寶鋼自制140 t框架車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分析及運(yùn)動(dòng)模擬驗(yàn)證

劉 加

(上海寶鋼工業(yè)技術(shù)服務(wù)有限公司，上海 201900)

0 前言

框架車因其結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力大、轉(zhuǎn)彎半徑小、機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)，廣泛用于大型鋼鐵企業(yè)在廠區(qū)內(nèi)運(yùn)輸熱軋帶鋼、鋼管、板坯等產(chǎn)品，屬于特種重型運(yùn)輸車輛。寶鋼在建廠初期生產(chǎn)用框架車均為國外引進(jìn)，最大運(yùn)輸能力140 t(車頭下置式)。部分框架車經(jīng)過多年滿負(fù)荷運(yùn)行，已接近使用壽命，隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，寶鋼對框架車的運(yùn)輸需求也增大，近幾年開始研制框架車。寶鋼國產(chǎn)化后的140 t框架車性能達(dá)到或部分指標(biāo)超過進(jìn)口車的水平。本文分析探討該框架車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。由于框架車引進(jìn)周期長、費(fèi)用大。

1 140 t框架車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分析

1.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

140 t框架車車身長18 m，寬3 m，車體中心線兩側(cè)即車體前后各有3橋(對)轉(zhuǎn)向車輪，且前后轉(zhuǎn)向車輪按車體中心線對稱布置，因而車體在轉(zhuǎn)向時(shí)，車輪回轉(zhuǎn)中心在車體中心線上，車體中心線兩側(cè)車輪在工作時(shí)呈對稱形式。在此取中心線一側(cè)車輪及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

轉(zhuǎn)向原理:車架下的轉(zhuǎn)向蝴蝶板1受油缸驅(qū)動(dòng)繞固定軸旋轉(zhuǎn)，連接蝴蝶板與旋轉(zhuǎn)支架的短拉桿2帶動(dòng)第一橋旋轉(zhuǎn)支架5旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向長拉桿3和4再分別帶動(dòng)第二橋、第三橋的旋轉(zhuǎn)支架旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)支架繞車架上固定軸旋轉(zhuǎn)，車輪安裝在旋轉(zhuǎn)支架下部，車輪中心與固定軸中心線有少量偏心，由于偏心較小，可忽略不計(jì)，設(shè)定車輪中心與旋轉(zhuǎn)固定軸中心線重合。

圖1 140 t框架車(一鍵)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)Fig.1 Steering system of 140 t frame vehicle(one side)

1.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析

140 t框架車有6橋12個(gè)車輪做轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，其同步性尤為重要。在框架車轉(zhuǎn)向時(shí)，為了減少路面對框架車的附加阻力使輪胎加速磨損，要求轉(zhuǎn)向系統(tǒng)保證各個(gè)車輪均作純滾動(dòng)，而無滑動(dòng)或只有極小的滑動(dòng)，且全部車輪都圍繞一個(gè)瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心做圓周運(yùn)動(dòng)。框架車轉(zhuǎn)向示意圖如圖2所示，車輪中心線交點(diǎn)O為瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心，即框架車的轉(zhuǎn)向中心。框架車的瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心隨車輛的轉(zhuǎn)彎半徑不同在不斷變化。由于每個(gè)車輪的轉(zhuǎn)向半徑是不同的，要保證各轉(zhuǎn)向車輪轉(zhuǎn)向時(shí)都做純滾動(dòng)，同一橋(軸)上的車輪轉(zhuǎn)角應(yīng)滿足阿克曼定律式。

同時(shí)第1～3橋前后車輪轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)應(yīng)滿足運(yùn)動(dòng)關(guān)系式(4)、(5)

圖2 車體轉(zhuǎn)向示意圖Fig.2 Schematic diagram of vehicle turning

在140 t框架車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中，車輪轉(zhuǎn)向受轉(zhuǎn)向蝴蝶板、轉(zhuǎn)向支架上連桿銷軸位置及連桿長度的影響，安裝車輪的轉(zhuǎn)向支架繞車架上固定軸旋轉(zhuǎn)，因而轉(zhuǎn)向支架上連桿銷軸的運(yùn)動(dòng)軌跡，均在銷軸中心到固定軸中心為半徑的圓弧上，依靠連桿帶動(dòng)的前后相鄰兩車輪，根據(jù)運(yùn)動(dòng)關(guān)系式，其轉(zhuǎn)角正切比為一常數(shù)，但在車輪設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍內(nèi)，該條件并不能夠都得到滿足，只有近似地使它得到保證。

2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)虛擬模型的建立及數(shù)據(jù)采集

根據(jù)140 t框架車初步設(shè)計(jì)的框架裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，選擇車體中心線一側(cè)的第1～3橋6個(gè)車輪作為研究對象，確定車體框架、車輪回轉(zhuǎn)固定軸、轉(zhuǎn)向蝴蝶板、轉(zhuǎn)向支架上連桿銷軸及連桿的安裝位置，運(yùn)用INVENTER軟件建立車輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)三維模型如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡化三維模型Fig.3 Simplified three-dimensional model of steering system

