一种整体自装卸车的设计

2020-04-08张太林齐兰李成陈勇

专用汽车 2020年2期

张太林齐兰李成陈勇

辽宁陆平机器股份有限公司辽宁铁岭 112001

1 前言

整体自装卸车是一种集装卸、运输、集装化存储为一体的运载车辆，主要分为顺装式和侧装式两种形式，能够实现多舱一车的配置，极大节省运输车资源。整体自装卸车机动、灵活，能在丘陵、山地等复杂地形上快速机动；辅助随车自装卸系统，能在较短时间内完成方舱、集装箱、整装物资或托盘化装备的自装卸作业。

笔者设计的一种整体自装卸车，采用顺装伸缩臂结构，能够满足额定质量5 600 kg的装载需要，可装卸4 m方舱或集装箱，装载托盘的长度不小于4 100 mm。当装卸物存放平面低于车辆停放平面时，能够正常装卸作业；车辆在侧坡作业、纵坡作业，或车辆纵向与装卸物资纵向存在夹角时，能够实现装卸物资与自装卸车的导正、对中，完成不对正情况下的装卸作业。

2 自装卸车设计

顺装伸缩臂整体自装卸车，采用新一代某品牌中型高机动性通用战术车辆（6×6）作为载体，上装自装卸机构、液压系统、电控系统、后视系统等，可自行装卸4 m方舱、集装箱、托盘化整装物资，自装卸车组成见图1。

2.1 自装卸机构设计

自装卸机构是整体自装卸车的核心部件，采用顺装伸缩臂式结构，主要由副车架、举升臂、举升臂油缸、吊钩臂、吊钩臂油缸、导向装置及限位装置等组成。副车架纵梁与汽车底盘纵梁固定为一个刚性整体；举升臂下端铰接在副车架中后部横梁上；举升臂油缸沿副车架纵向中心线进行对称布置，下端铰接在副车架前部横梁上，上端铰接在举升臂中部两侧。吊钩臂套装在举升臂内，在吊钩臂油缸的作用下，沿举升臂内腔做往复运动；吊钩臂油缸一端铰接在滑动臂端部，一端铰接在举升臂内腔下端。自装卸机构效果见图2。

图1 顺装整体式伸缩臂自装卸车

图2 自装卸机构效果图

整体自装卸车需具备额定提升5 600 kg重物的能力，故采用ADAMS软件，仿真装载、卸载的全过程和动态受力曲线，合理设计装卸运动轨迹，分析自装卸系统最大受力，自装卸机构动力学分析如图3所示。

设计过程中，采用Abaqus软件进行有限元分析和强度校核，有限元单元类型为实体四面体单元。许用应力[σ]=σs/n，σs为材料的屈服强度，σmax为最大计算应力，不同工况下，最大计算应力由受力分析软件自动运算得出。σmax<[σ]时强度满足要求，反之则不满足要求。考虑零部件的重要程度、载荷计算及强度极限等因素，取安全系数n=2。HG60材质，屈服强度460 MPa，则许用应力为230 MPa；HG70材质，屈服强度590 MPa，则许用应力为295 MPa；45#钢，屈服强度360 MPa，则许用应力为180 MPa；钢质材料弹性模量206 MPa，泊松比为0.3，密度7 8 50 kg/m3。

图3 自装卸机构动力学分析

2.1.1 基本参数确定

设计时，先确定自装卸机构长度和高度，自装卸机构长度是指吊钩钩心到直滚轮轴线的水平距离，自装卸机构高度是指吊钩顶端到副车架下平面的垂直距离。

通过总体布置，压缩吊钩臂前端液压油箱和电控箱等结构件的尺寸；滚轮设置在副车架后横梁上方，后横梁与底盘纵梁后端面平齐，此处支撑位置最佳。在不改变底盘车架尺寸、保持底盘原有性能的前提下，确定自装卸机构长度尺寸为4 016 mm，尺寸示意见图4（a）。

自装卸机构吊钩中心距托盘导轨承载面的距离1 570 mm，在运输空托盘状态下，整车总高不超过3 100 mm，装卸时确保自装卸机构任何部位不与托盘发生干涉，吊钩臂自身高度满足极限条件下的作业需求，充分利用底盘前、中、后桥弹性元件的刚度特性值差异（即各桥中心处车架上表面离地高度的不同），确定自装卸机构高度为1 917 mm。自装卸机构与底盘组装后，在运载空托盘状态下，吊钩最高外沿距地3 085 mm，尺寸示意见图4（b）。

