張?zhí)?齊蘭 李成 陳勇

遼寧陸平機器股份有限公司 遼寧鐵嶺 112001

1 前言

整體自裝卸車是一種集裝卸、運輸、集裝化存儲為一體的運載車輛，主要分為順裝式和側(cè)裝式兩種形式，能夠?qū)崿F(xiàn)多艙一車的配置，極大節(jié)省運輸車資源。整體自裝卸車機動、靈活，能在丘陵、山地等復(fù)雜地形上快速機動；輔助隨車自裝卸系統(tǒng)，能在較短時間內(nèi)完成方艙、集裝箱、整裝物資或托盤化裝備的自裝卸作業(yè)。

筆者設(shè)計的一種整體自裝卸車，采用順裝伸縮臂結(jié)構(gòu)，能夠滿足額定質(zhì)量5 600 kg的裝載需要，可裝卸4 m方艙或集裝箱，裝載托盤的長度不小于4 100 mm。當裝卸物存放平面低于車輛停放平面時，能夠正常裝卸作業(yè)；車輛在側(cè)坡作業(yè)、縱坡作業(yè)，或車輛縱向與裝卸物資縱向存在夾角時，能夠?qū)崿F(xiàn)裝卸物資與自裝卸車的導(dǎo)正、對中，完成不對正情況下的裝卸作業(yè)。

2 自裝卸車設(shè)計

順裝伸縮臂整體自裝卸車，采用新一代某品牌中型高機動性通用戰(zhàn)術(shù)車輛（6×6）作為載體，上裝自裝卸機構(gòu)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、后視系統(tǒng)等，可自行裝卸4 m方艙、集裝箱、托盤化整裝物資，自裝卸車組成見圖1。

2.1 自裝卸機構(gòu)設(shè)計

自裝卸機構(gòu)是整體自裝卸車的核心部件，采用順裝伸縮臂式結(jié)構(gòu)，主要由副車架、舉升臂、舉升臂油缸、吊鉤臂、吊鉤臂油缸、導(dǎo)向裝置及限位裝置等組成。副車架縱梁與汽車底盤縱梁固定為一個剛性整體；舉升臂下端鉸接在副車架中后部橫梁上；舉升臂油缸沿副車架縱向中心線進行對稱布置，下端鉸接在副車架前部橫梁上，上端鉸接在舉升臂中部兩側(cè)。吊鉤臂套裝在舉升臂內(nèi)，在吊鉤臂油缸的作用下，沿舉升臂內(nèi)腔做往復(fù)運動；吊鉤臂油缸一端鉸接在滑動臂端部，一端鉸接在舉升臂內(nèi)腔下端。自裝卸機構(gòu)效果見圖2。

圖1 順裝整體式伸縮臂自裝卸車

圖2 自裝卸機構(gòu)效果圖

整體自裝卸車需具備額定提升5 600 kg重物的能力，故采用ADAMS軟件，仿真裝載、卸載的全過程和動態(tài)受力曲線，合理設(shè)計裝卸運動軌跡，分析自裝卸系統(tǒng)最大受力，自裝卸機構(gòu)動力學(xué)分析如圖3所示。

設(shè)計過程中，采用Abaqus軟件進行有限元分析和強度校核，有限元單元類型為實體四面體單元。許用應(yīng)力[σ]=σs/n，σs為材料的屈服強度，σmax為最大計算應(yīng)力，不同工況下，最大計算應(yīng)力由受力分析軟件自動運算得出。σmax<[σ]時強度滿足要求，反之則不滿足要求?？紤]零部件的重要程度、載荷計算及強度極限等因素，取安全系數(shù)n=2。HG60材質(zhì)，屈服強度460 MPa，則許用應(yīng)力為230 MPa；HG70材質(zhì)，屈服強度590 MPa，則許用應(yīng)力為295 MPa；45#鋼，屈服強度360 MPa，則許用應(yīng)力為180 MPa；鋼質(zhì)材料彈性模量206 MPa，泊松比為0.3，密度7 8 50 kg/m3。

