手自一体调平支腿机械设计

童 望，万 珊

（1.湖北中科智能装备制造有限公司，湖北 黄冈 438000；2.湖北黄冈应急管理职业技术学院，湖北 黄冈 438000）

0 引言

调平支腿广泛应用于各种需要调整高度和保持稳定性的场合。在检修调试时，手动操作带来便利。手动操作与自动操作必须互锁，保证人身安全。

现有的手动机构有3 种：1）没有手动机构[1-4]，不能进行手动操作；2）有手动机构，无互锁机构[2]；3）有手动机构，有互锁机构。其在减速箱内部设有离合器，还设有传感器检测离合齿轮的位置。该方案结构复杂，成本较高，容易产生故障，检修难度大。为此提出一种适用于液压马达驱动的调平支腿互锁设计方案。该方案采用了简化的结构设计，具有成本低、耐用性强、检修方便等优点，大大提高了其使用便利性和效率。

设计带有上述互锁装置的调平支腿整机，通过理论分析和实验验证，证明该设计方案的有效性和优越性。希望通过该方案的研究，为调平支腿的设计在提升安全性，降低成本方面为相关领域提供有价值的参考。

1 总体设计思路

在确定平台支撑方案[5]后，开始设计调平支腿部件。如图1 所示。

图1 调平支腿结构简图

根据平台总体设计，调平支腿的驱动部分采用液压马达。减速部分为齿轮减速箱。伸展撤收部分采用滑动螺旋传动，并通过选择合适的螺旋升角实现自锁。

驱动部分有两路动力源，一路是液压马达，另一路是手动，两个动力源都连接到驱动轴上。为保证手动操作的安全，在手动操作时，液压马达必须停机，这个要求由互锁机构实现。

互锁机构采用了新的思路。其两路动力源始终与驱动轴保持连接。在自动状态下，阻塞手动操作摇把与支腿之间的机械连接。在手动操作时，电控系统切断液压马达供油。

2 螺旋传动的设计计算和校核

梯形螺杆选用40Cr 调质处理，物理性能优良，螺母选用ZCuZn25Al6Fe3Mn3 铝黄铜。以耐磨性和强度计算基本尺寸，对可能存在风险的项目进行校核计算[6]，见表1。

表1 校核计算分析情况

3 液压马达选型

液压马达的主要性能参数有转速n、转矩T和效率η，根据这些参数之间的关系进行马达选型。

由梯形丝杆轴的扭矩和齿轮箱的传动比可得：T=223N·m，n=85 r/min，取η=0.8。

优选选择工作压力高、排量低的马达，在输出功率相同时，减小液压系统的体积和重量。

根据供应商产品目录中马达的工作压力范围，选取p=14 MPa。

计算得到流量Q=10.6 L/min，排量q0=125 mL/rev。

根据排量q0，额定压力p，额定扭矩T，转速n的范围，从目录中选择合适的型号。

4 齿轮减速箱的设计

减速器主要由两对直齿轮和一对锥齿轮组成，有三根立轴、一根水平轴（手动轴）及相应的轴承，以及箱体、箱盖、轴承座。在减速器上设计有手柄接口，在维修时，通过手柄操作实现支腿的伸缩。基本结构见图2 所示。

图2 齿轮箱剖视图

驱动轴上的圆柱齿轮与中轴上的大圆柱齿轮啮合实现第一级减速，中轴上的小齿轮与螺杆轴上的齿轮啮合实现第二级减速。与液压设计协同计算，确定马达与螺杆轴的传动比为4.1。

锥齿轮啮合提供手柄操作接口。手柄的回转半径≤350 mm，操作力≤160 N。据此计算出锥齿轮的传动比为4.08。

5 手动自动互锁设计

在液压马达运行时，不得进行手动操作。互锁机构通过机电结合的方式得以实现该功能。

自动操作时，手柄接口被遮挡（图3 左），驱动轴由液压马达驱动。此时，手动轴上的锥齿轮会跟转；由于此时在手动轴上几乎没有负载，而且手动轴的使用频率很低，故对整机寿命没有的影响。

图3 互锁机构

手动操作时，手柄接口没有被遮挡（图3 右），可以连接手柄。此时，电控检测到手柄接口处于开放状态，在此状态下液压马达的供油被切断。需要了解的是，手动操作时，液压马达会跟转。由于液压马达在卸载后仅有很小的阻力，对操作力的影响很小。

6 实验验证

在设计完成后，需要采用样机验证关键性能。按如下步骤进行：

（1）将样机固定到推力实验台上（见图4）。

图4 调平支腿推力实验图

（2）用手柄操作使支腿伸展至最大行程的90%左右。

（3）给样机逐步施加载荷，至200 kN 停止，保持5 分钟后卸除载荷。注意观察实验过程中是否有异常噪音，在保持载荷的过程中是否有回退现象；卸除载荷后检查是否有弯曲变形、结构损坏，操作是否灵活。

（4）给样机施加150 kN 的初始载荷，保持试验台加载板的位置。用手柄操作使支腿伸展，载荷逐渐增加。在载荷达到160 kN 时，用推力计推动手柄继续加载，读取推力计显示的值。

实验结果见表2。

表2 实验结果

由实验结果可知，机械设计方案是适当的，能满足技术要求。

经用户装车联调测试（见图5），互锁装置实现了期望的功能，安全有效。

图5 调平支腿装车状态

7 结语

调平支腿在工程车辆和特种车辆上应用广泛，其设计成熟可靠。而且动力来源和执行方式多种多样，减速器的设计各有特色。为了安全起见，带有手动功能的调平腿需要有手动自动互锁装置。文中的互锁机构的设计结构简单，零件数量少，减轻了整机重量，提升了整机的可靠性，降低了生产成本和使用维护成本，可根据使用场景评估后酌情采纳。