甩挂运输车辆的改造技术

王 琦

（包钢集团机械化有限公司，内蒙古 包头 014010）

引言

甩挂运输是指牵引车按照预定的运行计划，在货物装卸作业点甩下所拖的挂车，换上其他挂车继续运行的运输组织方式。

与传统运输方式相比，甩挂运输具有明显优势：一是减少装卸等待时间，加速牵引车周转，提高运输效率和劳动生产率；二是减少车辆空驶和无效运输，降低能耗和废气排放；三是节省货物仓储设施，方便货主，减少物流成本；四是便于组织水路运输、铁路运输等多式联运，促进综合运输的发展。甩挂运输在国际上得到了广泛的推广应用，已经成为非常普遍的先进运输组织方式。发展甩挂运输对于降低物流成本，推动现代物流和综合运输发展，促进节能减排，提升经济运行整体质量具有重要意义。我国的甩挂运输方式处于国家采取措施引导和推动的阶段，相关技术、政策也在摸索试验过程中。

包钢集团机械化有限公司（以下简称我公司）包钢炼钢厂8、9号转炉废钢原料运输过程中，由于卸料随着炼钢生产的节奏进行，等待卸车时间较长，限制了车辆、人员的工作效率。为此，研究改造该处的运输车辆，使1台牵引车能拖挂2台或多台半挂车，以实现甩挂运输的组织方式。

1 运输车辆技术改造设计

1.1 目标

将牵引车与挂车分别进行改造，实现主、挂快速自动分离的目标。

1.2 技术改造方法

通过加装液压系统，将牵引车的鞍座变为自动升降鞍座，为牵引车与半挂车的顺利分离提供了必需的条件。

制作新的矩形可折叠钢结构支腿，安装在原支腿位置；加装气动装置实现对支腿起落的气动控制。同时为增加支腿的安全稳定性，加装横拉板及气动锁销固定。

1.3 牵引车与挂车的分离方法

牵引车鞍座由液压缸顶升抬高一定距离，气动支腿通过电磁阀控制支起并固定，之后将鞍座泄压回位，牵引车与半挂车之间产生可分离间隙，实现主挂分离。改造后的车辆主挂分离前、后如图1、图2所示。

图1 废钢运输车

图2 分离后的挂车

2 鞍座处、支腿处的受力计算

2.1 车辆受力模型确定

汽车传统设计理论认为，在纵梁设计中，通常只对纵梁进行简化的弯曲强度计算，以确定纵梁的截面尺寸。根据上述理论设计纵梁时做如下假设：

1）纵梁为支承在牵引销和后轮上的简支梁；

2）空车时的荷载质量均布在左右两纵梁的全长上，满载时的有效载荷则均布在承载面的全长上；

3）所有作用力均通过承载面弯曲（忽略不记局部扭转所产生的影响）。

所以在分析半挂车承载情况、受力状况、建立数学结构模型工作时，以车辆纵梁承载情况和受力状况设计计算的力学模型为依据进行计算，尽管实际承受载荷情况错综复杂，总得来说，挂车主要承受静载荷和动载荷（对称垂直、斜对称），可把挂车结构简化为支承在牵引销和后轴上的简支梁做弯曲强度计算。因车架结构左右对称受力相差不大，所以可假设其所有荷载均作用在中部的轴线上，用传统的设计理论进行强度计算。

2.2 受力计算

2.2.1 车体各个部分的质量

废钢运输半挂车板质量约10×103kg（不包括轮胎重量）、废钢槽质量20×103kg、槽内废钢最大装载质量40×103kg，则半挂车车架合计总质量为70×103kg。

考虑到实际使用过程中车辆主梁的局部变形、装卸料时受到的冲击力等不确定因素，半挂车车架设计最大荷载G按照实际荷载的1.5倍计算。

2.2.2 轴荷分配

如图3所示，半挂车承受纵向单位线长度均匀载荷qa，有：

图3 半挂车车架支反力计算简图

式中：RA为前支承（牵引销）反力；RB为后支承反力；R′B为后钢板弹簧前支承反力；R″B为后钢板弹簧后支承反力；L2为后钢板弹簧两支承点距离为车架单位长度线载荷：

