一種整體自裝卸車的設計

張太林 齊蘭 李成 陳勇

遼寧陸平機器股份有限公司 遼寧鐵嶺 112001

1 前言

整體自裝卸車是一種集裝卸、運輸、集裝化存儲為一體的運載車輛，主要分為順裝式和側裝式兩種形式，能夠實現多艙一車的配置，極大節省運輸車資源。整體自裝卸車機動、靈活，能在丘陵、山地等復雜地形上快速機動；輔助隨車自裝卸系統，能在較短時間內完成方艙、集裝箱、整裝物資或托盤化裝備的自裝卸作業。

筆者設計的一種整體自裝卸車，采用順裝伸縮臂結構，能夠滿足額定質量5 600 kg的裝載需要，可裝卸4 m方艙或集裝箱，裝載托盤的長度不小于4 100 mm。當裝卸物存放平面低于車輛停放平面時，能夠正常裝卸作業；車輛在側坡作業、縱坡作業，或車輛縱向與裝卸物資縱向存在夾角時，能夠實現裝卸物資與自裝卸車的導正、對中，完成不對正情況下的裝卸作業。

2 自裝卸車設計

順裝伸縮臂整體自裝卸車，采用新一代某品牌中型高機動性通用戰術車輛（6×6）作為載體，上裝自裝卸機構、液壓系統、電控系統、后視系統等，可自行裝卸4 m方艙、集裝箱、托盤化整裝物資，自裝卸車組成見圖1。

2.1 自裝卸機構設計

自裝卸機構是整體自裝卸車的核心部件，采用順裝伸縮臂式結構，主要由副車架、舉升臂、舉升臂油缸、吊鉤臂、吊鉤臂油缸、導向裝置及限位裝置等組成。副車架縱梁與汽車底盤縱梁固定為一個剛性整體；舉升臂下端鉸接在副車架中后部橫梁上；舉升臂油缸沿副車架縱向中心線進行對稱布置，下端鉸接在副車架前部橫梁上，上端鉸接在舉升臂中部兩側。吊鉤臂套裝在舉升臂內，在吊鉤臂油缸的作用下，沿舉升臂內腔做往復運動；吊鉤臂油缸一端鉸接在滑動臂端部，一端鉸接在舉升臂內腔下端。自裝卸機構效果見圖2。

圖1 順裝整體式伸縮臂自裝卸車

圖2 自裝卸機構效果圖

整體自裝卸車需具備額定提升5 600 kg重物的能力，故采用ADAMS軟件，仿真裝載、卸載的全過程和動態受力曲線，合理設計裝卸運動軌跡，分析自裝卸系統最大受力，自裝卸機構動力學分析如圖3所示。

設計過程中，采用Abaqus軟件進行有限元分析和強度校核，有限元單元類型為實體四面體單元。許用應力[σ]=σs/n，σs為材料的屈服強度，σmax為最大計算應力，不同工況下，最大計算應力由受力分析軟件自動運算得出。σmax<[σ]時強度滿足要求，反之則不滿足要求。考慮零部件的重要程度、載荷計算及強度極限等因素，取安全系數n=2。HG60材質，屈服強度460 MPa，則許用應力為230 MPa；HG70材質，屈服強度590 MPa，則許用應力為295 MPa；45#鋼，屈服強度360 MPa，則許用應力為180 MPa；鋼質材料彈性模量206 MPa，泊松比為0.3，密度7 8 50 kg/m3。

圖3 自裝卸機構動力學分析

2.1.1 基本參數確定

設計時，先確定自裝卸機構長度和高度，自裝卸機構長度是指吊鉤鉤心到直滾輪軸線的水平距離，自裝卸機構高度是指吊鉤頂端到副車架下平面的垂直距離。

通過總體布置，壓縮吊鉤臂前端液壓油箱和電控箱等結構件的尺寸；滾輪設置在副車架后橫梁上方，后橫梁與底盤縱梁后端面平齊，此處支撐位置最佳。在不改變底盤車架尺寸、保持底盤原有性能的前提下，確定自裝卸機構長度尺寸為4 016 mm，尺寸示意見圖4（a）。

