車廂可卸式運(yùn)輸車提升能力與結(jié)構(gòu)形式匹配分析

鄭德璽，韓翔，李根文

（1.徐州徐工隨車起重機(jī)有限公司，江蘇 徐州221004；2.江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院，江蘇 徐州221011）

0 引言

車廂可卸式運(yùn)輸車作為一種運(yùn)輸車輛，主要用于各類散裝物料或垃圾的轉(zhuǎn)運(yùn)[1]。這種運(yùn)輸車輛因?yàn)檐噹焖傺b卸的特點(diǎn)，可以一車配置多個(gè)車廂聯(lián)合使用，這種配置不但減少貨物往車廂里裝卸時(shí)運(yùn)輸車的等待時(shí)間，而且車廂可以直接放在地面上，可以更靈活和便捷地裝卸貨物，大大提高了運(yùn)輸車的利用率和工作效率。隨著用戶對(duì)這一新型運(yùn)輸車的認(rèn)識(shí)，逐步在環(huán)衛(wèi)、軍事、市政、救援、建筑等領(lǐng)域推廣應(yīng)用[2]。圖1所示為徐工集團(tuán)生產(chǎn)的一種車廂可卸式運(yùn)輸車。

1 主要工作裝置分析

車廂可卸式運(yùn)輸車的主要工作裝置是安裝在卡車底盤上的拉臂式自裝卸裝置，拉臂式自裝卸裝置主要通過拉臂的旋轉(zhuǎn)完成車廂的裝載與卸載[3]。在裝載過程中，拉臂頂端的吊鉤一直提拉車廂一端掛鉤，在提升過程中逐步使車廂傾斜角度增加，而車廂在離開地面前車廂尾部滾輪支撐在地面上，在車廂離開地面后車廂底部的縱梁支撐在拉臂式自裝卸裝置尾部的滾輪上，隨著提升高度的進(jìn)一步增加，車廂傾斜角度再逐漸減小，最終車廂到達(dá)水平狀態(tài)，縱梁全部支撐在拉臂式自裝卸裝置上的支撐滾輪上。在卸載過程中與上述過程相反，不再贅述。

圖1 車廂可卸式運(yùn)輸車

通過分析可知，拉臂式自裝卸裝置在裝載與卸載車廂時(shí)，因總有車廂尾部滾輪或拉臂式自裝卸裝置上的支撐滾輪能對(duì)車廂起到很大的支撐作用。而同樣車廂被起重機(jī)起吊時(shí)，起重機(jī)必須完全克服車廂自重使車廂離開其他支撐，所以拉臂頂端的吊鉤的提拉力，與起重機(jī)起吊車廂時(shí)起重機(jī)吊鉤提拉力相比要小得多。綜上分析，拉臂式自裝卸裝置比一般的起重機(jī)有更高的起重比重量系數(shù)和單位力矩自重系數(shù)，所以這是一種更為經(jīng)濟(jì)的起重設(shè)備，不但能節(jié)能降耗，還能提質(zhì)增效，符合綠色制造的發(fā)展方向[4]。

2 結(jié)構(gòu)形式及其特點(diǎn)

為了更好地研究拉臂式自裝卸裝置工作原理和合理的設(shè)計(jì)相應(yīng)結(jié)構(gòu)，本文將通過不同結(jié)構(gòu)形式拉臂式自裝卸裝置的提升能力分析，從而找出其受力特點(diǎn)與應(yīng)用范圍。按照國家汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 848-2011《拉臂式自裝卸裝置》的分類，拉臂式自裝卸裝置按結(jié)構(gòu)形式共有4種:基本型（J）、擺動(dòng)型（B）、滑移型（H）和復(fù)合型（F）[5]。

基本型拉臂式自裝卸裝置主要特點(diǎn)是拉臂與舉升臂固定為一體，整體僅能以中軸旋轉(zhuǎn)，具體如圖2所示。這種結(jié)構(gòu)最為簡單，制造最容易，成本也最低，動(dòng)作與操作也最簡單，工作時(shí)只需舉升臂體轉(zhuǎn)動(dòng)即可使用吊鉤裝載與卸載車廂。

