一种集装箱跨运车行走驱动液压系统的设计

朱海天　 李红勋　 李立顺

军事交通学院　 天津　 300161

一种集装箱跨运车行走驱动液压系统的设计

朱海天 李红勋 李立顺

军事交通学院 天津 300161

1　前言

集装箱跨运车，英文名straddle carrier，以芬兰卡尔玛公司（KALMAR）生产的跨运车最为著名（如图1）。集装箱跨运车一般用于中短途运输集装箱，其以门形车架跨在集装箱上，由装有集装箱吊具的液压升降系统吊起集装箱，进行搬运堆码。同时，还可用集装箱跨运车将集装箱装在集装箱底盘车上或从底盘车上卸下。因此，它比集装箱龙门起重机具有更大的机动性。集装箱跨运车一般可将集装箱堆码二至三层高。由于其机动灵活、效率高、稳定性好和轮压低等特点，集装箱跨运车在国外码头被广泛使用，对于许多中型码头货运站（货运量大于30万t，小于100万t）而言，一个以集装箱跨运车为基础组建的货物装卸运输系统是效率最高的选择。近年来，我国军工车企与科研院所也正在联合开发集装箱跨运车型。

图1　卡尔玛集装箱跨运车

2　行走驱动系统的工作原理

集装箱跨运车一般由行走驱动系统、车架、起升装置、转向系统、制动系统组成。行走驱动系统由发动机产生动力成为动力源，驱动变量泵，变量泵将发动机输出的机械能转化为油液的液压能，高压油液通过行走回路直接驱动轮边马达，从而驱使集装箱跨运车前行。其原理图如图2所示。

图2　行走驱动系统液压原理图

3　行走驱动液压系统设计

3.1设计要求

集装箱跨运车的行走驱动系统设计应能满足设备最大负载的行走设计需求。设备相关参数如表1所示。

表1　集装箱跨运车行走驱动系统相关参数

除此以外，在码头、堆场等集装箱货运场所，由于场地的特殊性，集装箱跨运车的行走驱动系统设计与其他工程机械相比有着很大差别，其液压部分的设计要求主要包括有：

a. 集装箱跨运车液压系统由前后车组的两个独立行走驱动回路构成。每个车组均能独立行走，但当需要两个车组整体工作时，则可采取双动力单元协调控制的方式进行驱动。

b. 液压驱动系统既要满足集装箱跨运车最高运行速度≥5 km/h的要求，还必须满足满载时（最大载质量为24 t）最大爬坡度≥6%。

c. 车组转向时内外侧的驱动轮可实现差速行驶。

d. 可无级调速，重载低速，轻载高速。

3.2液压马达的确定[1]

根据上节要求，集装箱跨运车最大爬坡度为6%，共采用四个驱动轮驱动。其行驶方程为：

式中，G为满载时整车总质量，G=40000kg；f为滚动摩擦系数，f=0.02；α为坡度角度，αmax=6°。

由此计算出每个驱动轮需要提供的最大驱动力为F=10kN，因此每个车轮提供的驱动转矩为：

式中，r为车轮半径，r=0.35m

根据同类产品设计经验，选定轮边减速器与液压马达匹配的减速比为i=41.91，因此液压马达所需提供的转矩应为：

初步选定液压马达型号为SAUER DANFOSS生产的K-C-45DN型柱塞马达，其低速挡排量为45ml/r，高速挡排量为17ml/r。大排量额定转速3500r/min，小排量额定转速4 500 r/min。马达连续工作压力17.5 MPa。

根据排量计算公式：

取理论排量V=45 ml/r，马达机械效率η=0.8，计算可得液压马达工作压力为：P=14.57 MPa。

因此，液压马达在理论排量下的工作压力满足设计要求，表明所选马达型号合理。

3.3变量泵的确定

由上节可知，集装箱跨运车满载时的最高车速为：vmax=5 km/h，即vmax=1.39 m/s。

液压马达所需最高转速为：

计算可得：n=1 588.94 r/min。

此时液压马达所需流量为：q=n·vmax=71.502 L/min。

每个车组的两个驱动液压马达由一个液压泵供油，因此满载行驶时液压泵所需要的供油量为：

式中，ηv为 容积效率，取ηv=0.9。

计算可得：Q=143 L/min。

集装箱跨运车车组的发动机在工作时，其通过调速器设置的转速为2 200 r/min，因此液压泵排量为：V=Q/n=65 ml/r。

通过相关型号对比[2]，选取SAUER DANFOSS 生产的90R075-KP型轴向变量柱塞泵，变量泵的最大排量为75 ml/r。

按照所选液压元件可知，当集装箱跨运车液压马达以全排量工作时，其对应的最大速度为5.77 km/h，满足最高速度不低于5 km/h的车速要求。而在小排量行走时，集装箱跨运车最高速度为14 km/h。

3.4爬坡能力校核

集装箱跨运车属于低速行驶装备，因此，其空气阻力可以忽略不计。当液压马达全排量持续工作时，其工作压力保持在17.5 MPa不变，整车4个驱动轮的驱动力Ft=40 kN。

集装箱跨运车动力特性如图3所示，按照爬坡能力的粗略算法，当其动力因数D=F/G=0.1，则爬坡能力为[3]：i=D－f=0.08=8%。

图3　集装箱跨运车动力特性图

由以上分析可知，集装箱跨运车满载时可以克服坡度为6%的坡道，满足设计指标。相应的前提是集装箱跨运车四个驱动轮驱动力同时达到额定值，而四个马达的工作压力都能达到全排量时的持续工作压力。

4　结论

本文介绍了某款集装箱跨运车行走驱动液压系统的工作原理及其设计。根据相关标准要求，对相关部件进行选型。经过校核，所选部件满足设计要求，能够实现集装箱跨运车的正常工作。今后这种集装箱跨运车将会越来越广泛地应用于码头、拆装卸库场、集装箱中转站和大型企业集装箱库场等场所，能为企业创造出更大的经济效益。

[1]机械设计手册编委会.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社,2005,4(23):50.

[2]陈幕忱,陆植.装卸搬运车辆[M].北京:人民交通出版社,1998:25.

[3] 韦晓磊.负荷敏感节能技术在集装箱跨运车上的应用研究[J].港口装卸,2014 (5):20-21.

Design of Hydraulic Driving System of A Container Straddle Carrier

ZHU Hai-tian et al

介绍了一种集装箱跨运车行走驱动液压系统的工作原理，根据其工作特点对液压系统提出了设计要求和液压元件的选型，并对液压元件的安全性进行了校核。校核结果表明，设计的液压系统能够满足集装箱跨运车安全高效工作的使用要求。

集装箱跨运车 行走驱动液压系统 设计

the principle of the container straddle carrier was introduced in this paper, by the working characteristics of device and design requirements of hydraulic driving system was put forward. Based on the requirements, choose and safety check the hydraulic elements. The result show that hydraulic driving system can satisfy the requirement of efficient transport.

container straddle carrier; hydraulic driving system; design

朱海天，男，1991年生，硕士研究生，现从事军用特种车辆设计与仿真工作。

U635.92

A

1004-0226(2016)07-0094-03

2015-05-04