自走式棉模运输车的结构设计与计算

■赵鹏达 许江涛 冯全杰 吉祖双 邢超

〔新疆天鹅现代农业机械装备有限公司，新疆五家渠831300〕

自走式棉模运输车的结构设计与计算

■赵鹏达 许江涛 冯全杰 吉祖双 邢超

〔新疆天鹅现代农业机械装备有限公司，新疆五家渠831300〕

一、国内外的棉花运输设备现状

棉模运输是棉花机械化采收过程中的一环，棉模运输车是将棉模转场运输时必需的一种机械装备。

美国、澳大利亚等产棉大国棉花三模设备（打模、运模、开模）已经普及多年，产品种类与产品结构基本定型。美国拥有全球领先的棉花加工技术及运输设备，代表着世界先进技术水平。在美国，所有机型中自走式棉模运输车所占的比例在70%以上，其余部分为半挂牵引式棉模运输车，总体呈现由半挂式棉模运输车向自走式棉模运输车过渡的趋势。可见自走式棉模运输车是棉花运输设备的发展趋势（详见图1）。

图1 牵引式（上）与自走式（下）对比

目前棉模运输车在新疆主要产棉区基本普及。新疆天鹅现代农业机械装备有限公司自2006年在农六师103团推广国内第一台棉模运输车以来，至今市场保有量在400台以上，目前也有多家企业生产类似的棉模运输车。经过多年的产品推广，棉农和加工厂已经完全接受了机采棉棉模运输模式，并认识到三模设备在实际生产的优势。

然而，目前国内的棉模运输车全为半挂牵引式，2013年以前，国内还未有厂家涉足自走式棉模运输车。该公司自2013年率先开展自走式棉模运输车的可行性调研工作。

二、自走式棉模运输车存在技术优势

自走式棉模运输车相对于牵引式棉模运输车结构不同，具有一定优点，与牵引式运模车之间形成互补，可以细化棉模运输车市场，用户可根据需求确定使用哪种棉模运输车。

（一）结构简单，易操作

自走式棉模运输车采用一体式结构，车头与车体之间不需要牵引销铰接，整体式布局使得驾驶员的操控性有很大改善。在装卸棉模时，需要一定对正要求时，其易操作性尤为突出。

（二）动力足，适应性好

自走式棉模运输车采用后驱型式。驱动桥同时又是主承重桥，轴荷较大，大的轴荷带来更大的摩擦力，增加了在冰雪等摩擦力较低路面的行驶通过能力。

（三）动力可靠性高，维护成本低

一体式棉模运输车在装卸棉模时采用取力器直接从底盘发动机获取动力，动力更充沛的同时，节省了一个发动机的购买成本以及维护成本。用户不再需要同时维护两台发动机，明显提高整体的可靠性和降低维护成本。减少一台发动机也同时降低了驾驶员的操作复杂度，驾驶员只需在驾驶室内就可以进行装卸棉模的操作。

（四）举升方式简化，提高装卸效率

因为采用一体式底盘，也就是不再需要采用移动式轮滑结构，操作时只需要直接进行链床的举升动作，同时微调履带位置，从而减少了装卸棉模的操作时间，提高了装卸棉模的工作效率（表1），明显提高地区棉花储运进度。

表1 工作效率参数对比

（五）经济的使用模式

自走式棉模运输车在制作成本上会有增加，因此售价上可能会有6万元～10万元的提升，但是用户不再需要额外购买牵引汽车（新车14万元左右），同时减少了一份购买手续和保险等费用，对于用户来说实际是更加经济实惠的一种选择。

除以上所述五点外，自走式棉模运输车还具有安全性高、舒适性好、相对环保等优点。为此自走式棉模运输车必将成为运模车技术发展方向之一，具有广阔的应用前景。

三、整机结构及计算过程

自走式棉模运输车采用汽车Ⅱ类底盘作为基础，加装链床组件和履带行走组件，通过取力器获取底盘发动机动力带动液压泵，整机在装卸棉模时均使用液压系统进行工作。

（一）确定底盘结构尺寸

选取某型号载货汽车底盘为原型，保证汽车道路行驶最小转弯直径24 m的要求。经改进确定底盘轴距尺寸为6 600+1 300（6 600代表前轴中心与后轴中心距离，1 300代表后轴中心与车尾的距离），采用6×4载货结构，最大行驶速度75 km/h。

