集装箱自装卸搬运车吊装机构分析研究 机械制造专业

摘要近几年，随着我国经济的快速发展，物流行业蓬勃发展。相应的集装箱自装卸搬运车在一定程度上占据着我国各种运输行业当中的重中之重的地位，前后吊臂在相应的作业当中普遍呈现出不够同步的现象，产生侧偏。为此，本课题基于集装箱侧面吊等自装卸设备设计研制出双侧集装箱自装卸搬运车，能够实现不同规格的集装箱双侧装卸运输，装卸速度快，工作效率高，场地适用性强，安全性高，应用前景非常乐观。在本课题设计计算完成后，采用CATIA软件进行三维实体建模，通过力学简化，并结合自装卸吊装机构的结构特点，得出吊臂的两大危险工况，进行静力学分析，确定危险截面，对吊臂的强度、刚度进行校核。双侧集装箱自装卸搬运车在进行相应的装卸作业当中，为确保将其稳定可靠性能切实有效提升，必须保证双侧的吊臂能够进行等幅同步运行。关键词:自装卸集装箱；搬运车；吊装机构；机械设计AbstractIn recent years, with the rapid development of the Chinese economy, the logistics sector has flourished. The corresponding self-loaded and unloaded containers occupy a certain place in various transport industries in China: the front and back arrows generally indicate a lack of synchronization in the respective operations, which leads to a lateral deviation.To this end, this project is based on the design of self-loading and unloading equipment, such as container-side cranes. high work efficiency, high field applicability and safety. High, the prospects for the application are very optimistic.Once the design and calculation of this element is complete, the CATIA software is used for 3D modeling of a solid. By simplifying the mechanical and structural characteristics of the self-loading and unloading mechanism, two dangerous operating conditions of the boom are obtained and a static analysis is performed to determine the danger zone. Check the strength and rigidity of the boom. With the proper loading and unloading of a double-sided truck with self-loading and unloading, in order to ensure the stability and reliability of the double-sided container, it is necessary to ensure that the rods on both sides can perform synchronous work with the same amplitude.第1章 绪论1.1 研究背景1801年，英国人詹姆斯 安德森博士首次提出集装箱运输的概念，经过近一个半世纪发展，集装箱运输于二战之后应用量大增。从1966年开始，集装箱运输作为主要运输形式，使国际海陆运输业发展迅速，基于海上集装箱运输的不断发展，全球各国都对专用形式的码头进行大规模扩建。国际运输业从此进入集装箱化时代1。20世纪80年代后，船运能力、港口吞吐以及内陆集疏运能力之间的联系密不可分，相互之间的配合关系也不断呈现出相对较为完善的趋势，与集装箱运输层面相关的基础设施日渐完善，相关关节衔接紧密、建设配套，集装箱运输得到快速发展。这代表全世界公路运输越发完善、囊括范围越来越大，使集装箱公路运输总量得到很大提高、世界物流行业快速发展。为使集装箱公路运输愈发机动、迅捷，提高装卸效率和场地适用性，减少设备资金成本和人工费用，集装箱搬运车由此应运而生。上世纪50年代国内以集装箱进行运输的方式开始起步，1955年4月，我国开始着手发展集装箱运输，铁路部逐步开展小型集装箱运输。经过了七十年代的起步和八十年代的稳定发展之后，在九十年代国内的集装箱运输水平与国外基本持平。21世纪之后，全球经济环境产生巨大变革，中国渐渐在国际市场中占据主要地位，集装箱运输业也随之稳定发展。随着国内物流业的发展，集装箱内贸运输成为增量与增幅均相对突出的行业。集装箱内贸运输层面的不断发展对我国集装箱公路运输、铁路集装箱运输具有巨大的推动作用。