重2 t和4 t，輕量化效果明顯。

這種鋁制散裝糧食自卸半掛車具有獨特的翼開啟式側(cè)門和內(nèi)側(cè)翻地板卸料系統(tǒng)，可實現(xiàn)自動化卸料；適用于各種卸料場地，如地井式、平房倉傳送帶等；可運輸托盤、袋裝和輕拋貨物，避免返程空載。該車型實現(xiàn)了整車自重輕、載質(zhì)量高、自動化卸料、運輸貨物多樣化等功能，具備一定的創(chuàng)新性。