一種輪胎式集裝箱龍門起重機大車車輪轉向力計算方法

沈毅煒 劉東輝 趙宇龍 劉向將

青島海西重機有限責任公司

1 引言

輪胎式集裝箱龍門起重機(以下簡稱輪胎吊)大車大多采用8只橡膠輪胎,其中驅動輪和從動輪數量各半,單個支腿下的2個輪胎通過車架和平衡梁連接于整機龍門架結構。輪胎吊通過驅動大車輪胎可沿輪胎滾動方向進行整機運動,8只輪胎角度可在0°、16°、90°這3個位置變化,從而使輪胎吊沿X、Y方向行駛,或繞其整機中心回轉(見圖1)。

圖1 輪胎吊輪胎角度示意圖

提高輪胎吊的轉場效率和安全性非常重要。通常在輪胎著地的情況下,采用液壓或者電動推桿推動一組輪胎,此時輪胎承受整機重量,輪壓以及由輪壓引起的轉向阻力非常大。因此通過準確的計算獲得大車轉向所需要的推力,對大車轉向系統的設計至關重要。

2 大車轉向機械方案

常規輪胎吊的2組大車輪胎通過軸承座與車架連接,2組車架分別通過回轉支承與平衡梁連接(見圖2)。轉向推桿固定端與平衡梁相對鉸接固定,通過推桿伸出帶動車架1及其輪胎繞其上部回轉支承轉動;同時轉動的車架1推動連桿,將轉向推力帶到車架2及其輪胎(見圖3)。在此過程中,2組輪胎均繞其幾何豎直中心線進行平面轉動,推桿的力臂隨著轉動而變化。

1.回轉支承 2.平衡梁 3.回轉支承 4.車架 5.軸承座6.大車輪胎 7.軸承座圖2 大車行走機構組成

1.車架2及車輪 2.連桿 3.固定端 4.推桿伸出端5.車架1及車輪圖3 大車轉向推桿結構

3 大車車輪轉向力計算

3.1 輪胎與地面的回轉摩擦阻力矩

在輪胎繞其幾何豎直中心線進行平面轉動的過程中,輪壓與地面的摩擦阻力產生回轉摩擦阻力矩,作用在輪胎與地面的接觸面。該接觸面大致為矩形。輪壓在接觸面上是均勻分布的,則單位面積的回轉阻力為:

(1)

式中,F為單位面積的回轉阻力;P為輪胎的輪壓;A為矩形接觸面積;μ為橡膠輪胎與混凝土地面的滑動摩擦系數,此處取0.62[1]。

單位面積繞原點O的摩擦阻力矩是單位面積摩擦阻力乘以力回轉中心的距離(見圖4)。矩形接觸面積內繞原點O的摩擦阻力矩為單位面積摩擦阻力矩在該面積范圍內的二元積分:

圖4 輪胎接觸面摩擦阻力矩計算示意圖

(2)

3.2 回轉支承的摩擦阻力矩

輪胎吊在做大車轉向動作時,輪胎和車架一同進行回轉,除了輪胎和地面之間產生的摩擦阻力矩,回轉支承也在輪壓作用下產生回轉摩擦阻力矩。常規輪胎吊的回轉支承為四點接觸球式,型號為010.30.630.001。該阻力矩計算公式為:

(3)

式中,Tm為回轉支承的摩擦阻力矩;ω為回轉阻力系數,對于滾球式為0.01[2-3];D為滾道平均直徑,對于010.30.630.001為632 mm;ΣN為全部滾球所受的總壓力,由于回轉時其只受垂直力,故其計算方法為:

(4)

式中,P為輪胎的輪壓;γ為滾動體的壓力角,在該工況下為45°。

3.3 轉向推力計算

單個推桿需要完成2個輪胎的轉向,同時在推桿伸出過程中,推桿的力臂在不斷變化,所需推力也相應變化。在其初始和最終位置的力臂最小,故相應需要的轉向推力最大;同樣,可根據計算得出不同轉向位置時推力的力臂,再根據以下計算式得出該轉向位置的瞬時推力:

(5)

式中,Q為某一轉向位置時的轉向推力;L為轉向位置推力的力臂。

3.4 計算實例

某輪胎吊整機自重160 t,大車轉向時的最大輪壓為P=250 kN;大車輪胎為無內胎充氣輪胎,型號為21.00-25-40PR,輪胎接觸地面長度尺寸的一半a=406 mm,寬度尺寸的一半b=250 mm;轉向推桿最小力臂為L=425 mm,滑動摩擦系數取μ=0.62。依據上述公式,該大車轉向的最大推力計算結果為250 kN,實際項目設計中也選用了250 kN額定推力的電動推桿作為回轉裝置。

在項目試車中,電動推桿額定推力可平穩實現輪胎吊大車轉向。此外,在計算中發現,回轉摩擦阻力矩占全部阻力矩的95%以上,并且在實際工況下,回轉摩擦阻力矩會隨實際摩擦系數變化,實際摩擦系數一般范圍為0.6～0.8,具體與路面情況、輪胎胎壓、花紋有關[3]。故在大車轉向系統設計中,液壓或電動推桿需要考慮1.5倍的過載能力,以滿足實際的最大推力要求。

4 結語

通過對輪胎式集裝箱龍門起重機大車車輪轉向形式的理論分析,得出一種轉向力計算方法。該方法可以運用在具有近似轉向機構的輪胎式龍門起重機設計中,還可用于轉向機構的設計選型,提升大車轉向機構的安全性和可靠性。