国内铁路由于运行范围广、运力强、成本低，在内贸中起主要作用，是国内物流的主力军，而集装箱公路运输由于国内公路网络不发达、高速公路修建数量少等因素，还没有得到广泛的使用。在最近几年，国内政策的变化使外贸出口规模越来越大，市场化进程越来越快，企业服务与效益不断提高，外贸出口拉动内需，加快了物流业的发展，集装箱运输呈现出一片繁荣景象。使公路建设速度得到了提高，公路运输范围越来越广，物流车辆技术含量进一步提高，促进了我国集装箱公路运输的发展，使集装箱公路运输在相应的港口码头、车站、对标准物流中心以及相应的非标准集装箱货物的运输与转场中占据重要地位2。我国集装箱公路运输的方式主要分为半挂式运输、全挂式运输和双挂式运输，其中应用最广的是半挂式，需要依靠牵引车来拖动。由于集装箱自身质量较大，装卸方式过于落后，装卸设备发展停滞不前，龙门吊、塔式起重机、港口岸桥等设备场地适应性差，在小型场地或复杂环境不能实现自动集装箱装卸，易受天气影响3。集装箱自装卸搬运车是在公路集装箱运输盛行时期研制成功的具有自装卸功能的集装箱搬运车。在国外物流业，集装箱自装卸搬运车是联接火车站与运输目的地、港口与运输目的地、机场与运输目的地的高效运输方式，即便是在较恶劣的天气气候和较差的地理环境中，依旧能自行装卸集装箱，这不仅改善工作效率， 同时节省运输成本，拓宽了适用范围。在国防后勤层面，相应的物资补给必须实现迅速展开、撤收以及转移，除此之外，还必须对战地形势的变更切实有效做出反应，实现相应的动态保障。集装箱体积可达50立方米左右，容积能达到46立方米左右，可用于如仓库、指挥所、炊事班工作处、紧急战时医院等，如果采用自装卸搬运车运输，不但能缩短装卸时间，作为可移动野战设施时刻随军行动，亦能24小时无条件待命4,5。 1.2自装卸集装箱搬运车国内外研究现状及发展趋势关于集装箱自装卸搬运车的设计成功使得集装箱运输更加快速、高效，此运输工具是货物集装箱在各港口码头、车站、物流市场之间进行运输以及相应转场的重要运输工具之一。确保其能够有效适应运输过程中所面临的各种状况，各方面相关学者配合工厂进行多样化的研究，实现了各类业务的对接，相应的运输以及装卸既能满足于国际标准，在一定程度上也能满足于国内非标准集装箱6。1.2.1 国内研究现状国内的集装箱搬运车吊装机构主要分为折臂以及相应的伸缩臂式。所谓的折臂式一般用于载货甚至特种车辆底盘当中，在进行自装卸作业时，基座和回转机构不能有效完成连续回转运动，不易于进行设计7。伸缩臂式一般用于固定臂或者是多节组合形式的伸缩臂当中，伸缩臂的伸缩、变幅回转由液压泵驱动完成，设计灵活、使用与维修方便。目前，伸缩臂式吊装机构在世界范围内应用越来越广泛。对集装箱自装卸搬运车的研发，我国依旧处于初期。二十世纪末，我国开始研制，产品主要面向军用特种车辆设计生产，如江苏特种车辆厂旗下型号为的自装卸车、北京三兴汽车厂与军队科研院联合开发出的整装整卸形式的车载运油托盘。该产品不仅可以完成集装箱的自装卸和运输，还可以在野外作为起重设备装卸物资，但整车方面的起重举升性能、稳定可靠性、主要部件的力学性能等方面相比于国外还存在一定的不足，自动化程度、整车设计以及人性化方面也有距离8。 图1.1 BSX3260YYTP 型自装卸运油托盘现今，国内工程车辆制造企业已有十余家，例如中联重科浦沅公司、三一集团、徐州集团等， 他们的起重机均在销售以及生产方面趋向于规模化。解放军军事交通学院和湖南浦沅集团联合打造的侧吊自装卸搬运车，选用型专用类型的货车底盘，用支腿稳定支撑，可以快速完成装卸，还安装了双折臂形式的自装卸系统，在执行野外战争当中，能够切实有效进行相应的装卸任务。徐工自主研发的30T单侧自装卸搬运车，不仅能快速自装卸集装箱，其技术水平的创新，缩小了与国外先进技术的差距。 图1.2 徐工集团30T单侧自装卸搬运车1.2.2 国外研究现状在国外，譬如欧洲、美国、加拿大以及日本等国，不管是建筑领域、国防领域，还是民用起重领域、交通运输领域，集装箱装卸车辆使用已经十分广泛，而且已初具规模，对货运和专用车辆装卸技术效率的提升起到了巨大的推进作用。 ，运用最新的理念，拥有极强的场地适应能力、公路承载性能和场地装卸性能。Klaus一直专注于自装卸搬运车挂车方面的一系列研究，在一定程度上可以称之为军队后勤部门的重中之重。的自装卸搬运车装有专用的稳定支腿和举升机构，并且还安装了安全系统，可以有效预防安全事故的发生。其可采用双侧装卸，吊装机构使用范围大于单侧装卸，工作可靠、使用周期长、保养方便。新西兰Swing thru和德国Klaus是集装箱双侧装卸搬运车的主要厂家，Swing thru亦被认为是全球第一家能够进行双侧面操作的公司。Swing thru制造的搬运车举升能力可以归结为、以及等级别类型，相应的尺寸可以达到到英尺。Swing thru生产的可拆式双侧搬运车，吊装机构与底盘的连接方式有三种：滑动式、固定式和可移拆式。它能够进行2层集装箱堆垛，操作系统内增设了安全监测功能，保证了装卸过程的安全6,9。 图1.3 新西兰Swing thru27T双侧自装卸搬运车瑞典HAMMAR是专门设计并生产集装箱自装卸搬运车的公司，1985年，瑞典HAMMAR开始专注于军用自装卸搬运车以及半挂的研究、设计与制造，相应的设计能力日趋完善，主要型号有SL20、150、160和190等，该系列产品支承结构稳定，能轻易举升20-40英尺的集装箱，堆垛能力突出，操作较为便捷，仅需人进行有效把控即可完成相应的装卸、配送，除此之外还能实现满载集装箱堆垛10。 