一種集裝箱跨運車行走驅(qū)動液壓系統(tǒng)的設(shè)計

朱海天　 李紅勛　 李立順

軍事交通學(xué)院　 天津　 300161

一種集裝箱跨運車行走驅(qū)動液壓系統(tǒng)的設(shè)計

朱海天 李紅勛 李立順

軍事交通學(xué)院 天津 300161

1　前言

集裝箱跨運車，英文名straddle carrier，以芬蘭卡爾瑪公司（KALMAR）生產(chǎn)的跨運車最為著名（如圖1）。集裝箱跨運車一般用于中短途運輸集裝箱，其以門形車架跨在集裝箱上，由裝有集裝箱吊具的液壓升降系統(tǒng)吊起集裝箱，進(jìn)行搬運堆碼。同時，還可用集裝箱跨運車將集裝箱裝在集裝箱底盤車上或從底盤車上卸下。因此，它比集裝箱龍門起重機(jī)具有更大的機(jī)動性。集裝箱跨運車一般可將集裝箱堆碼二至三層高。由于其機(jī)動靈活、效率高、穩(wěn)定性好和輪壓低等特點，集裝箱跨運車在國外碼頭被廣泛使用，對于許多中型碼頭貨運站（貨運量大于30萬t，小于100萬t）而言，一個以集裝箱跨運車為基礎(chǔ)組建的貨物裝卸運輸系統(tǒng)是效率最高的選擇。近年來，我國軍工車企與科研院所也正在聯(lián)合開發(fā)集裝箱跨運車型。

圖1　卡爾瑪集裝箱跨運車

2　行走驅(qū)動系統(tǒng)的工作原理

集裝箱跨運車一般由行走驅(qū)動系統(tǒng)、車架、起升裝置、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)組成。行走驅(qū)動系統(tǒng)由發(fā)動機(jī)產(chǎn)生動力成為動力源，驅(qū)動變量泵，變量泵將發(fā)動機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為油液的液壓能，高壓油液通過行走回路直接驅(qū)動輪邊馬達(dá)，從而驅(qū)使集裝箱跨運車前行。其原理圖如圖2所示。

圖2　行走驅(qū)動系統(tǒng)液壓原理圖

3　行走驅(qū)動液壓系統(tǒng)設(shè)計

3.1設(shè)計要求

集裝箱跨運車的行走驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)能滿足設(shè)備最大負(fù)載的行走設(shè)計需求。設(shè)備相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1　集裝箱跨運車行走驅(qū)動系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

除此以外，在碼頭、堆場等集裝箱貨運場所，由于場地的特殊性，集裝箱跨運車的行走驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計與其他工程機(jī)械相比有著很大差別，其液壓部分的設(shè)計要求主要包括有：

a. 集裝箱跨運車液壓系統(tǒng)由前后車組的兩個獨立行走驅(qū)動回路構(gòu)成。每個車組均能獨立行走，但當(dāng)需要兩個車組整體工作時，則可采取雙動力單元協(xié)調(diào)控制的方式進(jìn)行驅(qū)動。

b. 液壓驅(qū)動系統(tǒng)既要滿足集裝箱跨運車最高運行速度≥5 km/h的要求，還必須滿足滿載時（最大載質(zhì)量為24 t）最大爬坡度≥6%。

c. 車組轉(zhuǎn)向時內(nèi)外側(cè)的驅(qū)動輪可實現(xiàn)差速行駛。

d. 可無級調(diào)速，重載低速，輕載高速。

3.2液壓馬達(dá)的確定[1]

根據(jù)上節(jié)要求，集裝箱跨運車最大爬坡度為6%，共采用四個驅(qū)動輪驅(qū)動。其行駛方程為：

式中，G為滿載時整車總質(zhì)量，G=40000kg；f為滾動摩擦系數(shù)，f=0.02；α為坡度角度，αmax=6°。

由此計算出每個驅(qū)動輪需要提供的最大驅(qū)動力為F=10kN，因此每個車輪提供的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為：

式中，r為車輪半徑，r=0.35m

根據(jù)同類產(chǎn)品設(shè)計經(jīng)驗，選定輪邊減速器與液壓馬達(dá)匹配的減速比為i=41.91，因此液壓馬達(dá)所需提供的轉(zhuǎn)矩應(yīng)為：

初步選定液壓馬達(dá)型號為SAUER DANFOSS生產(chǎn)的K-C-45DN型柱塞馬達(dá)，其低速擋排量為45ml/r，高速擋排量為17ml/r。大排量額定轉(zhuǎn)速3500r/min，小排量額定轉(zhuǎn)速4 500 r/min。馬達(dá)連續(xù)工作壓力17.5 MPa。

