手自一體調平支腿機械設計

童 望，萬 珊

（1.湖北中科智能裝備制造有限公司，湖北 黃岡 438000；2.湖北黃岡應急管理職業技術學院，湖北 黃岡 438000）

0 引言

調平支腿廣泛應用于各種需要調整高度和保持穩定性的場合。在檢修調試時，手動操作帶來便利。手動操作與自動操作必須互鎖，保證人身安全。

現有的手動機構有3 種：1）沒有手動機構[1-4]，不能進行手動操作；2）有手動機構，無互鎖機構[2]；3）有手動機構，有互鎖機構。其在減速箱內部設有離合器，還設有傳感器檢測離合齒輪的位置。該方案結構復雜，成本較高，容易產生故障，檢修難度大。為此提出一種適用于液壓馬達驅動的調平支腿互鎖設計方案。該方案采用了簡化的結構設計，具有成本低、耐用性強、檢修方便等優點，大大提高了其使用便利性和效率。

設計帶有上述互鎖裝置的調平支腿整機，通過理論分析和實驗驗證，證明該設計方案的有效性和優越性。希望通過該方案的研究，為調平支腿的設計在提升安全性，降低成本方面為相關領域提供有價值的參考。

1 總體設計思路

在確定平臺支撐方案[5]后，開始設計調平支腿部件。如圖1 所示。

圖1 調平支腿結構簡圖

根據平臺總體設計，調平支腿的驅動部分采用液壓馬達。減速部分為齒輪減速箱。伸展撤收部分采用滑動螺旋傳動，并通過選擇合適的螺旋升角實現自鎖。

驅動部分有兩路動力源，一路是液壓馬達，另一路是手動，兩個動力源都連接到驅動軸上。為保證手動操作的安全，在手動操作時，液壓馬達必須停機，這個要求由互鎖機構實現。

互鎖機構采用了新的思路。其兩路動力源始終與驅動軸保持連接。在自動狀態下，阻塞手動操作搖把與支腿之間的機械連接。在手動操作時，電控系統切斷液壓馬達供油。

2 螺旋傳動的設計計算和校核

梯形螺桿選用40Cr 調質處理，物理性能優良，螺母選用ZCuZn25Al6Fe3Mn3 鋁黃銅。以耐磨性和強度計算基本尺寸，對可能存在風險的項目進行校核計算[6]，見表1。

表1 校核計算分析情況

3 液壓馬達選型

液壓馬達的主要性能參數有轉速n、轉矩T和效率η，根據這些參數之間的關系進行馬達選型。

由梯形絲桿軸的扭矩和齒輪箱的傳動比可得：T=223N·m，n=85 r/min，取η=0.8。

優選選擇工作壓力高、排量低的馬達，在輸出功率相同時，減小液壓系統的體積和重量。

根據供應商產品目錄中馬達的工作壓力范圍，選取p=14 MPa。

計算得到流量Q=10.6 L/min，排量q0=125 mL/rev。

根據排量q0，額定壓力p，額定扭矩T，轉速n的范圍，從目錄中選擇合適的型號。

4 齒輪減速箱的設計

減速器主要由兩對直齒輪和一對錐齒輪組成，有三根立軸、一根水平軸（手動軸）及相應的軸承，以及箱體、箱蓋、軸承座。在減速器上設計有手柄接口，在維修時，通過手柄操作實現支腿的伸縮。基本結構見圖2 所示。

圖2 齒輪箱剖視圖

驅動軸上的圓柱齒輪與中軸上的大圓柱齒輪嚙合實現第一級減速，中軸上的小齒輪與螺桿軸上的齒輪嚙合實現第二級減速。與液壓設計協同計算，確定馬達與螺桿軸的傳動比為4.1。

錐齒輪嚙合提供手柄操作接口。手柄的回轉半徑≤350 mm，操作力≤160 N。據此計算出錐齒輪的傳動比為4.08。

5 手動自動互鎖設計

在液壓馬達運行時，不得進行手動操作。互鎖機構通過機電結合的方式得以實現該功能。

自動操作時，手柄接口被遮擋（圖3 左），驅動軸由液壓馬達驅動。此時，手動軸上的錐齒輪會跟轉；由于此時在手動軸上幾乎沒有負載，而且手動軸的使用頻率很低，故對整機壽命沒有的影響。

圖3 互鎖機構

手動操作時，手柄接口沒有被遮擋（圖3 右），可以連接手柄。此時，電控檢測到手柄接口處于開放狀態，在此狀態下液壓馬達的供油被切斷。需要了解的是，手動操作時，液壓馬達會跟轉。由于液壓馬達在卸載后僅有很小的阻力，對操作力的影響很小。

6 實驗驗證

在設計完成后，需要采用樣機驗證關鍵性能。按如下步驟進行：

（1）將樣機固定到推力實驗臺上（見圖4）。

圖4 調平支腿推力實驗圖

（2）用手柄操作使支腿伸展至最大行程的90%左右。

（3）給樣機逐步施加載荷，至200 kN 停止，保持5 分鐘后卸除載荷。注意觀察實驗過程中是否有異常噪音，在保持載荷的過程中是否有回退現象；卸除載荷后檢查是否有彎曲變形、結構損壞，操作是否靈活。

（4）給樣機施加150 kN 的初始載荷，保持試驗臺加載板的位置。用手柄操作使支腿伸展，載荷逐漸增加。在載荷達到160 kN 時，用推力計推動手柄繼續加載，讀取推力計顯示的值。

實驗結果見表2。

表2 實驗結果

由實驗結果可知，機械設計方案是適當的，能滿足技術要求。

經用戶裝車聯調測試（見圖5），互鎖裝置實現了期望的功能，安全有效。

圖5 調平支腿裝車狀態

7 結語

調平支腿在工程車輛和特種車輛上應用廣泛，其設計成熟可靠。而且動力來源和執行方式多種多樣，減速器的設計各有特色。為了安全起見，帶有手動功能的調平腿需要有手動自動互鎖裝置。文中的互鎖機構的設計結構簡單，零件數量少，減輕了整機重量，提升了整機的可靠性，降低了生產成本和使用維護成本，可根據使用場景評估后酌情采納。