图1.4 HAMMAR 151HS单侧集装箱自装卸搬运车1.2.3 发展趋势近年来，我国经济发展愈发快速，交通日益发达，集装箱运输也发展很快，公路运输在运输总量中所占比例日益增加，这刺激了运输设备的发展。同时，现代技术水平的不断升级使设备研发优化更新，让当代物流业使装卸运输设备的生产商提出更严格的要求11。为使国内运输业、国民经济快速发展，提高搬运车装卸效率，降低装卸成本、提高装卸质量，保证装卸过程安全，对自装卸搬运车的发展趋势提出以下几个方面：（1）整车自动化水平的提高。由于当代物流对安全要求日趋提升，关于在随车人员、运输成本以及确保装卸过程的安全可靠性等方面可以说是必然要求。因此，提高车辆自动化水平必然是未来自装卸搬运车的发展趋势。集装箱提升时超载的安全预警以及蜂鸣提示，防止作业过程中有危险发生；在作业过程中采用线控或遥控传感技术，不仅能够降低操作员工数量，又能够依据现有情况选择适当的视线进行起吊，避免产生视线盲区；为防止装卸过程中产生误操作，对吊装机构和支承腿采取互锁设计。 （2）吊装机构结构轻量化、提高相应的灵活性以及整车性能。当前形势下市面上绝大部分均采用吊装机构以及底盘固定，车身稳定性好，缺点是只与特定底盘连接、装卸集装箱的尺寸不变，不够灵活、自身重量大。车辆自身的重量将减少其载重量，结构轻量化将是以后研发的重要方向之一， 可采取的方法有研发新型材料、研发新加工工艺以增强材料的强度和刚度、设计新型结构等；为使吊装机构更加灵活，可以将吊装机构安装形式由常见的固定式向滑动式或者可拆移式转变，既能保证车辆在装卸时稳定，又能实现不同集装箱的起吊装卸，提高灵活性、增加使用范围。（3）场地适应性更强，全天候工作使用更方便，提高工作效率。早期设备对工作场地的使用条件多、不够灵活。在这之后，虽然单侧搬运车的场地适用性明显提高，能够在大部分地形进行工作，但在个别场地不能一次成功将集装箱装卸至其他车辆，需多次调整车辆找到合适位置进行对位操作。现如今双侧搬运车的广泛应用，提高了搬运车的场地适应性，保证物料运输工作的迅速展开，扩大了应用范围，使各国集装箱的运输更加快捷、高效。（4）经济性、安全性更高。现代化的装卸模式，减少人工成本，提高作业效率，极大的提高了经济性。各种新技术的综合使用，让搬运车各方面的性能更加优越，提供了更高的安全保证。 （5）生产制造标准化、国际化、人性化。随着搬运车装卸系统不断发展，各生产公司越来越关注和注重车辆的标准化，满足用户不同地需求，这不仅缩短了车辆在生产设计过程中的时间，也充分保证了软、硬件的设计余量6。 1.3 本章小结本章主要讲述集装箱自装卸搬运车的相关内容，并对本文的研究背景和意义以及全球关于此种车辆的研究现状及其发展趋势作了详细说明。第2章 吊装机构设计及液压系统分析老式的单侧自装卸搬运车所采用的吊装机构，大部分只装卸固定尺寸的集装箱，或是吊装机构不能完成实时作业，极大地削弱了吊装机构的机动性能。为使吊装机构具有更高的操作性以及机动性，本课题为双侧自装卸搬运车设计了一种吊装机构，可实现集装箱进行双侧变幅装卸、堆垛工作。2.1 集装箱自装卸吊装机构的组成集装箱自装卸搬运车分为两个单元，一个是牵引车其二是半挂，所谓的半挂有涵盖吊装、滑动、液压机构，除此之外还具备一定的相对独立的动力装置。吊装机构是整个车辆的核心部件，决定了搬运车的整车性能，它分为前、后折臂吊组。折臂吊组主要是由起吊总成、基座总成、支腿总成和锁紧装置等，如图2.1，此为吊装机构未工作时（90）与起吊时的情况12。 ， ，图2.1 自装卸搬运车吊装机构简图（1）起吊总成起吊总成用于进行装卸起吊，结构包括变幅油缸、摆动臂和伸缩臂。变幅油缸有两个，分布在摆动臂的两侧，油缸的底部是用转动副与基座进行铰连接。伸缩臂依靠其内的油缸做往复伸缩运动，最大变幅行程3850 mm，最小仰角约34，为保证起吊质量，要解决吊装机构液压部分的液压缸运动同步性问题。摆动臂主要包括摆动臂焊接与摆动臂装配，通过伸缩臂滑块及其他常用连接零件使得摆动臂与基座铰接，摆动臂与伸缩臂的相对滑动由滑块来进行。伸缩臂的构成基本归结于箱式臂体与相应的吊杆，其实际功效在于起升钢丝绳的有效支撑，在一定程度上能够凭借俯仰以及伸缩实现相应工作幅度的改变，相应的滑动机构布置在摆动臂内侧，依托于内嵌的液压缸完成相应的伸缩功能。（2）基座总成位于底盘和起吊机构之间，用于支撑车上回转部分，由基座板、滑移板、装配件组成。基座板将变幅油缸与摆动臂进行连接，再与基座上方固定连接；滑移板位于其下方，依靠电动机的驱动使其沿导轨运动。（3）支腿总成支腿总成起到降低重心稳定车身的作用，能够极大地保证装卸过程的安全性，因此支腿具有不可忽视的地位。支腿总成各个部分可以归结为：固定、活动（也就是所谓的横、纵）支腿以及相应的油缸等。所谓的固定支腿与基座构成固定约束，活动支腿安装在固定支腿中，依靠支腿内延伸油缸控制伸缩行程，进行整车支承任务，在装卸作业完成后支腿内延伸油缸收缩收起。 （4）锁紧装置进行装卸前需将基座移至适当位置并在固定之后才可以实施作业，锁紧装置通过转动副与油缸铰接。在吊装机构进入工作状态后，摆动臂转动一定角度移至适当位置，锁紧油缸开始工作，控制楔形端头与下方滑移板卡和进入锁紧状态。 