配置动力鹅颈的多轴线液压挂车轴荷分布的计算方法

唐晓兵

TANG Xiao-bing

四川东方物流有限公司 四川自贡 643000

1 前言

配置动力鹅颈的多轴液压挂车用于运输大件货物时，如果货物装载位置不当可能损坏车辆结构，影响运输安全，所以在大件重型货物装运前都要设计运输方案，其中最重要的内容之一就是确定货物的装载位置。在横向，需满足货物质心在车辆横向的中心位置，实现货物不偏载，保证车辆左右轴荷或轮胎负荷均匀；在纵向，需要根据牵引车、液压挂车及配置的动力鹅颈的工况和结构参数进行计算确定货物在纵向的装载位置，保证车辆各轴荷载均匀。

目前行业内还没有一种关于大件货物的质心在挂车纵向位置对轴荷分布影响的计算方法。在实际操作中，货物质心在纵向的装载位置一般都采用经验做法，或现场货物装车时根据挂车支撑油缸的油压表读数调整货物位置来实现轴荷相对均匀，但大件货物位置移动非常困难，有时甚至要通过调整车辆的位置来对接货物质心。

本文选用国内广泛使用的一种液压挂车和动力鹅颈，通过分析其结构、工作原理和工况，推导出货物质量分布在车组各轴荷载的计算方法。

2 液压挂车与动力鹅颈的基本结构和使用方法

液压挂车由车架、悬挂、轮轴、端梁及牵引架（与动力鹅颈组成半挂车时一端不使用）、转向杆系、转向梁及油缸、操纵箱、动力机组、液压系统，如图1所示。

图1 动力鹅颈与液压挂车使用联接原理图

液压挂车与动力鹅颈匹配进行配套使用时，动力鹅颈与液压挂车间通过铰链和螺栓连接。动力鹅颈由相互铰接的连接端梁和鹅颈组成，铰点和鹅颈两者之间设有加载油缸，加载油缸的油腔与液压挂车前中支承范围内各车轴支撑油缸的油腔通过油管连通，加载油缸通过推压鹅颈，使鹅颈对牵引车鞍座施加适当的负荷。铰接点一般设有A、B、C、D4个位置工况，在加载油缸油压一定的情况下可通过改变铰点位置来改变相互间作用力臂的长短，从而实现加载在牵引车鞍座上负荷的改变。

通过液压挂车各轴控制阀的组合开闭，实现车辆各轴支撑油缸的连通，油缸连通的各轴轴荷相同。整个液压挂车的轮轴支撑油缸通过油路组合可形成3条独立封闭的油路（腔），从而实现液压液压挂车三点支承的受力结构。在实际操作中，一般将挂车总轴线数三分之一轴线的支撑油缸连通，使其成为一条油路（腔），这些连通的支撑油缸上的车轴受力等效合成为一个受力点后称之为中支承（或叫前支承），若三分之一轴线数不为整数时，采用四舍五入法取整，中支承的悬挂油缸与鹅颈的加载油缸是连通的，二者油缸油压相同，且连通的各轴线支撑油缸压力、缸径也相同，所以有：

其余三之二轴线数的两侧车轴分别设为二条油路（腔）称之为左右支承，每个支承点下的油缸压力油腔通过液压管路和阀件连通，也就实现了各点支承下的油缸压力相同，从而实现每个支承点下的车辆轴荷一致，若装车时满足货物质心在车辆横向中心线上，则左右支承油缸油压相同且满足：

3 液压挂车前支承车轴与牵引车鞍座荷载的关系

当货物装载在液压挂车上，其重力F作用于车架上，货物重力通过以下2条路径传递给地面。

a.第一条货物重力传递路径为：货物→液压挂车车架→车辆悬挂→车轴→轮胎→地面；

b.第二条货物重力传递路径为：货物→液压挂车车架→鹅颈连接端梁→鹅颈及加载油缸→牵引车鞍座→牵引车车架→牵引车板簧悬挂→车桥→轮胎→地面。

液压挂车每根车轴承受的重力大小与其悬挂油缸的油压大小和车辆悬挂结构相关，以中支承第一轴线的任一轴为例分析它们之间的相互关系，根据车辆悬挂结构，如图2所示，液压挂车轴荷P1与悬挂支承油缸的油压Py的关系可作下式表示：

式中，P1为地面作用于车轴的力，N；Py为悬挂油缸作用于平衡臂推力，N；Pg为 悬挂油缸缸内油压，Pa；W1、W2为P1、Py作用于平衡臂相对于铰点Q的力臂，m；r为悬挂油缸半径，m。

将式(1)、(2)联立求解可得：

图2 液压挂车悬挂结构原理图

牵引车鞍座承受的压载力大小与加载油缸的油压和其与鹅颈的铰接位置相关（本文以铰接位置点B为计算参考，油缸在其他铰接点的计算方法相同）。油缸油压大小与货物质量和货物质心在挂车上的位置直接相关。根据车辆结构参数和货物装载在车辆上的位置可以计算出某种油压和工况下液压挂车的轴荷与加载在牵引车鞍座上的荷载关系，如图3所示。将鹅颈与油缸，鞍座间的作用关系简化成简单的杠杆受力图。

图3 鹅颈与牵引车鞍座力作用图

根据杠杆原理，鹅颈绕G点转动可以列出：

式中，Pt为 加载油缸作用于鹅颈的推力，N；P0为鞍座对鹅颈的反作用力，N；m1为P0作 用于鹅颈G点的力臂，m；m2为Pt作用于鹅颈G点的力臂，m；r为加载油缸半径，m。