圖3 自裝卸機構(gòu)動力學(xué)分析

2.1.1 基本參數(shù)確定

設(shè)計時，先確定自裝卸機構(gòu)長度和高度，自裝卸機構(gòu)長度是指吊鉤鉤心到直滾輪軸線的水平距離，自裝卸機構(gòu)高度是指吊鉤頂端到副車架下平面的垂直距離。

通過總體布置，壓縮吊鉤臂前端液壓油箱和電控箱等結(jié)構(gòu)件的尺寸；滾輪設(shè)置在副車架后橫梁上方，后橫梁與底盤縱梁后端面平齊，此處支撐位置最佳。在不改變底盤車架尺寸、保持底盤原有性能的前提下，確定自裝卸機構(gòu)長度尺寸為4 016 mm，尺寸示意見圖4（a）。

自裝卸機構(gòu)吊鉤中心距托盤導(dǎo)軌承載面的距離1 570 mm，在運輸空托盤狀態(tài)下，整車總高不超過3 100 mm，裝卸時確保自裝卸機構(gòu)任何部位不與托盤發(fā)生干涉，吊鉤臂自身高度滿足極限條件下的作業(yè)需求，充分利用底盤前、中、后橋彈性元件的剛度特性值差異（即各橋中心處車架上表面離地高度的不同），確定自裝卸機構(gòu)高度為1 917 mm。自裝卸機構(gòu)與底盤組裝后，在運載空托盤狀態(tài)下，吊鉤最高外沿距地3 085 mm，尺寸示意見圖4（b）。

圖4 自裝卸結(jié)構(gòu)尺寸

2.1.2 副車架結(jié)構(gòu)

副車架是自裝卸機構(gòu)的安裝平臺，是上裝貨物的承載平臺，承載和固定方艙、集裝箱和托盤化整裝物資。副車架主要由左、右縱梁、各橫梁、舉升臂鉸支座、舉升臂油缸前鉸支座、托盤支承座（滾動支承座、滑動支承座）、托盤鎖止鉤、連接板等組成。為充分利用底盤自身的剛強度，滿足額定質(zhì)量5 600 kg的裝載需要，副車架縱梁與汽車底盤縱梁采用剛性接觸結(jié)構(gòu)，通過連接板和螺栓固定為一個剛性整體，此種連接方式，有利于在自裝卸過程中，利用底盤車架自身的剛強度提高副車架的剛強度，利于副車架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化。副車架結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 副車架結(jié)構(gòu)圖

副車架各主要梁構(gòu)件采用6 mm厚HG60優(yōu)質(zhì)高強度結(jié)構(gòu)鋼冷彎成形，再組焊成一體。外形尺寸（長×寬×高）為4 750 mm×1 610 mm×303 mm。左、右縱梁截面采用Z字型結(jié)構(gòu)，保證上裝寬度空間滿足裝卸機構(gòu)的布置要求。經(jīng)計算，副車架最大計算應(yīng)力為207.4 MPa，小于許用應(yīng)力230 MPa，強度滿足要求。副車架有限元分析見圖6。

圖6 副車架有限元分析

2.1.3 舉升臂和吊鉤臂

舉升臂長度和翻轉(zhuǎn)軸位置、吊鉤臂伸縮行程，是設(shè)計自裝卸機構(gòu)時重點考慮的參數(shù)。裝卸時，前橋車輪不能離地，后橋不能超載；吊鉤臂伸縮行程要保證托盤裝載到位，與舉升臂預(yù)留適宜的重合長度；吊鉤中心的運動軌跡盡可能低，以減小托盤的裝卸角，托盤與自裝卸車尾部不發(fā)生干涉；舉升臂油缸的作用力臂盡量大，工作行程盡量小。