2.2自装卸吊装机构的工作原理2.2.1集装箱自装卸搬运车装卸工作过程分析（1）在搬运车进行装车作业前要查勘工作场地是否能容许作业，譬如地面干湿度以及相应的硬度、起吊空间范围能不能达到所需要求、周围是否有非工作人员等问题。（2）搬运车到达作业地点，根据目标集装箱型号移动基座调整长度以及调整吊装机构位置并锁紧基座和底盘。 （3）各固定支腿油缸将活动支腿伸出并根据起吊情况来决定支腿伸出长度，支腿内延伸油缸同时工作完成活动支腿下放从而支撑底盘。在具体操作当中相应的支腿必须服从于“早放晚收”原则，也就是事前先放支腿，事后进行支腿收起。（4）摆动臂的伸缩油缸驱动使其达到目标长度，变幅油缸使摆动臂摆动进行变幅，用钢丝绳与吊杆将集装箱安装至吊装机构之后进行起吊完成作业，吊装机构回复至原位。 （5）卸车与装车流程几乎差不多，首先确定相应的卸载场所，同时遵循“早放晚收”规则，用伸缩臂提升集装箱，再由摆动臂油缸驱动，根据放置位置轮流开启变幅油缸与伸缩油缸实现高精度卸载。2.2.2吊臂双侧变幅工作原理液压系统由于其自控程度高、运动惯性小、反应速度快、操纵方便、寿命长，是伸缩式吊装机构变幅系统第一选择。相应的变幅要求存在一定的差异，其内部动力油缸类型也存在差异，比如双作用活塞式以及二级伸缩油缸、单作用柱塞式油缸等。针对于变幅油缸基于相应的位置布置形式可以归结为：前置、后置以及后拉式。前者变幅所需的推力相对较小，仅仅凭借小型液压缸即可完成相应的操作，运作当中吊臂长度相对较短，受弯矩作用小，对臂架受力有利，不过臂架下空间小，结构松散。后置式位置靠后，可以保证机构的稳定性，但所需变幅推力变大。吊臂较长其结构受弯矩影响大，且臂架下空间大对臂架受力不利。后拉形式通常应用在非伸缩桁架式吊臂当中，其前方有效空间相对较大。 所谓的变幅机构可以归结为非工作以及工作性变幅13。前者需要在空载状态下完成相应的变幅实现对起吊装置作业位置的调节。后者在变幅速率方面能够呈现出相对较高的趋势，相应的装卸生产率受限于作业时长，一般表征带载情况下装卸装置的变幅，可以说是自装卸吊装机构运行的重中之重环节。 根据油缸的数量不同，变幅油缸分为单缸式和双缸式。单缸的可变幅推力小，易于调整，维护方便，无同步问题，主要用于小型轮式起重机。双缸的可变幅推力有助于改善摆动臂横向力，两个油缸共用液压油管，并与摆动臂刚度同步，主要用于中型和大型轮式起重机。为使吊装机构在提升时需要有效获取理想形式的提升力矩且保持稳定可靠，常态下空间占比相对较小，满足以上需求最终采用双侧单作用柱塞缸完成相应的同步变幅。通过两个可变幅度的液压油缸进行推动和拉动使得摆动臂完成相应的摆动。一旦吊臂顶部达到额定负载时，液压缸在一定程度上必须满足提升负载峰值下所有可达位置的吊臂的摆动要求。由于一辆搬运车使用两个吊装机构用于装载和卸载，吊臂负载均匀分布，因此单个吊装机构最大载荷Q=12.5t。由于轮胎所具有的支承能力不足以在集装箱进行装载和卸载时提供支撑力，所以装载和卸载时必须降下支撑腿并抬起轮胎离开地面，驾驶时则将支撑腿放回14，每辆车都配有四条支撑腿提高装载和卸载时的稳定性。 在工作状态下，横向支撑腿受油缸驱动作用而延伸。整车共拥有四个横向支撑腿装置。在非工作状态下，纵向及横向支腿处于未伸展形态，两横向支腿位于固定支腿内部，不仅减少车辆体积，提高空间利用率，是轻量化设计的一种，同时更加方便油缸运行。2.2.3滑动机构工作原理滑动机构的最大功能是确保前后吊装机构之间的距离与集装箱的大小尺寸一致，实现单次提升和快速装卸，堆垛零偏差。滑动基座与吊装机构之间为销连接，在提升之前底部用锁紧装置固定于底盘滑轨，吊装机构依靠液压马达使位于底盘的机架进行滑动，从而进行各类尺寸的集装箱的提升与搬运。2.3电控液压系统分析2.3.1电控液压系统的组成和工作原理本文所涉及的液压系统构成可以归结为：（1）能源装置，其能够实现机械能与压力能的有效转化。通常情况下液压泵即为相应的代表，机械旋转压力油的供应。液压泵的位置通常在半挂车的中部前段，依靠发动机进行驱动，由联轴器传递动力。本系统采用双联泵，为整车的液压缸实现动力供给。（2）控制元件，针对于系统压力、流量以及相应的流向进行切实有效的把控与调节，除此之外还具具备一定的逻辑处理以及信号转换等功效。 （3）执行元件，完成相应的压力能到机械能过程的转化，线性运动的代表即为液压缸，周转运动的代表即为相应的液压马达。 （4）辅助元件，以上之外的一系列辅助工效的原件，譬如油箱、过滤器、管道消声器、油雾器、分水滤气器等。（5）工作介质，具体信号以及能量传输的媒介。一般是液压油或者气体。电液控制系统组成部分有：指令元件，比较元件，电控器，比例阀，液压执行器，检测反馈元件。工作原理图如图2.2。 图2.2 电液控制系统与传统形式相比电液控制系统的突出特性在于： 电液比例系统其实质就是比例跟踪系统，输出量在一定程度上以某种精度进行输入跟踪，最终得以实现预期的控制需求； 其可针对于相应的被控量完成比例且连续控制，在一定程度上凭借相对简洁的方式即可实现相对较为复杂的功能； 远程控制局限性相对较小，无论是有线还是无线方式均可实现，运行效果也相对稳定安全可靠； 引入相应的输出反馈，可使控制精度明显提升。反馈信号抵达输入端完成相应的比较形成闭环，可致使精度以及各方面性能进一步改善。