朱海天　 李紅勛　 李立順

軍事交通學(xué)院　 天津　 300161

一種集裝箱跨運(yùn)車(chē)行走驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

朱海天 李紅勛 李立順

軍事交通學(xué)院 天津 300161

1　前言

集裝箱跨運(yùn)車(chē)，英文名straddle carrier，以芬蘭卡爾瑪公司（KALMAR）生產(chǎn)的跨運(yùn)車(chē)最為著名（如圖1）。集裝箱跨運(yùn)車(chē)一般用于中短途運(yùn)輸集裝箱，其以門(mén)形車(chē)架跨在集裝箱上，由裝有集裝箱吊具的液壓升降系統(tǒng)吊起集裝箱，進(jìn)行搬運(yùn)堆碼。同時(shí)，還可用集裝箱跨運(yùn)車(chē)將集裝箱裝在集裝箱底盤(pán)車(chē)上或從底盤(pán)車(chē)上卸下。因此，它比集裝箱龍門(mén)起重機(jī)具有更大的機(jī)動(dòng)性。集裝箱跨運(yùn)車(chē)一般可將集裝箱堆碼二至三層高。由于其機(jī)動(dòng)靈活、效率高、穩(wěn)定性好和輪壓低等特點(diǎn)，集裝箱跨運(yùn)車(chē)在國(guó)外碼頭被廣泛使用，對(duì)于許多中型碼頭貨運(yùn)站（貨運(yùn)量大于30萬(wàn)t，小于100萬(wàn)t）而言，一個(gè)以集裝箱跨運(yùn)車(chē)為基礎(chǔ)組建的貨物裝卸運(yùn)輸系統(tǒng)是效率最高的選擇。近年來(lái)，我國(guó)軍工車(chē)企與科研院所也正在聯(lián)合開(kāi)發(fā)集裝箱跨運(yùn)車(chē)型。

圖1　卡爾瑪集裝箱跨運(yùn)車(chē)

2　行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作原理

集裝箱跨運(yùn)車(chē)一般由行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、車(chē)架、起升裝置、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)組成。行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力成為動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)變量泵，變量泵將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為油液的液壓能，高壓油液通過(guò)行走回路直接驅(qū)動(dòng)輪邊馬達(dá)，從而驅(qū)使集裝箱跨運(yùn)車(chē)前行。其原理圖如圖2所示。

圖2　行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)液壓原理圖

3　行走驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1設(shè)計(jì)要求

集裝箱跨運(yùn)車(chē)的行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)能滿(mǎn)足設(shè)備最大負(fù)載的行走設(shè)計(jì)需求。設(shè)備相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1　集裝箱跨運(yùn)車(chē)行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

除此以外，在碼頭、堆場(chǎng)等集裝箱貨運(yùn)場(chǎng)所，由于場(chǎng)地的特殊性，集裝箱跨運(yùn)車(chē)的行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與其他工程機(jī)械相比有著很大差別，其液壓部分的設(shè)計(jì)要求主要包括有：

a. 集裝箱跨運(yùn)車(chē)液壓系統(tǒng)由前后車(chē)組的兩個(gè)獨(dú)立行走驅(qū)動(dòng)回路構(gòu)成。每個(gè)車(chē)組均能獨(dú)立行走，但當(dāng)需要兩個(gè)車(chē)組整體工作時(shí)，則可采取雙動(dòng)力單元協(xié)調(diào)控制的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

b. 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)既要滿(mǎn)足集裝箱跨運(yùn)車(chē)最高運(yùn)行速度≥5 km/h的要求，還必須滿(mǎn)足滿(mǎn)載時(shí)（最大載質(zhì)量為24 t）最大爬坡度≥6%。

c. 車(chē)組轉(zhuǎn)向時(shí)內(nèi)外側(cè)的驅(qū)動(dòng)輪可實(shí)現(xiàn)差速行駛。

d. 可無(wú)級(jí)調(diào)速，重載低速，輕載高速。

3.2液壓馬達(dá)的確定[1]

根據(jù)上節(jié)要求，集裝箱跨運(yùn)車(chē)最大爬坡度為6%，共采用四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)。其行駛方程為：

式中，G為滿(mǎn)載時(shí)整車(chē)總質(zhì)量，G=40000kg；f為滾動(dòng)摩擦系數(shù)，f=0.02；α為坡度角度，αmax=6°。

由此計(jì)算出每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪需要提供的最大驅(qū)動(dòng)力為F=10kN，因此每個(gè)車(chē)輪提供的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為：

式中，r為車(chē)輪半徑，r=0.35m

根據(jù)同類(lèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選定輪邊減速器與液壓馬達(dá)匹配的減速比為i=41.91，因此液壓馬達(dá)所需提供的轉(zhuǎn)矩應(yīng)為：

初步選定液壓馬達(dá)型號(hào)為SAUER DANFOSS生產(chǎn)的K-C-45DN型柱塞馬達(dá)，其低速擋排量為45ml/r，高速擋排量為17ml/r。大排量額定轉(zhuǎn)速3500r/min，小排量額定轉(zhuǎn)速4 500 r/min。馬達(dá)連續(xù)工作壓力17.5 MPa。