按上述設(shè)計要求和作業(yè)工況，確定舉升臂長度為1 665 mm，吊鉤臂與舉升臂重合長度為470 mm，吊鉤臂最大行程為850 mm，吊鉤臂油缸閉合長度為1 310 mm。舉升臂油缸閉合長度為1 900 mm，最大行程為1 380 mm。裝卸作業(yè)時，舉升臂最大擺動角度可達141°，在裝卸物存放平面低于自裝卸車停放平面時，可進行正常裝卸作業(yè)。舉升臂和吊鉤臂工作狀態(tài)見圖7。

圖7 舉升臂和吊鉤臂工作狀態(tài)

舉升臂橫截面設(shè)計成箱形結(jié)構(gòu)，采用6 mm厚HG70優(yōu)質(zhì)高強度結(jié)構(gòu)鋼冷彎成形，再組焊成一體，局部進行加強。舉升臂后端為鉸接軸套，通過翻轉(zhuǎn)軸與副車架舉升臂鉸支座相聯(lián)；中部為油缸后鉸支座；內(nèi)腔設(shè)有吊鉤臂油缸鉸接軸套，用于吊鉤臂油缸的鉸接固定。經(jīng)有限元分析和計算，舉升臂最大計算應(yīng)力為156 MPa，小于許用應(yīng)力295 MPa，強度滿足要求。舉升臂有限元分析見圖8（a）～（c）。

吊鉤臂整體為L型，水平部分設(shè)計成等截面箱形結(jié)構(gòu)，垂直部分設(shè)計成上小下大的變截面箱形結(jié)構(gòu)，采用6 mm厚HG70優(yōu)質(zhì)高強度結(jié)構(gòu)鋼冷彎成形，再組焊成一體，局部進行加強。吊鉤臂下部設(shè)油缸前鉸接軸套，頂端設(shè)置吊鉤，吊鉤選用45#鋼，調(diào)質(zhì)處理。吊鉤設(shè)計時，保證托盤吊環(huán)在吊鉤內(nèi)運動平穩(wěn)，減小運動沖擊，避免產(chǎn)生脫鉤現(xiàn)象，兼顧掛鉤、摘鉤方便性，對吊鉤頭部形狀進行優(yōu)化，在保證吊鉤強度的基礎(chǔ)上，通過改變導(dǎo)向段曲率半徑，合理設(shè)計吊鉤線形，外曲面和內(nèi)曲面均采用二次曲面。裝卸時吊鉤狀態(tài)見圖9。

經(jīng)有限元分析和計算，吊鉤臂最大計算應(yīng)力為251.3 MPa，小于許用應(yīng)力295 MPa，強度滿足要求；吊鉤最大計算應(yīng)力為94.97 MPa，小于許用應(yīng)力180 MPa，強度滿足要求；吊鉤臂有限元分析見圖8（a）、（b）、（d）、（e）。

2.1.4 導(dǎo)向裝置和后橫梁

圖8 舉升臂和吊鉤臂有限元分析

圖9 裝卸作業(yè)時吊鉤狀態(tài)

導(dǎo)向裝置是自裝卸車裝卸作業(yè)的專用導(dǎo)向機構(gòu)，設(shè)置在副車架后橫梁上兩側(cè)，包括一對水平滾輪和一對斜滾輪。托盤導(dǎo)軌與水平滾輪接觸，有效減小裝卸過程中的摩擦阻力，降低系統(tǒng)工作壓力，同時延長托盤導(dǎo)軌的使用壽命。根據(jù)托盤導(dǎo)向角度和結(jié)構(gòu)空間要求，斜滾輪傾角設(shè)計為24°，當車輛在側(cè)坡上作業(yè)，或車輛縱向與托盤縱向存在夾角，依靠斜滾輪的斜度使托盤產(chǎn)生側(cè)向力，使托盤與自裝卸車導(dǎo)正、對中；同時，利用高度的變化，限制托盤導(dǎo)軌脫離水平滾輪。導(dǎo)向裝置和后橫梁結(jié)構(gòu)見圖10。

