寶鋼自制140 t框架車轉向系統分析及運動模擬驗證

劉 加

(上海寶鋼工業技術服務有限公司，上海 201900)

0 前言

框架車因其結構緊湊、承載能力大、轉彎半徑小、機動靈活的特點，廣泛用于大型鋼鐵企業在廠區內運輸熱軋帶鋼、鋼管、板坯等產品，屬于特種重型運輸車輛。寶鋼在建廠初期生產用框架車均為國外引進，最大運輸能力140 t(車頭下置式)。部分框架車經過多年滿負荷運行，已接近使用壽命，隨著生產規模的擴大，寶鋼對框架車的運輸需求也增大，近幾年開始研制框架車。寶鋼國產化后的140 t框架車性能達到或部分指標超過進口車的水平。本文分析探討該框架車的轉向系統，為設計提供依據。由于框架車引進周期長、費用大。

1 140 t框架車轉向系統分析

1.1 轉向系統結構

140 t框架車車身長18 m，寬3 m，車體中心線兩側即車體前后各有3橋(對)轉向車輪，且前后轉向車輪按車體中心線對稱布置，因而車體在轉向時，車輪回轉中心在車體中心線上，車體中心線兩側車輪在工作時呈對稱形式。在此取中心線一側車輪及轉向機構進行分析。轉向系統結構如圖1所示。

轉向原理:車架下的轉向蝴蝶板1受油缸驅動繞固定軸旋轉，連接蝴蝶板與旋轉支架的短拉桿2帶動第一橋旋轉支架5旋轉，轉向長拉桿3和4再分別帶動第二橋、第三橋的旋轉支架旋轉。旋轉支架繞車架上固定軸旋轉，車輪安裝在旋轉支架下部，車輪中心與固定軸中心線有少量偏心，由于偏心較小，可忽略不計，設定車輪中心與旋轉固定軸中心線重合。

圖1 140 t框架車(一鍵)轉向系統Fig.1 Steering system of 140 t frame vehicle(one side)

1.2 轉向系統運動分析

140 t框架車有6橋12個車輪做轉向運動，其同步性尤為重要。在框架車轉向時，為了減少路面對框架車的附加阻力使輪胎加速磨損，要求轉向系統保證各個車輪均作純滾動，而無滑動或只有極小的滑動，且全部車輪都圍繞一個瞬時轉向中心做圓周運動。框架車轉向示意圖如圖2所示，車輪中心線交點O為瞬時轉向中心，即框架車的轉向中心。框架車的瞬時轉向中心隨車輛的轉彎半徑不同在不斷變化。由于每個車輪的轉向半徑是不同的，要保證各轉向車輪轉向時都做純滾動，同一橋(軸)上的車輪轉角應滿足阿克曼定律式。

同時第1～3橋前后車輪轉向運動應滿足運動關系式(4)、(5)

圖2 車體轉向示意圖Fig.2 Schematic diagram of vehicle turning

在140 t框架車的轉向機構中，車輪轉向受轉向蝴蝶板、轉向支架上連桿銷軸位置及連桿長度的影響，安裝車輪的轉向支架繞車架上固定軸旋轉，因而轉向支架上連桿銷軸的運動軌跡，均在銷軸中心到固定軸中心為半徑的圓弧上，依靠連桿帶動的前后相鄰兩車輪，根據運動關系式，其轉角正切比為一常數，但在車輪設計的轉動角度范圍內，該條件并不能夠都得到滿足，只有近似地使它得到保證。

2 轉向系統虛擬模型的建立及數據采集

根據140 t框架車初步設計的框架裝配結構設計圖，選擇車體中心線一側的第1～3橋6個車輪作為研究對象，確定車體框架、車輪回轉固定軸、轉向蝴蝶板、轉向支架上連桿銷軸及連桿的安裝位置，運用INVENTER軟件建立車輪轉向系統三維模型如圖3所示。

圖3 轉向系統簡化三維模型Fig.3 Simplified three-dimensional model of steering system

運用INVENTER軟件的運動仿真的功能，進行轉向系統機構仿真模擬運動。并對轉向系結構進行優化設計。在虛擬模型里以第1橋左輪為車輪轉向角度基準，根據在轉向轉角范圍內設定的第1橋左輪各轉角度，采集其它各車輪的轉角數據。并根據采集的各車輪轉角數據，繪出虛擬樣車的轉彎特性關系圖:即第1橋兩車輪相互轉角關系曲線;第1橋、第2橋前后輪相互轉角關系曲線，第2橋、第3橋前后輪相互轉角關系曲線。由阿克曼定律和轉向運動關系式，計算出與虛擬模型測量得到轉角數據相對應的理論轉角數據，繪出理論轉彎特性關系圖，并把虛擬樣車的轉彎特性關系圖與理論轉彎特性關系圖進行比較。理論、模擬轉彎特性關系如圖4～圖8所示。

3 轉彎特性關系分析

圖4中第1橋梯形轉彎特性曲線比較得出，第1橋左輪轉角在40°～55°范圍時，曲線偏差較大，在50°偏差最大為3.98°，在其它范圍內轉角偏差較小;圖5、圖7中第1橋左輪與第2橋左輪轉向搖臂性能較好，在第1橋左輪轉角27°時偏差最大僅為1.9°;圖6、圖8中第2橋左輪與第3橋左輪轉向搖臂性能在25°～40°范圍偏差較大最大為3.6°。

4 框架車轉彎特性曲線分析

根據框架車的工作特點，大部分運行在第1橋車輪轉角35°以下，車輪最大轉角60°，在整個范圍控制轉角精度條件下，優先保證小轉角和回轉半徑較大車輪的轉角精度。框架車在轉向蝴蝶板帶動第1橋車輪的左右旋轉支架轉動，從第1橋轉彎特性曲線(圖4)比較得出，第1橋左輪轉角在＜35°及50°～60°時偏差較小，說明在回轉半徑最小時轉向性能比較出色。40°～55°范圍時，曲線偏差相對較大，在 50°時偏差最大為 3.5°。

第1橋與第2橋前后車輪轉向性能較好，在整個回轉范圍內比較理想，在第1橋左輪轉角27°時特性曲線最大偏差僅為1.6°轉向性能設計比較好。

第3橋車輪轉角由于受第1橋、第2橋轉向銷軸運動軌跡影響，轉角精度較難控制，第3橋距車體中心線最近，車輪回轉半徑相對較小，線速度較低，車輪轉向精度可適當降低。第2橋與第3橋車車輪轉向性能曲線偏差趨勢，隨車輪轉角增加而增加，在小轉角區域偏差較小，當框架車回轉半徑最小時，偏差最大為3.6°。

5 結論

分析得出140 t框架車梯形傳動機構驅動第1橋車輪轉彎特性，在大部分范圍及常用區段轉向性能良好，僅在轉向范圍局部偏差稍大，但影響不大。第1橋車輪與第2橋車輪轉向性能比較好，前后輪轉角偏差小，接近理論設計水平。第2橋車輪與第3橋車輪轉向性能在小于20°范圍內轉向性能良好，在大于20°范圍內轉角偏差增大，但最大轉角偏差為3.6°小于4°。

從車輪模擬轉角特性分析得出，140 t框架車轉向系統能夠滿足設計要求。生產實踐證明寶鋼自制的140 t框架車也滿足了生產要求。

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