一种机械自锁式液压支腿在专用汽车上的应用.pdf

l TE CHNI C F oR UM／ 技 术论 坛 l 2 o 1 2 ／ o 4 一 种机械 自锁式液压支腿在专用汽车上的应用 Ap pl i c a t i on o f A Me c h a n i c a l S e l f - l o c k i n g Hy d r a u l i c Ou t r i g g e r i n 段喜营王震 DUAN Xi - y i n g e t a l 黄河实业集团河南须河车辆有限公司 河南长葛4 6 1 5 0 0 摘要 设计开发 了一种机械 自锁式液压支腿 ，介绍了该支腿 的液压 原理及结构特点 ，并通 过计算校核了支腿的稳定性 ，为专用汽车的安全承载提供了新的选择 。 关键词机械 自锁式液压支腿结构安全 Ab s t r a c t A s e l f - l o c k i n g h y d r a ul i c o u t r i g g e r wa s d e ve l o p ，a n d t h e h y d r a ul i c p r i nc i p l e a n d s t r u c t ur e f e a tur e s wa s i n t r o d u c e d． Ac c o r d i ng t o t h e c a l c u l a t i o n t h e s t a b i l it y o f t h e o ut r i g g e r wa s c h e c k e d ，a n d a n c w s a f e l o a d i n g d e v i c e wa s pr o v i d e d f o r s pe c i a l pu r p s oe v e h i c l e ． Ke y wo r ds me c h a n i c a l s e l f - l o c k i ng hy d r a u l i c o u t r i g g e r ； s t r u c tur a l ； s a f e t y 中图分 类号U4 6 9 ． 6 ． 0 3文献标识码 B文章编号 1 0 0 4 0 2 2 6 2 0 1 2 0 4 0 0 9 3 0 3 1前言 随着专用汽车的快速发展 ，人们对专用汽车改装功能的要求 越来越高 ，特别是近几年我国传媒业的 陕速发展 ，带动了以宣传 为主要功能的流动宣传车 的快速发展。为了保证演出舞台的安全 稳定 ，流动宣传车底盘前后都配备有底盘支腿 ，目前采用的支腿 按结构形式可分为机械 式和液压式两种。 机械式支腿具有支撑稳定、防止降落、定位准确等优点 ，但 是机械 式支腿操作费时费力 ，在要求方便操作快捷的宣传车上 ， 机械 式支腿的使用具有很大的局 限性。随着液压系统在汽车行业 的广泛应用 ，液压支腿以其操作方便 、安装空间多变、支撑力大 而在 宣传车上得以广泛应用。但是 ，由于液压 系统 自身存在难以 克服 的局限性 ，如内泄 ，抗污能力差等 ，导致其在长时间负荷 下 会出现 自动下降现象 ，如果自泄量过大 ，会造成车辆损坏 ，甚至 出现人身伤亡事故。虽然很多液压厂 家采用液压锁等液压部件进 行优化设计 ，但仍然无法保证液压支腿长时间负荷后不会出现 自 泄下降的问题。 为了从根本上解决传统支腿使用的局限性 ，提高液压支腿的 定位精度和安全性 ，研发出一种机械 自锁式液压支腿，并成功在 专用汽车上得以应用。 该种支腿采用电控操作 ，既能实现远程 自动控制，又解决 了 由于液压内泄造成支腿下降的不安全 问题。此外 ，在 同样支撑 力 的情况下，该支腿的刚性优于常规液压支腿，抗风能力更强。 2 布置与结构设计 下面以1 3 m半挂宣传车为例进行设计分析说明。 第一作者 段喜营 ，男 ，1 9 7 4 年 生 ，助理工程师 ，现从事 专用车 设计和研 发工作。 2 ． 1 支腿布 置 支腿通常布置于专用汽车车厢的四个角附近 ，合理选择受力 连接点后 ，在与其他相关配件不干涉的情况下 ，支腿布置时应尽 量增加其跨度 ，以增大其支撑稳定性 。双桥 1 3 m半挂宣传车的支 腿布置位置以常规半挂厢车支腿布置为参照 ，同时还需兼顾液压 管路 、储藏箱 、侧 部围裙等相关附件的布置 ，并合理选择支腿布 置点，这样不但能够提高支腿的使用寿命，而且能够保证车辆的 行驶和工作安全。车辆支腿布置如图1 所示。 图1半挂 车支腿 布置 2 ．