电液比例控制的主要优点是：1、电液控制系统操作方便，容易实现远程有线或无线遥控；2、电液控制系统的自动化程度高，可以做到编程集中控制；3、电液控制系统工作过程平稳，加入输出反馈，控制精度很高；4、电液控制系统的结构简单，使用元件较小，对污染不敏感；5、电液控制系统的节能效果很好。2.3.2总体性能要求（1）发动机及油泵、油缸系统采用双联油泵。发动机功率：36.5kW，发动机最高转速：2600r/min，最大工作压力：28.8MPa，。其共同运转时相应的峰值流量可达，也就是说单泵峰值流量可达。上臂油缸全部伸出空载理论最大时间28s，下臂油缸全部伸出空载理论最大时间40s，支腿油缸全部伸出空载理论最大时间24s，支腿内延伸油缸全部伸出空载理论最大时间50s。（2）控制方式电液控制系统的控制方式为多路比例换向阀结合手动控制，控制电压为DC12V，每台可控制4路液压油缸。多路换向阀每路实现单独控制，主臂两油缸可以实现联动，与其它油缸之间互不干涉。油缸动作时平滑，顺畅，无冲击，系统操作灵敏。主臂油缸在一个起吊过程中位置同步误差不大于20mm，系统对于动作的误差可以实现自动调整，以实现两主臂动作均衡，定位准确。 （3）实现功能具体通过双油泵以及相应的合流阀实现速率调整，换向阀进行相应的换向调节。不仅能够实现单动在一定程度上还能实现联动，仅需按钮进行相应的切换即可。凭借按钮即可实现高速空载以及低速重载工况的有效切换。具体的起重级别可以归结为：和，基于支腿相应的伸出位置完成所谓的安全提升，在此过程当中依托于相应的传感器进行相应的反馈，确保在运转过程当中避免侧翻的现象产出。液压锁以及相应的平衡阀固接在油缸当中，在一定程度上能够确保运行安全稳定可靠。整个系统左侧控制4个油缸，右侧控制4个油缸，共控制8个油缸。总回路中需要设置保护回路用来限定液压系统的最大压力。具体的运作环境相对较为恶劣，而且工频也相对较高，大部分的液压元件都局限于进口市场，譬如多路换向阀以及各种形式的泵等，仅由一小部分辅助元件采取国内的产品，系统内部的压力峰值能够实现，并且可以根据相应的需求进行调节。系统还搭载了压力传感器以及相应预警功能的蜂鸣器。基于相应的伸出位置差异，配备了两种存在差异的举升级别，将超载故障的产出率切实有效压低。在进行装载和卸载的过程中，支腿与相应的锁紧机构之间在一定程度上需要保持相对独立，必须避免呈现出支腿回收的同时基座还进行移动等危险情况。由于时间有限不再进行计算和具体选型。2.4自装卸吊装机构设计 2.4.1起吊总成起吊总成中的伸缩臂与摆动臂简称为吊臂，是作业时承受轴向压力，弯矩和扭矩的主要部件，重量约为整个装置的132015,16。吊装机构由伸缩臂直接起吊作业，有较大的起吊高度和可变幅量，伸缩臂结构的性能决定了吊装机构的额定载荷、机构的总重量、重心的分布和稳定性17。因此，在设计伸缩臂时，为了保证吊装机构的性能，必须仔细遴选伸缩臂的安装形式和横截面形式。在进行装载和卸载工作时，伸缩臂可伸缩地在摆动臂内移动。因此，伸缩臂与摆动臂之间的相对滑动应是平滑、流畅、无震动， 加工工艺水平、生产能力和材料利用率都需要考虑到，且能够推广至相关设计上。典型的吊臂横截面如图2.3，包括矩形、折线 U形、多折线 U形、 U形、梨形、椭圆形等18。 a矩形、b折线U形、c多折线U形、cU形、e梨形、f椭圆形图2.3 伸缩式吊臂的截面形式在考虑了我国机械制造业的加工工艺水平、生产能力和材料利用率等因素之后，此次采用矩形截面箱式结构臂体，矩形腔由上下法兰板与腹板焊接19，腹板通常比法兰板略薄，为保证焊接之后吊臂的局部稳定性可以采用增焊加强板筋的方法。 吊臂机构由安装在其内的液压缸驱动，并且摆动臂与伸缩臂之间设置有支撑滑块的支撑件，并焊接4个加强筋，确保二者的力能够稳定传递，从而做到平移滑动， 摆动臂底部与基座铰接20。可变振幅油缸分别布置在摆动臂的两边，再通过两个可变振幅油缸用于在吊臂进行装载和卸载作业时在可变振幅平面中的自由旋转。伸缩臂和摆动臂的结构为箱型，如图2.4、2.5。加强板焊接在承受较大扭矩的区域，以确保两臂的扭转强度。本次设计的伸缩臂尺寸为2642234268（ mm），在进行相应的摆动臂设计当中往往会伴随着一系列的过渡结构的产出，可以采取有效引入增焊加强板实现应力集中现象的切实有效避免21。在距离伸缩臂100mm的上端安装有吊勾及臂架限制器。 同时在吊勾上安装压力传感器和蜂鸣警示器，在起吊超载时做出提示，防止危险事故发生。 图2.4 伸缩臂 图2.5 摆动臂确定摆动臂尺寸是2858310340（ mm），摆动臂上焊有液压缸的安装板，形状为倒三角形，壁厚10 mm，边长为817 mm，油缸安装板增焊4个外径143 mm加强块，外侧焊接有两U型加强块，以确保油缸和摆动臂之间的连接强度，并且在臂体中间部分的左右两侧焊接钢板， 并在钢板上均匀打孔以减轻重量。摆动臂和基座依靠106mm的旋转轴连接，在臂体的上下两边有增焊的加强板。 工作状态一 工作状态二图2.6 两种工作条件下的吊臂装配设计图2.4.2基座总成基座总成的作用是用于连接吊装机构和底盘，在装载和卸载期间承载整个装置重量和集装箱的重量。在滑动运动系统中，基座也就是所谓的机架，其具备个铰接位置以及在侧面呈现出对铰链孔。用于安装和固定提升机构的摆动臂和油缸，底座上有三对定位孔用于安装和固定支腿。 为提高基座抗弯扭强度，增焊横向封板，保证安装强度。 图2.7 基座总成三维设计图为了提高底座设计的强度并确保装卸作业的安全性，需要四个厚度为27 mm的底板，互相焊连，然后再用钢板固定焊连，使可变振幅缸及摆动臂达到径向固定。 