圖10 導(dǎo)向裝置和后橫梁

滾輪均選用45#鋼，調(diào)質(zhì)處理。后橫梁采用6 mm厚HG60優(yōu)質(zhì)高強度結(jié)構(gòu)鋼冷彎成形，再組焊成一體。經(jīng)有限元分析和計算，滾輪最大計算應(yīng)力為95.59 MPa，小于許用應(yīng)力180 MPa，強度滿足要求；后橫梁最大計算應(yīng)力為191.1 MPa，小于許用應(yīng)力230 MPa，強度滿足要求；導(dǎo)向裝置和后橫梁有限元分析見圖11。

圖11 導(dǎo)向裝置和后橫梁有限元分析

2.1.5 限位裝置

限位裝置是自裝卸車中固定和限位托盤的主要部件，設(shè)計成五點限位結(jié)構(gòu)，采用吊鉤和左右兩側(cè)鎖止鉤三點限位，在托盤導(dǎo)軌前端設(shè)置兩個限位錐銷，提高裝卸過程和越野行駛時的可靠性和安全性。限位裝置結(jié)構(gòu)見圖12。

圖12 限位裝置

2.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計

整體自裝卸車裝卸方艙、集裝箱、托盤化整裝物資時，自裝卸機構(gòu)采用全液壓驅(qū)動形式。利用汽車底盤的動力，通過加裝取力器，帶動液壓泵運轉(zhuǎn)，輸出具有壓力能的液壓油分別進入不同的系統(tǒng)回路中，其方向、壓力、流量被控制元件調(diào)控后，經(jīng)管路傳輸?shù)礁鲌?zhí)行元件中，實現(xiàn)各機構(gòu)的動作。液壓系統(tǒng)包含2個基本回路，即舉升臂回路和吊鉤臂回路，主要由斜軸式軸向柱塞泵、負載敏感比例多路閥、平衡釋放閥、雙向平衡閥、行程控制閥、防爆閥、手動泵、舉升臂油缸、吊鉤臂油缸、液壓管路及附件等組成，液壓系統(tǒng)原理見圖13。

經(jīng)計算，確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)如下，系統(tǒng)工作壓力為27 MPa，系統(tǒng)流量為56 L/min，泵工作轉(zhuǎn)速為1 300 r/min。液壓系統(tǒng)采用電控操作和手動操作兩種操作方式。

2.3 電控系統(tǒng)設(shè)計

電控系統(tǒng)采用PLC控制系統(tǒng)，控制器將采集的輸入信號和反饋信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，輸出控制信號，實現(xiàn)裝、卸動作的“一鍵式”操作和有序動作；實現(xiàn)油缸伸、縮速度的無級調(diào)節(jié)；檢測和指示各類故障信息，避免出現(xiàn)危險狀態(tài)。

電控系統(tǒng)采用底盤電源供電，主要由PLC控制器、電控操作裝置、接近傳感器、濾油傳感器、比例電磁閥、指示燈等組成，原理框圖見圖14。

PLC控制器選用專門為行走機械控制而設(shè)計的C101-A可編程控制器，該控制器電磁兼容性好，功能強且可寬溫使用，抗沖擊，適合車載工況。C101-A控制器采用SmartPLC嵌入式操作系統(tǒng)和OpenPCS開發(fā)軟件，完全兼容國際PLC標準的IEC61131-3，界面友好且編程靈活。C101-A控制器集成在電控箱內(nèi)，安裝在駕駛室后左側(cè)，其安裝位置見圖15。

