陳志斌 高振興

摘 要：前置頂自卸車是通過在貨箱前面安裝液壓油缸，實(shí)現(xiàn)貨箱舉升的一種自卸車。前置頂自卸車相對(duì)于中置頂自卸車，結(jié)構(gòu)更合理，性能更可靠，安全系數(shù)更高，具有安裝維護(hù)方便，舉升噸位大，使用壽命長的特點(diǎn)。隨著前置頂自卸車的廣泛運(yùn)用，市場用戶的高要求，如何將用戶的需求，轉(zhuǎn)換為設(shè)計(jì)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：前置頂自卸車 卸貨量 舉升角度 液壓油缸缸徑 行程 推力

1 研究本課題的目的和意義

當(dāng)今自卸汽車的市場細(xì)分化越來越精細(xì)，用戶對(duì)自卸汽車的貨箱長度使用要求從3.75米—8.6米，都需要前頂結(jié)構(gòu)，因此，作為自卸車設(shè)計(jì)人員如何快速、準(zhǔn)確的的計(jì)算出液壓缸的行程、舉升角度、裝載質(zhì)量等參數(shù)，是決定自卸車是否滿足客戶質(zhì)量要求的前提。筆者從事自卸車設(shè)計(jì)及研究20余年，積累了大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過理論推導(dǎo)，實(shí)踐驗(yàn)證，總結(jié)出本文前置頂自卸車舉升缸與貨箱舉升角度裝載量之間關(guān)系的研究課題。

2 課題的理論基礎(chǔ)

自卸汽車設(shè)計(jì)時(shí)，一般在對(duì)應(yīng)的定型的汽車底盤上改裝設(shè)計(jì)。充分考慮自卸車的專用工作裝置和汽車底盤的匹配，使用過程中不能為了保證專用功能的使用，而忽視了原有底盤的承受極限，要保證原有汽車底盤的基本性能不受影響。

自卸汽車設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮國家和行業(yè)中的要求和規(guī)范準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)的自卸汽車要滿足交通安全法規(guī)。

自卸汽車總體布置時(shí)要正確的確定好整車參數(shù)，合理布置各總成件和零部件。使工作過程中各工作部件不產(chǎn)生干涉，滿足設(shè)計(jì)尺寸要求。在自卸汽車設(shè)計(jì)中，總體布置還需遵循以下要求。

1）減少對(duì)原有汽車底盤總成位置的改變，盡量保持汽車底盤的性能。

2）在設(shè)計(jì)自卸汽車上裝部分時(shí)，要盡量避免上裝部分工作時(shí)對(duì)主車架造成集中載荷，延長主車架使用壽命。

3）在保證使用性能的前提下合理采用輕質(zhì)材料，減少自卸汽車自重，提高載重能力。

3 數(shù)學(xué)模型建立

依據(jù)自卸車液壓系統(tǒng)及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的原理，通過關(guān)鍵元、部件的運(yùn)動(dòng)軌跡，找出特定數(shù)據(jù)值條件下的基礎(chǔ)關(guān)系式建立數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型的建立要圍繞液壓舉升油缸和貨箱展開，前置頂顧名思義，液壓油缸放置在貨箱前端的結(jié)構(gòu)形式，圍繞在前頂液壓油缸舉升過程中，通過貨箱繞翻轉(zhuǎn)中心舉升過程中，其運(yùn)動(dòng)軌跡和液壓油缸的擺動(dòng)軌跡及伸縮量之間的關(guān)系，油缸舉升過程中貨箱內(nèi)貨物流出量的多少關(guān)系，找出其相關(guān)聯(lián)的當(dāng)量關(guān)系，通過當(dāng)量關(guān)系，利用數(shù)學(xué)物理公式，將其中的變量建立函數(shù)關(guān)系，通過已經(jīng)成熟的車型去驗(yàn)證已建立的函數(shù)關(guān)系是否能夠推演出常態(tài)化的關(guān)系，從而利用確立的函數(shù)關(guān)系，再利用建立的函數(shù)關(guān)系結(jié)合EXCEL的函數(shù)模塊功能，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的錄入求值結(jié)果。

