折疊式挖掘機(jī)爬梯的設(shè)計(jì)

陳立創(chuàng)

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州545006）

折疊式挖掘機(jī)爬梯的設(shè)計(jì)

陳立創(chuàng)

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州545006）

直板式挖掘機(jī)爬梯在公路半掛平車上應(yīng)用廣泛，但由于鐵路限界要求，無法正常安裝在鐵路平車上使用。著重介紹爬梯工作原理與設(shè)計(jì)過程。實(shí)踐證明：采用折疊式結(jié)構(gòu)，能同時(shí)滿足功能和限界要求。

挖掘機(jī)爬梯；折疊式；平車；公路半掛車

以往在鐵路沿線搶險(xiǎn)救災(zāi)或工程施工時(shí)，主要是利用方木或平板結(jié)構(gòu)在車輛端部臨時(shí)搭積成斜坡，以滿足挖掘機(jī)、裝載機(jī)等工程機(jī)械上、下平車。兩者在操作過程中費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不夠安全，而且方木和平板在隨車運(yùn)送過程中占用車輛空間，保管不當(dāng)也容易被盜或丟失，而采用在車輛端部安裝爬梯可以有效解決上述問題。由于鐵路平車裝載面距離軌面較高，若采用直板式爬梯，在收起立放時(shí)將超出鐵路限界。為此，專門為鐵路某單位設(shè)計(jì)了一種折疊式爬梯。

1　現(xiàn)狀概述

折疊式爬梯安裝于鐵路平車端部，滿足GB/ T146.1-1983（標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路機(jī)車車輛限界）要求，實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械或其它車輛在標(biāo)準(zhǔn)軌道基礎(chǔ)面上安全、快捷地上下鐵路平車。爬梯采用上、下兩段式折疊結(jié)構(gòu)，收起時(shí)兩段結(jié)構(gòu)折疊在一起，立放停靠在平車端部。放下時(shí)兩段結(jié)構(gòu)之間相對打開延展為一個(gè)平面，底部停靠在軌道基礎(chǔ)面上。爬梯收起或放下主要是利用挖掘機(jī)的工作裝置或其它車輛通過繩索曳引牽拉來實(shí)現(xiàn)的［1］。

2　主要結(jié)構(gòu)及工作原理

折疊式爬梯主要由上梯、下梯、彈簧裝置以及安裝座、鉸鏈軸等組成。平車每端頭安裝兩個(gè)爬梯，分別承受通行車輛兩側(cè)的履帶或輪子。爬梯放下打開時(shí)，與地面之間最大夾角可以達(dá)到30°.收起時(shí)在自重狀態(tài)下可以向內(nèi)斜靠在平車端部，但是為了保障安全，設(shè)置有鏈條和螺旋拉緊器進(jìn)行張緊固定［2］。彈簧裝置采用心軸、導(dǎo)筒組合的伸縮式結(jié)構(gòu)，安裝在爬梯兩側(cè)面的下方，一端聯(lián)接平車鉸座，另一端聯(lián)接下梯鉸座。每個(gè)爬梯安裝兩個(gè)彈簧裝置。它的作用是在爬梯放下過程中，驅(qū)使下梯相對上梯外翻；在爬梯收起初始階段也可防止下梯過早內(nèi)翻，防止在地面上滑行造成損傷［3］。

爬梯放下的工作原理如圖1所示。利用挖掘機(jī)工作裝置吊繩牽拉力T作用在上梯E處拉勾往下送放，受自重影響，上梯繞鉸接點(diǎn)A往下轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，下梯也繞鉸接點(diǎn)B相對上梯逐漸往外翻。上梯轉(zhuǎn)至α角度時(shí)（此時(shí)，彈簧軸心位于A、B連線的下方），彈簧開始受壓縮產(chǎn)生支撐力，隨著轉(zhuǎn)角不斷變大，壓縮力F也在逐漸增大，驅(qū)使下梯克服重力逐漸自動(dòng)往外翻，直至到達(dá)β角度時(shí)，下梯前端底部的U形槽卡緊在上梯的承力軸上產(chǎn)生限位作用，上下兩梯平展成為一個(gè)平面。爬梯底部落停到地平面上時(shí)，其工作面相對地面斜度為25°左右。爬梯收起的過程與放下時(shí)相反［4］。

圖1　折疊式爬梯工作原理

3　特性分析

爬梯受力情況如圖2所示。不計(jì)彈簧裝置重力，為了保證下梯可靠打開，有如下特性：

圖2　折疊式爬梯力學(xué)分析

（1）當(dāng)0＜θ1＜α?xí)r，彈簧力F=0，此時(shí)力矩平衡方程為

亦即在爬梯放下初始階段，在牽拉力松放過程中，上梯往下轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，下梯始終在自重作用下處于垂重狀態(tài)。

（2）當(dāng)α＜θ1＜β時(shí)，力矩平衡方程

此時(shí)，彈簧力矩的作用就是驅(qū)使下梯逐漸地自動(dòng)往外翻轉(zhuǎn)，并且在θ1=β時(shí)處于完全打開狀態(tài)。在此過程中，彈簧壓縮量隨著轉(zhuǎn)角的增大而增加。

（3）當(dāng)θ1＞β時(shí)，則有

在這一階段，下梯在完全展開后與上梯一起繼續(xù)往下轉(zhuǎn)動(dòng)，直到下端底部落停在地面上。此時(shí)爬梯工作面相對地面的斜度為25°.彈簧全壓縮量滿足爬梯與地面相對斜度達(dá)到30°［5］.

