一种可升降底板的散粮半挂车的结构设计

李华田

驻马店中集华骏车辆有限公司　　河南驻马店　　463000

一种可升降底板的散粮半挂车的结构设计

李华田

驻马店中集华骏车辆有限公司河南驻马店463000

通过分析现有散粮半挂车的优缺点，在借鉴该类车卸料便捷优点的基础上，开发出一种可升降前后活动底板的散粮半挂车。对前后活动底板的主要结构布置、活动底板的密封、多级油缸的空间布置、电液控制原理进行了介绍及相关结构件的计算分析。

半挂车 散粮结构设计活动底板液压缸

1　前言

目前，我国粮食运输基本上采用传统的包装方式运输，整个过程靠人工操作，劳动强度大、效率低、成本高。而国外粮食运输广泛采用的是散装化运输，粮食装卸运输过程中已全部实现了散储、散运、散装、散卸的机械自动化作业方式。因此，我国面临着全面推进粮食物流现代化的艰巨任务。

2　现有散粮运输半挂车简介

现有散粮运输半挂车多采用前后倾斜式底板和中间凸起式底板两种方式，如图1所示，这两种方式虽然卸料方便，但牺牲了厢体内部的很大空间，使装载量大为减少，同时由于车辆底板的倾斜，回程时不方便装载其他散货而使运输成本增大，因此不能满足车辆运输的多样化需求。

图1　散粮运输半挂车两种方式

3　新型散粮运输半挂车的整车结构布置

针对现有散粮运输半挂车存在的不足，并吸取现有散粮运输半挂车卸料便捷的设计结构，开发出一种新型散粮运输半挂车。该半挂车主要由厢体、前后活动底板、电动液压系统、多级液压缸、篷布顶盖装置、漏斗装置等组成，如图2所示。

图2　外观及结构

该车外观形式为厢式半挂车，侧面设置一对开门，顶部设置手动横向篷布结构，卸料方式采用底部卸料。与现有散粮运输半挂车不同的是，该半挂车前后底板是可活动的，在多级液压缸的作用下，可以倾斜至一定的角度，以适应不同种类粮食的安息角（如图3、图4）。

图3　初始状态

图4　举升状态

根据常规粮食类安息角的大小，进行设计前后活动底板的最大倾斜角度。一般情况下，水稻约为36°，玉米约为27°，大豆约为30°，小麦约为31°；因此可以把36°作为最大举升的角度进行考虑。在GB 1589规定的车辆限值尺寸下，以13 m半挂车为例，三轴半挂车前后活动底板可以举升的最大角度为36°。半挂车具体的相关参数如图5所示，活动底板的最大举升角度跟半挂车的长度、前悬、后悬、轴距、厢高以及活动底板的长度等都有关系；如果想把举升角度设计得更大，可以考虑总高度限定在4 m的情况下，半挂车的底架承载面降低，以增加厢体内部的高度；也可以在厢高不变的情况下，减小车辆长度。总之，布置前后活动底板时，要综合考虑相关因素的影响，以使活动底板举升后的角度最大化。

图5　13 m散粮半挂车相关参数

4　新型散粮运输半挂车主要总成结构设计

4.1 活动底板

4.1.1活动底板的结构设计

活动底板是由纵撑、边框、横撑、斜撑、油缸支撑及底板组成的一个焊合件，固定在车架上方，一端与车架连接，其余三面通过橡胶密封条与厢体平板、圆弧前后墙板相接触。活动底板的设计主要考虑其整个框架的强度，因多级油缸的举升力是通过活动底板作用在货物上的。增加框架强度，可以采取增加纵梁、横撑截面的高度、增加纵撑的数量、采用高强度材料等方式，而且也要注意油缸支撑点处受力的分散设计，图6是的活动底板框架结构的设计示意图。

图6　活动底板框架结构示意图

4.1.2活动底板框架的强度校核

根据图6所示活动底板框架结构示意图，可以看出前后活动底板在油缸初始举升状态时受力最大，此时活动底板架可以简化为两种工况（悬臂梁和简支梁），并需要对它们进行受力分析校核。根据梁弯曲时的强度计算公式[1]：

