車廂可卸式運輸車提升能力與結構形式匹配分析

鄭德璽，韓翔，李根文

（1.徐州徐工隨車起重機有限公司，江蘇 徐州221004；2.江蘇安全技術職業學院，江蘇 徐州221011）

0 引言

車廂可卸式運輸車作為一種運輸車輛，主要用于各類散裝物料或垃圾的轉運[1]。這種運輸車輛因為車廂快速裝卸的特點，可以一車配置多個車廂聯合使用，這種配置不但減少貨物往車廂里裝卸時運輸車的等待時間，而且車廂可以直接放在地面上，可以更靈活和便捷地裝卸貨物，大大提高了運輸車的利用率和工作效率。隨著用戶對這一新型運輸車的認識，逐步在環衛、軍事、市政、救援、建筑等領域推廣應用[2]。圖1所示為徐工集團生產的一種車廂可卸式運輸車。

1 主要工作裝置分析

車廂可卸式運輸車的主要工作裝置是安裝在卡車底盤上的拉臂式自裝卸裝置，拉臂式自裝卸裝置主要通過拉臂的旋轉完成車廂的裝載與卸載[3]。在裝載過程中，拉臂頂端的吊鉤一直提拉車廂一端掛鉤，在提升過程中逐步使車廂傾斜角度增加，而車廂在離開地面前車廂尾部滾輪支撐在地面上，在車廂離開地面后車廂底部的縱梁支撐在拉臂式自裝卸裝置尾部的滾輪上，隨著提升高度的進一步增加，車廂傾斜角度再逐漸減小，最終車廂到達水平狀態，縱梁全部支撐在拉臂式自裝卸裝置上的支撐滾輪上。在卸載過程中與上述過程相反，不再贅述。

圖1 車廂可卸式運輸車

通過分析可知，拉臂式自裝卸裝置在裝載與卸載車廂時，因總有車廂尾部滾輪或拉臂式自裝卸裝置上的支撐滾輪能對車廂起到很大的支撐作用。而同樣車廂被起重機起吊時，起重機必須完全克服車廂自重使車廂離開其他支撐，所以拉臂頂端的吊鉤的提拉力，與起重機起吊車廂時起重機吊鉤提拉力相比要小得多。綜上分析，拉臂式自裝卸裝置比一般的起重機有更高的起重比重量系數和單位力矩自重系數，所以這是一種更為經濟的起重設備，不但能節能降耗，還能提質增效，符合綠色制造的發展方向[4]。

2 結構形式及其特點

為了更好地研究拉臂式自裝卸裝置工作原理和合理的設計相應結構，本文將通過不同結構形式拉臂式自裝卸裝置的提升能力分析，從而找出其受力特點與應用范圍。按照國家汽車行業標準QC/T 848-2011《拉臂式自裝卸裝置》的分類，拉臂式自裝卸裝置按結構形式共有4種:基本型（J）、擺動型（B）、滑移型（H）和復合型（F）[5]。

基本型拉臂式自裝卸裝置主要特點是拉臂與舉升臂固定為一體，整體僅能以中軸旋轉，具體如圖2所示。這種結構最為簡單，制造最容易，成本也最低，動作與操作也最簡單，工作時只需舉升臂體轉動即可使用吊鉤裝載與卸載車廂。

擺動型拉臂式自裝卸裝置主要特點是拉臂能夠繞舉升臂上的前鉸點軸擺動，并且能夠隨舉升臂一起以中軸旋轉，具體如圖3所示。這種結構相對簡單，制造較為容易，工作時需要先操縱拉臂向后擺動一定角度，再操縱舉升臂體轉動才可使用吊鉤裝載與卸載車廂。

圖2 基本型（J）拉臂式自裝卸裝置

滑移型拉臂式自裝卸裝置主要特點是拉鉤臂能夠沿著舉升臂前后滑動，并且能夠隨舉升臂一起以中軸旋轉，具體如圖4所示。這種結構也相對簡單，但是需要保證舉升臂和拉臂有較長的滑動配合結構，需要較高制造精度，成本也較高，工作時需要先操縱拉臂向后滑動一定長度，再操縱舉升臂體轉動才可使用吊鉤裝載與卸載車廂。