图4 自装卸结构尺寸

2.1.2 副车架结构

副车架是自装卸机构的安装平台，是上装货物的承载平台，承载和固定方舱、集装箱和托盘化整装物资。副车架主要由左、右纵梁、各横梁、举升臂铰支座、举升臂油缸前铰支座、托盘支承座（滚动支承座、滑动支承座）、托盘锁止钩、连接板等组成。为充分利用底盘自身的刚强度，满足额定质量5 600 kg的装载需要，副车架纵梁与汽车底盘纵梁采用刚性接触结构，通过连接板和螺栓固定为一个刚性整体，此种连接方式，有利于在自装卸过程中，利用底盘车架自身的刚强度提高副车架的刚强度，利于副车架的结构优化和轻量化。副车架结构见图5。

图5 副车架结构图

副车架各主要梁构件采用6 mm厚HG60优质高强度结构钢冷弯成形，再组焊成一体。外形尺寸（长×宽×高）为4 750 mm×1 610 mm×303 mm。左、右纵梁截面采用Z字型结构，保证上装宽度空间满足装卸机构的布置要求。经计算，副车架最大计算应力为207.4 MPa，小于许用应力230 MPa，强度满足要求。副车架有限元分析见图6。

图6 副车架有限元分析

2.1.3 举升臂和吊钩臂

举升臂长度和翻转轴位置、吊钩臂伸缩行程，是设计自装卸机构时重点考虑的参数。装卸时，前桥车轮不能离地，后桥不能超载；吊钩臂伸缩行程要保证托盘装载到位，与举升臂预留适宜的重合长度；吊钩中心的运动轨迹尽可能低，以减小托盘的装卸角，托盘与自装卸车尾部不发生干涉；举升臂油缸的作用力臂尽量大，工作行程尽量小。

按上述设计要求和作业工况，确定举升臂长度为1 665 mm，吊钩臂与举升臂重合长度为470 mm，吊钩臂最大行程为850 mm，吊钩臂油缸闭合长度为1 310 mm。举升臂油缸闭合长度为1 900 mm，最大行程为1 380 mm。装卸作业时，举升臂最大摆动角度可达141°，在装卸物存放平面低于自装卸车停放平面时，可进行正常装卸作业。举升臂和吊钩臂工作状态见图7。

图7 举升臂和吊钩臂工作状态

举升臂横截面设计成箱形结构，采用6 mm厚HG70优质高强度结构钢冷弯成形，再组焊成一体，局部进行加强。举升臂后端为铰接轴套，通过翻转轴与副车架举升臂铰支座相联；中部为油缸后铰支座；内腔设有吊钩臂油缸铰接轴套，用于吊钩臂油缸的铰接固定。经有限元分析和计算，举升臂最大计算应力为156 MPa，小于许用应力295 MPa，强度满足要求。举升臂有限元分析见图8（a）～（c）。

吊钩臂整体为L型，水平部分设计成等截面箱形结构，垂直部分设计成上小下大的变截面箱形结构，采用6 mm厚HG70优质高强度结构钢冷弯成形，再组焊成一体，局部进行加强。吊钩臂下部设油缸前铰接轴套，顶端设置吊钩，吊钩选用45#钢，调质处理。吊钩设计时，保证托盘吊环在吊钩内运动平稳，减小运动冲击，避免产生脱钩现象，兼顾挂钩、摘钩方便性，对吊钩头部形状进行优化，在保证吊钩强度的基础上，通过改变导向段曲率半径，合理设计吊钩线形，外曲面和内曲面均采用二次曲面。装卸时吊钩状态见图9。

经有限元分析和计算，吊钩臂最大计算应力为251.3 MPa，小于许用应力295 MPa，强度满足要求；吊钩最大计算应力为94.97 MPa，小于许用应力180 MPa，强度满足要求；吊钩臂有限元分析见图8（a）、（b）、（d）、（e）。

2.1.4 导向装置和后横梁

图8 举升臂和吊钩臂有限元分析

图9 装卸作业时吊钩状态

导向装置是自装卸车装卸作业的专用导向机构，设置在副车架后横梁上两侧，包括一对水平滚轮和一对斜滚轮。托盘导轨与水平滚轮接触，有效减小装卸过程中的摩擦阻力，降低系统工作压力，同时延长托盘导轨的使用寿命。根据托盘导向角度和结构空间要求，斜滚轮倾角设计为24°，当车辆在侧坡上作业，或车辆纵向与托盘纵向存在夹角，依靠斜滚轮的斜度使托盘产生侧向力，使托盘与自装卸车导正、对中；同时，利用高度的变化，限制托盘导轨脱离水平滚轮。导向装置和后横梁结构见图10。

图10 导向装置和后横梁

滚轮均选用45#钢，调质处理。后横梁采用6 mm厚HG60优质高强度结构钢冷弯成形，再组焊成一体。经有限元分析和计算，滚轮最大计算应力为95.59 MPa，小于许用应力180 MPa，强度满足要求；后横梁最大计算应力为191.1 MPa，小于许用应力230 MPa，强度满足要求；导向装置和后横梁有限元分析见图11。