进行强度校核计算。

4.1.3活动底板的密封设计

活动底板一端与固定在车架上的漏斗侧板通过转轴相联接，在转轴上面加盖一块篷布，篷布用铆钉分别固定在漏斗侧板及活动底板上，既可以防止从转轴处的间隙遗漏粮食，又不影响活动底板的转动。活动底板的其余三面通过铆接橡胶密封条与车厢平板相连接。为了保证活动底板与车厢平板的良好密封性，在安装橡胶密封条时，要有一定的挤压量，同时在橡胶密封条内侧采用L型密封条固定板，使密封条固定板的L型折边可以支撑橡胶密封条，同时与车厢平板要留有一定的间隙，以避免橡胶密封条在粮食的压力作用下变形，确保在活动底板运动过程中，始终与车厢平板、圆弧前后墙板紧密接触。活动底板初始工作状态下的密封示意图和密封条固定板与橡胶密封条的安装示意图如图7、图8所示。

由于散粮在运输过程中受重力作用，容易产生涨厢，从而出现密封条密封不严的情况。针对这种情况，需要在车厢平板外侧加扣多个瓦棱板，在活动底板转动的区域外增加活动拉撑，防止车厢平板变形，确保密封良好。

4.2多级液压缸的空间布置及参数计算

4.2.1多级液压缸的空间布置

活动底板架与车架之间的空间，决定了多级液压缸的布置方式。对于半挂车车架来说，由于车桥上方大梁高度较高，很容易布置多级液压油缸，而车架的大梁鹅颈处因高度较小，不易布置多级液压油缸。大梁鹅颈处多级液压油缸的空间布置，常采用两种布置方式，即油缸下沉式固定（如图9）和油缸上凸式固定（如图10）。油缸下沉式固定主要用于车架大梁鹅颈较高且油缸安装距较小的车辆，而油缸上凸式固定主要用于车架大梁鹅颈较低且油缸安装距较大的车辆。

图7　活动底板密封示意

图8　密封条固定板固定方式

图9　油缸下沉式固定

图10　油缸上凸式固定

油缸下沉式固定的半挂车鹅颈高度为250 mm，活动底板架截面高为100 mm，整个油缸布置在活动底板上平面之下。油缸上凸式固定的半挂车鹅颈高度为150 mm，活动底板截面高为100 mm，安装的油缸有一部分凸出在活动底板上平面之上，油缸的上铰接点与活动底板架上面的油缸固定座相连接，通过举升油缸固定座带动活动底板，同样可以起到举升活动底板架的作用。只是油缸固定座在设计时要尽可能地减小尺寸，长度和宽度也应尽量控制在300 mm×500 mm范围内，并做成带圆弧过渡的形式，以防止凸出的油缸固定座处积存散粮。

多级液压缸除考虑上下空间的布置之外，还要考虑前后空间的布置，前后空间的布置主要考虑车架大梁鹅颈处的受力。如图9中所示的尺寸L，如果油缸最下面不超出车架大梁鹅颈处的下平面，则尽可能把油缸向靠近牵引销处布置，但同时油缸的行程会加大，这两个方面须综合考虑。如果油缸的下平面超出了车架大梁鹅颈处的下平面，在不影响牵引车鞍座转动的情况下，尽可能地把油缸向牵引销处布置，当然也要考虑油缸的行程。如果不想让油缸的下平面超出大梁鹅颈处的下平面，可以把油缸更多地向上凸出于活动底板。

当车架大梁鹅颈较低时，考虑到鹅颈处的受力情况，可以把鹅颈处进行加强设计，通常的加强方式是在鹅颈处增加加固板或采用鹅颈多纵梁结构，以达到满足油缸的受力情况。

4.2.2多级油缸参数的设计计算

因活动底板工作时，随着活动底板的倾斜，被举升物料质心C位置随之变化。质心到活动底板翻转中心的水平距离不断减小，则举升的力矩逐渐减小。所以通常以每节伸缩缸将要伸出时的工况，进行受力计算，作为油缸参数选择的依据。

