配置動力鵝頸的多軸線液壓掛車軸荷分布的計算方法

唐曉兵

TANG Xiao-bing

四川東方物流有限公司 四川自貢 643000

1 前言

配置動力鵝頸的多軸液壓掛車用于運輸大件貨物時，如果貨物裝載位置不當(dāng)可能損壞車輛結(jié)構(gòu)，影響運輸安全，所以在大件重型貨物裝運前都要設(shè)計運輸方案，其中最重要的內(nèi)容之一就是確定貨物的裝載位置。在橫向，需滿足貨物質(zhì)心在車輛橫向的中心位置，實現(xiàn)貨物不偏載，保證車輛左右軸荷或輪胎負(fù)荷均勻；在縱向，需要根據(jù)牽引車、液壓掛車及配置的動力鵝頸的工況和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行計算確定貨物在縱向的裝載位置，保證車輛各軸荷載均勻。

目前行業(yè)內(nèi)還沒有一種關(guān)于大件貨物的質(zhì)心在掛車縱向位置對軸荷分布影響的計算方法。在實際操作中，貨物質(zhì)心在縱向的裝載位置一般都采用經(jīng)驗做法，或現(xiàn)場貨物裝車時根據(jù)掛車支撐油缸的油壓表讀數(shù)調(diào)整貨物位置來實現(xiàn)軸荷相對均勻，但大件貨物位置移動非常困難，有時甚至要通過調(diào)整車輛的位置來對接貨物質(zhì)心。

本文選用國內(nèi)廣泛使用的一種液壓掛車和動力鵝頸，通過分析其結(jié)構(gòu)、工作原理和工況，推導(dǎo)出貨物質(zhì)量分布在車組各軸荷載的計算方法。

2 液壓掛車與動力鵝頸的基本結(jié)構(gòu)和使用方法

液壓掛車由車架、懸掛、輪軸、端梁及牽引架（與動力鵝頸組成半掛車時一端不使用）、轉(zhuǎn)向桿系、轉(zhuǎn)向梁及油缸、操縱箱、動力機(jī)組、液壓系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 動力鵝頸與液壓掛車使用聯(lián)接原理圖

液壓掛車與動力鵝頸匹配進(jìn)行配套使用時，動力鵝頸與液壓掛車間通過鉸鏈和螺栓連接。動力鵝頸由相互鉸接的連接端梁和鵝頸組成，鉸點和鵝頸兩者之間設(shè)有加載油缸，加載油缸的油腔與液壓掛車前中支承范圍內(nèi)各車軸支撐油缸的油腔通過油管連通，加載油缸通過推壓鵝頸，使鵝頸對牽引車鞍座施加適當(dāng)?shù)呢?fù)荷。鉸接點一般設(shè)有A、B、C、D4個位置工況，在加載油缸油壓一定的情況下可通過改變鉸點位置來改變相互間作用力臂的長短，從而實現(xiàn)加載在牽引車鞍座上負(fù)荷的改變。

通過液壓掛車各軸控制閥的組合開閉，實現(xiàn)車輛各軸支撐油缸的連通，油缸連通的各軸軸荷相同。整個液壓掛車的輪軸支撐油缸通過油路組合可形成3條獨立封閉的油路（腔），從而實現(xiàn)液壓液壓掛車三點支承的受力結(jié)構(gòu)。在實際操作中，一般將掛車總軸線數(shù)三分之一軸線的支撐油缸連通，使其成為一條油路（腔），這些連通的支撐油缸上的車軸受力等效合成為一個受力點后稱之為中支承（或叫前支承），若三分之一軸線數(shù)不為整數(shù)時，采用四舍五入法取整，中支承的懸掛油缸與鵝頸的加載油缸是連通的，二者油缸油壓相同，且連通的各軸線支撐油缸壓力、缸徑也相同，所以有：

其余三之二軸線數(shù)的兩側(cè)車軸分別設(shè)為二條油路（腔）稱之為左右支承，每個支承點下的油缸壓力油腔通過液壓管路和閥件連通，也就實現(xiàn)了各點支承下的油缸壓力相同，從而實現(xiàn)每個支承點下的車輛軸荷一致，若裝車時滿足貨物質(zhì)心在車輛橫向中心線上，則左右支承油缸油壓相同且滿足：