式中：MA（T）為外力相對A點(diǎn)作用力矩；MA（F）為彈簧力相對A點(diǎn)作用力矩；MB（F）為彈簧力相對B點(diǎn)作用力矩；G1為上梯重力；G2為下梯重力；θ1為上梯相對y軸轉(zhuǎn)角；θ2為下梯相對y軸轉(zhuǎn)角。

由上述各式可知，彈簧力矩與爬梯鉸接點(diǎn)及轉(zhuǎn)動(dòng)位置、自重有很大關(guān)系。

4　參數(shù)設(shè)計(jì)

依據(jù)應(yīng)用條件及強(qiáng)度、剛度校核結(jié)果對爬梯進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，就可以確定G1、G2、LAM、LAB、LBN.為了保持牽拉力矩均衡，在取θ1＞α?xí)r，取

同時(shí)令α=45°，β=110°.如圖3所示，利用作圖法求彈簧裝置鉸接點(diǎn)位置及彈簧參數(shù)。

圖3　折疊式爬梯結(jié)構(gòu)位置關(guān)系

4.1求鉸接點(diǎn)D的位置

為了便于計(jì)算，設(shè)θ1=α=45°時(shí)，BD與y軸間夾角為30°，而C點(diǎn)正好位于BD線段上，即B、C、D三點(diǎn)共線。

當(dāng)時(shí)θ1=β=110°，有θ2=110°，將各已知參數(shù)代入（2）、（3）、（6）式，可分別求得MA（F）和MB（F），則，式中RB、RA為彈簧力F分別相對B、 A點(diǎn)的作用力臂。結(jié)合爬梯工作要求，初定RB，即可以確定RA.分別以A、B'為圓心，RA、RB為半徑作圓，然后作一條直線C'D分別與兩圓相切，那么，直切線C'D與BD交點(diǎn)即為彈簧裝置底端鉸接點(diǎn)D［6］.

4.2求鉸接點(diǎn)C的位置

根據(jù)位置關(guān)系，在θ1=45°時(shí)，剛體三角形BQC中的BC與BQ之間的夾角為30°.所以，任意位置上，BC與BQ之間的夾角均為30°.當(dāng)θ1=110°時(shí)，過B'點(diǎn)作一條直線與B'Q相交30°，此直線與切線C'D'的交點(diǎn)即為彈簧裝置上部鉸接點(diǎn)C'（C）.

4.3求彈簧參量

根據(jù)求得的C、D位置，可知彈簧在上梯轉(zhuǎn)過△θ1=65°角度變化過程中的總壓縮量X110°=（LCD-LC'D）.由于彈簧壓縮力是逐漸增大的，結(jié)合上面的力學(xué)分析，依據(jù)公式F=kx，便可以推算出彈簧總剛度k.

5　結(jié)束語

參數(shù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是確定彈簧力的作用力臂RB 或RA，此值可以根據(jù)需要進(jìn)行比選優(yōu)化。基于以上計(jì)算，設(shè)計(jì)了滿足CLG922挖掘機(jī)和CLG856裝載機(jī)等車輛通行的鐵路平車爬梯，應(yīng)用表明，在彈簧力矩作用下，下梯能夠可靠平順打開，效果十分理想。折疊式爬梯不僅可以應(yīng)用在鐵路平車上，在公路半掛平車上也有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

［1］孫恒，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［2］張敏，王偉.新型物流專用運(yùn)輸半掛車車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.專用汽車，2013，（2）：85-88.

［3］于國飛.基于有限元的全承載式客車車身強(qiáng)度剛度分析［J］.客車技術(shù)與研究，2010，（4）：14-16.

［4］段克軍，涂群章，林加堃，等.平面擺動(dòng)式手柄操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析［J］.裝備制造技術(shù)，2015，（10）：151-152，156.

［5］張信群.圓柱螺旋壓縮彈簧參數(shù)化建模［J］.機(jī)電工程，2011，（3）：305-309.

［6］王 紅，湯勁松，劉萬選.基于模糊理論的車輛變剛度彈簧組可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，（5）：837-841.

Design of the Ladder of the Folding Excavator

CHEN Li-chuang
（Liuzhou Vocational and Technical College，Liuzhou Guangxi 545006，China）

straight type excavator ladder in highway semi trailer car on a wide range of applications，but due to the railway clearance requirements，can not be properly installed used on railway cars.This paper introduces the working principle and design process of the climbing ladder.The folding structure can satisfy the requirements of function and limit.

excavator ladder；folding；car；highway semi-trailer

TU621

A

1672-545X（2016）07-0083-02

2016-04-01

陳立創(chuàng)（1972-），男，廣西靈山人，高級工程師，本科，主要從事工程機(jī)械方向的教學(xué)工作。