根據(jù)排量計(jì)算公式：

取理論排量V=45 ml/r，馬達(dá)機(jī)械效率η=0.8，計(jì)算可得液壓馬達(dá)工作壓力為：P=14.57 MPa。

因此，液壓馬達(dá)在理論排量下的工作壓力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，表明所選馬達(dá)型號(hào)合理。

3.3變量泵的確定

由上節(jié)可知，集裝箱跨運(yùn)車(chē)滿(mǎn)載時(shí)的最高車(chē)速為：vmax=5 km/h，即vmax=1.39 m/s。

液壓馬達(dá)所需最高轉(zhuǎn)速為：

計(jì)算可得：n=1 588.94 r/min。

此時(shí)液壓馬達(dá)所需流量為：q=n·vmax=71.502 L/min。

每個(gè)車(chē)組的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)由一個(gè)液壓泵供油，因此滿(mǎn)載行駛時(shí)液壓泵所需要的供油量為：

式中，ηv為 容積效率，取ηv=0.9。

計(jì)算可得：Q=143 L/min。

集裝箱跨運(yùn)車(chē)車(chē)組的發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，其通過(guò)調(diào)速器設(shè)置的轉(zhuǎn)速為2 200 r/min，因此液壓泵排量為：V=Q/n=65 ml/r。

通過(guò)相關(guān)型號(hào)對(duì)比[2]，選取SAUER DANFOSS 生產(chǎn)的90R075-KP型軸向變量柱塞泵，變量泵的最大排量為75 ml/r。

按照所選液壓元件可知，當(dāng)集裝箱跨運(yùn)車(chē)液壓馬達(dá)以全排量工作時(shí)，其對(duì)應(yīng)的最大速度為5.77 km/h，滿(mǎn)足最高速度不低于5 km/h的車(chē)速要求。而在小排量行走時(shí)，集裝箱跨運(yùn)車(chē)最高速度為14 km/h。

3.4爬坡能力校核

集裝箱跨運(yùn)車(chē)屬于低速行駛裝備，因此，其空氣阻力可以忽略不計(jì)。當(dāng)液壓馬達(dá)全排量持續(xù)工作時(shí)，其工作壓力保持在17.5 MPa不變，整車(chē)4個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力Ft=40 kN。

集裝箱跨運(yùn)車(chē)動(dòng)力特性如圖3所示，按照爬坡能力的粗略算法，當(dāng)其動(dòng)力因數(shù)D=F/G=0.1，則爬坡能力為[3]：i=D－f=0.08=8%。

圖3　集裝箱跨運(yùn)車(chē)動(dòng)力特性圖

由以上分析可知，集裝箱跨運(yùn)車(chē)滿(mǎn)載時(shí)可以克服坡度為6%的坡道，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)。相應(yīng)的前提是集裝箱跨運(yùn)車(chē)四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)力同時(shí)達(dá)到額定值，而四個(gè)馬達(dá)的工作壓力都能達(dá)到全排量時(shí)的持續(xù)工作壓力。

4　結(jié)論

本文介紹了某款集裝箱跨運(yùn)車(chē)行走驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)的工作原理及其設(shè)計(jì)。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)相關(guān)部件進(jìn)行選型。經(jīng)過(guò)校核，所選部件滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)集裝箱跨運(yùn)車(chē)的正常工作。今后這種集裝箱跨運(yùn)車(chē)將會(huì)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于碼頭、拆裝卸庫(kù)場(chǎng)、集裝箱中轉(zhuǎn)站和大型企業(yè)集裝箱庫(kù)場(chǎng)等場(chǎng)所，能為企業(yè)創(chuàng)造出更大的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005,4(23):50.

[2]陳幕忱,陸植.裝卸搬運(yùn)車(chē)輛[M].北京:人民交通出版社,1998:25.

[3] 韋曉磊.負(fù)荷敏感節(jié)能技術(shù)在集裝箱跨運(yùn)車(chē)上的應(yīng)用研究[J].港口裝卸,2014 (5):20-21.

Design of Hydraulic Driving System of A Container Straddle Carrier

ZHU Hai-tian et al

介紹了一種集裝箱跨運(yùn)車(chē)行走驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)的工作原理，根據(jù)其工作特點(diǎn)對(duì)液壓系統(tǒng)提出了設(shè)計(jì)要求和液壓元件的選型，并對(duì)液壓元件的安全性進(jìn)行了校核。校核結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足集裝箱跨運(yùn)車(chē)安全高效工作的使用要求。

集裝箱跨運(yùn)車(chē) 行走驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng) 設(shè)計(jì)

the principle of the container straddle carrier was introduced in this paper, by the working characteristics of device and design requirements of hydraulic driving system was put forward. Based on the requirements, choose and safety check the hydraulic elements. The result show that hydraulic driving system can satisfy the requirement of efficient transport.

container straddle carrier; hydraulic driving system; design

朱海天，男，1991年生，碩士研究生，現(xiàn)從事軍用特種車(chē)輛設(shè)計(jì)與仿真工作。

U635.92

A

1004-0226(2016)07-0094-03

2015-05-04