前置顶自卸车举升缸与货箱的关系

陈志斌 高振兴

摘 要：前置頂自卸车是通过在货箱前面安装液压油缸，实现货箱举升的一种自卸车。前置顶自卸车相对于中置顶自卸车，结构更合理，性能更可靠，安全系数更高，具有安装维护方便，举升吨位大，使用寿命长的特点。随着前置顶自卸车的广泛运用，市场用户的高要求，如何将用户的需求，转换为设计依据。

关键词：前置顶自卸车 卸货量 举升角度 液压油缸缸径 行程 推力

1 研究本课题的目的和意义

当今自卸汽车的市场细分化越来越精细，用户对自卸汽车的货箱长度使用要求从3.75米—8.6米，都需要前顶结构，因此，作为自卸车设计人员如何快速、准确的的计算出液压缸的行程、举升角度、装载质量等参数，是决定自卸车是否满足客户质量要求的前提。笔者从事自卸车设计及研究20余年，积累了大量的实践经验，通过理论推导，实践验证，总结出本文前置顶自卸车举升缸与货箱举升角度装载量之间关系的研究课题。

2 课题的理论基础

自卸汽车设计时，一般在对应的定型的汽车底盘上改装设计。充分考虑自卸车的专用工作装置和汽车底盘的匹配，使用过程中不能为了保证专用功能的使用，而忽视了原有底盘的承受极限，要保证原有汽车底盘的基本性能不受影响。

自卸汽车设计时要充分考虑国家和行业中的要求和规范准则，设计的自卸汽车要满足交通安全法规。

自卸汽车总体布置时要正确的确定好整车参数，合理布置各总成件和零部件。使工作过程中各工作部件不产生干涉，满足设计尺寸要求。在自卸汽车设计中，总体布置还需遵循以下要求。

1）减少对原有汽车底盘总成位置的改变，尽量保持汽车底盘的性能。

2）在设计自卸汽车上装部分时，要尽量避免上装部分工作时对主车架造成集中载荷，延长主车架使用寿命。

3）在保证使用性能的前提下合理采用轻质材料，减少自卸汽车自重，提高载重能力。

3 数学模型建立

依据自卸车液压系统及机构运动的原理，通过关键元、部件的运动轨迹，找出特定数据值条件下的基础关系式建立数学模型。数学模型的建立要围绕液压举升油缸和货箱展开，前置顶顾名思义，液压油缸放置在货箱前端的结构形式，围绕在前顶液压油缸举升过程中，通过货箱绕翻转中心举升过程中，其运动轨迹和液压油缸的摆动轨迹及伸缩量之间的关系，油缸举升过程中货箱内货物流出量的多少关系，找出其相关联的当量关系，通过当量关系，利用数学物理公式，将其中的变量建立函数关系，通过已经成熟的车型去验证已建立的函数关系是否能够推演出常态化的关系，从而利用确立的函数关系，再利用建立的函数关系结合EXCEL的函数模块功能，实现基础数据的录入求值结果。

3.1 货箱形状的选定

市场上常见的车厢结构形式有3种：铲斗车厢、矩形车厢和U形车厢。矩形车厢结构简单，实用性强。一般运输土方、沙子等货物，车厢的强度刚度相比铲斗车厢低但制造成本低，市场占有率高。因此，本课题选择矩形车厢作为研究对象。

3.2 安息角定义

安息角是指散料堆放保持的停止自然溜下的一种临界状态，也叫休止角。安息角和粉尘的种类、含水率和形状有关系。同一种粉尘含水率越大，安息角越大;形状越大，安息角越小。

3.3 举升角定义

举升角是指在油缸伸长过程中，推动货箱绕翻转支架轴转动时，货箱底板平面与水平面所形成的夹角。当油缸行程用完或达到限定行程时，货箱的举升角度为最大值。货箱的最大举升角与所选油缸行程大小、翻转中心的位置及物料介质前后有关，举升机构的最大举升角度要大于散料的安息角，才能让举升机构举升车厢时把货物倾卸干净。

3.4 卸货量与举升角度之间的数学模型

货物从货箱中倾斜，当举升角度大于等于安息角时，货箱中的货物才具备倾斜的条件。因此，只要建立货箱举升角度变化的过程中，举升角度与货物安息角间的变化关系，同时明确举升角度变化时，货箱中货物的变化情况，就可以确立举升角度和卸货量间的数学模型。