3.1 貨箱形狀的選定

市場上常見的車廂結(jié)構(gòu)形式有3種：鏟斗車廂、矩形車廂和U形車廂。矩形車廂結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)用性強(qiáng)。一般運(yùn)輸土方、沙子等貨物，車廂的強(qiáng)度剛度相比鏟斗車廂低但制造成本低，市場占有率高。因此，本課題選擇矩形車廂作為研究對(duì)象。

3.2 安息角定義

安息角是指散料堆放保持的停止自然溜下的一種臨界狀態(tài)，也叫休止角。安息角和粉塵的種類、含水率和形狀有關(guān)系。同一種粉塵含水率越大，安息角越大;形狀越大，安息角越小。

3.3 舉升角定義

舉升角是指在油缸伸長過程中，推動(dòng)貨箱繞翻轉(zhuǎn)支架軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，貨箱底板平面與水平面所形成的夾角。當(dāng)油缸行程用完或達(dá)到限定行程時(shí)，貨箱的舉升角度為最大值。貨箱的最大舉升角與所選油缸行程大小、翻轉(zhuǎn)中心的位置及物料介質(zhì)前后有關(guān)，舉升機(jī)構(gòu)的最大舉升角度要大于散料的安息角，才能讓舉升機(jī)構(gòu)舉升車廂時(shí)把貨物傾卸干凈。

3.4 卸貨量與舉升角度之間的數(shù)學(xué)模型

貨物從貨箱中傾斜，當(dāng)舉升角度大于等于安息角時(shí)，貨箱中的貨物才具備傾斜的條件。因此，只要建立貨箱舉升角度變化的過程中，舉升角度與貨物安息角間的變化關(guān)系，同時(shí)明確舉升角度變化時(shí)，貨箱中貨物的變化情況，就可以確立舉升角度和卸貨量間的數(shù)學(xué)模型。

3.5 舉升角β與缸伸出長度的數(shù)學(xué)模型

液壓油缸在實(shí)現(xiàn)貨箱舉升過程中，不僅要進(jìn)行油缸的伸長，同時(shí)還要繞下鉸軸旋轉(zhuǎn)，貨箱繞翻轉(zhuǎn)中心鉸軸在液壓油推力作用下旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)貨箱的舉升動(dòng)作。在貨箱的舉升過程中，油缸的繞軸旋轉(zhuǎn)與貨箱的繞軸旋轉(zhuǎn)存在一定的數(shù)學(xué)角度變化關(guān)系，而液壓油缸的生產(chǎn)與油缸的繞軸旋轉(zhuǎn)又存在一定的數(shù)學(xué)變量關(guān)系，通過油缸的繞軸旋轉(zhuǎn)，將液壓油缸的伸長，即液壓油缸行程與貨箱的舉升角度很好的聯(lián)系在一起，從而建立起行程與舉升角度之間的當(dāng)量關(guān)系，繼而建立兩者間的數(shù)學(xué)模型。

3.6 舉升角β角、裝載質(zhì)量與缸徑的數(shù)學(xué)模型

當(dāng)裝載質(zhì)量一定時(shí)，液壓油缸的缸徑最小值直接決定其舉升貨物多少的能力，設(shè)計(jì)人員必須明確訂單提報(bào)的液壓油缸缸徑是否滿足用戶在所設(shè)定工況下的需求，因此我們通過在某一角度時(shí)，貨箱還剩余貨物多少來確定這一角度時(shí)，液壓油缸伸出的缸筒直徑值，能否維持在系統(tǒng)動(dòng)力作用下繼續(xù)保持貨箱繼續(xù)舉升的狀態(tài)，完成貨箱繼續(xù)卸貨能力，液壓油缸缸徑的最小值確定不但是保證持續(xù)卸貨能力的體現(xiàn)，因此通過通過貨箱舉升過程中，貨物剩余量與需求推力的變化關(guān)系，建立起卸貨量與缸徑之間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型。