自裝卸機構吊鉤中心距托盤導軌承載面的距離1 570 mm，在運輸空托盤狀態下，整車總高不超過3 100 mm，裝卸時確保自裝卸機構任何部位不與托盤發生干涉，吊鉤臂自身高度滿足極限條件下的作業需求，充分利用底盤前、中、后橋彈性元件的剛度特性值差異（即各橋中心處車架上表面離地高度的不同），確定自裝卸機構高度為1 917 mm。自裝卸機構與底盤組裝后，在運載空托盤狀態下，吊鉤最高外沿距地3 085 mm，尺寸示意見圖4（b）。

圖4 自裝卸結構尺寸

2.1.2 副車架結構

副車架是自裝卸機構的安裝平臺，是上裝貨物的承載平臺，承載和固定方艙、集裝箱和托盤化整裝物資。副車架主要由左、右縱梁、各橫梁、舉升臂鉸支座、舉升臂油缸前鉸支座、托盤支承座（滾動支承座、滑動支承座）、托盤鎖止鉤、連接板等組成。為充分利用底盤自身的剛強度，滿足額定質量5 600 kg的裝載需要，副車架縱梁與汽車底盤縱梁采用剛性接觸結構，通過連接板和螺栓固定為一個剛性整體，此種連接方式，有利于在自裝卸過程中，利用底盤車架自身的剛強度提高副車架的剛強度，利于副車架的結構優化和輕量化。副車架結構見圖5。

圖5 副車架結構圖

副車架各主要梁構件采用6 mm厚HG60優質高強度結構鋼冷彎成形，再組焊成一體。外形尺寸（長×寬×高）為4 750 mm×1 610 mm×303 mm。左、右縱梁截面采用Z字型結構，保證上裝寬度空間滿足裝卸機構的布置要求。經計算，副車架最大計算應力為207.4 MPa，小于許用應力230 MPa，強度滿足要求。副車架有限元分析見圖6。

圖6 副車架有限元分析

2.1.3 舉升臂和吊鉤臂

舉升臂長度和翻轉軸位置、吊鉤臂伸縮行程，是設計自裝卸機構時重點考慮的參數。裝卸時，前橋車輪不能離地，后橋不能超載；吊鉤臂伸縮行程要保證托盤裝載到位，與舉升臂預留適宜的重合長度；吊鉤中心的運動軌跡盡可能低，以減小托盤的裝卸角，托盤與自裝卸車尾部不發生干涉；舉升臂油缸的作用力臂盡量大，工作行程盡量小。

按上述設計要求和作業工況，確定舉升臂長度為1 665 mm，吊鉤臂與舉升臂重合長度為470 mm，吊鉤臂最大行程為850 mm，吊鉤臂油缸閉合長度為1 310 mm。舉升臂油缸閉合長度為1 900 mm，最大行程為1 380 mm。裝卸作業時，舉升臂最大擺動角度可達141°，在裝卸物存放平面低于自裝卸車停放平面時，可進行正常裝卸作業。舉升臂和吊鉤臂工作狀態見圖7。

圖7 舉升臂和吊鉤臂工作狀態

舉升臂橫截面設計成箱形結構，采用6 mm厚HG70優質高強度結構鋼冷彎成形，再組焊成一體，局部進行加強。舉升臂后端為鉸接軸套，通過翻轉軸與副車架舉升臂鉸支座相聯；中部為油缸后鉸支座；內腔設有吊鉤臂油缸鉸接軸套，用于吊鉤臂油缸的鉸接固定。經有限元分析和計算，舉升臂最大計算應力為156 MPa，小于許用應力295 MPa，強度滿足要求。舉升臂有限元分析見圖8（a）～（c）。