图2.8 基座三维立体模型需要注意摆动臂下部要与相应的滑座实现有效配合关系，在其中央部位要预先留出270135的方槽，并且滑板底部设计有滑动导轨和限位装置。 图2.9 滑移座三维设计图2.4.3支腿总成支腿总成对搬运车的支撑能力、最大装卸质量和整车稳定性等方面有非常大的影响，所以支腿总成应当达到足够的强度与刚度，并且确保材料的横截面面积和厚度恒定的条件下，使支腿总成的制造水平最优。 关于支腿设计的难度主要是因为吊装机构设计的提升质量偏大，起吊时整个吊装机构的质量和集装箱的质量直接依靠搬运车的两侧四个支撑腿，吊臂的旋转中心和油缸的支撑点在水平方向和竖直方向上都具有一定的跨度，除此之外，支腿油缸需要具备相对较大的可延伸形式的跨度，受力形式相对繁杂，各个支腿的合理布局提出了更高的要求，吊装机构各部分的装配是支腿总成设计的重点。 图2.10 支撑机构支腿总成的伸缩级别为一级伸缩，下降过程由固定腿和带有内延伸液压缸的活动腿进行下放过程。由于液压缸的限制，固定腿与横向、纵向支架腿在工作条件下互连区域应力极大，它很容易损坏，所以结构方面应该增加焊接钢板和支撑板， 对于焊接的质量更要进行严格的把关。 图2.11 固定支腿在支腿总成中，固定腿由下端焊接的钢板通过六个连接螺栓与底座进行连接配合。活动腿内部装有液压缸，如图2.12，为减轻重量尺寸不宜过大，其最大行程是 1280mm。 图2.12 内延伸油缸 图2.13 纵向支腿2.4.4锁紧装置锁紧装置设置在半挂车的滑动导轨和固定腿上，依靠液压泵的驱动作用，经过齿条的传动使吊装机构进行前后移动，吊装机构移动至正确位置之后，锁紧装置液压缸开始运转，将吊装机构与半挂车实现有效锁紧。 图2.14 锁紧装置三维立体模型2.5本章小结本章具体研究的内容可以归结为以下几各方面：（1）针对于吊装机构切实有效设计并阐述其具体工作原理；（2）对吊装机构各个部分的原理做出分析，明确了设计的要求和目标，该吊装机构由起吊总成、基座总成、支腿总成、锁紧装置等部分组成； （3）通过设计详细地说明了吊装机构的主要部件， CATIA对吊装机构的各个部分进行三维建模，给后续的受力分析提供基础资料。 第三章吊装机构的静力学分析3.1自装卸吊装机构吊臂的作业工况分析在对集装箱进行装载和卸载的过程中，可以分为下列四大工作状态22,23。（1）可变振幅油缸驱动伸缩臂伸出但是没有进行装卸时，伸缩臂的伸缩量为2065毫米，整体的受力由摆动臂、伸缩臂以及相应的辅助部件本身的重量造成的，相比之下，相应的伸缩臂承受的力相对较小。（）伸缩臂的运行的动力源可以归咎于振幅可调的油缸进行切实有效驱动，摆动幅度为3850毫米，此时水平夹角为最小值34，单臂的额定起重能力为5吨。此时整个伸缩臂受到673750 N m的弯矩，处于危险工作状态。伸缩臂在此时具有最大受力，最高的强度与刚度要求以及最差的工作稳定性。（）在集装箱货物的重量没有超过规定提升重量的工作条件下，可变振幅液压缸驱动摆动臂，伸缩臂没有全部伸出，提升工作稳定进行，吊臂的强度和刚度都能满足要求。（）可变振幅油缸驱动摆动臂，在伸缩臂伸出量为435毫米，摆动变幅的幅度为2500毫米时提升集装箱，此工作状态下单臂的额定起重能力为12.5吨，此时整个伸缩臂受到687500 N m的弯矩，此为起吊过程的另一种危险工作状态，在这种情况下，有必要计算伸缩臂和摆动臂的设计强度、刚度和工作稳定性。3.2伸缩臂的静力学简化分析吊臂的各个高度状态下对于不同可变振幅长度的设计工作量的最大值如图3.1。 图3.1 可变振幅工作量（mm） 由于各种工作状态下吊装机构的工作特性不同，所以我们选取最差的工作状态着重进行分析，即起吊能力为10吨和25吨时的工作状态，如果在这两种情况下臂体的刚度与强度没有问题，就能说明整个臂体在进行装载和卸载时是没有安全问题的。3.2.1 材料特性及许用应力 吊装机构的主要材料为 HG70，部分衬套和加强块由45钢和方钢制成，各材料的元素组成和机械性能参如表以及所示24。 表3.1 材料成分构成0.42-0.5表3.2 力学方面的各种性能参数 3.2.2 伸缩臂运动分析 如图 3.2 所示，呈现出吊装机构运动过程当中的示意图。 图3.2 吊装机构运动简图已 知 ：边 长KB=232mm，KO=895.5mm，BO=920mm，HJ=DI=291mm，IO=2471mm，DO=2565mm，EOB=EOK+KOB=+KOB，设计可变参数EOK=33.9,90，即吊臂的仰角，HDB=12.33,15.06，依据吊装机构的提升能力能够算出吊臂伸缩臂的两种最差工作状态25： 工作状态一：当 min= 33.9，伸缩臂全伸，可变幅度 3850mm 提升能力175KN；工作状态二：当 min= 33.9，伸缩臂全缩，可变幅度 2500mm 提升能力 275KN。若果在这两种工作状态下臂体的刚度和强度没有问题，就能说明整个臂体在进行装载和卸载时是没有安全问题的，伸缩臂内部所受弯矩的峰值情况下在一定程度上即为最危险的状态，针对于工作状态一进行相应的静力学强度分析。 3.2.3 伸缩臂强度分析 关于伸缩臂所承受的载荷可以归结为自重 Q、当起重装置在提升、回转、卸载等过程中引起的载荷、起升载荷和风载荷。此次设计的吊装机构工作环境多为室内所以不会考虑风载荷影响。吊臂载荷如图3.3。 