復合型拉臂式自裝卸裝置主要特點是拉臂既能夠前后滑動，又能夠繞前鉸點軸擺動，并且能夠隨舉升臂一起繞中軸旋轉，具體如圖5所示。這種結構需要在舉升臂中嵌套一段滑動臂，拉臂與滑動臂前鉸點軸鉸鏈，復合型（F）因為需要多個動作復合作業，在4種結構形式中對設計制造精度要求最高，成本也最高，工作時需要先操縱拉鉤臂向后滑動一定長度和擺動一定角度，再操縱舉升臂體轉動，才可使用吊鉤裝載與卸載車廂。

圖3 擺動型（B）拉臂式自裝卸裝置

圖4 滑移型（H）拉臂式自裝卸裝置

圖5 復合型（F）拉臂式自裝卸裝置

3 不同結構裝置提升能力分析

3.1 分析工況介紹

車廂可卸式運輸車在裝載與卸載滿載的車廂時是拉臂式自裝卸裝置受力最大，工況最復雜的過程，考慮到車廂自身重力的影響，在裝載過程中比卸載過程中受力更大，所以對裝載過程進行分析[6]。根據支撐要素的變化和受力條件的不同，把裝載過程分為車廂尾部滾輪支撐在地面與離開地面兩個階段分別分析。第一階段即車廂前部被吊鉤提拉脫離地面，但尾部滾輪還支撐在地面上，工況受力示意圖如圖6所示。第二階段即車廂完全離開地面后車廂底部的縱梁支撐在拉臂式自裝卸裝置尾部的滾輪上，工況受力示意圖如圖7所示。

圖6 車廂尾部滾輪支撐在地面工況

圖7 車廂完全離開地面后工況

分別如圖6、圖7建立直角坐標系，以垂直地面向上作為Y軸正向，以沿著地面向運輸車尾部為X軸正向。圖中A代表舉升油缸與車架的鉸點，B代表舉升臂與車架的鉸點（即舉升臂旋轉中軸），C代表地面對車廂尾部滾輪的支撐點，D代表舉升油缸與舉升臂的鉸點，O代表拉臂尾部的鉸點，E代表車廂掛鉤與拉臂吊鉤接觸點，G代表車廂重心，H代表拉臂式自裝卸裝置尾部的滾輪對車廂縱梁的支撐點，圖中E為基本型拉臂式自裝卸裝置拉臂吊鉤工作位置，擺動型即E點以O為鉸點轉動到EB，滑移型即E點隨O點滑動而移動到EH，復合型中E點則會綜合轉動和移動到達EF。同時φ代表舉升油缸與X軸所成的夾角，β為車廂縱梁與X軸所成的夾角。

從工況受力圖中可以看出，在舉升臂到達同等位置時，不同結構形式拉臂式自裝卸裝置主要區別是工作時拉臂吊鉤工作位置的不同，從E點到EB、EH、EF時，坐標值依次成規律變化，現分析E點坐標值變化對受力情況的影響。

3.2 車廂尾部滾輪支撐在地面工況分析

假定拉臂式自裝卸裝置在裝載車廂時都是勻速提升，車廂尾部滾輪支撐在地面工況，由車廂在C點力與力矩的平衡條件可以得到：

式中：xC與yC分別代表C點的X軸與Y軸坐標（下同）；Fx為拉臂吊鉤提升力水平分量；Fy為拉臂吊鉤提升力豎直分量；Ft為地面對車廂滾輪的水平摩擦力；Fn為地面對車廂滾輪的豎直支撐力；μ1為車廂與地面的摩擦因數，一般為0.05～0.15的定常數。

