直推式自卸車液壓缸最優(yōu)安裝位置確定

周福庚

ZHOU Fu-geng

安徽江淮汽車股份有限公司 安徽合肥 230601

1 前言

目前自卸車舉升機構(gòu)多為液壓油缸直推式結(jié)構(gòu)，其主要采用一個或兩個多節(jié)液壓缸，布置在貨箱前部或中部直接推動貨箱實現(xiàn)傾翻。這種型式具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、便于安裝維修等特點。

直推式液壓缸的安裝型式一般分為中鉸式及端鉸式兩種，如圖1所示。中鉸式液壓缸多用于輕型或中型自卸車，布置在貨箱中部，為多節(jié)單作用的液壓缸，其優(yōu)點是占車架上部的空間小；端鉸式液壓缸一般用于重型自卸車，布置在貨箱前部，通常稱之為前頂式，其特點是產(chǎn)生的推力矩大。

為了保證自卸車在舉升貨物時，其液壓系統(tǒng)在額定的工作壓力下，能產(chǎn)生最大的推力矩，液壓缸的安裝位置十分重要。本文以某中置液壓缸直推式輕型自卸車為例，討論自卸車傾缷機構(gòu)中液壓缸初始安裝位置的確定。

2 中置液壓缸直推式自卸車舉升機構(gòu)

某直推式輕型自卸車液壓缸中置的舉升機構(gòu)簡圖如圖2所示，主要有多節(jié)液壓缸、液壓缸上支承座、液壓缸下支承座、貨箱翻轉(zhuǎn)軸、貨箱翻轉(zhuǎn)軸支架等件組成，其中液壓缸為三節(jié)單作用缸。圖中A點為液壓缸下支承座回轉(zhuǎn)中心，B點為液壓缸上支承座回轉(zhuǎn)中心，O點為貨箱繞翻轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)中心，可以看出該機構(gòu)是由三個回轉(zhuǎn)副、三個圓柱副構(gòu)成的一個平面六桿機構(gòu)。由液壓傳動原理知，當(dāng)液壓油進入工作缸時，因首節(jié)缸的活塞直徑最大，最先伸長，其次是第二節(jié)缸伸長，最后是第三節(jié)缸伸長，從而推動貨箱翻轉(zhuǎn)，實現(xiàn)貨物舉升。貨箱的最大翻轉(zhuǎn)角度只與液壓缸的最大伸長量及安裝位置等有直接的關(guān)系，故該機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，布置空間較小，比較適用于中、輕型自卸車。

3 液壓缸安裝位置的確定

3.1 液壓缸的最大工作力臂原理及公式推導(dǎo)

自卸車在工作中，貨箱在初始位置要實現(xiàn)傾翻，液壓缸必須要克服貨箱滿載時的重力矩和貨箱翻轉(zhuǎn)時各運動副間的摩擦阻力矩等。因此，液壓缸在初始位置時，額定的工作壓力下，其工作力臂越大則產(chǎn)生的推力矩越大。那么在初始位置時液壓缸怎樣布置才具有最大的工作力臂呢？筆者在文獻[6]中對液壓缸安裝位置的確定作了詳細的證明。為了便于理解，本文再作簡要的論述。

圖2、3為直推式自卸車的三節(jié)液壓缸舉升系統(tǒng)簡圖，為了說明問題方面，在圖2、3中將舉升系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)至OA，處于水平位置。

設(shè)液壓缸初始安裝角為α，液壓缸初始狀態(tài)時的工作力臂長為h，貨箱翻轉(zhuǎn)的最大角度為θ，取OA=a，OB=b，液壓缸的初始安裝長度AB=L0，液壓缸伸長到最大長度時AB′=L1，根據(jù)提供的已知條件，求液壓缸初始安裝位置時的最大工作力臂hmax。