图3.3 伸缩臂受力（工作状态一）伸缩臂整体是由金属制成，动载荷则是因为集装箱忽然升起以及下降过程当中完成相应的制动所产出。求解方式可以归结为利用冲击系数与相应的平面的载荷数值大小进行乘法运算，具体公式涉及到，其中代表下昂扬的动载荷系数，一般情况下在区间内进行选取。在确保吊装机构平稳运行、没有过度冲击的情况下，可为1.25。把吊臂载荷P2分解，即为FY与载荷P2的夹角，在吊臂位于受力最不利工作状态下取 33.9，得到公式FX=P2 sin ，FY=P2 cos （3.1）在所有的运转形式当中，如图3.1所示呈现出伸缩臂相应的危险截面，其在与摆动与伸缩臂相互交错层面的横截面。倘若完成载荷从吊勾处到该截面的移动，会伴随着相应的附加力矩产出，力臂可以理解为伸缩臂伸出量的大小，即为。 图 3.4 伸缩臂危险截面以及相应的受力分析其轴向力为：N=FX=1.25PQ sin （3.2）剪力： Q=FY=1.25PQ cos （3.3）最大弯矩： M伸缩臂=FYL=1.25LPQ cos （3.4）此时的截面特性图如图 3.5 所示26， 图 3.5 伸缩臂截面图（单位：mm）由于臂体受到轴向力 N 和弯矩 M 的影响，T-S最大轴向压应力27： （3.5）空心矩形的抗弯截面系数，由图3.5知钢板的厚度为 16mm，B=234mm，b=202mm，H=268mm，h=236mm，故，大约是。其最大剪应力是： （3.6）由第四强度理论得到伸缩臂复合应力是：综上所述，当伸缩臂位于工作状态一条件时，其强度符合使用要求。 3.2.4 伸缩臂稳定屈曲分析 由起重机设计规范中所述，对于箱型截面构件，当其截面高度 H 与两侧板之间的宽度 B之比小于等于3时，由于伸缩臂的，相应的侧向屈曲必能实现相应的稳定性要求，此处不再赘述。其腹板高 H 与厚之比求解如下28： （3.8）所以，伸缩臂的腹板符合局部稳定性要求。 伸缩臂的腹板之间被压法兰板的宽厚比： （3.9）通过求解可知，承受压力的法兰板满足局部稳定性的相关要求。3.3 摆动臂的静力学简化分析 3.3.1 摆动臂强度分析 伸缩臂在摆动臂的内腔中滑动，对于摆动臂被剪切的最不利工况，对工作状态二：当为最小值33.9，伸缩臂完全缩回，可变幅度2500mm，额定提升能力 275KN 时验证并分析摆动臂的刚度和强度。摆动臂的危险横截面为可变振幅液压缸与支撑腹板铰接平面，如图3.6，其截面特性如图 3.7 所示。 图 3.6 摆动臂最大弯矩截面 图 3.7 摆动臂截面特性（单位：mm）在液压系统的设计中，需要有效降低液压缸同步现象对结构的作用，本文将其进行振幅可调相关设计，具体涵盖了：向左侧或者右侧进行变幅过程当中相应的液压缸受到一定的外力作用，在低压情况下确保切实有效的同步性。如图所示呈现出摆动臂的力学模型： 图 3.8 摆动臂力学模型 基于图可了解到，与该种工况相应的。针对于点列举力矩方程得： （3.10）此时P2 =1.25PQ =1.25275000 N，L1=IO=2471mm，L2=291mm，根据工况 L取435mm。因此可得：， （3.11） 图 3.9 摆动臂铰接点的受力示意图吊臂整体处于受力平衡状态，由图 3.8 和 3.9 可以得到： （3.12） （3.13）根据弯矩平衡，因此 （3.14） （3.15）也可以表明为相应的危险截面，如图 2.10所示。 其剪切应力峰值求解式为： （3.16）式中符号 ，。由于伸缩臂需要在相应的摆动臂当中进行相对滑动，在此过程当中轴向力凭借液压缸进一步抵达摆动臂底端销，摆动臂的轴向力依靠N1x，摆动臂也经受弯矩M摆动臂max。所以，摆动臂受到的轴向压应力的最大值是： （3.17）其中抗弯截面系数W=2040423.40410-9m3，摆动臂截面面积A约为1288310-6 m2。由第四强度理论得，摆动臂的复合应力是： （3.18） 所以摆动臂的最不利工作状态是变幅距离为 时，结构强度可以满足各项要求。 3.3.2 摆动臂横向稳定屈曲分析 针对于箱型截面形式，其截面的高度与两侧板间宽所呈现出的比值低于的情况下，当横截面足以确保结构件的横向刚度时，可以不计算弯曲结构构件的侧向屈曲稳定性。 因为摆动臂的，故能够满足侧向屈曲稳定性相关要求。 （3.19）所以摆动臂的腹板符合局部稳定性要求。 摆动臂的腹板之间的被压法兰板的宽厚比： （3.20）基于以上求解可知，摆动臂受压翼缘板能够满足局部稳定性相关要求。3.4 结构的焊接处理 由于自装卸吊装机构各个部件的外观相对较为繁杂，而且结构呈现出厚度不够均匀的态势，故其材料绝大多数都选取强度相对较高的 钢，在制造过程中需将箱体结构及加强板组件焊接成型。 焊接状况不良会引起很多问题，导致整体构件的强度有所下降，完整性方面不能够得到切实有效保障。在焊接方面确保不缺焊，无裂纹、夹渣、气孔，在一定程度上尽可能的降低残余应力，是焊接制造搬运车的重点与难点。 由于吊装机构的结构复杂，板、梁较多，焊接应采用重叠角焊，并适量增加角支撑肋和顶盖，并且选用合适的角支撑板。使用引弧焊或退弧焊的焊接方法，焊材可以使用磁性焊条，从而可以让吊装机构具有高的焊接强度。另外，可在水平方向上将各加强筋和垫板焊接并把垫板竖直焊在受拉法兰板上，防止受拉法兰板发生局部变形。 3.5 本章小结 本章主要内容总结如下： （1）分析搬运车在工作时的情况，由吊装机构在不同工况下伸缩臂的受力情况，判断得到伸缩臂和摆动臂的受力情况最危险的2种危险工作状态。 （2）伸缩臂工作状态一：当max=33.9，可变振幅距是 3850mm，此时的提升能力是 175KN，伸缩臂全部伸出；工作状态二：当max=33.9，可变振幅距是 2500mm ，此时的额定提升能力是 275KN，伸缩臂为未伸出状态。 （3）对伸缩臂进行受力分析画出受力的结构简图，完成了工作状态一条件下的受力分析并校核。算出其危险截面的最大应力值是320.1 MPa，比材料的许用应力393.3 MPa小，所以刚度符合要求。 （4）对摆动臂进行受力分析并画出受力的结构简图，完成了工作状态二条件下的受力分析并校核。算出其危险截面的最大应力值是73.88 MPa，比材料的许用应力393.3 MPa小，所以刚度符合要求。 （5）根据起重机设计规范要求在一定程度上完成了横向稳定性屈曲校核，结果表明完全满足相应局部稳定性相关要求。 （6）对吊装机构结构的焊接方案进行了解释说明。 第四章自装卸搬运车吊装机构结构强度有限元分析 搬运车吊装机构可分为起吊部分、基座部分、支腿部分、锁紧装置，本章主要讨论的内容是摆动臂和伸缩臂的性能以及吊臂的性能。用3D建模软件 CATIA创建吊装机构的3D模型，用 AWb进行静力学仿真，认识仿真学在研发设计重型机械设备中可以起到怎样的作用29。由于电脑软硬件行业的快速发展，运用有限元对工程问题进行技术运算，已经是该领域的常用方式，运用有限元法可以使工作效率更高，计算更精确30,31。 4.1 虚拟样机软件选择4.1.1 三维建模软件CATIA选择 CATIA是 PLM协同解决方案的重要组成部分，在航空航天、汽车工业、造船工业等应用极多。生产厂商通过CATIA的建模功能创造全新的产品，并支持从开始到结束全部的工业设计流程。CATIA的核心技术有：采用了先进的混合建模技术，做到了真正的交互操作； 各个模块具有全相关性，三维模型的修改，能完全体现在二维模型，模拟分析，模具和数控加工的程序中；CATIA多模型链接的工作环境及混合建模方式，使得并行工程研发模式大行其道，大大缩短研发周期；从产品开始研发到最后研发完成，CATIA拥有全面的开发功能，覆盖研发的整个过程32。4.1.2 有限元分析软件ANSYS 选择ANSYS是应用最广最多见的工程类软件，主要包括前处理、分析计算、后处理三个模块，能够完成各种分析处理及优化工作。 ANSYS软件的功能有实现电子设备的互联、仿真各种类型的结构材料、简化复杂流体动力学工程问题、基于模型的系统和嵌入式软件开发。ANSYS能够和Creo， NASTRAN、 Algor、 I DEAS、 AutoCAD等软件进行数据交换，具有强大的网格划分能力和后处理功能。本课题自装卸吊装机构的结构力学分析使用的是ANSYS Workbench（ AWB），能与CAE、ACIS( SAT)、 IGS、 IGES、 x_ t/ x_ b、 Stp/ Step等进行数据交换33。 图 4.1 CAD-CAE 仿真协同流程其处理模块主要有三种：（1）前处理模块：具有多种功能，能够构造各种模型，还能够进行与第三方软件的协同仿真，有利于进行模型导入。 （2）分析计算模块：主要开发有结构、流体动力学、电磁场、声场、压电以及相应的多场的耦合等分析模块，在一定程度上具备相对较强的灵敏性，能够适应于各种工况的仿真需求。 （3）后处理模块：可将最终的计算结果以多种方式表现，如梯度方式、彩色等值线方式、粒子流迹方式、矢量方式、立体切片方式、粒子流迹方式、透明及半透明方式等，同时也能以图表形式将结果打印输出。 4.2 伸缩臂结构相关的有限元分析 4.2.1 建立有限元模型本项研究基于建立三维模型，为保证有限元分析精准性，在绘出实体建模模型时通过对支撑边界选择、载荷变化方式多方面思考，于是做出适当简化34，为使分析精度不会受影响，应该满足以下条件35： （1）模型尺寸的数值应有较高的精准度，可以正确模拟结构的实际外观形状，另外在做出简化之后保证主要的设计功能可以实现，故此，对实体形状的边界条件、支承状况以及负载要求必须达到高度精确。 （2）简化后模型仍有较好地经济性。对于用ANSYS的建模分析，最为重要的一点是如何对模型进行合适的调整从而得到较高的准确性和经济性。我们应该确保在简化物理模型并准确反映工作状态的前提下尽可能降低经济成本。综上，在建立有限元模型时做出以下改变：提升的集装箱质量均匀地施加在整个吊臂上；忽视小倒角、圆角、圆孔等结构，不影响整体应力分布； 忽略加工时产生的各类误差； 4.2.2 CATIA模型与 ANSYS 分析环境的对接 ANSYS具有很强的实体建模功能，可以执行自上而下和自下而上的建模方法，由于吊装机构的早期设计已经通过 CATIA软件做完了，现在将 ANSYS与 CATIA软件进行协同仿真数据交换做到数据的无缝连接。在CATIA环境的3D模型与 AWB软件之间的无缝连接中，有必要将在 CATIA中组装完成的3D模型转换格式后导入至 AWB内，从而得到吊装机构的系统模型，如图4.2： 图 4.2 AWB 软件与 CATIA 对接 图 4.3 导入后的文件 导入模型后，测试实体模型以防止由于实体模型有重叠的线和结构而在后续解决方案过程中出现问题。 4.2.3 AWB 分析前处理 预分析处理包括添加材料属性、接触处理、坐标系设置、网格划分，此次设计使用的是 HG70钢， 参数设置及实现用 AWB的 Engineering Data完成，如图4.4。 图 4.4