劉加勇，李 輝

(1.機(jī)械工業(yè)教育發(fā)展中心，北京 100083；2.開封大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，河南 開封 475004)

破障清理車為道路、廢墟破除障礙，為清理垃圾帶來便捷，可滿足高強(qiáng)度的現(xiàn)場作業(yè)，如地震發(fā)生后，大面積的建筑物倒塌，城市道路交通嚴(yán)重堵塞。在山區(qū)，山體滑坡后，主要干道的路況也會變得十分復(fù)雜，如果不能及時清理路面，則很多過往車輛會受困于道路中，并且救援車輛及運送救災(zāi)物資的車輛也無法及時趕到救災(zāi)現(xiàn)場；因此，快速地清理受堵路面顯得至關(guān)緊要。在救援中，往往需要多重救援作業(yè)交替進(jìn)行，而大型設(shè)備功能比較單一，不足以滿足實際現(xiàn)場作業(yè)的要求；另外，由于救援空間有限，無法實現(xiàn)多種設(shè)備同時作業(yè)，導(dǎo)致現(xiàn)場混亂，設(shè)備相互之間影響[1]。針對上述問題，本文研究設(shè)計了集多種常用功能于一體，且能夠?qū)崿F(xiàn)快速轉(zhuǎn)換的破障清理車。

1 破障清理車的結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的是一輛具有破障、清理功能的破障清理車(見圖1)。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，包括破障系統(tǒng)、清理系統(tǒng)、車身底盤、用于支承車身底盤的六履帶行走裝置和通過回轉(zhuǎn)支承件設(shè)置在車身底盤上的回轉(zhuǎn)平臺。車身底盤的前部連接清理系統(tǒng)，回轉(zhuǎn)平臺上設(shè)置有駕駛?cè)耸液团e升裝置，破障系統(tǒng)安裝在舉升裝置上。

圖1 破障清理車實物圖

圖2 破障清理車結(jié)構(gòu)圖

1.1 破障系統(tǒng)的設(shè)計

破障系統(tǒng)(見圖3)包括破障裝置、驅(qū)動系統(tǒng)和V形防護(hù)罩。

圖3 破障系統(tǒng)

破障裝置包括轉(zhuǎn)軸和間隔設(shè)置在轉(zhuǎn)軸上的3組飛盤連桿破障刀盤。飛盤連桿破障刀盤由止旋裝配在轉(zhuǎn)軸上的輪盤和沿圓周均布在輪盤上的多只破障刀片組成。

1)輪盤。輪盤構(gòu)成刀片安裝座，包括用于與對應(yīng)的轉(zhuǎn)軸，止旋配合的中心體和與中心體同軸設(shè)置的圈體。中心體上通過螺栓聯(lián)接有中心體連桿，圈體上通過螺栓聯(lián)接圈體連桿。中心體連桿的徑向內(nèi)端與圈體連桿的徑向外端均向背離于刀片安裝座回轉(zhuǎn)方向的一側(cè)傾斜，并相互連接。

2)破障刀片。破障刀片為厚度均勻的彎曲板狀結(jié)構(gòu)，其厚度方向與其回轉(zhuǎn)軸線延伸方向一致。破障刀片回轉(zhuǎn)徑向的后部在回轉(zhuǎn)方向上的前端通過一只螺栓連接在圈體上，該螺栓與破障刀片回轉(zhuǎn)中心的連線相對于破障刀片的回轉(zhuǎn)徑向朝破障刀片回轉(zhuǎn)方向的前方傾斜。破障刀片回轉(zhuǎn)徑向的后部在回轉(zhuǎn)方向的后端通過螺栓聯(lián)接在中心體連桿與圈體連桿的連接處，破障刀片上用于與中心體連桿連接的位置與該螺栓之間的連線和中心體連桿形成≥90°且<180°的角，以保證中心體連桿對破障刀片起到良好的支撐作用。破障刀片回轉(zhuǎn)徑向的前部伸出刀片安裝座的徑向外側(cè)，形成沖擊破碎部，沖擊破碎部的徑向前端具有刀尖，使用時刀尖能夠起到良好的破障效果。

1.2 清理系統(tǒng)的設(shè)計

清理系統(tǒng)(見圖4)包括清理鏟斗、Z形支撐臂、伸縮液壓缸和托舉液壓缸。

圖4 清理系統(tǒng)