圖13 液壓系統(tǒng)原理圖

圖14 電控系統(tǒng)原理框圖

電控系統(tǒng)設(shè)置了駕駛室內(nèi)操作和駕駛室外有線遙控器操作兩種方式，通過操作電控手柄實現(xiàn)“一鍵式”裝、卸動作。系統(tǒng)中設(shè)置6組傳感器，輸出信號均傳給PLC控制器，傳感器的布局見圖16，1、2位設(shè)置濾油傳感器，用于判斷液壓系統(tǒng)中回油和高壓濾油器是否堵塞；3、4位和5、6位設(shè)置接近傳感器，用于檢測各動作機構(gòu)的位置狀態(tài)，其中，3、4位用于檢測吊鉤臂裝卸是否到位，5、6位用于檢測舉升臂裝卸是否到位。

圖16 傳感器布局

圖17 視頻主機

2.4 后視系統(tǒng)設(shè)計

人員在駕駛室內(nèi)操作時，無法從后視鏡觀察尾部裝卸作業(yè)情況，存在作業(yè)危險。為了提高安全性和可操作性，加裝了后視系統(tǒng)，見圖17。

后視系統(tǒng)的7″視頻主機安裝在儀表盤上方（靠近駕駛員座位），共配置三個攝像頭：第一個位于車輛尾部中間，用于倒車影像觀察；第二個位于車輛尾部左側(cè)，用于在側(cè)面觀察吊鉤臂、舉升臂的運動情況；第三個位于駕駛室頂部，用于俯視觀察整個吊裝過程。影像既可單屏顯示，也可同時多屏顯示。

后視系統(tǒng)預(yù)留通信接口，采用CAN總線通信方式，通過與PLC通信，實現(xiàn)裝卸信息顯示和語音提醒功能。系統(tǒng)配置測距探頭，可探測、顯示本車與待裝卸物之間的距離。

3 基本性能試驗

研制樣車產(chǎn)成后，進行了機、電、液系統(tǒng)的運行調(diào)試，保證自裝卸機構(gòu)工作動作準確、安全和可靠。調(diào)試過程按空轉(zhuǎn)、空載、負載裝卸幾個階段分別進行。調(diào)試后，進行了質(zhì)量和尺寸參數(shù)測量、裝卸時間測試和短途行駛試驗。為驗證性能指標，進行了應(yīng)力測試，測試各種作業(yè)工況下，舉升臂、吊鉤臂、吊鉤、副車架等主要結(jié)構(gòu)件在各種作業(yè)工況的最大應(yīng)力；進行了液壓系統(tǒng)參數(shù)測試，包括液壓系統(tǒng)的壓力、流量和溫度，液壓系統(tǒng)測試見圖18。測試數(shù)據(jù)與設(shè)計方案計算結(jié)果基本吻合。

圖18 液壓系統(tǒng)測試

針對通用托盤、罐體托盤等裝載工況，進行了極限作業(yè)能力測試；裝卸物存放平面低于車輛停放平面裝卸作業(yè)，高度大于400 mm；裝卸物與車輛縱向夾角作業(yè)，夾角大于10°；側(cè)坡作業(yè)，坡度大于10%；縱坡作業(yè)，坡度大于20%；各裝載工況和極限作業(yè)工況下，均可進行正常裝卸作業(yè)。按標準的要求，在專用試驗場進行了長途行駛、循環(huán)作業(yè)可靠性、高低溫等性能試驗，結(jié)果各項性能指標均滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)語

本文分析了基于某中型高機動性底盤的順裝伸縮臂整體自裝卸車的功能，詳細介紹了自裝卸車的設(shè)計，進行作業(yè)工況的運動分析，對自裝卸機構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)進行了有限元分析和校核。樣車產(chǎn)成后，進行了各項基本性能試驗，驗證了理論計算的準確性、設(shè)計方案的合理性和可行性。

該自裝卸車已研制成功，機、電、液系統(tǒng)動作安全、穩(wěn)定、可靠，滿足使用要求，為同類產(chǎn)品的設(shè)計積累了經(jīng)驗。隨著第三代中型高機動性戰(zhàn)術(shù)車輛的廣泛應(yīng)用，該自裝卸車應(yīng)用范圍也將越來越大。