随车垂直升降液压装卸机构的设计

    随车装卸液压升降机构是安装在货车以及各种厢式车辆尾部的一种液压传动式装卸设备。该设备以汽车自身电瓶为动力源，配合铲车或手动叉车，通过简单的操作，可以非常方便地完成数吨货物的装卸作业，可以大大提高货物的运输配送效率。 

    目前国内在用的随车装卸液压升降机构多采用电液驱动的四连杆机构来完成货物的装卸作业，如图1所示。该机构存在如下缺点：为了避免四连杆机构和液压油缸运动到上止点时与车尾发生干涉，需要对货车尾部进行较大的改动，甚至包括车尾灯等都需要进行位置调整；车型适应性差，车厢底板离地高度不同的货车要求采用不同规格的四连杆机构；安装还要受车尾底部大梁与后轮间空间的影响，即它的安装需要有足够的车尾长度；该机构略显臃肿，且结构较为复杂等。 

    为了克服上述诸多不足，目前国际上正在发展一种新型的可垂直升降的液压装卸机构。 

    2  垂直升降液压装卸机构的结构原理 

    垂直升降液压装卸机构主要由板面、举升油缸、翻转油缸、导轨、动力单元、控制系统等组成。如图2、图3所示机构的控制器中可设置一个电源总开关和三个按钮，通过组合操作来控制机构完成各种动作。按钮A为点动式按钮开关，控制动力系统中电机的启动与停止。按钮B与动力系统中二位三通电磁换向阀关联，控制换向阀的工作腔。按钮C则与动力系统中卸荷阀关联，控制卸荷阀的开与闭。其货物的装卸过程如下： 

    2．1  装货作业 

    当按下操纵按钮组件5中的电源总开关时，垂直升降液压装卸机构进入工作状态，此时若按下翻转油缸控制按钮B+C，则翻转油缸3卸荷，尾板4在自重的作用下，向外打开，直至板面水平；当按下举升油缸控制按钮B时，整个垂直升降液压装卸机构垂直下降，直至尾板下落至地面，此时利用手动叉车或其他工具将货物堆放到尾板板面上；再操作举升油缸控制按钮A，通过行程开关可以较为精确地控制机构位移，使尾板板面自动上升到与货车车厢底板齐平或所要求的高度；将货物推进货厢后再按翻转油缸控制按钮A+B，尾板板面4在翻转油缸的作刚下收回到原始的垂直状态，完成装货作业。 

    2．2  卸货作业 

    卸货作业过程与装货作业相反：按下翻转油缸控制按钮B+C，翻转油缸3卸荷，尾板4在自重的作用下，向外打开，直至板面水平；当车厢内的货物移到尾板上后，按下举升油缸控制按钮B使举升油缸卸荷，整个垂直升降液压装卸机构垂直下降，直至尾板下落至地面，待货物移离尾板板面4后，按下举升油缸控制按钮A，尾板板面则自动上升到与货车车厢底板齐平或所要求的高度，然后按下翻转油缸控制按钮A+B，尾板4在翻转油缸的作用下收回到原始的垂直状态，如此便完成了卸货作业。 

    3  垂直升降液压装卸机构的设计  

    3．1  载荷分析 

    载荷分析是结构设计的基本步骤，也是选择和确定动力驱动方式的主要依据。若在尾板板面距O1距离为L2处施加载荷G(如图4、图5所示)，则垂直升降尾板各个主要部件的受力如下： 

    3．1．1  举升机构和板面回收机构受力分析 

    举升机构动力主要由举升油缸B提供，如图4所示。 

    3．1．2  板面回收机构受力分析 

    板面的打开与回收由翻转油缸A提供动力，如图5所示。 

    3．1．3  相关计算及公式 

    以尾板板面整体为研究对象，列受力方程： 

    F2 - G - f = 0       (1) 

    以O1点为转点，由∑MO1=0有： 

    GL2 - F1L1sina = 0       (2) 

