双液压缸翻转式重型备胎架的设计

再重新启动时需要的转矩较大 实际中常用的自 耦 降压启动的电机驱动动力头启动转矩最高仅为额定 转矩的 6 4 所以经常出现异常停钻后无法重新启 动的情况 造成很大的损失 而液压驱动的动力头 启动转矩达额定转矩的 8 5 9 0 与电机驱动的 动力头相比明显强劲 3 液压驱动对电网的冲击小 电机驱动动力 头通常采用两台较大功率的交流电机 且必须同时 启动 启动时对电网冲击极大 而在带载启动时更加 恶劣 在施工中经常出现电网不能承受的现象 液 压驱动系统则可使用多台小功率电机 而且可以分 别启动 启动时对电网冲击相对较小 4 液压驱动动力头质量轻 经初步估算 质 量比电机驱动动力头轻 1 5 t 由于动力头悬挂在约 3 0 m的高空 动力头质量的减轻对整机的重心降低 和机器的稳定性有着极其重要的意义 5 向大功率发展更方便 电机驱动动力头的 电机在笨重的动力头上 向大功率发展比较困难 液压动力头的能源系统可移至机身 向大功率发展 比较方便 参考文献 1 兰毓蕃 我国桩工机械的现状与展望 J 建筑机械 化 2 0 0 2 1 1 3 1 6 2 郭传新 张立新 国内桩工机械发展趋势 J 市场前 沿 2 0 0 4 1 4 0 4 3 3 N Mu r e J N S c o t t J u s t I n T i m e c o n n u o u s fl i g h t a u g e r p i l e s u s i n g a n i n s t r u me n t e d a u g e r J I s a r c 2 0 0 2 8 4 1 6 4 章宏甲 黄谊 液压传动 M 北京 机械工业 出版 社 2 0 0 3 5 成大先 机械设计手册 单行本 液压控制嗍 北 京 化学工业出版社 2 0 0 4 通信地址 湖南株洲 湖南冶金职业技术学院机械工程系 4 1 2 0 0 0 收稿 日期 2 0 0 7 0 9 1 2 双液压缸翻转式重型备胎架的设计 泰安航天特种车有限公司赵殿华李兰英张华 摘 要 为解决重型备胎的起落以及当前备胎架应用中存在的起落质量小 翻转角度小和高位置起落困难等问 题 开发了一种新型双液压缸翻转式重型备胎架 该机构由固定架 中间架 翻转架 液压缸及电动液压泵等组成 备 胎通过备胎器固定在旋转架上 装卸备胎依靠两个液压缸的伸缩按先后顺序推拉中间架和翻转架来完成 在系统上 设有多重安全装置 且操作简单 维修方便 通过试制备胎架 达到了起落质量大和翻转角度大于 1 8 0 的设计要求 在液压系统辅助下可迅速方便地进行高位置起落 完全满足实际应用需求 具有很高的实用价值和推广前景 关键词 备胎架重型轮胎P r o E 备胎几乎是所有轮式行走车辆的常用备件 对 于小型轿车 轻卡等车辆 由于轮胎外形尺寸较小 质量轻 能够依靠人力进行备胎装卸 而对于某些配 置大直径轮胎的工程车辆 越野车辆 多数轮胎直径 超过 1 m 质量超过 1 0 0 k g 仅仅依靠人力装卸更换 备胎是比较困难的 本文中将直径超过 1 5 m 质量 超过 2 0 0 k g 的轮胎称为重型轮胎 综合考察国内商用卡车中备胎的实际应用情 况 可以概括有固定式和活动式两种备胎机构 均普 遍存在备胎质量轻 安装位置低 翻转角度小 一般 一 4 2一 在 0 9 0 等缺点 有个别高位置大轮胎应用在 军用车辆上的实例 但其备胎机构结构复杂 翻转角 度也局限在 0 1 8 0 为解决上述问题 本文针对重型轮胎的备胎机 构开发了一种双液压缸翻转式重型备胎架 该机构 由轮胎固定器 固定架 第 1 液压缸 第 1 I 液压缸 中间架和翻转架组成 液压系统采用电动液压泵作 为两液压缸的驱动力 利用双液压缸的联动动作可 实现翻转角度大于 1 8 0 的起落要求 而且操纵方 便 省力 解决了大轮胎 重轮胎高位置起落中的诸 维普资讯 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 多困难 同时 该机构设计了4 套安全装置 限位开 关 液压锁 自 动调压卸荷装置和液压缸长度限位装 置 通过点动按钮开关实现液压缸驱动 液压件采用 标准通用件 易满足备件及维修工艺需求 在某重型 越野车上的实际应用证明该机构具有很高的实用价 值 表 1 为双液压缸翻转式重型备胎架与常见备胎 机构的性能比较 表 1 双液压缸翻转式重型备胎架与常见备胎机构的性能比较 固定式 活动式 双液压缸翻转式重型备胎架 联接方式 用螺栓联结在固定支架上 固定在专用活动装置上 