如圖提升階段，拉臂EODB均以B為鉸點轉動。拉臂提升力為F提，拉臂吊鉤提升力與車廂對吊鉤的反作用力的大小相等方向相反，根據B點處力矩平衡條件可以得到：

從E點到EB、EH、EF時，yE和xE均減小，式（7）分母中算式[(xC-xE)+μ(yE-yI)]，因摩擦因數遠小于1主要看(xC-xE)受E點坐標值變小而增大，另一算式[cos φ（yD-yB）-sin φ（xDxB）]則不會受E點位置的影響，分子中算式因摩擦系數遠小于1主要看(xE-xB)受E點坐標值變小而變小。所以可知在同等條件下，按圖6所示從E點到EB、EH、EF時，坐標值依次變得更小，舉升油缸所需的拉力也更小，整個作業裝置的受力情況也更好。

3.3 車廂完全離開地面后工況分析

對于車廂被吊起脫離地面后，底部縱梁靠上后支撐滾輪但E點還沒轉到B點正上方時的情況，由拉臂式自裝卸裝置尾部的滾輪對車廂縱梁的支撐點H處的平衡條件可以得到：

式中：Ft為尾部滾輪對車廂縱梁的摩擦力；Fn為尾部滾輪對車廂縱梁的支撐力；μ2為車廂與尾部滾輪的摩擦因數，一般為0.05～0.10的定常數。

如圖7提升階段，拉臂EODB均以B為鉸點轉動。拉臂提升力為F提，根據B點處力矩平衡條件可以得到：

在任一確定位置下，滾輪對車廂縱梁的支撐點H都是確定點，所以上式中代表相應點之間長度的LH、LE為常數。

把式（8）、式（9）、式（10）、式（12）代入式（11）可得

從E點到EB、EH、EF時，依據式（13）分母中算式不受E點坐標值影響，但會因為yE的大幅度減小和xE的小幅度增加，使分子中(yE-yB)、(xB-xE)項變小，因為在此過程中，E點在B點上方附近，E點與B點X軸坐標接近，差值接近于0，雖然此項會因為E點變化略微增加，但是因為(xE-xB)過小，此項及其乘積可以忽略不計，所以分子整體變小。綜上可知，在同等條件下，從E點到EB、EH、EF時，舉升油缸所需的拉力也逐步變小，整個作業裝置的受力情況也更好。

當隨著拉臂的繼續轉動提升車廂往前移動，當E點已經轉到B點正上方偏左的時候，式（11）可變為

與式（11）相比，很容易看出此時油缸需提供的提升力驟減，甚至會有提升力變成舉升力，在裝載過程中此階段不是受力的關鍵點，不再分析此種情況。

3.4 提升能力分析

通過不同結構形式拉臂式自裝卸裝置在兩個提升階段的受力情況可以發現，從基本型到擺動型、滑移型、復合型受力情況逐步變優。由E點運動軌跡可以看出，擺動型、滑移型、復合型3種結構在同等條件下均可使作業高度降低，相對基本型作業時拉臂的作業空間明顯減小，作業更加方便靈活。特別對于重載作業時，由于重心軌跡明顯變矮，可以使作業裝置做功減少，能量消耗也更少，同時因為作業過程中重心較低，在車廂裝載與卸載過程中運輸車的穩定性也較好，上述優勢從擺動型到滑移型和復合型依次增強。

4 結語

通過對不同結構形式拉臂式自裝卸裝置提升能力的分析，擺動型、滑移型和復合型拉臂式自裝卸裝置受力狀況要依次更加優于基本型，其提升能力也依次更大，提升角度與翻轉半徑依次更小，從而作業更加安全，做功更少，也依次更加適合更大噸位和更長尺寸的車廂可卸式運輸車。

通過結構形式特點和提升能力的分析，基本型結構有結構簡單、作業動作較少、操作簡單、故障點少等優點，所以在小噸位的車廂可卸式運輸車中可以采用這種結構，即使在中等噸位的車廂可卸式運輸車中通過加強作業裝置強度和油缸能力等方法也可以采用這種結構，但提升噸位不易超過8 t。中等噸位的車廂可卸式運輸車應更多地選用滑移型和擺動型結構形式進行設計制造，在提升噸位不超過20 t的情況下，這兩種結構形式均適用，在要求故障點少、安裝和維修方便、自身質量較輕的情況時優先選擇擺動型結構。對于要求提升能力大于20 t及超長車廂尺寸或作業凈空高度較矮等情況時，則應選用復合型結構進行設計制造。