折叠式挖掘机爬梯的设计

陈立创

（柳州职业技术学院，广西 柳州545006）

折叠式挖掘机爬梯的设计

陈立创

（柳州职业技术学院，广西 柳州545006）

直板式挖掘机爬梯在公路半挂平车上应用广泛，但由于铁路限界要求，无法正常安装在铁路平车上使用。着重介绍爬梯工作原理与设计过程。实践证明：采用折叠式结构，能同时满足功能和限界要求。

挖掘机爬梯；折叠式；平车；公路半挂车

以往在铁路沿线抢险救灾或工程施工时，主要是利用方木或平板结构在车辆端部临时搭积成斜坡，以满足挖掘机、装载机等工程机械上、下平车。两者在操作过程中费时费力，不够安全，而且方木和平板在随车运送过程中占用车辆空间，保管不当也容易被盗或丢失，而采用在车辆端部安装爬梯可以有效解决上述问题。由于铁路平车装载面距离轨面较高，若采用直板式爬梯，在收起立放时将超出铁路限界。为此，专门为铁路某单位设计了一种折叠式爬梯。

1　现状概述

折叠式爬梯安装于铁路平车端部，满足GB/ T146.1-1983（标准轨距铁路机车车辆限界）要求，实现工程机械或其它车辆在标准轨道基础面上安全、快捷地上下铁路平车。爬梯采用上、下两段式折叠结构，收起时两段结构折叠在一起，立放停靠在平车端部。放下时两段结构之间相对打开延展为一个平面，底部停靠在轨道基础面上。爬梯收起或放下主要是利用挖掘机的工作装置或其它车辆通过绳索曳引牵拉来实现的［1］。

2　主要结构及工作原理

折叠式爬梯主要由上梯、下梯、弹簧装置以及安装座、铰链轴等组成。平车每端头安装两个爬梯，分别承受通行车辆两侧的履带或轮子。爬梯放下打开时，与地面之间最大夹角可以达到30°.收起时在自重状态下可以向内斜靠在平车端部，但是为了保障安全，设置有链条和螺旋拉紧器进行张紧固定［2］。弹簧装置采用心轴、导筒组合的伸缩式结构，安装在爬梯两侧面的下方，一端联接平车铰座，另一端联接下梯铰座。每个爬梯安装两个弹簧装置。它的作用是在爬梯放下过程中，驱使下梯相对上梯外翻；在爬梯收起初始阶段也可防止下梯过早内翻，防止在地面上滑行造成损伤［3］。

爬梯放下的工作原理如图1所示。利用挖掘机工作装置吊绳牵拉力T作用在上梯E处拉勾往下送放，受自重影响，上梯绕铰接点A往下转动的同时，下梯也绕铰接点B相对上梯逐渐往外翻。上梯转至α角度时（此时，弹簧轴心位于A、B连线的下方），弹簧开始受压缩产生支撑力，随着转角不断变大，压缩力F也在逐渐增大，驱使下梯克服重力逐渐自动往外翻，直至到达β角度时，下梯前端底部的U形槽卡紧在上梯的承力轴上产生限位作用，上下两梯平展成为一个平面。爬梯底部落停到地平面上时，其工作面相对地面斜度为25°左右。爬梯收起的过程与放下时相反［4］。

图1　折叠式爬梯工作原理

3　特性分析

爬梯受力情况如图2所示。不计弹簧装置重力，为了保证下梯可靠打开，有如下特性：

图2　折叠式爬梯力学分析

（1）当0＜θ1＜α时，弹簧力F=0，此时力矩平衡方程为

亦即在爬梯放下初始阶段，在牵拉力松放过程中，上梯往下转动的同时，下梯始终在自重作用下处于垂重状态。

（2）当α＜θ1＜β时，力矩平衡方程

此时，弹簧力矩的作用就是驱使下梯逐渐地自动往外翻转，并且在θ1=β时处于完全打开状态。在此过程中，弹簧压缩量随着转角的增大而增加。

（3）当θ1＞β时，则有

在这一阶段，下梯在完全展开后与上梯一起继续往下转动，直到下端底部落停在地面上。此时爬梯工作面相对地面的斜度为25°.弹簧全压缩量满足爬梯与地面相对斜度达到30°［5］.

式中：MA（T）为外力相对A点作用力矩；MA（F）为弹簧力相对A点作用力矩；MB（F）为弹簧力相对B点作用力矩；G1为上梯重力；G2为下梯重力；θ1为上梯相对y轴转角；θ2为下梯相对y轴转角。

由上述各式可知，弹簧力矩与爬梯铰接点及转动位置、自重有很大关系。

4　参数设计

依据应用条件及强度、刚度校核结果对爬梯进行结构设计后，就可以确定G1、G2、LAM、LAB、LBN.为了保持牵拉力矩均衡，在取θ1＞α时，取

同时令α=45°，β=110°.如图3所示，利用作图法求弹簧装置铰接点位置及弹簧参数。

图3　折叠式爬梯结构位置关系

4.1求铰接点D的位置

为了便于计算，设θ1=α=45°时，BD与y轴间夹角为30°，而C点正好位于BD线段上，即B、C、D三点共线。

当时θ1=β=110°，有θ2=110°，将各已知参数代入（2）、（3）、（6）式，可分别求得MA（F）和MB（F），则，式中RB、RA为弹簧力F分别相对B、 A点的作用力臂。结合爬梯工作要求，初定RB，即可以确定RA.分别以A、B'为圆心，RA、RB为半径作圆，然后作一条直线C'D分别与两圆相切，那么，直切线C'D与BD交点即为弹簧装置底端铰接点D［6］.

4.2求铰接点C的位置

根据位置关系，在θ1=45°时，刚体三角形BQC中的BC与BQ之间的夹角为30°.所以，任意位置上，BC与BQ之间的夹角均为30°.当θ1=110°时，过B'点作一条直线与B'Q相交30°，此直线与切线C'D'的交点即为弹簧装置上部铰接点C'（C）.

4.3求弹簧参量

根据求得的C、D位置，可知弹簧在上梯转过△θ1=65°角度变化过程中的总压缩量X110°=（LCD-LC'D）.由于弹簧压缩力是逐渐增大的，结合上面的力学分析，依据公式F=kx，便可以推算出弹簧总刚度k.

5　结束语

参数设计的关键是确定弹簧力的作用力臂RB 或RA，此值可以根据需要进行比选优化。基于以上计算，设计了满足CLG922挖掘机和CLG856装载机等车辆通行的铁路平车爬梯，应用表明，在弹簧力矩作用下，下梯能够可靠平顺打开，效果十分理想。折叠式爬梯不仅可以应用在铁路平车上，在公路半挂平车上也有良好的推广应用价值。

［1］孙恒，陈作模，葛文杰.机械原理［M］.北京：高等教育出版社，2006.

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［3］于国飞.基于有限元的全承载式客车车身强度刚度分析［J］.客车技术与研究，2010，（4）：14-16.

［4］段克军，涂群章，林加堃，等.平面摆动式手柄操纵机构设计与仿真分析［J］.装备制造技术，2015，（10）：151-152，156.

［5］张信群.圆柱螺旋压缩弹簧参数化建模［J］.机电工程，2011，（3）：305-309.

［6］王 红，汤劲松，刘万选.基于模糊理论的车辆变刚度弹簧组可靠性优化设计［J］.西南交通大学学报，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

陈立创（1972-），男，广西灵山人，高级工程师，本科，主要从事工程机械方向的教学工作。