一種輪胎式集裝箱龍門起重機(jī)大車車輪轉(zhuǎn)向力計(jì)算方法

沈毅煒 劉東輝 趙宇龍 劉向?qū)?/p>

青島海西重機(jī)有限責(zé)任公司

1 引言

輪胎式集裝箱龍門起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱輪胎吊)大車大多采用8只橡膠輪胎,其中驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪數(shù)量各半,單個(gè)支腿下的2個(gè)輪胎通過(guò)車架和平衡梁連接于整機(jī)龍門架結(jié)構(gòu)。輪胎吊通過(guò)驅(qū)動(dòng)大車輪胎可沿輪胎滾動(dòng)方向進(jìn)行整機(jī)運(yùn)動(dòng),8只輪胎角度可在0°、16°、90°這3個(gè)位置變化,從而使輪胎吊沿X、Y方向行駛,或繞其整機(jī)中心回轉(zhuǎn)(見(jiàn)圖1)。

圖1 輪胎吊輪胎角度示意圖

提高輪胎吊的轉(zhuǎn)場(chǎng)效率和安全性非常重要。通常在輪胎著地的情況下,采用液壓或者電動(dòng)推桿推動(dòng)一組輪胎,此時(shí)輪胎承受整機(jī)重量,輪壓以及由輪壓引起的轉(zhuǎn)向阻力非常大。因此通過(guò)準(zhǔn)確的計(jì)算獲得大車轉(zhuǎn)向所需要的推力,對(duì)大車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

2 大車轉(zhuǎn)向機(jī)械方案

常規(guī)輪胎吊的2組大車輪胎通過(guò)軸承座與車架連接,2組車架分別通過(guò)回轉(zhuǎn)支承與平衡梁連接(見(jiàn)圖2)。轉(zhuǎn)向推桿固定端與平衡梁相對(duì)鉸接固定,通過(guò)推桿伸出帶動(dòng)車架1及其輪胎繞其上部回轉(zhuǎn)支承轉(zhuǎn)動(dòng);同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的車架1推動(dòng)連桿,將轉(zhuǎn)向推力帶到車架2及其輪胎(見(jiàn)圖3)。在此過(guò)程中,2組輪胎均繞其幾何豎直中心線進(jìn)行平面轉(zhuǎn)動(dòng),推桿的力臂隨著轉(zhuǎn)動(dòng)而變化。

1.回轉(zhuǎn)支承 2.平衡梁 3.回轉(zhuǎn)支承 4.車架 5.軸承座6.大車輪胎 7.軸承座圖2 大車行走機(jī)構(gòu)組成

1.車架2及車輪 2.連桿 3.固定端 4.推桿伸出端5.車架1及車輪圖3 大車轉(zhuǎn)向推桿結(jié)構(gòu)

3 大車車輪轉(zhuǎn)向力計(jì)算

3.1 輪胎與地面的回轉(zhuǎn)摩擦阻力矩

在輪胎繞其幾何豎直中心線進(jìn)行平面轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中,輪壓與地面的摩擦阻力產(chǎn)生回轉(zhuǎn)摩擦阻力矩,作用在輪胎與地面的接觸面。該接觸面大致為矩形。輪壓在接觸面上是均勻分布的,則單位面積的回轉(zhuǎn)阻力為:

(1)

式中,F為單位面積的回轉(zhuǎn)阻力;P為輪胎的輪壓;A為矩形接觸面積;μ為橡膠輪胎與混凝土地面的滑動(dòng)摩擦系數(shù),此處取0.62[1]。

單位面積繞原點(diǎn)O的摩擦阻力矩是單位面積摩擦阻力乘以力回轉(zhuǎn)中心的距離(見(jiàn)圖4)。矩形接觸面積內(nèi)繞原點(diǎn)O的摩擦阻力矩為單位面積摩擦阻力矩在該面積范圍內(nèi)的二元積分:

圖4 輪胎接觸面摩擦阻力矩計(jì)算示意圖

(2)

3.2 回轉(zhuǎn)支承的摩擦阻力矩

輪胎吊在做大車轉(zhuǎn)向動(dòng)作時(shí),輪胎和車架一同進(jìn)行回轉(zhuǎn),除了輪胎和地面之間產(chǎn)生的摩擦阻力矩,回轉(zhuǎn)支承也在輪壓作用下產(chǎn)生回轉(zhuǎn)摩擦阻力矩。常規(guī)輪胎吊的回轉(zhuǎn)支承為四點(diǎn)接觸球式,型號(hào)為010.30.630.001。該阻力矩計(jì)算公式為:

(3)

式中,Tm為回轉(zhuǎn)支承的摩擦阻力矩;ω為回轉(zhuǎn)阻力系數(shù),對(duì)于滾球式為0.01[2-3];D為滾道平均直徑,對(duì)于010.30.630.001為632 mm;ΣN為全部滾球所受的總壓力,由于回轉(zhuǎn)時(shí)其只受垂直力,故其計(jì)算方法為:

(4)

式中,P為輪胎的輪壓;γ為滾動(dòng)體的壓力角,在該工況下為45°。

3.3 轉(zhuǎn)向推力計(jì)算

單個(gè)推桿需要完成2個(gè)輪胎的轉(zhuǎn)向,同時(shí)在推桿伸出過(guò)程中,推桿的力臂在不斷變化,所需推力也相應(yīng)變化。在其初始和最終位置的力臂最小,故相應(yīng)需要的轉(zhuǎn)向推力最大;同樣,可根據(jù)計(jì)算得出不同轉(zhuǎn)向位置時(shí)推力的力臂,再根據(jù)以下計(jì)算式得出該轉(zhuǎn)向位置的瞬時(shí)推力:

(5)

式中,Q為某一轉(zhuǎn)向位置時(shí)的轉(zhuǎn)向推力;L為轉(zhuǎn)向位置推力的力臂。

3.4 計(jì)算實(shí)例

某輪胎吊整機(jī)自重160 t,大車轉(zhuǎn)向時(shí)的最大輪壓為P=250 kN;大車輪胎為無(wú)內(nèi)胎充氣輪胎,型號(hào)為21.00-25-40PR,輪胎接觸地面長(zhǎng)度尺寸的一半a=406 mm,寬度尺寸的一半b=250 mm;轉(zhuǎn)向推桿最小力臂為L(zhǎng)=425 mm,滑動(dòng)摩擦系數(shù)取μ=0.62。依據(jù)上述公式,該大車轉(zhuǎn)向的最大推力計(jì)算結(jié)果為250 kN,實(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)中也選用了250 kN額定推力的電動(dòng)推桿作為回轉(zhuǎn)裝置。

在項(xiàng)目試車中,電動(dòng)推桿額定推力可平穩(wěn)實(shí)現(xiàn)輪胎吊大車轉(zhuǎn)向。此外,在計(jì)算中發(fā)現(xiàn),回轉(zhuǎn)摩擦阻力矩占全部阻力矩的95%以上,并且在實(shí)際工況下,回轉(zhuǎn)摩擦阻力矩會(huì)隨實(shí)際摩擦系數(shù)變化,實(shí)際摩擦系數(shù)一般范圍為0.6～0.8,具體與路面情況、輪胎胎壓、花紋有關(guān)[3]。故在大車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,液壓或電動(dòng)推桿需要考慮1.5倍的過(guò)載能力,以滿足實(shí)際的最大推力要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)輪胎式集裝箱龍門起重機(jī)大車車輪轉(zhuǎn)向形式的理論分析,得出一種轉(zhuǎn)向力計(jì)算方法。該方法可以運(yùn)用在具有近似轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的輪胎式龍門起重機(jī)設(shè)計(jì)中,還可用于轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)選型,提升大車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的安全性和可靠性。