清理鏟斗鉸接在Z形支撐臂上。Z形支撐臂的前端與清理鏟斗底部鉸接，后端與相應(yīng)的伸縮液壓缸鉸接，中部與車身底盤之間鉸接有托舉液壓缸，能夠在伸縮液壓缸的作用下帶動清理鏟斗前后活動，并能夠在托舉液壓缸的作用下升降。Z形支撐臂與清理鏟斗的上部之間鉸接有翻轉(zhuǎn)液壓缸，翻轉(zhuǎn)液壓缸伸縮能夠帶動清理鏟斗上下翻轉(zhuǎn)。清理系統(tǒng)的設(shè)計既可實現(xiàn)前后直線運動，又可實現(xiàn)上下翻轉(zhuǎn)和舉升下降。其結(jié)構(gòu)簡單，成本低，使用方便。

1.3 舉升裝置的設(shè)計

舉升裝置包括鉸接在回轉(zhuǎn)平臺上的支撐臂和中后部鉸接在支撐臂頂端的機(jī)械臂，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示[2]。

圖5 舉升裝置示意圖

1.3.1 支撐臂設(shè)計

舉升裝置的支撐臂(見圖6)采用了平面矩形框架結(jié)構(gòu)，包括沿垂直于支撐臂回轉(zhuǎn)徑向方向疊放的下框架和上框架。

a)支撐臂上框架

b)支撐臂下框架圖6 支撐臂結(jié)構(gòu)示意圖

下框架與回轉(zhuǎn)平臺鉸接，其左右兩側(cè)縱梁頂部的上側(cè)面上凸設(shè)有導(dǎo)向輪支架，導(dǎo)向輪支架上裝配有導(dǎo)向支承輪，導(dǎo)向支承輪與導(dǎo)向輪支架形成T形結(jié)構(gòu)。上框架左右兩側(cè)的縱梁上設(shè)有供導(dǎo)向支承輪嵌入，并沿支撐臂的回轉(zhuǎn)徑向滾動配合的T形導(dǎo)向槽。上框架底部固定有上框架驅(qū)動座，上框架驅(qū)動座的左右兩側(cè)設(shè)有沿支撐臂回轉(zhuǎn)徑向貫通的U形導(dǎo)向槽；下框架的左右兩側(cè)的縱梁上設(shè)有用于嵌入U形導(dǎo)向槽內(nèi)的驅(qū)動座導(dǎo)軌，驅(qū)動座導(dǎo)軌與U形導(dǎo)向槽能夠沿支撐臂的回轉(zhuǎn)徑向?qū)蛞苿优浜?。通過導(dǎo)向輪支架、導(dǎo)向支承輪和T形導(dǎo)向槽，以及U形導(dǎo)向槽和驅(qū)動座導(dǎo)軌，上框架能夠沿支撐臂回轉(zhuǎn)徑向?qū)蛞苿友b配在下框架上，使支撐臂形成可伸縮支撐臂。下框架內(nèi)還轉(zhuǎn)動裝配有2只左右并列的上框架驅(qū)動絲杠，上框架驅(qū)動絲杠與上框架驅(qū)動座形成螺旋傳動，上框架驅(qū)動絲杠在相應(yīng)驅(qū)動機(jī)構(gòu)作用下轉(zhuǎn)動，即可帶動上框架沿支撐臂的回轉(zhuǎn)徑向?qū)蛞苿?，進(jìn)而實現(xiàn)支撐臂的伸縮[3]。

回轉(zhuǎn)平臺上裝配有2只左右間隔布置的支撐臂驅(qū)動絲杠，支撐臂驅(qū)動絲杠與支撐臂成X形交叉布置。下框架的寬度方向兩側(cè)鉸接有2個支撐臂連接座，2個支撐臂連接座分別與2個支撐臂驅(qū)動絲杠螺旋傳動而構(gòu)成絲杠螺母機(jī)構(gòu)。通過支撐臂驅(qū)動絲杠和支撐臂連接座的配合，支撐臂能夠在支撐臂驅(qū)動絲杠轉(zhuǎn)動時實現(xiàn)上下擺動，進(jìn)而實現(xiàn)角度調(diào)整。支撐臂采用絲杠螺母機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動能夠?qū)崿F(xiàn)大的調(diào)整范圍，使清障車能夠適應(yīng)分布位置更廣的障礙物，提高適應(yīng)性。