3.5 举升角β与缸伸出长度的数学模型

液压油缸在实现货箱举升过程中，不仅要进行油缸的伸长，同时还要绕下铰轴旋转，货箱绕翻转中心铰轴在液压油推力作用下旋转，从而实现货箱的举升动作。在货箱的举升过程中，油缸的绕轴旋转与货箱的绕轴旋转存在一定的数学角度变化关系，而液压油缸的生产与油缸的绕轴旋转又存在一定的数学变量关系，通过油缸的绕轴旋转，将液压油缸的伸长，即液压油缸行程与货箱的举升角度很好的联系在一起，从而建立起行程与举升角度之间的当量关系，继而建立两者间的数学模型。

3.6 举升角β角、装载质量与缸径的数学模型

当装载质量一定时，液压油缸的缸径最小值直接决定其举升货物多少的能力，设计人员必须明确订单提报的液压油缸缸径是否满足用户在所设定工况下的需求，因此我们通过在某一角度时，货箱还剩余货物多少来确定这一角度时，液压油缸伸出的缸筒直径值，能否维持在系统动力作用下继续保持货箱继续举升的状态，完成货箱继续卸货能力，液压油缸缸径的最小值确定不但是保证持续卸货能力的体现，因此通过通过货箱举升过程中，货物剩余量与需求推力的变化关系，建立起卸货量与缸径之间的数学关系模型。

3.6.1 举升角与缸伸出长度关系

当知道某一角度时，货箱内货物存量和卸除或物量是多少时，此时油缸的伸出长度是多少？此时伸出的是多级缸筒中的第几级呢？这些问题引起关注的同时，就会想到构建一个数学关系，解决疑问。前置顶结构自卸车的举升角与液压缸的伸出长度关系通过哪些参数和当量关系值可以转化而来呢？通过二维模型绘制可以清楚的知道：当货箱的翻转中心位置确定，油缸的固定选旋转中心确定，油缸与货箱的连接点确定时，这三者的平面投影连线就将两者的关系在一个三角形中构建出来。

行程是指货箱由0°至最大举升角度时，所需油缸的长度，即油缸的最大伸长长度，某一角度时油缸的行程就是油缸的伸长长度。

3.6.2 货箱举举升角与油缸摆角间的关系

当货箱举升角度由10°增加至20°时，油缸与底板所成角度由85°缩至80°，即货箱角度增加10°，油缸摆角增加5°，即当货箱角度增加β时，油缸摆角增加β/2，由此可推断：液压油缸的伸长长度与货箱的举升角之间是可控的变化关系。

3.6.3 β角时装载质量与缸径关系

在缸筒材质圈定的范围内，缸径直接决定了液压油缸能够推举起最大载重量的能力，而将缸径的变化与货箱存留货量结合起来，明确举升角度变化时，油缸的推理是如何随油缸的摆动而变化，发现其中的当量关系，建立数学模型，并以一定的数学关系式表达出来，能够推进我们快速订单的进程。

3.6.3.1 油缸缸径与推力

推力是油缸能够举起货物重量能力的重要参数，当材质、压力一定的情况下，油缸的缸径就是這一能力参数的重要指标，推力和缸径间存在着必然的当量关系。

3.6.3.2 货装载质量与推力

货箱容积和货物比重一定时，货箱的最大装载质量也就确定了，此时油缸能够刚好举起此重量的货物，那么油缸的最小推力也就确定了。

4 EXCEL函数关系确定与数据表格形成

4.1 数学关系式与EXCEL函数的代入

利用EXCEL中的函数，将3.7.1，3.7.2，3.7.3中推导出的数学关系式转化为函数关系式，与订单中的已知条件建立联系。

4.2 EXCEL表格的输出

如表1，此表设计人员可以根据已知的标的物比重、货箱规格、结构布置参数、

录入下表中，可以快速计算出设计所选用的最佳缸径、行程、推力。（图表中黄底单元格），根据函数关系式（图标中红底单元格）自动计算出所需的数据值。

计算示例如表1：

5 结束语

本次研究课题是自卸上装设计中比不可少的计算求值过程，课题最终的研究成果是让非专业的人员，在一定已知条件的基础上：能做专业设计人员所做的事，并简化繁杂的求解、计算过程。

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