擺動(dòng)型拉臂式自裝卸裝置主要特點(diǎn)是拉臂能夠繞舉升臂上的前鉸點(diǎn)軸擺動(dòng)，并且能夠隨舉升臂一起以中軸旋轉(zhuǎn)，具體如圖3所示。這種結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，制造較為容易，工作時(shí)需要先操縱拉臂向后擺動(dòng)一定角度，再操縱舉升臂體轉(zhuǎn)動(dòng)才可使用吊鉤裝載與卸載車廂。

圖2 基本型（J）拉臂式自裝卸裝置

滑移型拉臂式自裝卸裝置主要特點(diǎn)是拉鉤臂能夠沿著舉升臂前后滑動(dòng)，并且能夠隨舉升臂一起以中軸旋轉(zhuǎn)，具體如圖4所示。這種結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡單，但是需要保證舉升臂和拉臂有較長的滑動(dòng)配合結(jié)構(gòu)，需要較高制造精度，成本也較高，工作時(shí)需要先操縱拉臂向后滑動(dòng)一定長度，再操縱舉升臂體轉(zhuǎn)動(dòng)才可使用吊鉤裝載與卸載車廂。

復(fù)合型拉臂式自裝卸裝置主要特點(diǎn)是拉臂既能夠前后滑動(dòng)，又能夠繞前鉸點(diǎn)軸擺動(dòng)，并且能夠隨舉升臂一起繞中軸旋轉(zhuǎn)，具體如圖5所示。這種結(jié)構(gòu)需要在舉升臂中嵌套一段滑動(dòng)臂，拉臂與滑動(dòng)臂前鉸點(diǎn)軸鉸鏈，復(fù)合型（F）因?yàn)樾枰鄠€(gè)動(dòng)作復(fù)合作業(yè)，在4種結(jié)構(gòu)形式中對(duì)設(shè)計(jì)制造精度要求最高，成本也最高，工作時(shí)需要先操縱拉鉤臂向后滑動(dòng)一定長度和擺動(dòng)一定角度，再操縱舉升臂體轉(zhuǎn)動(dòng)，才可使用吊鉤裝載與卸載車廂。

圖3 擺動(dòng)型（B）拉臂式自裝卸裝置

圖4 滑移型（H）拉臂式自裝卸裝置

圖5 復(fù)合型（F）拉臂式自裝卸裝置

3 不同結(jié)構(gòu)裝置提升能力分析

3.1 分析工況介紹

車廂可卸式運(yùn)輸車在裝載與卸載滿載的車廂時(shí)是拉臂式自裝卸裝置受力最大，工況最復(fù)雜的過程，考慮到車廂自身重力的影響，在裝載過程中比卸載過程中受力更大，所以對(duì)裝載過程進(jìn)行分析[6]。根據(jù)支撐要素的變化和受力條件的不同，把裝載過程分為車廂尾部滾輪支撐在地面與離開地面兩個(gè)階段分別分析。第一階段即車廂前部被吊鉤提拉脫離地面，但尾部滾輪還支撐在地面上，工況受力示意圖如圖6所示。第二階段即車廂完全離開地面后車廂底部的縱梁支撐在拉臂式自裝卸裝置尾部的滾輪上，工況受力示意圖如圖7所示。

圖6 車廂尾部滾輪支撐在地面工況

圖7 車廂完全離開地面后工況

分別如圖6、圖7建立直角坐標(biāo)系，以垂直地面向上作為Y軸正向，以沿著地面向運(yùn)輸車尾部為X軸正向。圖中A代表舉升油缸與車架的鉸點(diǎn)，B代表舉升臂與車架的鉸點(diǎn)（即舉升臂旋轉(zhuǎn)中軸），C代表地面對(duì)車廂尾部滾輪的支撐點(diǎn)，D代表舉升油缸與舉升臂的鉸點(diǎn)，O代表拉臂尾部的鉸點(diǎn)，E代表車廂掛鉤與拉臂吊鉤接觸點(diǎn)，G代表車廂重心，H代表拉臂式自裝卸裝置尾部的滾輪對(duì)車廂縱梁的支撐點(diǎn)，圖中E為基本型拉臂式自裝卸裝置拉臂吊鉤工作位置，擺動(dòng)型即E點(diǎn)以O(shè)為鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)到EB，滑移型即E點(diǎn)隨O點(diǎn)滑動(dòng)而移動(dòng)到EH，復(fù)合型中E點(diǎn)則會(huì)綜合轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)到達(dá)EF。同時(shí)φ代表舉升油缸與X軸所成的夾角，β為車廂縱梁與X軸所成的夾角。