1.3.2 機(jī)械臂設(shè)計

機(jī)械臂也采用矩形框架形式，其后部鉸接在機(jī)械臂鉸接座上。上框架的左右兩側(cè)分別設(shè)有沿支撐臂的回轉(zhuǎn)徑向延伸的導(dǎo)向槽，對應(yīng)設(shè)置的機(jī)械臂驅(qū)動滑塊上設(shè)有用于嵌入導(dǎo)向槽內(nèi)的導(dǎo)向支承輪，并且通過導(dǎo)向支承輪與上框架上導(dǎo)向槽的配合導(dǎo)向移動裝配在上框架上。機(jī)械臂的后端端部與機(jī)械臂驅(qū)動滑塊之間鉸接有機(jī)械臂連桿，機(jī)械臂連桿與機(jī)械臂、支撐臂和機(jī)械臂驅(qū)動滑塊構(gòu)成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。上框架底部橫梁與機(jī)械臂驅(qū)動滑塊之間設(shè)有用于驅(qū)動機(jī)械臂驅(qū)動滑塊導(dǎo)向移動的滑塊驅(qū)動裝置，滑塊驅(qū)動裝置包括轉(zhuǎn)動裝配在上框架上的機(jī)械臂驅(qū)動絲杠，機(jī)械臂驅(qū)動滑塊與機(jī)械臂驅(qū)動絲杠螺旋傳動而構(gòu)成絲杠螺母機(jī)構(gòu)。支撐臂上設(shè)置機(jī)械臂鉸接座，能夠使該曲柄滑塊機(jī)構(gòu)形成偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，從而能夠減小驅(qū)動作用力，降低成本。

支撐臂和機(jī)械臂采用框架結(jié)構(gòu)，能夠承受較大的沿支撐臂回轉(zhuǎn)軸線的作用力，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，工作可靠[4-5]。

1.4 六履帶行走裝置的設(shè)計

六履帶行走裝置構(gòu)成攀援裝置，包括前履帶、中履帶和后履帶，攀援過程如圖7所示。前履帶、中履帶和后履帶均設(shè)有左右2只，前履帶和后履帶能夠繞中履帶轉(zhuǎn)動而實現(xiàn)攀援功能，能夠攀援高度小于前履帶長度的斜坡。當(dāng)車身攀援陡坡時，以中履帶和后履帶為主要動力，使整個車身前行，一直到整個車身攀援到陡坡之上。

圖7 六履帶行走裝置的攀援過程示意圖

2 破障清理車工作過程

作業(yè)時，破障清理車能夠在六履帶行走裝置構(gòu)成攀援裝置作用下行走。當(dāng)整個車身置于陡坡時，前履帶旋轉(zhuǎn)到一定的角度，后履帶移動，并與中履帶配合提供前進(jìn)動力攀上陡坡，以適應(yīng)復(fù)雜的地形。當(dāng)對障礙物進(jìn)行破碎時，通過支撐臂驅(qū)動絲杠、上框架驅(qū)動絲杠和機(jī)械臂驅(qū)動絲杠調(diào)整破障系統(tǒng)的位置，即可對障礙物實施破碎，轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)平臺的位置能夠?qū)ζ普锨謇碥囍車煌较虻恼系K物實施破碎。當(dāng)進(jìn)行清理作業(yè)時，可以通過控制車輛移動和控制清理鏟斗的前后伸縮使破碎物及障礙物進(jìn)入清理鏟斗，并通過相應(yīng)液壓缸實現(xiàn)破碎物及障礙物的托起和傾倒。采用支撐臂驅(qū)動絲杠、上框架驅(qū)動絲杠和機(jī)械臂驅(qū)動絲杠可以實現(xiàn)舉升裝置的大范圍活動，適應(yīng)性好，能夠廣泛應(yīng)用于道路清理疏通、災(zāi)區(qū)重建、災(zāi)區(qū)救援、建筑拆遷和消防等行業(yè)；并且，支撐臂驅(qū)動絲杠、上框架驅(qū)動絲杠和機(jī)械臂驅(qū)動絲杠采用電動機(jī)驅(qū)動，避免了采用液壓缸而導(dǎo)致的質(zhì)量大、故障率高和管路復(fù)雜等問題，同時降低了成本。

3 結(jié)語

破障清理車集汽車、多種工程機(jī)械功能于一身，具有突出的機(jī)動能力、強(qiáng)大的任務(wù)保障能力。該車的研制成功，將有效提高自然災(zāi)害應(yīng)急救援隊伍的快速反應(yīng)能力和應(yīng)急救援保障能力，成為我國救災(zāi)應(yīng)急力量體系中的重要一員。