對上式求導(dǎo)得：

由上式知，函數(shù) h為 單調(diào)增函數(shù)，即當(dāng)a有最大值時， h也有最大值。

一般地：當(dāng)0＜(α-φο)＜90°，(α-φο)為最大時， cos( α-φο)有最小值為2M。

即在如圖3的直推式舉升系統(tǒng)中，當(dāng)a=b時，液壓缸存在最大的初始安裝角αmax。

即當(dāng)OA=OB，即液壓缸在初始位置時，最大工作力臂為：

根據(jù)上述推導(dǎo)，可以得出結(jié)論：對于直推式自卸車，以液壓缸的初始安裝長度為底邊，貨箱翻轉(zhuǎn)軸為頂點，所組成等腰三角形的舉升機構(gòu)，在貨箱初始狀態(tài)時，液壓缸具有最大的工作力臂。這稱為力臂最大原理。由此可知，這并非通常所認為的液壓缸安裝中心線AB與OB連線垂直時，其工作力臂最大。通過推導(dǎo)的公式可知，只要確定液壓缸初始安裝長度、液壓缸最大長度及貨箱翻轉(zhuǎn)的最大角度三個參數(shù)，就能找到直推式自卸車的液壓缸最優(yōu)安裝位置，則其舉升機構(gòu)就可以確定下來，同時可以求出液壓缸的最大工作力臂，且是唯一的。

3.2 直推式自卸車的舉升機構(gòu)液壓缸安裝位置確定

直推式自卸車舉升機構(gòu)設(shè)計時，為了使液壓缸在初始位置時有最大推力矩，液壓缸的上、下支承座位置的確定是關(guān)鍵。貨箱翻轉(zhuǎn)軸O點的位置主要根據(jù)總體布置和軸距等確定，液壓缸的上支承座位置一般布置在貨箱地板下面，并盡量靠近地板。液壓缸最大工作長度在貨箱與車架底盤空間允許的情況下盡可能長些，以保證液壓缸的上支承座位置在貨箱滿載時質(zhì)心位置的附近，參見圖1。

在確定了液壓缸初始安裝長度L0，液壓缸伸長到最大總長度L1，液壓缸上支承座的高度位置，貨箱翻轉(zhuǎn)的最大角為θ后，根據(jù)前面推導(dǎo)的相關(guān)公式，就能夠確定液壓缸的上、下支承座A、B的安裝位置。液壓缸的上下支承座安裝位置可以用兩種方法求得，即坐標(biāo)法和作圖法。

3.2.1 坐標(biāo)法

以貨箱翻轉(zhuǎn)軸O點為坐標(biāo)原點，以通過O點的水平線為X軸，以與其垂直的直線為Y軸，建立如圖4所示的直角坐標(biāo)系。

假設(shè)液壓缸的上支承座B點高度距X軸為H，由 (10)式可知

3.2.2 作圖法

因此，在直推式自卸車的舉升機構(gòu)設(shè)計中，利用力臂最大原理及相關(guān)公式，可以很方便地將液壓缸的初始安裝位置確定下來，同時也確定了自卸車舉升機構(gòu)的尺寸。

3.3 液壓缸所產(chǎn)生的推力

根據(jù)前面分析，當(dāng)液壓缸安裝位置確定后，在初始狀態(tài)時，要實現(xiàn)貨箱正常傾翻，可求出液壓缸需要產(chǎn)生的推力，不考慮貨箱翻轉(zhuǎn)軸及液壓缸上下支座等摩擦阻力，根據(jù)圖2及公式(11)，則有：

液壓缸產(chǎn)生的推力為：

4 實例分析

某輕型自卸車為中置直推式舉升機構(gòu)，使用三節(jié)單作用液壓缸，參見圖2。其軸距為2900 mm，貨箱翻轉(zhuǎn)軸O點距后輪中心線為675 mm，距車架上平面80 mm，滿載時質(zhì)心距后輪中心線為518 mm，貨箱的最大翻轉(zhuǎn)角50°，滿載時貨箱與貨物的總質(zhì)量G=5500 kg。

選擇的三節(jié)液壓缸其第一節(jié)液壓缸缸徑為150 mm，每節(jié)液壓缸工作行程為300 mm。液壓缸的初始安裝長度L0=280 mm ，伸長到最大位置時的總長度L1=1100 mm 。

根據(jù)圖4，取貨箱翻轉(zhuǎn)軸O點為坐標(biāo)原點，建立如圖6所示的直角坐標(biāo)系。只要求出液壓缸的上、下支承座A、B的坐標(biāo)位置，就能確定液壓缸的最大工作力臂及所產(chǎn)生的推力矩。由于貨箱底部空間結(jié)構(gòu)的關(guān)系，B點距車架上平面高為260 mm，則H=180 mm。