3 液壓掛車前支承車軸與牽引車鞍座荷載的關(guān)系

當(dāng)貨物裝載在液壓掛車上，其重力F作用于車架上，貨物重力通過以下2條路徑傳遞給地面。

a.第一條貨物重力傳遞路徑為：貨物→液壓掛車車架→車輛懸掛→車軸→輪胎→地面；

b.第二條貨物重力傳遞路徑為：貨物→液壓掛車車架→鵝頸連接端梁→鵝頸及加載油缸→牽引車鞍座→牽引車車架→牽引車板簧懸掛→車橋→輪胎→地面。

液壓掛車每根車軸承受的重力大小與其懸掛油缸的油壓大小和車輛懸掛結(jié)構(gòu)相關(guān)，以中支承第一軸線的任一軸為例分析它們之間的相互關(guān)系，根據(jù)車輛懸掛結(jié)構(gòu)，如圖2所示，液壓掛車軸荷P1與懸掛支承油缸的油壓Py的關(guān)系可作下式表示：

式中，P1為地面作用于車軸的力，N；Py為懸掛油缸作用于平衡臂推力，N；Pg為 懸掛油缸缸內(nèi)油壓，Pa；W1、W2為P1、Py作用于平衡臂相對于鉸點Q的力臂，m；r為懸掛油缸半徑，m。

將式(1)、(2)聯(lián)立求解可得：

圖2 液壓掛車懸掛結(jié)構(gòu)原理圖

牽引車鞍座承受的壓載力大小與加載油缸的油壓和其與鵝頸的鉸接位置相關(guān)（本文以鉸接位置點B為計算參考，油缸在其他鉸接點的計算方法相同）。油缸油壓大小與貨物質(zhì)量和貨物質(zhì)心在掛車上的位置直接相關(guān)。根據(jù)車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)和貨物裝載在車輛上的位置可以計算出某種油壓和工況下液壓掛車的軸荷與加載在牽引車鞍座上的荷載關(guān)系，如圖3所示。將鵝頸與油缸，鞍座間的作用關(guān)系簡化成簡單的杠桿受力圖。

圖3 鵝頸與牽引車鞍座力作用圖

根據(jù)杠桿原理，鵝頸繞G點轉(zhuǎn)動可以列出：

式中，Pt為 加載油缸作用于鵝頸的推力，N；P0為鞍座對鵝頸的反作用力，N；m1為P0作 用于鵝頸G點的力臂，m；m2為Pt作用于鵝頸G點的力臂，m；r為加載油缸半徑，m。

聯(lián)立求解(4)、(5)兩式，可以得到：

動力鵝頸在使用時，其加載油缸的油腔通過管路和閥件與液壓掛車前支承懸掛（由于前支承點所有懸掛油缸處于連通狀態(tài)，其各缸油壓相等，本計算選擇第一軸線上的車軸懸掛進(jìn)行計算）油缸油腔連通，通過油路的連通建立起了它們之間的負(fù)荷傳遞關(guān)系，通過(3)、(7)兩式可以得到p0和p1關(guān)系：

設(shè)掛車懸掛油缸與鞍座的關(guān)聯(lián)系數(shù)為K，由此可得：

4 貨物裝載位置與軸荷分布的分析計算

液壓掛車車體在計算中可視為一根兩端自由的梁，貨物裝載在車上，貨物重力F可視為作用在梁上W點的一個集中荷載，地面對液壓掛車輪胎的作用力P1……Pn通過車輛懸掛作用于車架，牽引車鞍座作用于動力鵝頸的力P0通過鵝頸傳遞到車架，它們與貨物作用于車架的力F構(gòu)成了力和力矩的平衡，如圖4所示。

4.1 分析計算

為了計算方便，車體自重不納入本計算，本計算主要分析貨物在液壓掛車的縱向裝載位置對貨物重力在液壓掛車各軸上分布的影響，在實際的操作中，貨物的質(zhì)心在橫向與掛車橫向中心位置重合，所以在液壓掛車的同一軸線上二根軸的荷載是相同的。

假定液壓掛車共有n軸線，每軸線上有二根車軸，正常使用時，前面1/3的軸線上的全部液壓懸掛支撐油缸和鵝頸的加載油缸的油腔通過管路連通，所以液壓掛車前面這1/3軸線作用于車架的全部荷載P1n可 以表示為：P1n＝ 2(n/3)P1。液壓掛車后面1/3軸線雖然分左右兩點，每側(cè)液壓懸掛油缸油路各自連通，但在橫向兩邊荷載相同，所以它們的全部軸線荷載P2n可 以表示為：P2n＝ 2(2n/3)Pn

