抱罐车支腿结构的改进设计

赵静一,王 彪,曹文熬

(1.燕山大学河北省重型机械流体动力传输与控制重点实验室,河北 秦皇岛 066004;2.中煤张家口煤矿机械有限责任公司,河北 张家口 075025)

钢厂在炼钢过程中会产生大量的高温炉渣,抱罐车是用来转运这种炉渣的专用无轨运输车辆,它可以实现自行抱罐、运输、翻灌、卸罐,而无需其他辅助设备,具有高度的灵活性和实用性,是钢厂内部物流的重要设备[1].

1 抱罐车结构及工作过程

目前,国内外抱罐车的结构形式较多,总体分为拖拉式、整体式、铰接式、U型框架式结构,各有其特点,尤以铰接式抱罐车综合性能较好,应用较多[2].图1为铰接式抱罐车结构示意图.

图1 铰接式抱罐车结构示意图Fig.1 Schematic diagram of articulated slag pot carriers

抱罐车工作过程为抱罐、运输、翻罐、卸罐,自行往复运作,工作时间较长.在设计和实践中,抱罐和翻罐动作是抱罐车工作过程的关键,也最容易出现故障.图2为抱罐动作起始位置,图3为翻罐动作终了位置.

由图2和图3可见,抱罐车在抱灌、翻罐2种工况下,工作机构连同渣罐一起翻转到车体后方,使得整车的工作重心向后偏移,如果没有支腿支撑,则几乎全部荷载将落到后桥上,致使后桥或轮胎损坏,并且前车架容易被抬起,造成事故.在后车架尾部设计支腿结构,抱罐车在抱罐、翻罐的过程中,后车架尾部被稍稍撑起,整车的支点由后桥移至后车架尾部,增强了抱罐、翻罐过程的稳定性,并且此时整车的荷载几乎全部落在支腿上,避免了后桥和轮胎损坏,抱罐车在运输过程中,将支腿收回,不影响行驶.因此,在抱罐车的开发中,设计结构合理、安全可靠的支腿结构显得尤为重要.

图2 抱罐起始位置Fig.2 Starting position of holding the slag pot

图3 翻罐终了位置Fig.3 End position of turning the slag pot

2 抱罐车典型支腿结构分析

抱罐车支腿结构形式较多,典型结构有以下两种,其他结构多为这两种的衍生[3].

第一种形式为支腿油缸支撑,如图4所示.油缸缸筒与后车架尾部固定,活塞杆端部与支撑盘铰接.在抱罐、翻罐工作之前,支腿油缸伸出,支承盘着地,实现支撑作用.这种形式具有结构简单、紧凑,便于整车布置,方便安装、维护的优点.它的缺点是直接采用油缸支撑,车辆所受的水平方向的力均由油缸承受,而油缸承受径向力的能力较差,当支撑地面有一定坡度或自敲式抱罐车在敲罐时,支腿油缸将承受较大的径向力,极易损坏,造成严重事故.另外,当抱罐车在通过障碍时,支撑盘容易被挂掉.

第二种形式采用摇臂机构,如图5所示.油缸尾部与后车架铰接,活塞杆端部与支撑盘铰接,连杆分别与车架、支撑盘铰接.油缸的伸缩带动支撑盘上下运动,实现支腿的功能.这种结构保证了支腿油缸只受轴向力,水平方向的力均由连杆承受,避免油缸承受径向力,起到保护油缸的作用,提高系统的可靠性.但这种支腿结构复杂,不便安装、维护,且需要较大工作空间,整车布置较困难.

图4 第一种形式支腿结构Fig.4 Chart first of the leg of slag pot carriers

图5 第二种支腿结构Fig.5 Chart second of the leg of slag pot carriers

此外,以上两种结构有个共同缺点,即支腿油缸为主要支撑构件,作用力较大,不得不增大油缸直径和油液压力,使得系统复杂,增加了设计成本.

3 抱罐车支腿结构改进设计

基于以上研究,对抱罐车支腿结构进行改进,设计1种新型支腿结构,如图6所示.油缸分别与车架和连杆铰接,连杆又分别与车架和支撑盘铰接,即将上述第二种结构的油缸与连杆对换位置,并对后车架尾部结构做相应调整.支腿油缸置于车架内部,减小了安装空间,便于整车结构布置,活塞杆缩回时带动连杆升起,行驶时支撑盘不易被障碍物挂掉,便于安全行驶.

该结构的特点是由原来支腿油缸作为主要承载构件改变为由机械连杆支撑,使抱罐、翻罐过程整车载荷几乎全部落在机械连杆上,而支腿油缸只承受水平方向力,该力较竖直方向受力明显减小,其受力模型如图7所示.

该机械连杆有3个铰接点,图中用A,B,C表示,A点为连杆与支腿油缸铰接点,同时是连杆受油缸推力FA的作用点,力的方向已知,与水平线成44°夹角,力的大小未知;B点为连杆与支撑盘铰接点,也是受支撑盘支撑力FB的作用点,力的大小为整车重力的支反力,方向竖直向上;C点为连杆与后车架铰接点,受车架向下压力FC,力的大小未知,由于该连杆有3个铰接点,在C点车架给连杆的压力FC方向具体角度未知,设与竖直方向夹角为θ.

现以80 t抱罐车为例,空车质量为70 t,共计150 t,在抱罐和翻罐时,以支腿为固定转轴,为使前后力矩平衡,需加30 kN配重,此时地面对前桥和后桥的支撑力很小,只有几kN,几乎整车全部重量都加到支腿上,为了安全起见,留有一定余量,取整车重力为1600 kN,则每个支腿承受800 kN,即连杆在与支撑盘铰接处受800 kN竖直向上的支反力.该支反力通过连杆分配到油缸和连杆与车架铰接处,以C点为转轴,连杆受油缸的推力和车架的压力力矩平衡,列方程为

图6 抱罐车支腿改进结构简图Fig.6 Chart of the improved leg of slag pot carriers

则FA=68 kN.

依据力平衡原则计算FC的大小和方向,列竖直方向平衡方程为

列水平方向平衡方程为

联立2个方程,并将FA=68 kN代入,解得

由结果可见,整车作用于连杆C处的作用力为742 kN,方向向下,与竖直方向成3.8°夹角,即连杆承受几乎整车荷载,而支腿油缸只需要68 kN的推力,其推力明显减小,使得支腿油缸设计尺寸和油液压力大大减小,提高了系统稳定性,降低了成本.

4 结论

图7 支腿受力模型Fig.7 Force model of the leg of slag pot carriers

通过以上分析,比较几种抱罐车支腿结构的优缺点,设计1种改进结构,并通过建立受力模型,进行力学计算表明该改进支腿结构较前2种典型结构力学性能明显提高,并节省了安装空间.利用机械连杆代替支腿油缸承受整车重量,使抱罐车在抱罐和翻罐工作时可靠性提高,同时降低了系统压力,降低了设计成本.

[1]张卫东.我国钢厂无轨运输设备的发展[J].冶金设备,1997,102(2):44-46.ZHANG Weidong.T he development of no rail transport equipment in domestic steel[J].Metallurgical Equipment,1997,102(2):44-46.

[2]任中立.铰接式抱罐车的研制[J].湖北工业大学学报,2008,23(2):30-31.REN Zhongli.T he development of articulated slag pot carriers[J].Hubei University of Technology,2008,23(2):30-31.

[3]闫杰.渣罐运输车支腿结构的设计[J].采矿技术,2003,3(1):35-36.YAN Jie.The desig n of the leg of slag pot carriers[J].Mining Technology,2003,3(1):35-36.