從工況受力圖中可以看出，在舉升臂到達(dá)同等位置時(shí)，不同結(jié)構(gòu)形式拉臂式自裝卸裝置主要區(qū)別是工作時(shí)拉臂吊鉤工作位置的不同，從E點(diǎn)到EB、EH、EF時(shí)，坐標(biāo)值依次成規(guī)律變化，現(xiàn)分析E點(diǎn)坐標(biāo)值變化對(duì)受力情況的影響。

3.2 車廂尾部滾輪支撐在地面工況分析

假定拉臂式自裝卸裝置在裝載車廂時(shí)都是勻速提升，車廂尾部滾輪支撐在地面工況，由車廂在C點(diǎn)力與力矩的平衡條件可以得到：

式中：xC與yC分別代表C點(diǎn)的X軸與Y軸坐標(biāo)（下同）；Fx為拉臂吊鉤提升力水平分量；Fy為拉臂吊鉤提升力豎直分量；Ft為地面對(duì)車廂滾輪的水平摩擦力；Fn為地面對(duì)車廂滾輪的豎直支撐力；μ1為車廂與地面的摩擦因數(shù)，一般為0.05～0.15的定常數(shù)。

如圖提升階段，拉臂EODB均以B為鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。拉臂提升力為F提，拉臂吊鉤提升力與車廂對(duì)吊鉤的反作用力的大小相等方向相反，根據(jù)B點(diǎn)處力矩平衡條件可以得到：

從E點(diǎn)到EB、EH、EF時(shí)，yE和xE均減小，式（7）分母中算式[(xC-xE)+μ(yE-yI)]，因摩擦因數(shù)遠(yuǎn)小于1主要看(xC-xE)受E點(diǎn)坐標(biāo)值變小而增大，另一算式[cos φ（yD-yB）-sin φ（xDxB）]則不會(huì)受E點(diǎn)位置的影響，分子中算式因摩擦系數(shù)遠(yuǎn)小于1主要看(xE-xB)受E點(diǎn)坐標(biāo)值變小而變小。所以可知在同等條件下，按圖6所示從E點(diǎn)到EB、EH、EF時(shí)，坐標(biāo)值依次變得更小，舉升油缸所需的拉力也更小，整個(gè)作業(yè)裝置的受力情況也更好。

3.3 車廂完全離開地面后工況分析

對(duì)于車廂被吊起脫離地面后，底部縱梁靠上后支撐滾輪但E點(diǎn)還沒轉(zhuǎn)到B點(diǎn)正上方時(shí)的情況，由拉臂式自裝卸裝置尾部的滾輪對(duì)車廂縱梁的支撐點(diǎn)H處的平衡條件可以得到：

式中：Ft為尾部滾輪對(duì)車廂縱梁的摩擦力；Fn為尾部滾輪對(duì)車廂縱梁的支撐力；μ2為車廂與尾部滾輪的摩擦因數(shù)，一般為0.05～0.10的定常數(shù)。

如圖7提升階段，拉臂EODB均以B為鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。拉臂提升力為F提，根據(jù)B點(diǎn)處力矩平衡條件可以得到：

在任一確定位置下，滾輪對(duì)車廂縱梁的支撐點(diǎn)H都是確定點(diǎn)，所以上式中代表相應(yīng)點(diǎn)之間長度的LH、LE為常數(shù)。