活动底板举升状态时的简化受力示意图如图11所示，其中，α为油缸支点A与活动底板翻转点O与X轴的水平夹角，θ为活动底板倾斜的最大角度。

图11　油缸举升受力示意图

4.2.2.1多级油缸总节数n的确定

在确定多级油缸总节数n时，首先确定多级液压油缸单节液压油缸的工作行程l。通常多级液压油缸单节行程相等。单节工作行程，应由总布置允许占用的空间来确定，并考虑多级液压油缸产品的系列化、通用化。

求多级液压油缸的总行程L：

多级液压缸的总节数n：

4.2.2.2多级油缸最大有效直径d1的确定

当第一节油缸即将伸出时，第一节油缸举升力矩MZ1为：

式中，F1为第一节油缸的推力；α为油缸支点A与活动底板翻转点O与X轴的水平夹角。

第二节油缸伸出时的阻力矩MF1为：

式中，W为举升力质量；X01为第一节油缸伸出时W作用点的X坐标值。

第一节油缸将要伸出时的举升力矩与阻力矩之比η1为：

式中，通常取η=3～4[2]；P为可取液压系统最高工作压力；

1 d1为第一节油缸有效工作直径。

整理d1得：

5　新型散粮运输半挂车电液控制系统及原理

该系统的动力源采用牵引车所带24 V电源，使用环保节能的电液控制系统。主要有由电源、电机、油泵、换向阀、限位阀、管路、电控装置等组成。不采用传统的在牵引车上进行加装取力装置进行取力的方式。这样可以不受牵引车的限制，每个牵引车均可牵引这种半挂车。

该系统的油路原理如图12，电路控制原理如图13。

图12　油路原理

图13　电控原理

6　装载使用性能

当装载散粮时，先把顶部的篷布打开，同时确保活动底板水平放置，散粮装载通过传输带先从前部装载开始，并依次向后装载，装载后将篷布装置锁紧。

当卸料时，先把底部的漏斗打开，粮食在重力的作用下，先从漏斗卸下一部分，然后再操纵电磁阀使前、后活动底板缓慢升起，直到前、后活动底板在限位阀的作用下停止运动。卸料完毕后，再操纵电磁阀使活动底板架下降，直到水平放置。

回程时，由于该车辆侧面设置一对开门，且在漏斗上方设置有纵向和横向的圆管支撑，可以通过侧面的对开门装载一些散装货物，比如家电类、邮政包裹、日常用品等货物，避免回程时空车，以提高车辆的利用率，增加运输的收益，起到一车多用的作用。

7　小结

本文主要针对散粮半挂车的可升降底板结构、升降底板的密封、多级油缸的计算与布置进行了介绍，为解决现有散粮半挂车装载容积小、卸料不净及单一用途的实际问题，提供了一种新型散粮半挂车的解决方案。

[1]胡德金.机械设计基础[M].北京:机械工业出版社.1997.

[2]蒋崇贤,何明辉.专用汽车设计[M].武汉:武汉大学工业出版社.1994.

Structure Design of Bulk Grain Semi-trailer Capable of Lifting Bottom Plate

LI Hua-tian

Through the analysis of the advantages and disadvantages of the existing bulk grain semi-trailer, based on the advantages of the unloading of the vehicle, a new type of semi-trailer. The main structure of the front and rear active floor, the seal of the movable base plate, the space layout of the multi-stage cylinder, the principle of electro hydraulic control are introduced and the calculation and analysis of the related structure are introduced

semi-trailer; bulk grain; structure design; movable floor; hydraulic cylinder

李华田，男，1978年生，工程师，现从事半挂车产品开发与技术管理工作。

U469.5+3.03

A

1004-0226(2016)07-0096-04

2016-05-11