2 支腿设计方案 设计开发 的1 3 m半挂宣传车 ，车厢外壳需具备垂直液压升降 结 构 功 能 ，驻 车 状 态要 求 保 证 车厢 前 后 水平 偏 差小 于 3 0 mm。若 支腿出现 自泄偏差较大的现象 ，则当车厢外壳上升和下降时 ，会 出现运动卡死的现象 ，此时传统液压支腿 ，无法满足实际使 用需 要 ；同时 ，由于车厢自重为3 0 t ，若采用传统机械支腿 ，其操作时 间长 ，工作强度大 ，无法满足宣传车快速搭台的功能需要 。因 此 ，设计开发一款以液压支腿功能为主，同时兼有机械支腿 防止 下落功能的组合支腿才能满足该半挂宣传车的功能所需。 2 ． 3 支腿结构 支腿结构如图2 所示 ，机械自锁式液压支腿采用外部刚性支撑 TE CHNI C F oR UM／ 技术 论坛l 2 0 1 2 ／ 0 4 和内部液压支撑组合的结构 ，内部采用液压支腿结构作为升降的 动力 ，外部支撑采用优质型钢作为支撑 ，内外 结构 通过销轴 连 接 ，通过电控系统实现其工作升降，自锁机构保证其工作状态的 安全稳定。自锁机构的设计主要为了便于支腿微调 ，其采用手动 操作 ，操作手柄只有 “ 断开”和 “ 锁止”两个动作 ，仅在调整完 毕和工作完毕时操作 ，锁 头和齿条部件加工时 ，表面需进行调质 处理 ，以保证其强度和使用寿命。液压原理如图3 所示。 机械 自锁式液压支腿具有其他形式支腿所没有的优越性能 。 首先 ，其外部刚性支撑采用优质型材结构 ，足够的刚性保证了车 体支撑的稳定性 。内藏的液压支腿升到工作位置时 ，由于外部 自 锁机构采用棘轮结构 ，当拉下操作手柄 ，即实现支腿自锁 ，不会 出现负载下降的情况 ，有效地保证了高度支撑的稳定性；其次， 内置液压缸主要提供支撑力 ，由于有外部刚性支撑的保护 ，能够 避免油缸受侧向力的影响而缩短其使用寿命 ，能够有效地保护液 压缸的活塞杆不会被硬物击伤 ，从而延长了液压缸使用寿命。支 腿采用电控同步行走和分步微调两种控制方式 ，能够适应不同地 面环境作业。该结构在半挂车上的实际应用如图4 、5 所示。 闭合状态 支撑管 调 阀 支撑 油缸 锁机构 伸展状 { } 一 m_ 图2 支腿结构 图 图3 支 腿 液 压 原 理 图 图3 中，A ． 、A 、A 、A 为液压支腿 、 、 、 为电磁通 断阀；B 为双 向液压锁 ；C 为电磁换向阀。电控操作说明 当 或 与 、 、 、 同时工作时 ，支腿油缸可以同步伸出。 当支腿在地面不平状态工作时，可以单独控制 或 与 、 、 、 中任何一个来实现支腿微调 ，从而保证车厢前后及左右 均处于水平状态，并可采用水平尺作进一步确认。 图4 支腿 收起状 态 图5 支腿 锁止工 作状 态 2 ． 4设计计算 2 ． 4 ． 1 支腿油缸和外 刚性支撑设计 2 ． 4 ． 1 ． 1支 腿油 缸设计 根据支腿功能需要 ，支腿油缸采 用单活塞双作用液压 缸结 构。根据缸筒 内径公式 D l 4 F 、 J P 式中，P 为油缸工作压力， ／ 9 - 2 0 MP a ，F 为油缸推力，F 1 0 0 k N。 求得，D≈8 0 mm。 活塞杆的直径根据速比来确定，公式如下 d D 』 一 1 式中， D为缸筒内径； 为速比，此处 2 。 计算得出d 5 6 ． 5 6 fi l m，查表选取活塞杆直径d - 7 0 mm。 根据挂车车架的安装空间和车厢离去角的安全距离确定油缸 的闭合长度为8 5 0 mm，查手册可知 ，缸筒内径为8 0 mm的油缸闭 合长度S 3 0 0 ，其中 为油缸行程 ，则油缸行程S 5 5 0 m m⋯ 。 2 ． 4 ． 1 ． 2外刚性支撑设计 根据支腿油缸的外形尺寸、安装空 间和支撑压力，查阅设计 手册 ，选用结构用冷弯空心型钢 1 2 0 mmX 1 2 0 mmX 5 m m作为外 刚性支撑。 2 ． 4 ． 2 外刚性支撑 稳定性校核 2 ． 4 ． 2 ． 1计算柔度 根 据公 式 i 、3 式中，沩 惯性半径 ；I r 为惯性矩 ， 4 ． 8 5 X 1 0 。 m m ；A 为截面面 积 ，／ 1 2 ．2 4X1 0 mlT t 。 计算得到，i ≈4 6m m。 根据柔度公式 2- ffl ／ i 式中， 为长度系数 ，l k t 2 ；『 为惯性半径，i 4 6 mm，， 为支撑长 度 ， 1 4 0 0 mm。 计 算得 出 6 0 ． 8 6 。 因优 质碳 钢 的柔度 1 0 0 ，2 2 6 0 ，而 ，，则该刚性支撑为中柔度杆 。 2 ． 4 ． 2 ． 