图2 受力坐标系

（二）确定链床和底盘连接尺寸

链床组件根据模块尺寸要求限定有效长度11 mm，最大倾斜角度13°，确定了底盘与链床的连接位置为前轴后方7 885 mm。

（三）计算前后轴荷、重心高度和安全角度

1.运模车主要部件分为底盘、链床组件、履带组件，计算满载时需要包括重10 t的标准棉模。根据各个组件的质量与重心坐标（表2）及以下公式计算各轴轴荷与重心高度：

式中：

L——运模车前后轴距尺寸；

G——空载时的整车质量，满载时为整车质量加标准棉模质量之和。

表2 组件质量及重心坐标

经公式计算结果：

空载时，后轴轴荷G2=10 835 kg，

前轴轴荷G1=4 865 kg；

满载时，后轴轴荷G2=19 882 kg，

前轴轴荷G1=5 818 kg，重心高度H=1 653 mm。

在空载与满载情况下，前后轴轴荷均符合供应商对于轴荷数据的要求。

2.根据重心高度H和轮宽B（2400）计算安全角度：

则β=35°，满足β≥32°的使用要求。

（四）计算主要连接点强度

在自走式运模车整个工作过程中，链床组件与底盘联接的连接销受力最为集中，成为整车最薄弱环节，需要重点对其进行力学分析。

1.装卸棉模时的最大受力位置是当倾斜角度13°，且棉模重心位于连接销正上方时，此时受力F1为：

式中：F2x、F2y为倾斜时链床组件作用在连接销上水平分力和竖直分力，根据公式计算此时F1=139 485 N。

2.当棉模提升至链床最左端后，链床逐渐恢复水平过程中，连接销的受力逐渐随着倾斜角度变化而变化，此时：

式中：θ——油缸与底盘的水平夹角；F合y——链床与棉模重力之和在连接销上的分力。

不论链床倾斜与否，其大小不变，当θ最小时，连接销受力最大。根据设计数据，可知此时θ=12°，计算F1′=542 610 N。

图3 连接销受力

3.选取F1和F1′中较大者用来对连接销进行强度校核。

图4 连接销应力分析

首先选择连接销（2件）材料为45#钢调质处理，δs=355 MPa，直径为60 mm，中间带有φ6加油孔，利用SolidWorks有限元分析插件进行计算（图4），因为连接销的工况较差，选择安全系数应在2倍以上。经过计算，连接销的安全系数S=2.1，证明设计连接销满足强度要求，且保留足够的安全系数，连接销的直径应确定为60 mm。

（五）计算倾斜油缸工作时最大压力

自走式棉模运输车的液压系统参考牵引式棉模运输车进行改进设计，其中主要变化为倾斜油缸部分，需要对其进行工作压力计算和校核。

通过分析计算可知，油缸压力最大位置为θ=12°时，根据倾斜角度和连接位置计算油缸行程为750，参考其他数据，初步选择倾斜油缸采用SG-100/ 63X840油缸，则油缸举升时的所需推力为：

单个油缸工作所需要的压力为：

证明油缸压力远小于液压系统最大工作压力15 MPa，满足压力设计要求。虽然油缸压力远小于系统压力，但是同样为了保证油缸的稳定性，必须计算油缸的稳定安全系数。

（六）倾斜油缸活塞杆的稳定性校核

倾斜油缸虽然受力小于连接销，但是其较大的伸长量，导致倾斜油缸容易出现失稳后弯曲变形现象，需要进行稳定性校核。

根据手册查找并计算：

因为λ＞λ1，杆件处于线弹性范围，据此使用欧拉公式计算临界载荷Pcr：

将数据带入中心压杆稳定条件公式：

式中：λ—压杆的柔度；λ1—比例极限柔度值；μ—长度系数；l—压杆的计算长度；A—横截面面积；E—材料的弹性模量；σp—比例极限；η—稳定系数；I—横截面的形心主惯性矩；Pcr—临界载荷；P—单根油缸实际载荷。

查表油缸活塞杆的许用稳定安全系数4≤nw≤6，油缸刚好满足使用条件。

以上针对自走式棉模运输车设计时的主要设计参数进行了计算和校核，首要重点是要保证自走式棉模运输车的道路行驶安全性，而后对主要零部件的机械强度和液压件的工作压力计算校核①。通过公式（6）和公式（11）分析：可以通过增大角度θ或者降低油缸行程l，降低所需油缸的外形尺寸来满足同样的使用要求。如果底盘允许，可以使用更小的油缸降低制造成本。

四、试验与推广情况

为了能够验证自走式棉模运输车的结构合理性、安全性和可靠性，公司通过试制样机，先进行了基本功能和安全性试验，改进后进行了长时间的可靠性试验。通过两阶段的试验证明，虽然自走式棉模运输车符合最初的设计要求，并在工作效率和可靠性方面有明显的优势，但是随着圆形棉模的不断推广，需要自走式棉模运输车顺应市场变化，同样适用于圆模的运输工作，后期可以进行功能拓展开发。

尽管产品存在诸多优势，但是产品的推广却遇到了一点问题，导致目前未形成大的销量。自走式棉模运输车的特殊使用环境，使得用户对其上路行驶时是否需要挂牌和购买相应保险存在一定疑惑。新疆天鹅现代农业机械装备有限公司针对问题进行了咨询，因为自走式棉模运输车已超出农用车标准，而且汽车标准内也未有符合的分类标准，对于这一新型产品没有适合的标准和规定。虽然产品符合运模车行业标准，但是却不能帮助产品获得牌照，对此需要厂家与有关部门进行沟通，寻找合适的解决方案②，并且不断完善产品和产品的执行标准。

五、结束语

本文通过对自走式棉模运输车的优点进行阐述，表明了产品的应用前景。在阐述了自走式运模车的结构设计和计算过程中，重点强调了其道路安全性和主要工作部件的可靠性计算。虽然有牵引式运模车作为参考，但是因为其结构的特殊性，产品的技术参数需要符合行业标准，所以还必须考虑符合有关道路行驶安全性的标准。另外自走式运模车是新型产品，在推广过程中遇到一些问题，需要厂家与有关部门沟通解决。目前国内自走式的棉模运输车才刚刚开始起步，达到大面积推广和使用还有一段路要走，但其高效率、适用广、经济可靠等优点，必将使其成为我国运模车中主力型式。

注释：

①此文只列出自走式棉模运输车与牵引式棉模运输车存在较大差异部分的计算过程，其余计算与牵引式棉模运输车大致相同。

②希望能够获得汽车特种车分类，并制定相关的产品鉴定标准。满足标准要求的产品可以通过有关部门获得车辆牌照，即获得明确的道路行驶许可。☆

工业高新技术科技攻关与成果转化

项目名称：7MZ-10自走式棉模运输车的研制（2015AB004）