根據(jù)排量計算公式：

取理論排量V=45 ml/r，馬達(dá)機(jī)械效率η=0.8，計算可得液壓馬達(dá)工作壓力為：P=14.57 MPa。

因此，液壓馬達(dá)在理論排量下的工作壓力滿足設(shè)計要求，表明所選馬達(dá)型號合理。

3.3變量泵的確定

由上節(jié)可知，集裝箱跨運車滿載時的最高車速為：vmax=5 km/h，即vmax=1.39 m/s。

液壓馬達(dá)所需最高轉(zhuǎn)速為：

計算可得：n=1 588.94 r/min。

此時液壓馬達(dá)所需流量為：q=n·vmax=71.502 L/min。

每個車組的兩個驅(qū)動液壓馬達(dá)由一個液壓泵供油，因此滿載行駛時液壓泵所需要的供油量為：

式中，ηv為 容積效率，取ηv=0.9。

計算可得：Q=143 L/min。

集裝箱跨運車車組的發(fā)動機(jī)在工作時，其通過調(diào)速器設(shè)置的轉(zhuǎn)速為2 200 r/min，因此液壓泵排量為：V=Q/n=65 ml/r。

通過相關(guān)型號對比[2]，選取SAUER DANFOSS 生產(chǎn)的90R075-KP型軸向變量柱塞泵，變量泵的最大排量為75 ml/r。

按照所選液壓元件可知，當(dāng)集裝箱跨運車液壓馬達(dá)以全排量工作時，其對應(yīng)的最大速度為5.77 km/h，滿足最高速度不低于5 km/h的車速要求。而在小排量行走時，集裝箱跨運車最高速度為14 km/h。

3.4爬坡能力校核

集裝箱跨運車屬于低速行駛裝備，因此，其空氣阻力可以忽略不計。當(dāng)液壓馬達(dá)全排量持續(xù)工作時，其工作壓力保持在17.5 MPa不變，整車4個驅(qū)動輪的驅(qū)動力Ft=40 kN。

集裝箱跨運車動力特性如圖3所示，按照爬坡能力的粗略算法，當(dāng)其動力因數(shù)D=F/G=0.1，則爬坡能力為[3]：i=D－f=0.08=8%。

圖3　集裝箱跨運車動力特性圖

由以上分析可知，集裝箱跨運車滿載時可以克服坡度為6%的坡道，滿足設(shè)計指標(biāo)。相應(yīng)的前提是集裝箱跨運車四個驅(qū)動輪驅(qū)動力同時達(dá)到額定值，而四個馬達(dá)的工作壓力都能達(dá)到全排量時的持續(xù)工作壓力。

4　結(jié)論

本文介紹了某款集裝箱跨運車行走驅(qū)動液壓系統(tǒng)的工作原理及其設(shè)計。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，對相關(guān)部件進(jìn)行選型。經(jīng)過校核，所選部件滿足設(shè)計要求，能夠?qū)崿F(xiàn)集裝箱跨運車的正常工作。今后這種集裝箱跨運車將會越來越廣泛地應(yīng)用于碼頭、拆裝卸庫場、集裝箱中轉(zhuǎn)站和大型企業(yè)集裝箱庫場等場所，能為企業(yè)創(chuàng)造出更大的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]機(jī)械設(shè)計手冊編委會.機(jī)械設(shè)計手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005,4(23):50.

[2]陳幕忱,陸植.裝卸搬運車輛[M].北京:人民交通出版社,1998:25.

[3] 韋曉磊.負(fù)荷敏感節(jié)能技術(shù)在集裝箱跨運車上的應(yīng)用研究[J].港口裝卸,2014 (5):20-21.

Design of Hydraulic Driving System of A Container Straddle Carrier

ZHU Hai-tian et al

介紹了一種集裝箱跨運車行走驅(qū)動液壓系統(tǒng)的工作原理，根據(jù)其工作特點對液壓系統(tǒng)提出了設(shè)計要求和液壓元件的選型，并對液壓元件的安全性進(jìn)行了校核。校核結(jié)果表明，設(shè)計的液壓系統(tǒng)能夠滿足集裝箱跨運車安全高效工作的使用要求。

集裝箱跨運車 行走驅(qū)動液壓系統(tǒng) 設(shè)計

the principle of the container straddle carrier was introduced in this paper, by the working characteristics of device and design requirements of hydraulic driving system was put forward. Based on the requirements, choose and safety check the hydraulic elements. The result show that hydraulic driving system can satisfy the requirement of efficient transport.

container straddle carrier; hydraulic driving system; design

朱海天，男，1991年生，碩士研究生，現(xiàn)從事軍用特種車輛設(shè)計與仿真工作。

U635.92

A

1004-0226(2016)07-0094-03

2015-05-04