前置頂自卸車舉升缸與貨箱的關系

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，實現貨箱舉升的一種自卸車。前置頂自卸車相對于中置頂自卸車，結構更合理，性能更可靠，安全系數更高，具有安裝維護方便，舉升噸位大，使用壽命長的特點。隨著前置頂自卸車的廣泛運用，市場用戶的高要求，如何將用戶的需求，轉換為設計依據。

關鍵詞：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

當今自卸汽車的市場細分化越來越精細，用戶對自卸汽車的貨箱長度使用要求從3.75米—8.6米，都需要前頂結構，因此，作為自卸車設計人員如何快速、準確的的計算出液壓缸的行程、舉升角度、裝載質量等參數，是決定自卸車是否滿足客戶質量要求的前提。筆者從事自卸車設計及研究20余年，積累了大量的實踐經驗，通過理論推導，實踐驗證，總結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系的研究課題。

2 課題的理論基礎

自卸汽車設計時，一般在對應的定型的汽車底盤上改裝設計。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。

自卸汽車設計時要充分考慮國家和行業中的要求和規范準則，設計的自卸汽車要滿足交通安全法規。

自卸汽車總體布置時要正確的確定好整車參數，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生干涉，滿足設計尺寸要求。在自卸汽車設計中，總體布置還需遵循以下要求。

1）減少對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）在設計自卸汽車上裝部分時，要盡量避免上裝部分工作時對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材料，減少自卸汽車自重，提高載重能力。

3 數學模型建立

依據自卸車液壓系統及機構運動的原理，通過關鍵元、部件的運動軌跡，找出特定數據值條件下的基礎關系式建立數學模型。數學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構形式，圍繞在前頂液壓油缸舉升過程中，通過貨箱繞翻轉中心舉升過程中，其運動軌跡和液壓油缸的擺動軌跡及伸縮量之間的關系，油缸舉升過程中貨箱內貨物流出量的多少關系，找出其相關聯的當量關系，通過當量關系，利用數學物理公式，將其中的變量建立函數關系，通過已經成熟的車型去驗證已建立的函數關系是否能夠推演出常態化的關系，從而利用確立的函數關系，再利用建立的函數關系結合EXCEL的函數模塊功能，實現基礎數據的錄入求值結果。

3.1 貨箱形狀的選定

市場上常見的車廂結構形式有3種：鏟斗車廂、矩形車廂和U形車廂。矩形車廂結構簡單，實用性強。一般運輸土方、沙子等貨物，車廂的強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，也叫休止角。安息角和粉塵的種類、含水率和形狀有關系。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，推動貨箱繞翻轉支架軸轉動時，貨箱底板平面與水平面所形成的夾角。當油缸行程用完或達到限定行程時，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、翻轉中心的位置及物料介質前后有關，舉升機構的最大舉升角度要大于散料的安息角，才能讓舉升機構舉升車廂時把貨物傾卸干凈。

3.4 卸貨量與舉升角度之間的數學模型

貨物從貨箱中傾斜，當舉升角度大于等于安息角時，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系，同時明確舉升角度變化時，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學模型。

3.5 舉升角β與缸伸出長度的數學模型

液壓油缸在實現貨箱舉升過程中，不僅要進行油缸的伸長，同時還要繞下鉸軸旋轉，貨箱繞翻轉中心鉸軸在液壓油推力作用下旋轉，從而實現貨箱的舉升動作。在貨箱的舉升過程中，油缸的繞軸旋轉與貨箱的繞軸旋轉存在一定的數學角度變化關系，而液壓油缸的生產與油缸的繞軸旋轉又存在一定的數學變量關系，通過油缸的繞軸旋轉，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系在一起，從而建立起行程與舉升角度之間的當量關系，繼而建立兩者間的數學模型。

3.6 舉升角β角、裝載質量與缸徑的數學模型

當裝載質量一定時，液壓油缸的缸徑最小值直接決定其舉升貨物多少的能力，設計人員必須明確訂單提報的液壓油缸缸徑是否滿足用戶在所設定工況下的需求，因此我們通過在某一角度時，貨箱還剩余貨物多少來確定這一角度時，液壓油缸伸出的缸筒直徑值，能否維持在系統動力作用下繼續保持貨箱繼續舉升的狀態，完成貨箱繼續卸貨能力，液壓油缸缸徑的最小值確定不但是保證持續卸貨能力的體現，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系，建立起卸貨量與缸徑之間的數學關系模型。

3.6.1 舉升角與缸伸出長度關系

當知道某一角度時，貨箱內貨物存量和卸除或物量是多少時，此時油缸的伸出長度是多少？此時伸出的是多級缸筒中的第幾級呢？這些問題引起關注的同時，就會想到構建一個數學關系，解決疑問。前置頂結構自卸車的舉升角與液壓缸的伸出長度關系通過哪些參數和當量關系值可以轉化而來呢？通過二維模型繪制可以清楚的知道：當貨箱的翻轉中心位置確定，油缸的固定選旋轉中心確定，油缸與貨箱的連接點確定時，這三者的平面投影連線就將兩者的關系在一個三角形中構建出來。

行程是指貨箱由0°至最大舉升角度時，所需油缸的長度，即油缸的最大伸長長度，某一角度時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系

當貨箱舉升角度由10°增加至20°時，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°，即當貨箱角度增加β時，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系。

3.6.3 β角時裝載質量與缸徑關系

在缸筒材質圈定的范圍內，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合起來，明確舉升角度變化時，油缸的推理是如何隨油缸的擺動而變化，發現其中的當量關系，建立數學模型，并以一定的數學關系式表達出來，能夠推進我們快速訂單的進程。

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，當材質、壓力一定的情況下，油缸的缸徑就是這一能力參數的重要指標，推力和缸徑間存在著必然的當量關系。

3.6.3.2 貨裝載質量與推力

貨箱容積和貨物比重一定時，貨箱的最大裝載質量也就確定了，此時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函數關系確定與數據表格形成

4.1 數學關系式與EXCEL函數的代入

利用EXCEL中的函數，將3.7.1，3.7.2，3.7.3中推導出的數學關系式轉化為函數關系式，與訂單中的已知條件建立聯系。

4.2 EXCEL表格的輸出

如表1，此表設計人員可以根據已知的標的物比重、貨箱規格、結構布置參數、

錄入下表中，可以快速計算出設計所選用的最佳缸徑、行程、推力。（圖表中黃底單元格），根據函數關系式（圖標中紅底單元格）自動計算出所需的數據值。

計算示例如表1：

5 結束語

本次研究課題是自卸上裝設計中比不可少的計算求值過程，課題最終的研究成果是讓非專業的人員，在一定已知條件的基礎上：能做專業設計人員所做的事，并簡化繁雜的求解、計算過程。

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