式中：G为车架总质量，G0为车架自身质量，Gt为车架满载均布载荷。

废钢半挂车整车长度La＝11 000mm

当鞍座被举起时，半挂车受力模型简图如图4。

图4 鞍座举升时车架支反力简图

由图4中可知：L＝7 010mm、Lk＝2 890mm，则：鞍座处支承力RA由公式

求得：

后支承处支承反力RB由公式RB＝qaLa－RA计算得出：

这说明，在主挂分离时鞍座处需举起的荷载为383.14kN，而双后桥承受的力为646kN。

当主车与挂车分离后，半挂车受力模型简图如下页图5。

由图5可知：L＝4 360mm、Lk＝2 890mm，则：处支承力RA由公式：

图5 支腿支撑时车架支反力简图

求得：

后支承处支承反力RB由公式RB＝qaLa－RA计算得出：

这说明，主挂分离后挂车支腿处承受的压力为616kN，每条支腿承受的压力为308kN［1］。

3 牵引车自动升降鞍座系统的设计

为实现鞍座的自动升降，需在鞍座下方、牵引车车架结构上加装一套液压机构，主要部件包括：翻转横轴及梁间衬板、轴套、升降纵梁、面板，车架主梁间垂直承力衬板，U型底座，液压缸底销座、液压缸。

3.1 实施方法

在牵引车车架主梁内侧，利用原车架上的孔对称固定液压机构。动力取自主车上的取力器，液压系统按照选取的液压缸进行系统配置。主要结构形式如图6。

图6 自动升降鞍座结构示意图（mm）

3.2 液压缸的选择

3.2.1 液压缸的类型及安装方式选择

由鞍座的运动方式决定了液压缸的类型为单作用活塞式［1，2］。

根据液压缸标准安装方式、其适用的场合以及设计拟安装的位置，我们选择耳环连接的上下均带绞支的摆动液压缸，缸体的额定负荷不低于383kN。

3.2.2 液压缸参数确定

已知：需要移动的质量和所需要的力≥383kN；工作压力≥25MPa。

根据负载大小、选定系统工作压力计算液压缸的内径D。

式中：D为液压缸内径（m）；F为液压缸的推力（kN）；P 为选定的工作压力（MPa）。

由于鞍座下的液压缸支座处中间有一根牵引车的传动轴通过，因此需将液压缸放置在传动轴的两边，这样就产生偏心现象，液压缸的内径还要增大，但车架间的距离是有限的，缸径大了就会与传动轴发生干涉现象。故决定选2个小液压缸，每个液压缸的推力为200kN，分别安装在传动轴两侧的支架上，满足举升鞍座的要求［2］。

3.2.3 液压缸参数校核

1）液压缸活塞推力F1（液压缸的输出按负载F决定）。

式中：P1为工作压力（MPa）（按牵引车选定液压机选25MPa）；F1为推力（kN），F1＝200kN；A1为活塞与活塞杆的作用面积（m2）；A1＝πD2／4；D 为液压缸内直径（m）。

故缸体的内径应大于101mm。

2）活塞杆直径d的计算。

根据速度比的要求来计算d：

式中：d为活塞杆直径（m）；D为液压缸内直径（内）（m）；ψ 为速度比，ψ＝v2／v1＝D2／（D2－d2），V2活塞杆缩入速度（m／min）；V1活塞杆伸出速度（m／min）。

根据工作压力选用速度比（见表1）。

表1 速度比的选用

根据GB／T 2348、GB／T 2349，按照标准优先选择系列，选定液压缸的内径为125mm、活塞杆外径为80mm；从而选定液压缸的型号为：HG－F 125／80×250E－00。

4 自动伸缩支腿系统的设计

4.1 半挂车支腿结构

挂车支腿分为两部分：一节为固定部分，与挂车车架连接，位置与原支腿相同；二节为活动部分，用轴与一节相连。以原支腿安装位置为基准，主、挂车分离时，挂车牵引销至地面高度为1 440mm，支腿伸出长度为550mm。主挂结合时，支腿完全收回时，总长900mm，离地高度500mm。利用牵引车气包的气体推动气缸伸缩运动，从而带动连杆机构提起或放下支腿的活动部分，同时利用另一组气缸推动销轴将提起或落下的支腿锁死，在安全可靠的条件下满足挂车行驶和停车等待卸料的要求。结构布置示意图如图7。