運(yùn)用INVENTER軟件的運(yùn)動(dòng)仿真的功能，進(jìn)行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)構(gòu)仿真模擬運(yùn)動(dòng)。并對轉(zhuǎn)向系結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在虛擬模型里以第1橋左輪為車輪轉(zhuǎn)向角度基準(zhǔn)，根據(jù)在轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)設(shè)定的第1橋左輪各轉(zhuǎn)角度，采集其它各車輪的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)。并根據(jù)采集的各車輪轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，繪出虛擬樣車的轉(zhuǎn)彎特性關(guān)系圖:即第1橋兩車輪相互轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線;第1橋、第2橋前后輪相互轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線，第2橋、第3橋前后輪相互轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線。由阿克曼定律和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)關(guān)系式，計(jì)算出與虛擬模型測量得到轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)相對應(yīng)的理論轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，繪出理論轉(zhuǎn)彎特性關(guān)系圖，并把虛擬樣車的轉(zhuǎn)彎特性關(guān)系圖與理論轉(zhuǎn)彎特性關(guān)系圖進(jìn)行比較。理論、模擬轉(zhuǎn)彎特性關(guān)系如圖4～圖8所示。

3 轉(zhuǎn)彎特性關(guān)系分析

圖4中第1橋梯形轉(zhuǎn)彎特性曲線比較得出，第1橋左輪轉(zhuǎn)角在40°～55°范圍時(shí)，曲線偏差較大，在50°偏差最大為3.98°，在其它范圍內(nèi)轉(zhuǎn)角偏差較小;圖5、圖7中第1橋左輪與第2橋左輪轉(zhuǎn)向搖臂性能較好，在第1橋左輪轉(zhuǎn)角27°時(shí)偏差最大僅為1.9°;圖6、圖8中第2橋左輪與第3橋左輪轉(zhuǎn)向搖臂性能在25°～40°范圍偏差較大最大為3.6°。

4 框架車轉(zhuǎn)彎特性曲線分析

根據(jù)框架車的工作特點(diǎn)，大部分運(yùn)行在第1橋車輪轉(zhuǎn)角35°以下，車輪最大轉(zhuǎn)角60°，在整個(gè)范圍控制轉(zhuǎn)角精度條件下，優(yōu)先保證小轉(zhuǎn)角和回轉(zhuǎn)半徑較大車輪的轉(zhuǎn)角精度。框架車在轉(zhuǎn)向蝴蝶板帶動(dòng)第1橋車輪的左右旋轉(zhuǎn)支架轉(zhuǎn)動(dòng)，從第1橋轉(zhuǎn)彎特性曲線(圖4)比較得出，第1橋左輪轉(zhuǎn)角在＜35°及50°～60°時(shí)偏差較小，說明在回轉(zhuǎn)半徑最小時(shí)轉(zhuǎn)向性能比較出色。40°～55°范圍時(shí)，曲線偏差相對較大，在 50°時(shí)偏差最大為 3.5°。

第1橋與第2橋前后車輪轉(zhuǎn)向性能較好，在整個(gè)回轉(zhuǎn)范圍內(nèi)比較理想，在第1橋左輪轉(zhuǎn)角27°時(shí)特性曲線最大偏差僅為1.6°轉(zhuǎn)向性能設(shè)計(jì)比較好。

第3橋車輪轉(zhuǎn)角由于受第1橋、第2橋轉(zhuǎn)向銷軸運(yùn)動(dòng)軌跡影響，轉(zhuǎn)角精度較難控制，第3橋距車體中心線最近，車輪回轉(zhuǎn)半徑相對較小，線速度較低，車輪轉(zhuǎn)向精度可適當(dāng)降低。第2橋與第3橋車車輪轉(zhuǎn)向性能曲線偏差趨勢，隨車輪轉(zhuǎn)角增加而增加，在小轉(zhuǎn)角區(qū)域偏差較小，當(dāng)框架車回轉(zhuǎn)半徑最小時(shí)，偏差最大為3.6°。

5 結(jié)論

分析得出140 t框架車梯形傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)第1橋車輪轉(zhuǎn)彎特性，在大部分范圍及常用區(qū)段轉(zhuǎn)向性能良好，僅在轉(zhuǎn)向范圍局部偏差稍大，但影響不大。第1橋車輪與第2橋車輪轉(zhuǎn)向性能比較好，前后輪轉(zhuǎn)角偏差小，接近理論設(shè)計(jì)水平。第2橋車輪與第3橋車輪轉(zhuǎn)向性能在小于20°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)向性能良好，在大于20°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)角偏差增大，但最大轉(zhuǎn)角偏差為3.6°小于4°。

從車輪模擬轉(zhuǎn)角特性分析得出，140 t框架車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計(jì)要求。生產(chǎn)實(shí)踐證明寶鋼自制的140 t框架車也滿足了生產(chǎn)要求。

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