    通过以上简要受力分析，可以得到翻板油缸A和举升油缸B所受作用力F1、F2与载荷以及机构参数的关系如下： 

    其中，由于整个机构与导轨之间相对运动速度较慢(y≤60mm/s)，且为滚动摩擦，故摩擦力f可不予考虑。则在计算过程中可以认为f≈0。即：  

    将相关数据代入上述公式，可计算出初步设计结果，进而确定执行液压油缸基本参数。若液压系统工作压力为P0(MPa)。则 

    参照国标液压缸内径及活塞杆外径尺寸系列，选定翻转油缸A缸筒内径DA活塞杆外径dA及举升油缸B缸筒内径DB。 

    3．2  确定执行机构尺寸 

    根据车辆尾部车厢结构尺寸，可以初步确定垂直升降尾板的板面尺寸；根据货厢底板离地高度，可以确定垂直升降尾板的最小举升高度；此外，根据尾板板面承载情况及相应受力计算、液压缸强度条件等，可以初步确定各执行机构的相关尺寸，进而确定具体结构。 

    3．3  液压控制系统的确定 

    液压控制系统的设计是垂直升降尾板设计的另一个重要环节，选择和确定适宜的液压控制回路是其关键所在。 

    3．3．1  液压控制回路的设计 

    垂直升降尾板采用如下点动式液压控制回路(如图6所示)。该回路中，电磁换向阀3通过与卸荷阀的共同作用，可控制举升机构上升、停止或者下降以及翻转机构的回收或打开；卸荷阀4在工作过程中可起保压作用，还可使尾板在工作过程中在任意高度停止或者下降；而溢流阀6起到调定液压系统工作压力、防止液压系统过载等保护的作用。  

    3．3．2  控制阀动作分析 

    由上可知，电源按钮A控制电机通过齿轮泵产生高压油经单向阀和二位三通电磁阀3到举升油缸，使机构向上运动。松开按钮A，则机构可在任意高度停止。按住按钮B即使2DT得电，则卸荷阀4接通，整个机构下降，松开即在任意高度停止。按住电源按钮A，并同时按住按钮C使1DT得电，以切换三位二通阀3，即可实现垂直尾板板面的回收。按住按钮B和C即使1DT和2DT同时得电，则可使翻转机构中的翻转油缸卸荷，则垂直升降尾板板面在自重作用下向外翻转打开。 

    3．3．3  确定油源控制装置 

    根据整个机构承载工况，确定系统工作压力P0，通过液压缸工作流量的相关计算，选定液压泵、液压阀、液压管、油箱等，根据液压泵站压力及流量选定相应电机功率。相关计算公式如下： 

    由此有：  

    式中，LH为垂直尾板最大举升高度，mm；LA为举升油缸最大工作行程，mm；υ为垂直尾板上升速度，mm／s，查阅相关行业标准可得；P0为系统工作压力，MPa；Q为系统所需流量，ml／s；n为电机转速，r／min；Pw为电机功率，kW；P为齿轮泵排量，ml／r；η为系统效率。 

    至此，整个液压控制系统基本确定。 

    4  结论 

    本文所述的垂直升降液压装卸机构不仅具行结构简单、易于操作、控制系统成本低廉等特点，且它在汽车上的安装无需对汽车大梁及汽车尾灯的安装位置等进行任何改动；同时，其最大上升高度可以高于车厢地板平面直至到车厢顶面，对多层次的厢式货物的装卸尤为方便；尾板的收起紧贴车厢尾部，占用空间小。因此它具有较强的实用性，值得大范围的推广和应用。 

    参考文献 

    1. 孙祥海. 流体力学. 上海：上海交通大学出版社，2000.12. 
    2. 王文斌，林忠钦，严隽琪等.机械设计手册.北京：机械工业出版社，2004.8. 
    3. 戴 卓编.汽车电子控制装置.北京：北京理工大学出版社，2000.1. 
    4. 陈家瑞.汽车构造.北京：人民交通出版社，1995.5. 
    5. 冯 渊.汽车电子控制技术.北京：机械工业出版社，1999.6.