把式（8）、式（9）、式（10）、式（12）代入式（11）可得

從E點(diǎn)到EB、EH、EF時(shí)，依據(jù)式（13）分母中算式不受E點(diǎn)坐標(biāo)值影響，但會(huì)因?yàn)閥E的大幅度減小和xE的小幅度增加，使分子中(yE-yB)、(xB-xE)項(xiàng)變小，因?yàn)樵诖诉^程中，E點(diǎn)在B點(diǎn)上方附近，E點(diǎn)與B點(diǎn)X軸坐標(biāo)接近，差值接近于0，雖然此項(xiàng)會(huì)因?yàn)镋點(diǎn)變化略微增加，但是因?yàn)?xE-xB)過小，此項(xiàng)及其乘積可以忽略不計(jì)，所以分子整體變小。綜上可知，在同等條件下，從E點(diǎn)到EB、EH、EF時(shí)，舉升油缸所需的拉力也逐步變小，整個(gè)作業(yè)裝置的受力情況也更好。

當(dāng)隨著拉臂的繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)提升車廂往前移動(dòng)，當(dāng)E點(diǎn)已經(jīng)轉(zhuǎn)到B點(diǎn)正上方偏左的時(shí)候，式（11）可變?yōu)?/p>

與式（11）相比，很容易看出此時(shí)油缸需提供的提升力驟減，甚至?xí)刑嵘ψ兂膳e升力，在裝載過程中此階段不是受力的關(guān)鍵點(diǎn)，不再分析此種情況。

3.4 提升能力分析

通過不同結(jié)構(gòu)形式拉臂式自裝卸裝置在兩個(gè)提升階段的受力情況可以發(fā)現(xiàn)，從基本型到擺動(dòng)型、滑移型、復(fù)合型受力情況逐步變優(yōu)。由E點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡可以看出，擺動(dòng)型、滑移型、復(fù)合型3種結(jié)構(gòu)在同等條件下均可使作業(yè)高度降低，相對(duì)基本型作業(yè)時(shí)拉臂的作業(yè)空間明顯減小，作業(yè)更加方便靈活。特別對(duì)于重載作業(yè)時(shí)，由于重心軌跡明顯變矮，可以使作業(yè)裝置做功減少，能量消耗也更少，同時(shí)因?yàn)樽鳂I(yè)過程中重心較低，在車廂裝載與卸載過程中運(yùn)輸車的穩(wěn)定性也較好，上述優(yōu)勢從擺動(dòng)型到滑移型和復(fù)合型依次增強(qiáng)。

4 結(jié)語

通過對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式拉臂式自裝卸裝置提升能力的分析，擺動(dòng)型、滑移型和復(fù)合型拉臂式自裝卸裝置受力狀況要依次更加優(yōu)于基本型，其提升能力也依次更大，提升角度與翻轉(zhuǎn)半徑依次更小，從而作業(yè)更加安全，做功更少，也依次更加適合更大噸位和更長尺寸的車廂可卸式運(yùn)輸車。

通過結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)和提升能力的分析，基本型結(jié)構(gòu)有結(jié)構(gòu)簡單、作業(yè)動(dòng)作較少、操作簡單、故障點(diǎn)少等優(yōu)點(diǎn)，所以在小噸位的車廂可卸式運(yùn)輸車中可以采用這種結(jié)構(gòu)，即使在中等噸位的車廂可卸式運(yùn)輸車中通過加強(qiáng)作業(yè)裝置強(qiáng)度和油缸能力等方法也可以采用這種結(jié)構(gòu)，但提升噸位不易超過8 t。中等噸位的車廂可卸式運(yùn)輸車應(yīng)更多地選用滑移型和擺動(dòng)型結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，在提升噸位不超過20 t的情況下，這兩種結(jié)構(gòu)形式均適用，在要求故障點(diǎn)少、安裝和維修方便、自身質(zhì)量較輕的情況時(shí)優(yōu)先選擇擺動(dòng)型結(jié)構(gòu)。對(duì)于要求提升能力大于20 t及超長車廂尺寸或作業(yè)凈空高度較矮等情況時(shí)，則應(yīng)選用復(fù)合型結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。