由表选定速度比ψ＝2

图7 支腿结构布置图

4.2 支腿设计计算

4.2.1 支腿气缸选型

支腿活动部分的质量约为150～200kg，活动支腿锁销进出锁孔的阻力50～90kg；为了提起或放下支腿、锁销进出锁孔需匹配合适的气缸。

一般气动系统中最常使用的气缸为单活塞杆双作用气缸，它由缸筒、活塞、活塞杆、前端盖、后端盖及密封件等组成。双作用气缸内部被活塞分成两个腔。有活塞杆腔称为有杆腔，无活塞杆腔

气缸的实际负载是由实际工况所决定的，若确定了气缸负载率β，则由定义就能确定气缸的理论输出力，从而可以计算气缸的缸径。

对于阻性负载，如气缸用作气动夹具，负载不产生惯性力，一般选取负载率β为0.8；对于惯性负载，如气缸用来推送构件，负载将产生惯性力，负载率β的取值如下：

β＜0.65，当气缸低速运动，v＜100mm／s时；β＜0.5，当气缸中速运动，v＝100～500mm／s时；β＜0.35，当气缸高速运动，v＞500mm／s时。故选定负载率β＝0.5。

则气缸理论输出力Ft：称为无杆腔。

当从无杆腔输入压缩空气时，有杆腔排气，气缸两腔的压力差作用在活塞上所形成的力克服阻力负载推动活塞运动，使活塞杆伸出，此时支腿被放下；当有杆腔进气，无杆腔排气时，使活塞杆缩回，此时支腿被提起。若有杆腔和无杆腔交替进气和排气，活塞实现往复直线运动。

4.2.2 支腿气缸的计算

气缸直径的设计计算需根据其负载大小、运行速度和系统工作压力来决定。首先，根据气缸安装及驱动负载的实际工况，分析计算出气缸轴向实际负载F，再由气缸平均运行速度来选定气缸的负载率β，初步选定气缸工作压力（一般为0.4MPa～0.6MPa），再由 F／β，计算出气缸理论出力Ft，最后计算出缸径及杆径，并按标准圆整得到实际所需的缸径和杆径［2，3］。

气缸推动构件上下往复运动，已知构件等运动件质量为m＝200kg，气缸行程s为100mm，经2s时间支腿运动到位，系统工作压力p＝0.6MPa，则：

气缸实际轴向负载F＝mg＝200×9.81＝1 962N

负载率β，从对气缸运行特性的研究可知，要精确确定气缸的实际输出力是困难的，于是在研究气缸性能和确定气缸的输出力时，常用到负载率的概念。气缸的负载率β定义为：

式中：Ft为气缸理论输出力（N）；A为活塞面积（m2），A＝πD2／4；D 为气缸内径（m）；p 为气缸工作压力（Pa）。

故缸体的内径应大于91mm；按标准选定气缸缸径为100mm。

同理计算支腿一、二节臂安全锁销自动锁紧气缸的缸径D应大于61.2mm，按标准选定该气缸缸径为63mm，且由该气缸固定的位置选定气缸的行程为200mm。

4.2.3 气缸的安装形式

根据安装位置和使用目的我公司选定气缸的安装形式为底座法兰固定式气缸；又根据活塞运动的速度确定气动系统应采用缓冲装置、电气控制，故需选用带磁开关的气缸。

由于Ft＝Ap

所以：

5 结语

按上述方法改造的牵引车和挂车可以在1～2min内自动分离，经过半年的运行完全能够满足废钢运输的要求。同时，我公司对承担包钢8号、9号转炉废钢运输的6台牵引车、9台半挂车进行了改造，改造完成后，8号、9号转炉的废钢运输生产实现了主车与挂车比为1∶1.5，达到了甩挂运输的基本要求，也为我公司在其他业务上开展甩挂运输起到了示范的作用。

［1］ 何光里.汽车运用工程师手册［M］.北京：人民交通出版社，1993.

［2］ 容一鸣，陈传艳.液压传动［M］.北京：化学工业出版社，2009.

［3］ 田勇，高长银.液压与气压传动技术及应用［M］.北京：电子工业出版社，2011.

［4］ 薛祖德.液压传动［M］.北京：中央广播电视大学出版社，1985.