基于車載方艙的手動式輕便雙軌行車的研究

張瑜

（新興重工湖北三六一一機械有限公司，湖北襄陽441002）

0 引言

車載艙體內物品受空間局限和行駛過程顛簸的影響，無法采用普通吊具和液壓鏟車吊裝與搬運，現需要一種新型手動式輕便雙軌行車，實現在野外條件下車載艙體內以及艙內與艙外地面的吊裝。本文從人工操作角度出發，面向行車行走機構和移動吊葫蘆優化與選型，設計了一款應用于車載艙體內的手動式輕便雙軌行車，通過驗算和應力分析，驗證了強度，完成樣機試制，獲得了預期效果。

1 總體構思與建模

該設備由橫向行走機構、縱向行走機構和移動吊葫蘆構成。圖1為行車總體結構直角坐標系，t1、t2為橫向行走機構（T）的主動導軌、從動導軌，d為縱向行走機構（D）的縱向導軌。T形連接板h連接導輪對a1、a2與縱向導軌d為一體，攜帶移動吊葫蘆一起向T方向移動，移動吊葫蘆沿縱向導軌d可向D方向移動，同時可完成H方向吊裝。整體建模如圖2所示。

2 行走機構設計

圖1 幾何模型

采用雙導軌導輪行走原理，設計橫向行走機構和縱向行走機構，通過主動導軌運動副、與主導軌運動副配合的從動導軌運動副和縱向導軌運動副實現橫向行走T向和縱向行走D向移動，行走機構結構、橫向雙向導輪對a1、a2和縱向雙導軌導輪c如圖3所示。

2.1 橫向行走機構設計與選型

圖2 手動式輕便行車建模圖

圖3 行走機構

如圖3所示，主動行走機構和與其配合的從動行走機構組成橫向行走機構；選用內腔為斜面的異形型材作為主動行走機構的主動導軌t1（如圖4），小圓錐導輪對為主動導輪對，主動導軌與主動導輪小圓錐外圓的接觸面為內腔斜面，形成主動導軌運動副；選用內腔為平面的方形型材作為從動行走機構的從動導軌t2（如圖4），圓柱導輪對為從動導輪對，從動導軌與從動導輪圓柱外圓的接觸面為內腔平面，形成與主動導軌運動副相應配合的從動導軌運動副；小圓錐主動導輪對、圓柱從動導輪對由T形連接板h與縱向導軌d相連；導軌兩端設帶型腔的（15 mm）固定板，通過GB/T5782螺栓M16×60，8.8級的緊固件組與方艙縱梁固定連接；主動導軌、從動導軌材質為Q235B，小圓錐導輪、圓柱導輪材質為QT500-250。

圖4 主從動導軌

2.2 縱向行走機構設計與選型

考慮移動吊葫蘆行走可靠，選用工字鋼為縱向導軌d（如圖5），大圓錐導輪對為縱向導輪對，縱向導軌與大圓錐導輪的接觸面為工字鋼兩側導槽斜面，形成縱向導軌運動副，如圖6所示；設在吊葫蘆體外側三對大圓錐導輪對，便于吊葫蘆移動到縱向導軌最外端，可增大工作行程；為了方便操作，在縱向導軌靠近主動導軌部件上方設環形扶手；縱向導軌d為8號工字鋼，Q235B材質，大圓錐導輪材料為QT500-250。

圖5 工字鋼

圖6 縱向行走機構

2.3 行走機構連接與鎖緊設計

圖7 橫向行走機構與縱向導軌連接示意圖

圖8 移動吊葫蘆與縱向導軌連接示意圖

橫向行走機構與縱向導軌連接結構如圖7所示，小圓錐主動導輪對、圓柱從動導輪對分別經T形連接板與縱向導軌角焊連接，移動吊葫蘆經固定板與縱向導輪對連接。T形連接板厚度10 mm，材質Q235B，移動吊葫蘆固定板為型材鋼板，移動吊葫蘆與縱向導軌連接如圖8所示。

考慮橫向行走T方向鎖緊問題，在縱向導軌上裝有橫向鎖緊機構，橫向鎖緊機構與橫向主動導軌相對應，如圖7所示；因小圓錐主動導輪對對稱鑲入主動導軌內腔斜面異形槽內，當運用于車載方艙運輸過程中出現顛簸、轉彎時，導輪不會脫軌；扳動偏心鎖緊輪上的手柄即可鎖住縱向機構沿橫向行走T方向移動，為了提高安全可靠性，在偏心鎖緊輪外圓面處粘接耐磨橡膠，增加了偏心鎖緊輪外圓面與橫向主動導軌的摩擦因數，有效地解決了縱向機構在橫向方向移動鎖緊問題。