固定在专用活动装置上 利用驱动机构实现活动装置 利用驱动机构实现活动装置 装卸操作 装卸螺栓 人力装卸备胎 翻转 升降等动作 翻转 升降等动作 辅助措施 无 单液压缸 机械驱动 双液压缸 电驱动 轮胎 重量轻 外形小 质量稍大 直径 1 m 质量大 直径 1 5 m以上 安装位置 低位 低位 高位 翻转角度 小于 1 8 0 大于 1 8 0 操作力 费力 一般 省力 一 可靠性 一般 一般 局 1 机构原理 现以某重型底盘装备的备胎为例进行方案设 计 该型轮胎直径 1 5 m 宽度 0 6 3 5 m 整个轮胎 含 钢质轮辋 的质量是 2 8 0 k g 安装高度不大于 3 m 为了解决外形大 质量大对使用性能的限制这个问 题 设计开发以电动液压泵为动力源的双作用单活 塞双液压缸翻转式备胎机构 以提高使用性能及可 操作性 具体方案及建模见图 1 图4 图 1 所示为 固定位置即备胎翻转初始状态 也是车辆行驶时备 胎的位置 备胎的外形不能超出车辆总宽度 最高 点不得高于限定值 3 m 图2为下落时第 1 液压缸 完全伸出后的翻转状态 图 3为双液压缸全部伸 出 备胎翻转到地面的状态 备胎的起升过程与翻 转下降过程相反 液压系统采用电动液压泵作为动 力源 点动按钮开关控制动作的执行 通过换向阀 实现备胎架机构起升和下落的方向控制 2 机构设计 2 1 固定架和翻转架 利用P r o E Wi l d fi r e 2 0 进行固定架及翻转架结 构设计 主要考虑备胎固定的方式 液压缸的铰接 点 旋转轴的定位和翻转臂的长度等问题 图 4中从左至右依次是轮胎下落过程 中的轮 胎固定状态 中间状态和落地状态 反之则是起升 过程中的各状态 在建模过程中 液压缸的长度变化采用了挠性 化处理 可以根据翻转架的各个位置精确计算出液 压缸的长度变动情况 为了满足机构的刚 强度要求 根据工作状态确 定受力状态 对固定架 翻转架及中间架进行有限元 分析 各构件与液压缸相联接的孔均采用销轴约束 以机构升降过程中遇到的最大推拉力的2 倍作为载 荷添加到模型中 根据分析结果 见图5 优化调整 各构件的结构形式及材料 厚度 以求满足设计要 求 固定架和翻转架采用矩形管焊接而成 壁厚 5 m m 具有加强作用的固定架附架壁厚 3 m m 中间支 撑架采用矩形管和厚板料组合焊 使固定架 翻转架 的最大等效应力控制在 3 0 M P a 左右 保证在机构翻 转过程中的刚 强度要求 2 2 液压缸的选择 分析备胎起升及下落过程 找出液压缸受力最 大点 计算出液压缸需要的最大拉力和推力 以此为 依据来选择液压缸的长度及直径 在下落过程中 1 第 1 液压缸起始推力 F o 图 1 中 F o G 0 L 0 0 1 3 2 0 0 N 单缸推力 6 6 0 0 N 重力加速取 g 1 0 m s 式中 G 为备胎的总质量 实际计算时需要加上翻 转架的部分质量 取 3 0 0 k g L 为备胎质心距旋转 4 3 维普资讯 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 舞 轴的距离 取 8 3 6 m m Mo 为第 1 液压缸距旋转轴的 力臂 取 1 9 0m m 2 第 液压缸起始推力 在下落过程中 第 液压缸在备胎重力作用下 自 行伸出 不需要起始推力 但为了防止备胎下落过 快 采用平衡阀对液压缸的回油流量进行限制 在起升过程中 1 第 1 液压缸起始拉力 图2中 F I G 1L 1 Ml 4 7 8 6 N 单缸拉力 2 3 9 3 N 式中 G 为备胎及翻转架总质量 取 3 2 0 k g L 为 备胎质心距旋转轴的距离 取 5 1 0 m m M 为第 1 液压缸距旋转轴的力臂 取 3 4 1 m m 1 备胎2 翻转架3 第 液压缸4 第 1 液压缸 5 车架6 车桥轮胎A 备胎 固定点8 一 第 1 液压缸固定点C 蒋 液压缸固定点 第 1 液压缸伸缩点 D 第 液压缸伸缩点D 一 翻转架旋转轴s 一轮胎跳动避让高度 图1 备胎架方案图 固定位置 2 第 液压缸起始拉力 图3中 F 2 G 2L J M 2 1 4 3 6 2 N 单缸拉力 7 1 8 1 N 式中 G 为备胎及翻转架总质量 取 3 8 0 k g L 为备 胎质心距旋转轴的距离 取 8 0 5 m m 为第 液压 缸距旋转轴的力臂 取 2 1 3 m m 根据以上计算结果 选择 D G型双作用单活塞 杆车辆用液压缸 安装方式为一端耳环联接 一端球 铰联接 缸径 4 0 m il l 活塞杆直径 2 2 m