根據(jù)(6)、(7)、(8)三式得：

由(10)式得：

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則

可見，液壓缸的上支承座B點坐標(biāo)位置為（1068.3，180）。

則液壓缸的下支承座A坐標(biāo)為（1078.8，－99.8）。

至此，理論上確定了該直推式輕型自卸車中置液壓缸的安裝位置。

根據(jù)前面的公式(11)，則液壓缸在初始工作狀態(tài)時其最大工作力臂為：

在自卸車舉升的初始階段，由于各鉸支點靜摩擦力較大，為避免液壓系統(tǒng)在起始舉升時沖擊力過大。依據(jù)文獻[1]，要求第一節(jié)油缸伸出時，其產(chǎn)生的舉升力矩與重力矩之比的系數(shù)取3～4。

如果不考慮各運動副的摩擦阻力，則在初始位置時液壓缸所產(chǎn)生的推力為：

下面求液壓缸在額定的工作壓力下，所能產(chǎn)生的推力，取液壓系統(tǒng)的效率η0=0.85，液壓系統(tǒng)的額定工作壓力p=16 MPa，舉升

機構(gòu)的系統(tǒng)效率為η1=0.85，液壓缸的首節(jié)缸徑為150 mm。

則第一節(jié)油缸伸出時其產(chǎn)生的舉升力矩與重力矩之比為：

可見按力臂最大原理及公式求得的系數(shù)n滿足文獻[1]的要求。

在原先的直推式自卸車舉升機構(gòu)設(shè)計中，液壓缸的下支承座A點坐標(biāo)確定為（1045，-70.5）；液壓缸的上支承座B點坐標(biāo)確定為（1170，180）。貨箱翻轉(zhuǎn)軸位置、液壓缸工作行程、貨箱的最大翻轉(zhuǎn)角等均相同，則算出液壓缸在初始位置時，其工作力臂h=935.2 mm，可求出n=2.9，不滿足文獻[1]的要求。

同樣可以算出第二、三節(jié)油缸伸出時其產(chǎn)生的舉升力矩與重力矩之比的系數(shù)。

5 結(jié)語

根據(jù)前面的論述和實例分析，對于直推式舉升機構(gòu)的自卸車，可總結(jié)為以下幾個方面：

a. 直推式自卸車舉升機構(gòu)主要采用單作用、多節(jié)液壓缸直接推動貨箱實現(xiàn)其傾翻，這種形式結(jié)構(gòu)簡單、成本低、生產(chǎn)工藝簡單、便于維修等特點。但由于多節(jié)液壓缸，因每一節(jié)缸的缸徑不同，當(dāng)液壓油以一定的油壓從某一缸進入另一缸時，液壓缸活塞的直徑產(chǎn)生突變，則液壓缸活塞伸長的速度、液壓缸的擺動角速度、擺動角加速度將隨之發(fā)生突變。同樣，由于液壓缸活塞伸長的速度發(fā)生突變，則貨箱的傾翻運動角速度、角加速度也隨之發(fā)生突變，這會導(dǎo)致貨箱在被舉升時發(fā)生抖動，液壓系統(tǒng)的油壓產(chǎn)生波動現(xiàn)象。貨箱在回落時主要依靠貨箱的自重回位，末節(jié)缸因缸徑小則貨箱回落快，但到初節(jié)缸時因缸徑較大，貨箱回落緩慢，整個回落過程中貨箱有抖動現(xiàn)象。這是單作用多節(jié)液壓缸直推式舉升機構(gòu)的主要缺點。

b. 本文推導(dǎo)出的液壓缸最大工作力臂的原理及有關(guān)公式，是直推式自卸車液壓缸布置的最優(yōu)方案，因此不僅對直推式自卸車舉升機構(gòu)設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義，同樣對類似于該機構(gòu)如液壓缸前置直頂式自卸車的舉升機構(gòu)的設(shè)計等也有一定的參考價值。

c. 本文舉例為單缸，其缺點是舉升過程中整個機構(gòu)的橫向穩(wěn)定性差，可采用雙舉升液壓缸，確保舉升機構(gòu)的穩(wěn)定性，這樣液壓缸的缸徑可選小一些。但在生產(chǎn)過程中要考慮到液壓缸上支承座、下支承座的同軸度和雙缸工作時的同步等問題。

d. 直接式舉升機構(gòu)各機構(gòu)的受力分析比較簡單，便于機構(gòu)的強度設(shè)計。

本文雖以某輕型自卸車為例進行討論，其直推式舉升機構(gòu)及液壓系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)簡單，因此具有廣泛的適用性，同樣適用于中型、重型等自卸車。

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