圖4 鵝頸與液壓掛車受力圖

根據(jù)液壓掛車軸線的使用分區(qū)(n/3)軸線數(shù)和(2n/3)軸線數(shù)只能是整數(shù)，計算時按四舍五入法將其取整，為了計算方便，設(shè) ,根據(jù)梁的力矩平衡原理，以梁的W點為回轉(zhuǎn)支點可得式(9)：

根據(jù)液壓掛車和動力鵝頸的結(jié)構(gòu)及使用原理可得：

將式(8)～(14)聯(lián)立求解可以得到方程式：

式中，S為液壓掛車軸線距離，m；m3為鞍座中心到掛車第1軸線中心的縱向垂直距離，m；L1為第1軸線中心到貨物質(zhì)心作用點的縱向垂直距離，m ；L2為第n軸線中心到貨物質(zhì)心作用點的縱向垂直距離，m ；L3為第1軸線中心到力P1n作用線的縱向垂直距離，m ；L4為第n軸線中心到力P2n作用線的縱向垂直距離，m ；P1n為地面作用于前支承(1/3)n軸線荷載的等效合成荷載，N；P2n為地面作用于左右支承(2/3)n軸線荷載的等效合成荷載 ，N。

對照選定的動力鵝頸和液壓掛車型號，根據(jù)其結(jié)構(gòu)和選定的計算工況得知：m1＝2.7 m，m2＝0.925 m，r＝0.125 m，W1=0.62 m，W2=0.23 m，r=0.075 m，m3＝4.385 m，S=1.6 m，將數(shù)據(jù)代入前面的表達(dá)式，計算可得：K≈2.565。

4.2 計算方法在實際操作中的場景應(yīng)用分析

在式(15)中，只有L1、P1、Pn和是未知的，但一般運輸時液壓掛車配置軸線數(shù)n可根據(jù)貨物質(zhì)量結(jié)合路橋允許軸荷情況進(jìn)行簡單計算確定，基于此得出以下結(jié)論：

a. 如果貨物裝載位置確定，則L1可知，根據(jù)式(15)可以定量計算出液壓掛車各軸荷分布均勻程度(P1?Pn) 的值，(P1?Pn)的值越接近1，軸荷分布越均勻；

b. 如果要滿足軸荷分布均勻則(P1?Pn)的值要為1，則可同樣利用前面公式計算出貨物裝載位置L1的值，從而確定貨物裝載的適宜位置；

c. 更換加載油缸鉸接點B的位置，可以改變系數(shù)K的值，在加載油缸油壓不變的情況下，加載油缸通過鵝頸作用在牽引車鞍座上的力F0會發(fā)生變化，隨著A、B、C、D位置變化作用力F0逐步變小。

4.3 計算方法的驗證

下面利用前面的計算公式進(jìn)行計算：

若選用液壓掛車軸線數(shù)為8軸線，則n=8且滿足液壓掛車各軸線承受均勻載荷，則P1＝Pn代入式(15)計算可得：L1=4.964 m。

若選用液壓掛車軸線數(shù)為12軸線，則n=12且滿足液壓掛車各軸線承受均勻載荷則P1＝Pn，代入式(15)計算可得：L1=7.527 m。

將計算結(jié)果用于實際方案，通過裝車測試檢驗，計算結(jié)果與實際相符，實際運用如圖5所示。

5 結(jié)語

在大件運輸方案設(shè)計中，根據(jù)不同的掛車型號，選擇該車輛的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以運用該計算公式(15)對貨物的質(zhì)心位置相對掛車縱向位置進(jìn)行定量分析計算，通過計算為方案設(shè)計提供技術(shù)支持。

圖5 多軸液壓掛車裝車圖

在大件運輸實際操作中，運用本計算方法能夠事前定量地計算出貨物在車上縱向的適宜位置。但適宜的位置不一定就是貨物裝車后軸荷均布的位置，受貨物外廓尺寸所限或牽引車牽引力的需求變化影響，有時貨物質(zhì)心位置可能不在滿足軸荷均布的位置。此時，利用前面的公式可以計算出偏移量對軸荷不均分布的影響程度，并計算出最大軸荷，其計算結(jié)果可作為運輸方案安全性評價的依據(jù)。