m 当工作压 力为 1 4 M P a 时 推力为 F T 1 7 6 0 0 N 拉力 1 2 2 8 0 图 2 备胎架方案图 中间位置 图3 备胎架方案图 落地位置 一 4 4 1 轮胎固定器2 固定架3 第 液压缸4 第 1 液压缸5 中间架6 翻转架7 轮胎 图4备胎架建模图 维普资讯 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m a 固定架等效应力云图 图 5 N 液压缸空行程压缩长度为2 2 6 m m 因为 F T F o F t F 2 F 1 所以选择的 D G型双作 用单活塞杆车辆用液压缸满足备胎架的推 拉力 要求 即双液压缸推 拉力能够满足备胎架起落的 设计要求 液压缸的布置方式见图4 2 3 液压系统 备胎机构的液压系统见图6 图6中采用顺序阀组成压力控制顺序动作回 路 液压缸按先后顺序进行伸缩 备胎下落 换向阀5 置于左位 第 1 液压缸活 塞右行 使中间架推动翻转架翻下 当活塞杆到位 2 1 1 第 1 液压缸2 第 液压缸3 顺序阀4 顺序阀 5 电磁换向阀6 溢流阀7 电动液压泵 图6液压原理图 b 翻转架等效应力云图 受力分析云 图 后 回路中压力升高 顺序阀 3 接通第 液压缸 活塞右行 推动翻转架继续下落至最终落地位置 备胎起升 换向阀5置于右位 第 液压缸先 退 拉起翻转架 当退至左端点 回路压力升高 从 而打开顺序阀 4 第 1 液压缸活塞退回原位 将翻 转架和中间架拉回原位并利用液压锁 自 动锁定 在调试过程中 回路中的顺序阀的调定压力 必须大于前一行程液压缸的最高工作压力 一般 高 0 8 1 0 M P a 否则前一行程尚未终止 下一行 程就开始动作 影响动作精度 同时为了满足液压 缸的推 拉力 对液压缸的最低油压进行如下估 算 如表 2所示 从安全性考虑 推荐采用上述顺序动作回路 以保证备胎在下落过程中的速度控制 防止超速 下降发生意外 液压锁即联锁 回路采用 2个液控单向阀组 成 可以实现活塞在任意位置的锁紧 只有在电磁 换向阀通电切换时 向液压缸供油 液控单向阀被 反向打开 液压缸活塞才能运动 该结构锁紧精度 高 提高了系统安全陛 电动液压泵采用整体式 其结构组成如图 7 所 不 液压泵额定输出压力为 1 8 M P a 液压泵有效 供油量为 8 8 0 m L 微电机电压为 D C 2 4 V 电流不 大于 3 5 A 其电源通过电器接插件 1 0 与车辆电源 共用 电动液压泵总成噪声不大于 8 5 d B 电动液压泵有电动及手动两种操纵方式 正 常情况下通过举升控制器 1 1 上的点动按钮开关 操纵备胎机构升降 负载下耐久性试验达 5 万次 4 5 维普资讯 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 表 2 最低油压估算 推过程 拉过程 推力晶 N 油压p MP a 拉力 凡 N 油压p MP a 第 1 液压缸 6 6 0 0 5 2 5 2 3 9 3 2 1 4 第 液压缸 7 1 8 1 6 4 3 计算公式 p F A 式中 p 油压 F 一推 拉 力 A 液压缸的有效作用面积 推过程取A 1 2 5 7 m m 2 拉过程取A 1 1 1 6 mr a 8 尤其液压系统的液压件均采用标准通用件 易满足 l 0 备件及维修工艺需求 1 换向手柄2 手动摇臂3 管接头4 换 向分配轴 5 锁销6 防护罩7 油罐8 换气塞 加油 口 9 微电机1 0 电器接插件1 1 举升控制器 电源开关盒 图 7 电动液压泵构成示意图 以上 可靠l生 高 在没电的情况下用杠杆上下摆动手 动摇臂 2 实现备胎机构升降 杠杆臂长 3 0 0 113 113 时 操作力小于2 5 0 N 操纵省力 另外 液压缸的选型可不局限于 D G型车辆用 液压缸范围内 顺序阀及单向阀等部件选用经济性 好 可靠性高的通用部件 2 4 安全装置 为了保证整个机构运行过程中的安全性 避免 出现意外情况 设计了以下安全装置 1 中间架上装限位装置 保证其与翻转架之 间的联动动作 2 液压系统采用液压锁 可实现液压缸在任 意位置的停留 3 电动液压泵装有油压安全控制装置 防止 系统油压过高 4 液压缸上安装长度限位装置 避免液压缸 伸缩到位后油压继续升高所带来的隐患 2 5 操作及可维修性 本机构使用操作简单 仅通过 2 个点动按钮开 关 起升 下落 实现机构运动 在锁紧状态下具有断 电不断油的安全保护措施 保证行车时备胎的安全 性 由于整个机构的全部零