一种轮胎式集装箱龙门起重机大车车轮转向力计算方法

2023-11-02沈毅炜刘东辉赵宇龙刘向将

港口装卸 2023年5期

沈毅炜刘东辉赵宇龙刘向将

青岛海西重机有限责任公司

1 引言

轮胎式集装箱龙门起重机(以下简称轮胎吊)大车大多采用8只橡胶轮胎,其中驱动轮和从动轮数量各半,单个支腿下的2个轮胎通过车架和平衡梁连接于整机龙门架结构。轮胎吊通过驱动大车轮胎可沿轮胎滚动方向进行整机运动,8只轮胎角度可在0°、16°、90°这3个位置变化,从而使轮胎吊沿X、Y方向行驶,或绕其整机中心回转(见图1)。

图1 轮胎吊轮胎角度示意图

提高轮胎吊的转场效率和安全性非常重要。通常在轮胎着地的情况下,采用液压或者电动推杆推动一组轮胎,此时轮胎承受整机重量,轮压以及由轮压引起的转向阻力非常大。因此通过准确的计算获得大车转向所需要的推力,对大车转向系统的设计至关重要。

2 大车转向机械方案

常规轮胎吊的2组大车轮胎通过轴承座与车架连接,2组车架分别通过回转支承与平衡梁连接(见图2)。转向推杆固定端与平衡梁相对铰接固定,通过推杆伸出带动车架1及其轮胎绕其上部回转支承转动;同时转动的车架1推动连杆,将转向推力带到车架2及其轮胎(见图3)。在此过程中,2组轮胎均绕其几何竖直中心线进行平面转动,推杆的力臂随着转动而变化。

1.回转支承 2.平衡梁 3.回转支承 4.车架 5.轴承座6.大车轮胎 7.轴承座图2 大车行走机构组成

1.车架2及车轮 2.连杆 3.固定端 4.推杆伸出端5.车架1及车轮图3 大车转向推杆结构

3 大车车轮转向力计算

3.1 轮胎与地面的回转摩擦阻力矩

在轮胎绕其几何竖直中心线进行平面转动的过程中,轮压与地面的摩擦阻力产生回转摩擦阻力矩,作用在轮胎与地面的接触面。该接触面大致为矩形。轮压在接触面上是均匀分布的,则单位面积的回转阻力为:

(1)

式中,F为单位面积的回转阻力;P为轮胎的轮压;A为矩形接触面积;μ为橡胶轮胎与混凝土地面的滑动摩擦系数,此处取0.62[1]。

单位面积绕原点O的摩擦阻力矩是单位面积摩擦阻力乘以力回转中心的距离(见图4)。矩形接触面积内绕原点O的摩擦阻力矩为单位面积摩擦阻力矩在该面积范围内的二元积分:

图4 轮胎接触面摩擦阻力矩计算示意图

(2)

3.2 回转支承的摩擦阻力矩

轮胎吊在做大车转向动作时,轮胎和车架一同进行回转,除了轮胎和地面之间产生的摩擦阻力矩,回转支承也在轮压作用下产生回转摩擦阻力矩。常规轮胎吊的回转支承为四点接触球式,型号为010.30.630.001。该阻力矩计算公式为:

(3)

式中,Tm为回转支承的摩擦阻力矩;ω为回转阻力系数,对于滚球式为0.01[2-3];D为滚道平均直径,对于010.30.630.001为632 mm;ΣN为全部滚球所受的总压力,由于回转时其只受垂直力,故其计算方法为:

(4)

式中,P为轮胎的轮压;γ为滚动体的压力角,在该工况下为45°。

3.3 转向推力计算

单个推杆需要完成2个轮胎的转向,同时在推杆伸出过程中,推杆的力臂在不断变化,所需推力也相应变化。在其初始和最终位置的力臂最小,故相应需要的转向推力最大;同样,可根据计算得出不同转向位置时推力的力臂,再根据以下计算式得出该转向位置的瞬时推力:

(5)

式中,Q为某一转向位置时的转向推力;L为转向位置推力的力臂。

3.4 计算实例

某轮胎吊整机自重160 t,大车转向时的最大轮压为P=250 kN;大车轮胎为无内胎充气轮胎,型号为21.00-25-40PR,轮胎接触地面长度尺寸的一半a=406 mm,宽度尺寸的一半b=250 mm;转向推杆最小力臂为L=425 mm,滑动摩擦系数取μ=0.62。依据上述公式,该大车转向的最大推力计算结果为250 kN,实际项目设计中也选用了250 kN额定推力的电动推杆作为回转装置。

在项目试车中,电动推杆额定推力可平稳实现轮胎吊大车转向。此外,在计算中发现,回转摩擦阻力矩占全部阻力矩的95%以上,并且在实际工况下,回转摩擦阻力矩会随实际摩擦系数变化,实际摩擦系数一般范围为0.6～0.8,具体与路面情况、轮胎胎压、花纹有关[3]。故在大车转向系统设计中,液压或电动推杆需要考虑1.5倍的过载能力,以满足实际的最大推力要求。