王 琦

（包鋼集團機械化有限公司，內蒙古 包頭 014010）

引言

甩掛運輸是指牽引車按照預定的運行計劃，在貨物裝卸作業(yè)點甩下所拖的掛車，換上其他掛車繼續(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，提高運輸效率和勞動生產率；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、鐵路運輸等多式聯運，促進綜合運輸的發(fā)展。甩掛運輸在國際上得到了廣泛的推廣應用，已經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，推動現代物流和綜合運輸發(fā)展，促進節(jié)能減排，提升經濟運行整體質量具有重要意義。我國的甩掛運輸方式處于國家采取措施引導和推動的階段，相關技術、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號轉爐廢鋼原料運輸過程中，由于卸料隨著煉鋼生產的節(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，以實現甩掛運輸的組織方式。

1 運輸車輛技術改造設計

1.1 目標

將牽引車與掛車分別進行改造，實現主、掛快速自動分離的目標。

1.2 技術改造方法

通過加裝液壓系統(tǒng)，將牽引車的鞍座變?yōu)樽詣由蛋白?，為牽引車與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構支腿，安裝在原支腿位置；加裝氣動裝置實現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生可分離間隙，實現主掛分離。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)設計理論認為，在縱梁設計中，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。根據上述理論設計縱梁時做如下假設：

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（忽略不記局部扭轉所產生的影響）。

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

2.2 受力計算

2.2.1 車體各個部分的質量

廢鋼運輸半掛車板質量約10×103kg（不包括輪胎重量）、廢鋼槽質量20×103kg、槽內廢鋼最大裝載質量40×103kg，則半掛車車架合計總質量為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為車架總質量，G0為車架自身質量，Gt為車架滿載均布載荷。

廢鋼半掛車整車長度La＝11 000mm

當鞍座被舉起時，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)的設計

為實現鞍座的自動升降，需在鞍座下方、牽引車車架結構上加裝一套液壓機構，主要部件包括：翻轉橫軸及梁間襯板、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側，利用原車架上的孔對稱固定液壓機構。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。主要結構形式如圖6。

圖6 自動升降鞍座結構示意圖（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

由鞍座的運動方式決定了液壓缸的類型為單作用活塞式［1，2］。

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

3.2.2 液壓缸參數確定

已知：需要移動的質量和所需要的力≥383kN；工作壓力≥25MPa。

根據負載大小、選定系統(tǒng)工作壓力計算液壓缸的內徑D。

式中：D為液壓缸內徑（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，這樣就產生偏心現象，液壓缸的內徑還要增大，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的支架上，滿足舉升鞍座的要求［2］。

3.2.3 液壓缸參數校核

1）液壓缸活塞推力F1（液壓缸的輸出按負載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），F1＝200kN；A1為活塞與活塞桿的作用面積（m2）；A1＝πD2／4；D 為液壓缸內直徑（m）。

故缸體的內徑應大于101mm。

2）活塞桿直徑d的計算。

根據速度比的要求來計算d：

式中：d為活塞桿直徑（m）；D為液壓缸內直徑（內）（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）。

根據工作壓力選用速度比（見表1）。

表1 速度比的選用

根據GB／T 2348、GB／T 2349，按照標準優(yōu)先選擇系列，選定液壓缸的內徑為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)的設計

4.1 半掛車支腿結構

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，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。結構布置示意圖如圖7。

由表選定速度比ψ＝2

圖7 支腿結構布置圖

4.2 支腿設計計算

4.2.1 支腿氣缸選型

支腿活動部分的質量約為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

氣缸的實際負載是由實際工況所決定的，若確定了氣缸負載率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。

對于阻性負載，如氣缸用作氣動夾具，負載不產生慣性力，一般選取負載率β為0.8；對于慣性負載，如氣缸用來推送構件，負載將產生慣性力，負載率β的取值如下：

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

則氣缸理論輸出力Ft：稱為無桿腔。

當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載推動活塞運動，使活塞桿伸出，此時支腿被放下；當有桿腔進氣，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，活塞實現往復直線運動。

4.2.2 支腿氣缸的計算

氣缸直徑的設計計算需根據其負載大小、運行速度和系統(tǒng)工作壓力來決定。首先，根據氣缸安裝及驅動負載的實際工況，分析計算出氣缸軸向實際負載F，再由氣缸平均運行速度來選定氣缸的負載率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，并按標準圓整得到實際所需的缸徑和桿徑［2，3］。

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

氣缸實際軸向負載F＝mg＝200×9.81＝1 962N

負載率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，常用到負載率的概念。氣缸的負載率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 為氣缸內徑（m）；p 為氣缸工作壓力（Pa）。

故缸體的內徑應大于91mm；按標準選定氣缸缸徑為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應大于61.2mm，按標準選定該氣缸缸徑為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；又根據活塞運動的速度確定氣動系統(tǒng)應采用緩沖裝置、電氣控制，故需選用帶磁開關的氣缸。

由于Ft＝Ap

所以：

5 結語

按上述方法改造的牽引車和掛車可以在1～2min內自動分離，經過半年的運行完全能夠滿足廢鋼運輸的要求。同時，我公司對承擔包鋼8號、9號轉爐廢鋼運輸的6臺牽引車、9臺半掛車進行了改造，改造完成后，8號、9號轉爐的廢鋼運輸生產實現了主車與掛車比為1∶1.5，達到了甩掛運輸的基本要求，也為我公司在其他業(yè)務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：化學工業(yè)出版社，2009.

［3］ 田勇，高長銀.液壓與氣壓傳動技術及應用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

［4］ 薛祖德.液壓傳動［M］.北京：中央廣播電視大學出版社，1985.