考慮縱向行走D方向鎖緊問題，在移動吊葫蘆殼體上設縱向鎖緊機構，與8號工字鋼縱向導軌相對應，如圖8所示；旋轉手輪即可將移動吊葫蘆鎖在縱向導軌上任意位置，頂桿與縱向導軌接觸面處粘接耐磨橡膠，增加了頂桿與縱向軌道的摩擦因數，從根本上解決了移動吊葫蘆在縱向方向移動鎖緊問題。

3 移動吊葫蘆設計與選型

移動吊葫蘆與縱向行走機構形為一體使用，結構與應用如圖10所示。起吊最大貨物為120 kg,選用φ8 mm鋼絲繩，卷筒直徑80 mm，升降搖柄力臂150 mm。

圖9 縱向鎖緊機構

圖10 移動吊葫蘆與應用

設鋼絲繩導輪，可以使被吊的物品伸出車載方艙外面，完成裝卸車動作；導軌裝在移動車廂或車載方艙上，在野外路況低速行駛過程中駐車對廂內及廂外被裝載設備及物品的吊裝與移動；可實現廂內移動、吊裝，廂外縱向尾部吊裝；吊裝與移動過程依靠手動操作實現；也可以擴充到艙船等移動及固定場合使用。

4 部分件校核及有限元分析

4.1 行走機構連接用M16×60螺栓剪切校核

已知起重量Q=120 kg，行車自重g=52 kg，其中縱向行走機構自重g1=30 kg；12個螺栓連接。

螺栓受剪切應力為

式中：F′A為螺栓受橫向載荷，N；d0為螺栓受剪直徑，mm；m為螺栓個數。考慮車載條件，由式（1）得τ=789 N＜［τ］。

4.2 主動導軌t1有限元分析

考慮1.5倍動載荷系數和1.2倍的安全系數，安全運行載荷（SWL）為120 kg×1.5×1.2=270 kg，取300 kg。

用SolidWorks Simulation Xpress軟件分析主動導軌t1靜態應力，夾具固定主動導軌兩端（15 mm）固定板，加載3000 N，取安全系數2倍，圖11表明，該導軌靜態應力、靜態位移處在安全范圍內。

圖11 主動導軌t1靜態應力位移圖

4.3 T形連接板b有限元分析

選用該連接板厚度10 mm，材質Q235B，考慮行車車載等因素，取作用在兩小圓錐主動導輪和圓柱導輪固定孔承受力約3000 N，夾具固定T形平面，SolidWorks Simulation Xpress靜態分析如圖20、圖21所示。

通過對連接用M16×60螺栓剪切校核、主動導軌t1、T形連接板b的有限元靜態分析后得出結論，設計部件處在安全范圍內。

圖12 T形連接板b靜態應力位移圖

5 應用情況與分析

設計的基于車載方艙的手動式雙軌行車通過樣機試制、型式試驗的驗證，各項指標達到了設計要求。樣機如圖13所示。

圖13 手動式行車圖

圖14 改進后主動導軌t1

試驗情況：1）手動式行車與方艙有機結合，由自裝卸作業車裝載完成自裝卸作業200次、道路行駛性能試驗、6000 km行駛可靠性試驗、240 kg載重強度試驗和用戶適應性試驗；2）在傾斜路面段駐車完成方艙內15個重80 kg貨物裝卸和方艙與地面吊裝，由人工操作實現橫向行走機構行走與鎖緊、縱向行走機構行走與鎖緊和移動吊葫蘆垂直吊裝，橫向運動副和縱向運動副行走正常，鎖緊動作可靠；3）在試驗過程中，發現主動導軌、從動導軌與方艙連接固定處有錯位現象，經局部整改，在原2個M16螺栓緊固基礎上，配制2個直徑10mm定位銷，防止在行駛過程中再次出現錯位移動異常現象。

需要進一步探討地方：1）球鐵導輪與碳鋼導軌摩擦副進一步分析，鎖緊裝置摩擦副的鎖緊力分析，當方艙傾斜狀態時對行走機構移動的影響程度探討；2）在行駛過程中方艙骨架變形因素對導軌固定影響，導軌安裝誤差對行車移動的影響；3）針對基于車載方艙的手動式行車的設計規范需要進一步明確與制定。

6 結 論

本課題研制的基于車載方艙的手動式輕便雙軌行車，解決了車載艙體內物品手動搬運與吊裝的難題，尤其適用于車載艙體在道路顛簸和從艙體內吊到艙外地平面上的情況。目前，該行車已批量運用于某裝備，批量服役于部隊。