2 校核稳定性 查表可得优质碳钢的直线公式的系数 a 4 6 1 MP a ，b 3 MP a ， 则临界应力 一b 2 2 7 8 ． 6 MP a ，临界压力 v 6 2 2 k N，其 中A 为截面面积。 外刚性支撑管工作稳定安全系数 为n F／ F 6 ． 2 2 。查 阅设计手 册可知 ，常用零件的稳定 安全系数n w 3 - 8 ，故该外 刚性支撑管满 足稳定性要求 。 2 ． 4 ．3 支腿油缸的强度和稳定性校核 2 ．4 ． 3 ． 1支腿油缸的强度校核 支腿油缸的强度校核主要是针对活塞杆的强度校核 ，活塞杆 强度校核公式为 d ≥ ／ 、 ／ [ 】 式中 ，d 为活塞杆直径 ，m m； F 为活塞杆 的作用力 ，N；[ ] 为活塞 杆材料的许用应力，[ 卅 ／ s ， 为安全系数 ，一般取s 2 - 4 。 4 5 号钢的许用应力为 [ 叫 ／ s 9 0 MP a 。 计 算 可 得 √ 厂 3 7 -6 m m ， 而 活 塞 杆 直 径 7 0 m m ， d 3 7 ．6 m m，可见支腿油缸的强度符合要求⋯ 。 TE CHNI C F ORUM／ 技术 论坛l 2 0 1 2 ／ 0 4 2 ． 4 ． 3 ． 2 支腿油缸的稳定性校核 惯性矩卢z t d／ 6 4 1 ． 1 7 8 1 0 m m4 ，则校核活塞杆稳定性的公式 为 Fk z r E1 1 0。 ／ 式中， 为活塞杆弯 曲失稳临界压缩力，N；K 为液压缸安装及导 向系数 ，取K I ． 5 ；E 。 为实际弹性模数 ， E ／ 1 a 1 6 ， 1 ． 8 0 1 0 MP a ， a 为材料缺 陷系数 a 1 ／ 1 2 ，b 为活塞杆表面不均 匀系 数 ， b l 1 ／ 1 3 ，E 为材料弹性模数 ，E 2 ． 1 0 1 0 MP a ， 为活塞杆 截面惯性矩m ，L B 为液压缸支撑长度 计算可得 3 1 7 k N。 则此支腿油缸的工作稳定安全系数 3 ． 1 7 ，其中F 为活 塞杆负载压力，k N。查阅设计手册可知 ，常用零件的稳定安全系 数n 3 8 ，由校核结果可知 ，支腿油缸能够满足稳定性要求 。 3 结语 机械 自锁式液压支腿采用液压和机械组合结构 ，同时具备液 压支腿方便快捷和机械式支腿定位准确的功能 ，可以有效地保证 支腿 的稳定性 、安全性 ，避免油缸 自泄导致车厢出现支撑偏差 ， 保证 了支撑精度，具有广泛的推广和应用价值。 参考文献 [ 1 ]雷天觉． 新编液压工程手册[ MI ．北京 北京理工大学出版社， 1 9 9 8 [ 2 ]刘鸿文 材料力学[ M] ．上海 高等教育 出版社， 2 0 0 1 ． [ 3 ]徐达， 丛锡堂． 专用汽车构造与设计 [M] 北京 人民交通出版社， 2 0 0 8 收稿 日期 2 0 l 2 0 2 1 0 f 上接第9 2 页 5 新方案结构强度分析 在侧翼板新方案中，横向内部横 梁全部使用了槽钢 ，加强筋 使用方管，纵向内部去掉了外侧 方管 ，通过对新方案的质量计算 可知 ，质量M- - - 6 4 5 k g ，比原方案质量增加 了4 5 。通过对其静 态分析 ，最大应 力值与原方案相 比减少 了约2 5 Mp a 。位移 图解如 图9 所示 ，变形位置和状态也发生变化 ，变形量约为4 N6 mm，由 图1 0 位移图解探测结果可看出 ，变形范 围内的变化率很小 ，基本 成直线状态 。这一变形产生的原 因是 ，虽然其整体抗弯 强度增 强 ，但是其所受弯矩仍会导致其产生一定量的微小变形，此变形 不会对侧翼板的展合造成影响。总之 ，分析结果表明 ，新方案完 全可以满足侧翼板的使用要求。 6 结语 通过采用S o l i d Wo r k s 软件实体建模方法和其插件S i m u l a t i o n 有 限元分析 工具 ，清晰地找出了流动舞台车侧翼板变形 问题 的本质 所在 。对侧翼板的结构和材料运用分别进行了分析 ，并进行 了有 效地改进 ，通过对改进后方案的计算分析 ，使其最终结果达到较 为理想的状态 ，能够满足车辆的使用要求。此改进方案为日后流 动舞台车侧翼板的结构优化、改进提供了参考。 参考文献 [ 1 ]陈超祥， 叶修梓 S o l id Wo r k s S i m u l a t i o n 基础教程 [M] 北京 机械工业出版社， 2 0 1 0 ． [ 2 ]王文斌．机 械设计手册 [ M] ． 北京 机械工业出版社，2 0 0 7 ． [ 3 】蔡广新， 邹春伟 工程 力学 [M] 北京 机械工业出版社， 1 9 9 9 ． 收稿 日期 2 0 1 2 ． 0 2 ． 2 7