图11 导向装置和后横梁有限元分析

2.1.5 限位装置

限位装置是自装卸车中固定和限位托盘的主要部件，设计成五点限位结构，采用吊钩和左右两侧锁止钩三点限位，在托盘导轨前端设置两个限位锥销，提高装卸过程和越野行驶时的可靠性和安全性。限位装置结构见图12。

图12 限位装置

2.2 液压系统设计

整体自装卸车装卸方舱、集装箱、托盘化整装物资时，自装卸机构采用全液压驱动形式。利用汽车底盘的动力，通过加装取力器，带动液压泵运转，输出具有压力能的液压油分别进入不同的系统回路中，其方向、压力、流量被控制元件调控后，经管路传输到各执行元件中，实现各机构的动作。液压系统包含2个基本回路，即举升臂回路和吊钩臂回路，主要由斜轴式轴向柱塞泵、负载敏感比例多路阀、平衡释放阀、双向平衡阀、行程控制阀、防爆阀、手动泵、举升臂油缸、吊钩臂油缸、液压管路及附件等组成，液压系统原理见图13。

经计算，确定液压系统的主要参数如下，系统工作压力为27 MPa，系统流量为56 L/min，泵工作转速为1 300 r/min。液压系统采用电控操作和手动操作两种操作方式。

2.3 电控系统设计

电控系统采用PLC控制系统，控制器将采集的输入信号和反馈信号，经过数据处理，输出控制信号，实现装、卸动作的“一键式”操作和有序动作；实现油缸伸、缩速度的无级调节；检测和指示各类故障信息，避免出现危险状态。

电控系统采用底盘电源供电，主要由PLC控制器、电控操作装置、接近传感器、滤油传感器、比例电磁阀、指示灯等组成，原理框图见图14。

PLC控制器选用专门为行走机械控制而设计的C101-A可编程控制器，该控制器电磁兼容性好，功能强且可宽温使用，抗冲击，适合车载工况。C101-A控制器采用SmartPLC嵌入式操作系统和OpenPCS开发软件，完全兼容国际PLC标准的IEC61131-3，界面友好且编程灵活。C101-A控制器集成在电控箱内，安装在驾驶室后左侧，其安装位置见图15。

图13 液压系统原理图

图14 电控系统原理框图

电控系统设置了驾驶室内操作和驾驶室外有线遥控器操作两种方式，通过操作电控手柄实现“一键式”装、卸动作。系统中设置6组传感器，输出信号均传给PLC控制器，传感器的布局见图16，1、2位设置滤油传感器，用于判断液压系统中回油和高压滤油器是否堵塞；3、4位和5、6位设置接近传感器，用于检测各动作机构的位置状态，其中，3、4位用于检测吊钩臂装卸是否到位，5、6位用于检测举升臂装卸是否到位。

图16 传感器布局

图17 视频主机

2.4 后视系统设计

人员在驾驶室内操作时，无法从后视镜观察尾部装卸作业情况，存在作业危险。为了提高安全性和可操作性，加装了后视系统，见图17。

后视系统的7″视频主机安装在仪表盘上方（靠近驾驶员座位），共配置三个摄像头：第一个位于车辆尾部中间，用于倒车影像观察；第二个位于车辆尾部左侧，用于在侧面观察吊钩臂、举升臂的运动情况；第三个位于驾驶室顶部，用于俯视观察整个吊装过程。影像既可单屏显示，也可同时多屏显示。

后视系统预留通信接口，采用CAN总线通信方式，通过与PLC通信，实现装卸信息显示和语音提醒功能。系统配置测距探头，可探测、显示本车与待装卸物之间的距离。

3 基本性能试验

研制样车产成后，进行了机、电、液系统的运行调试，保证自装卸机构工作动作准确、安全和可靠。调试过程按空转、空载、负载装卸几个阶段分别进行。调试后，进行了质量和尺寸参数测量、装卸时间测试和短途行驶试验。为验证性能指标，进行了应力测试，测试各种作业工况下，举升臂、吊钩臂、吊钩、副车架等主要结构件在各种作业工况的最大应力；进行了液压系统参数测试，包括液压系统的压力、流量和温度，液压系统测试见图18。测试数据与设计方案计算结果基本吻合。

图18 液压系统测试

针对通用托盘、罐体托盘等装载工况，进行了极限作业能力测试；装卸物存放平面低于车辆停放平面装卸作业，高度大于400 mm；装卸物与车辆纵向夹角作业，夹角大于10°；侧坡作业，坡度大于10%；纵坡作业，坡度大于20%；各装载工况和极限作业工况下，均可进行正常装卸作业。按标准的要求，在专用试验场进行了长途行驶、循环作业可靠性、高低温等性能试验，结果各项性能指标均满足设计要求。