吊鉤臂整體為L型，水平部分設計成等截面箱形結構，垂直部分設計成上小下大的變截面箱形結構，采用6 mm厚HG70優質高強度結構鋼冷彎成形，再組焊成一體，局部進行加強。吊鉤臂下部設油缸前鉸接軸套，頂端設置吊鉤，吊鉤選用45#鋼，調質處理。吊鉤設計時，保證托盤吊環在吊鉤內運動平穩，減小運動沖擊，避免產生脫鉤現象，兼顧掛鉤、摘鉤方便性，對吊鉤頭部形狀進行優化，在保證吊鉤強度的基礎上，通過改變導向段曲率半徑，合理設計吊鉤線形，外曲面和內曲面均采用二次曲面。裝卸時吊鉤狀態見圖9。

經有限元分析和計算，吊鉤臂最大計算應力為251.3 MPa，小于許用應力295 MPa，強度滿足要求；吊鉤最大計算應力為94.97 MPa，小于許用應力180 MPa，強度滿足要求；吊鉤臂有限元分析見圖8（a）、（b）、（d）、（e）。

2.1.4 導向裝置和后橫梁

圖8 舉升臂和吊鉤臂有限元分析

圖9 裝卸作業時吊鉤狀態

導向裝置是自裝卸車裝卸作業的專用導向機構，設置在副車架后橫梁上兩側，包括一對水平滾輪和一對斜滾輪。托盤導軌與水平滾輪接觸，有效減小裝卸過程中的摩擦阻力，降低系統工作壓力，同時延長托盤導軌的使用壽命。根據托盤導向角度和結構空間要求，斜滾輪傾角設計為24°，當車輛在側坡上作業，或車輛縱向與托盤縱向存在夾角，依靠斜滾輪的斜度使托盤產生側向力，使托盤與自裝卸車導正、對中；同時，利用高度的變化，限制托盤導軌脫離水平滾輪。導向裝置和后橫梁結構見圖10。

圖10 導向裝置和后橫梁

滾輪均選用45#鋼，調質處理。后橫梁采用6 mm厚HG60優質高強度結構鋼冷彎成形，再組焊成一體。經有限元分析和計算，滾輪最大計算應力為95.59 MPa，小于許用應力180 MPa，強度滿足要求；后橫梁最大計算應力為191.1 MPa，小于許用應力230 MPa，強度滿足要求；導向裝置和后橫梁有限元分析見圖11。

圖11 導向裝置和后橫梁有限元分析

2.1.5 限位裝置

限位裝置是自裝卸車中固定和限位托盤的主要部件，設計成五點限位結構，采用吊鉤和左右兩側鎖止鉤三點限位，在托盤導軌前端設置兩個限位錐銷，提高裝卸過程和越野行駛時的可靠性和安全性。限位裝置結構見圖12。

圖12 限位裝置

2.2 液壓系統設計

整體自裝卸車裝卸方艙、集裝箱、托盤化整裝物資時，自裝卸機構采用全液壓驅動形式。利用汽車底盤的動力，通過加裝取力器，帶動液壓泵運轉，輸出具有壓力能的液壓油分別進入不同的系統回路中，其方向、壓力、流量被控制元件調控后，經管路傳輸到各執行元件中，實現各機構的動作。液壓系統包含2個基本回路，即舉升臂回路和吊鉤臂回路，主要由斜軸式軸向柱塞泵、負載敏感比例多路閥、平衡釋放閥、雙向平衡閥、行程控制閥、防爆閥、手動泵、舉升臂油缸、吊鉤臂油缸、液壓管路及附件等組成，液壓系統原理見圖13。

經計算，確定液壓系統的主要參數如下，系統工作壓力為27 MPa，系統流量為56 L/min，泵工作轉速為1 300 r/min。液壓系統采用電控操作和手動操作兩種操作方式。

2.3 電控系統設計

電控系統采用PLC控制系統，控制器將采集的輸入信號和反饋信號，經過數據處理，輸出控制信號，實現裝、卸動作的“一鍵式”操作和有序動作；實現油缸伸、縮速度的無級調節；檢測和指示各類故障信息，避免出現危險狀態。

