一種縱向伸縮集裝箱及其驅動裝置設計研究

趙柏程 潘庭發

摘 要：通過對常用幾種旋轉運動轉化為直線運動機構優缺點對比分析，確定了縱向伸縮集裝箱導軌滑塊導向+電機驅動齒輪旋轉帶動齒條傳動的基本形式，對驅動裝置關鍵零部件進行設計選型、理論計算，使用Visual Basic軟件編程開發了一個可視化界面實現了齒輪參數計算與公差查詢，并且通過實物投產試驗驗證實現集裝箱的縱向伸縮運動。

關鍵詞：集裝箱、伸縮、擴展、驅動裝置

1.引言

集裝箱具有足夠的強度，可以快速裝卸載，種類多容積大，運輸接口適應公路、鐵路和水路運輸，能長期反復使用，具有良好的經濟性，因此作為物流運輸載體廣泛應用于各個行業。由于各國地緣政治的不同及特定的利益導向，近年國外一些國家突破傳統觀念進行革新設計，研制并推出了非常規的、采用集裝箱運輸和FS的隱蔽DD系統—集裝箱式FS系統。為了拓展集裝箱在軍事上的應用范圍，設計了一種縱向伸縮集裝箱及其驅動裝置。

2.任務概述

一種縱向伸縮集裝箱應能自動收攏展開，收攏及展開到位后應能可靠鎖定，收攏后外形尺寸與標準45英尺集裝箱（長×寬×高：13716mm×2438mm×2896mm）相同，展開后長度為65英尺（19774mm）。

3.技術分析

該縱向伸縮集裝箱伸縮擴展行程為20英尺（6058mm），常用的旋轉運動轉換為直線運動執行裝置通常有齒輪齒條、絲桿螺母、曲柄滑塊、凸輪機構、鏈輪鏈條、液壓油缸等方式。

采用齒輪齒條傳動應用范圍較大，可適應于不同行程、不同載荷的場合，且安裝中心距可根據實際情況調整，結構簡單，可靠性高，成本低。

采用絲桿螺母裝置傳動，受力較大且行程長選用的絲桿直徑大，擴展艙與固定艙之間鉛垂方向安裝距大，成本高。

采用曲柄滑塊機構傳動，受力較大且行程長會導致機構本體尺寸較大，占用了集裝箱內的存儲空間，該裝置只適合行程較小且空間尺寸不受限制的場合。

凸輪機構一般適合受力較小的間歇往復運動，比如柴油機的氣門，無法應用于受力工況復雜且行程較長的場合。

采用鏈輪鏈條形式適合應用受力較大且行程較長的場合，但是鏈輪鏈條軸線平行于地面布置會導致擴展艙與固定艙之間的安裝高度變高，集裝箱內的有效利用空間變小。

采用液壓油缸的形式可適用受力較大且空間尺寸不受限制的場合，當行程較長時需采用多級伸縮缸，占用較大的空間尺寸，且液壓油缸需要配置一套液壓系統，難維護、易泄漏、成本高。

通過上述分析可知縱向伸縮集裝箱擴展運動宜采用齒輪齒條傳動形式。

4.縱向伸縮集裝箱設計

4.1結構組成

一種縱向伸縮集裝箱主要由固定艙、擴展艙、柔性伸縮風道、拖鏈、驅動裝置、控制系統、密封條等組成，其中固定艙由固定艙本體、頂蓋一、串鎖一、電動缸、維修窗、后雙開門等組成，擴展艙由擴展艙本體、頂蓋二、串鎖二、電動缸、隔艙、前雙開門等組成，如下圖所示。

驅動裝置由動力裝置（伺服電機、行星減速機、齒輪、過渡座、安裝座）導軌滑塊、齒條、伺服支腿、輔助滾輪、控制箱等組成。如下圖所示。

4.2工作原理

一種縱向伸縮集裝箱擴展艙通過四方向等載荷滾柱滑塊導軌導向，采用伺服電機驅動大速比行星減速機、齒輪旋轉，齒輪齒條嚙合帶動擴展艙沿導軌作直線運動，在初始狀態下，擴展艙由后端的滑塊與前端輔助滾輪支撐，擴展艙伸出700mm后，此時伺服支腿開始伸出與地面接觸，輔助滾輪可在伺服支腿未伸出以及伸出后虛腿時起支撐作用，以減輕滑塊載荷，提高滑塊使用壽命。集裝箱的擴展艙與固定艙的頂蓋均為雙開頂形式，采用電動推桿為動力開蓋，頂蓋可開啟90°可實現載體快速在箱內起吊裝卸。在集裝箱內設置固定風道、柔性伸縮風道實現將擴展艙內的熱冷風輸送至固定艙指定位置。通過拖鏈裝置實現擴展艙與固定艙之間電力、信號互聯互通。

5.伸縮驅動裝置設計

5.1導軌滑塊選型計算

擴展艙重心分布及驅動裝置安裝形式如下圖所示。

根據滑塊布置情況，將運動簡圖轉化為數學模型計算滑塊在使用過程中的等效載荷，如下圖所示。

5.2阻力矩計算

a）滑塊承載懸臂工況

四方向等載荷滾柱滑塊的滾動摩擦系數f=0.01左右，根據上述計算可知每個滑塊處的等效載荷代入計算可知F摩1=3429.33N。

在8級風21m/s的環境條件下，根據伯努利方程動壓計算簡化公式wp=v2/1600可以計算出8級風速條件下的動壓為0.276（kN/m2），最大迎風面積為14.67m2，風載荷F風=4048.9N，根據力矩平衡計算滑塊在風載荷作用下的側向載荷，受力簡圖如下圖所示。

6.不足之處

集裝箱擴展艙在伸縮過程中只能在路面平整的堅實水泥路面使用，伺服支腿無法實時伸縮適應較大變化的路面形態，當運動方向有較大的凸起對支腿的沖擊傳遞到導軌滑塊、齒輪齒條及減速機，當遇到路面較大的凹坑時，伺服支腿與地面無接觸，擴展艙相當于懸臂安裝，此時滑塊承受傾翻力矩，兩種情況均影響其使用壽命。后續產品擬在伺服支腿上進行改進優化設計，提高對路面的適應能力，減小對減速機、齒輪齒條、導軌滑塊的沖擊振動。

7.結束語

本文通過對縱向伸縮集裝箱的伸縮擴展運動需求分析，綜合對比多種傳動機構的結構形式，設計了導軌滑塊+齒輪齒條+輔助滾輪+伺服支腿的驅動裝置，通過實物驗證，實現了“集裝箱具備自動擴展收攏功能，收攏及展開到位后能可靠鎖定，收攏后外形尺寸為45英尺，擴展后長度為65英尺”目標。

伸縮集裝箱的設計，會受到載體外形尺寸、工作方式及箱體安裝空間的限制，需要根據具體情況選擇合適的技術路徑，本文的縱向伸縮集裝箱及其驅動裝置設計，可以為集裝箱運輸及FS載體設計提供一種借鑒。

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趙柏程（1988-10），男，湖南人，工程師，本科，主要研究方向：方艙、特種改裝車輛的研發工作。

潘庭發（1983-02），男，廣西人，工程師，本科，主要研究方向：通信車輛系統集成的研發工作。