3.6.1 舉升角與缸伸出長度關(guān)系

當(dāng)知道某一角度時(shí)，貨箱內(nèi)貨物存量和卸除或物量是多少時(shí)，此時(shí)油缸的伸出長度是多少？此時(shí)伸出的是多級(jí)缸筒中的第幾級(jí)呢？這些問題引起關(guān)注的同時(shí)，就會(huì)想到構(gòu)建一個(gè)數(shù)學(xué)關(guān)系，解決疑問。前置頂結(jié)構(gòu)自卸車的舉升角與液壓缸的伸出長度關(guān)系通過哪些參數(shù)和當(dāng)量關(guān)系值可以轉(zhuǎn)化而來呢？通過二維模型繪制可以清楚的知道：當(dāng)貨箱的翻轉(zhuǎn)中心位置確定，油缸的固定選旋轉(zhuǎn)中心確定，油缸與貨箱的連接點(diǎn)確定時(shí)，這三者的平面投影連線就將兩者的關(guān)系在一個(gè)三角形中構(gòu)建出來。

行程是指貨箱由0°至最大舉升角度時(shí)，所需油缸的長度，即油缸的最大伸長長度，某一角度時(shí)油缸的行程就是油缸的伸長長度。

3.6.2 貨箱舉舉升角與油缸擺角間的關(guān)系

當(dāng)貨箱舉升角度由10°增加至20°時(shí)，油缸與底板所成角度由85°縮至80°，即貨箱角度增加10°，油缸擺角增加5°，即當(dāng)貨箱角度增加β時(shí)，油缸擺角增加β/2，由此可推斷：液壓油缸的伸長長度與貨箱的舉升角之間是可控的變化關(guān)系。

3.6.3 β角時(shí)裝載質(zhì)量與缸徑關(guān)系

在缸筒材質(zhì)圈定的范圍內(nèi)，缸徑直接決定了液壓油缸能夠推舉起最大載重量的能力，而將缸徑的變化與貨箱存留貨量結(jié)合起來，明確舉升角度變化時(shí)，油缸的推理是如何隨油缸的擺動(dòng)而變化，發(fā)現(xiàn)其中的當(dāng)量關(guān)系，建立數(shù)學(xué)模型，并以一定的數(shù)學(xué)關(guān)系式表達(dá)出來，能夠推進(jìn)我們快速訂單的進(jìn)程。

3.6.3.1 油缸缸徑與推力

推力是油缸能夠舉起貨物重量能力的重要參數(shù)，當(dāng)材質(zhì)、壓力一定的情況下，油缸的缸徑就是這一能力參數(shù)的重要指標(biāo)，推力和缸徑間存在著必然的當(dāng)量關(guān)系。

3.6.3.2 貨裝載質(zhì)量與推力

貨箱容積和貨物比重一定時(shí)，貨箱的最大裝載質(zhì)量也就確定了，此時(shí)油缸能夠剛好舉起此重量的貨物，那么油缸的最小推力也就確定了。

4 EXCEL函數(shù)關(guān)系確定與數(shù)據(jù)表格形成

4.1 數(shù)學(xué)關(guān)系式與EXCEL函數(shù)的代入

利用EXCEL中的函數(shù)，將3.7.1，3.7.2，3.7.3中推導(dǎo)出的數(shù)學(xué)關(guān)系式轉(zhuǎn)化為函數(shù)關(guān)系式，與訂單中的已知條件建立聯(lián)系。

4.2 EXCEL表格的輸出

如表1，此表設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)已知的標(biāo)的物比重、貨箱規(guī)格、結(jié)構(gòu)布置參數(shù)、

錄入下表中，可以快速計(jì)算出設(shè)計(jì)所選用的最佳缸徑、行程、推力。（圖表中黃底單元格），根據(jù)函數(shù)關(guān)系式（圖標(biāo)中紅底單元格）自動(dòng)計(jì)算出所需的數(shù)據(jù)值。

計(jì)算示例如表1：

5 結(jié)束語

本次研究課題是自卸上裝設(shè)計(jì)中比不可少的計(jì)算求值過程，課題最終的研究成果是讓非專業(yè)的人員，在一定已知條件的基礎(chǔ)上：能做專業(yè)設(shè)計(jì)人員所做的事，并簡化繁雜的求解、計(jì)算過程。

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