電控系統采用底盤電源供電，主要由PLC控制器、電控操作裝置、接近傳感器、濾油傳感器、比例電磁閥、指示燈等組成，原理框圖見圖14。

PLC控制器選用專門為行走機械控制而設計的C101-A可編程控制器，該控制器電磁兼容性好，功能強且可寬溫使用，抗沖擊，適合車載工況。C101-A控制器采用SmartPLC嵌入式操作系統和OpenPCS開發軟件，完全兼容國際PLC標準的IEC61131-3，界面友好且編程靈活。C101-A控制器集成在電控箱內，安裝在駕駛室后左側，其安裝位置見圖15。

圖13 液壓系統原理圖

圖14 電控系統原理框圖

電控系統設置了駕駛室內操作和駕駛室外有線遙控器操作兩種方式，通過操作電控手柄實現“一鍵式”裝、卸動作。系統中設置6組傳感器，輸出信號均傳給PLC控制器，傳感器的布局見圖16，1、2位設置濾油傳感器，用于判斷液壓系統中回油和高壓濾油器是否堵塞；3、4位和5、6位設置接近傳感器，用于檢測各動作機構的位置狀態，其中，3、4位用于檢測吊鉤臂裝卸是否到位，5、6位用于檢測舉升臂裝卸是否到位。

圖16 傳感器布局

圖17 視頻主機

2.4 后視系統設計

人員在駕駛室內操作時，無法從后視鏡觀察尾部裝卸作業情況，存在作業危險。為了提高安全性和可操作性，加裝了后視系統，見圖17。

后視系統的7″視頻主機安裝在儀表盤上方（靠近駕駛員座位），共配置三個攝像頭：第一個位于車輛尾部中間，用于倒車影像觀察；第二個位于車輛尾部左側，用于在側面觀察吊鉤臂、舉升臂的運動情況；第三個位于駕駛室頂部，用于俯視觀察整個吊裝過程。影像既可單屏顯示，也可同時多屏顯示。

后視系統預留通信接口，采用CAN總線通信方式，通過與PLC通信，實現裝卸信息顯示和語音提醒功能。系統配置測距探頭，可探測、顯示本車與待裝卸物之間的距離。

3 基本性能試驗

研制樣車產成后，進行了機、電、液系統的運行調試，保證自裝卸機構工作動作準確、安全和可靠。調試過程按空轉、空載、負載裝卸幾個階段分別進行。調試后，進行了質量和尺寸參數測量、裝卸時間測試和短途行駛試驗。為驗證性能指標，進行了應力測試，測試各種作業工況下，舉升臂、吊鉤臂、吊鉤、副車架等主要結構件在各種作業工況的最大應力；進行了液壓系統參數測試，包括液壓系統的壓力、流量和溫度，液壓系統測試見圖18。測試數據與設計方案計算結果基本吻合。

圖18 液壓系統測試

針對通用托盤、罐體托盤等裝載工況，進行了極限作業能力測試；裝卸物存放平面低于車輛停放平面裝卸作業，高度大于400 mm；裝卸物與車輛縱向夾角作業，夾角大于10°；側坡作業，坡度大于10%；縱坡作業，坡度大于20%；各裝載工況和極限作業工況下，均可進行正常裝卸作業。按標準的要求，在專用試驗場進行了長途行駛、循環作業可靠性、高低溫等性能試驗，結果各項性能指標均滿足設計要求。

4 結語

本文分析了基于某中型高機動性底盤的順裝伸縮臂整體自裝卸車的功能，詳細介紹了自裝卸車的設計，進行作業工況的運動分析，對自裝卸機構的主要結構進行了有限元分析和校核。樣車產成后，進行了各項基本性能試驗，驗證了理論計算的準確性、設計方案的合理性和可行性。

該自裝卸車已研制成功，機、電、液系統動作安全、穩定、可靠，滿足使用要求，為同類產品的設計積累了經驗。隨著第三代中型高機動性戰術車輛的廣泛應用，該自裝卸車應用范圍也將越來越大。