联立求解(4)、(5)两式，可以得到：

动力鹅颈在使用时，其加载油缸的油腔通过管路和阀件与液压挂车前支承悬挂（由于前支承点所有悬挂油缸处于连通状态，其各缸油压相等，本计算选择第一轴线上的车轴悬挂进行计算）油缸油腔连通，通过油路的连通建立起了它们之间的负荷传递关系，通过(3)、(7)两式可以得到p0和p1关系：

设挂车悬挂油缸与鞍座的关联系数为K，由此可得：

4 货物装载位置与轴荷分布的分析计算

液压挂车车体在计算中可视为一根两端自由的梁，货物装载在车上，货物重力F可视为作用在梁上W点的一个集中荷载，地面对液压挂车轮胎的作用力P1……Pn通过车辆悬挂作用于车架，牵引车鞍座作用于动力鹅颈的力P0通过鹅颈传递到车架，它们与货物作用于车架的力F构成了力和力矩的平衡，如图4所示。

4.1 分析计算

为了计算方便，车体自重不纳入本计算，本计算主要分析货物在液压挂车的纵向装载位置对货物重力在液压挂车各轴上分布的影响，在实际的操作中，货物的质心在横向与挂车横向中心位置重合，所以在液压挂车的同一轴线上二根轴的荷载是相同的。

假定液压挂车共有n轴线，每轴线上有二根车轴，正常使用时，前面1/3的轴线上的全部液压悬挂支撑油缸和鹅颈的加载油缸的油腔通过管路连通，所以液压挂车前面这1/3轴线作用于车架的全部荷载P1n可 以表示为：P1n＝ 2(n/3)P1。液压挂车后面1/3轴线虽然分左右两点，每侧液压悬挂油缸油路各自连通，但在横向两边荷载相同，所以它们的全部轴线荷载P2n可 以表示为：P2n＝ 2(2n/3)Pn

图4 鹅颈与液压挂车受力图

根据液压挂车轴线的使用分区(n/3)轴线数和(2n/3)轴线数只能是整数，计算时按四舍五入法将其取整，为了计算方便，设 ,根据梁的力矩平衡原理，以梁的W点为回转支点可得式(9)：

根据液压挂车和动力鹅颈的结构及使用原理可得：

将式(8)～(14)联立求解可以得到方程式：

式中，S为液压挂车轴线距离，m；m3为鞍座中心到挂车第1轴线中心的纵向垂直距离，m；L1为第1轴线中心到货物质心作用点的纵向垂直距离，m ；L2为第n轴线中心到货物质心作用点的纵向垂直距离，m ；L3为第1轴线中心到力P1n作用线的纵向垂直距离，m ；L4为第n轴线中心到力P2n作用线的纵向垂直距离，m ；P1n为地面作用于前支承(1/3)n轴线荷载的等效合成荷载，N；P2n为地面作用于左右支承(2/3)n轴线荷载的等效合成荷载 ，N。

对照选定的动力鹅颈和液压挂车型号，根据其结构和选定的计算工况得知：m1＝2.7 m，m2＝0.925 m，r＝0.125 m，W1=0.62 m，W2=0.23 m，r=0.075 m，m3＝4.385 m，S=1.6 m，将数据代入前面的表达式，计算可得：K≈2.565。

4.2 计算方法在实际操作中的场景应用分析

在式(15)中，只有L1、P1、Pn和是未知的，但一般运输时液压挂车配置轴线数n可根据货物质量结合路桥允许轴荷情况进行简单计算确定，基于此得出以下结论：

a. 如果货物装载位置确定，则L1可知，根据式(15)可以定量计算出液压挂车各轴荷分布均匀程度(P1⁄Pn) 的值，(P1⁄Pn)的值越接近1，轴荷分布越均匀；

b. 如果要满足轴荷分布均匀则(P1⁄Pn)的值要为1，则可同样利用前面公式计算出货物装载位置L1的值，从而确定货物装载的适宜位置；

c. 更换加载油缸铰接点B的位置，可以改变系数K的值，在加载油缸油压不变的情况下，加载油缸通过鹅颈作用在牵引车鞍座上的力F0会发生变化，随着A、B、C、D位置变化作用力F0逐步变小。

4.3 计算方法的验证

下面利用前面的计算公式进行计算：

若选用液压挂车轴线数为8轴线，则n=8且满足液压挂车各轴线承受均匀载荷，则P1＝Pn代入式(15)计算可得：L1=4.964 m。

若选用液压挂车轴线数为12轴线，则n=12且满足液压挂车各轴线承受均匀载荷则P1＝Pn，代入式(15)计算可得：L1=7.527 m。

将计算结果用于实际方案，通过装车测试检验，计算结果与实际相符，实际运用如图5所示。

5 结语

在大件运输方案设计中，根据不同的挂车型号，选择该车辆的结构参数，可以运用该计算公式(15)对货物的质心位置相对挂车纵向位置进行定量分析计算，通过计算为方案设计提供技术支持。

图5 多轴液压挂车装车图

在大件运输实际操作中，运用本计算方法能够事前定量地计算出货物在车上纵向的适宜位置。但适宜的位置不一定就是货物装车后轴荷均布的位置，受货物外廓尺寸所限或牵引车牵引力的需求变化影响，有时货物质心位置可能不在满足轴荷均布的位置。此时，利用前面的公式可以计算出偏移量对轴荷不均分布的影响程度，并计算出最大轴荷，其计算结果可作为运输方案安全性评价的依据。