■趙鵬達(dá) 許江濤 馮全杰 吉祖雙 邢超

〔新疆天鵝現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備有限公司，新疆五家渠831300〕

自走式棉模運(yùn)輸車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算

■趙鵬達(dá) 許江濤 馮全杰 吉祖雙 邢超

〔新疆天鵝現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備有限公司，新疆五家渠831300〕

一、國內(nèi)外的棉花運(yùn)輸設(shè)備現(xiàn)狀

棉模運(yùn)輸是棉花機(jī)械化采收過程中的一環(huán)，棉模運(yùn)輸車是將棉模轉(zhuǎn)場運(yùn)輸時(shí)必需的一種機(jī)械裝備。

美國、澳大利亞等產(chǎn)棉大國棉花三模設(shè)備（打模、運(yùn)模、開模）已經(jīng)普及多年，產(chǎn)品種類與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)基本定型。美國擁有全球領(lǐng)先的棉花加工技術(shù)及運(yùn)輸設(shè)備，代表著世界先進(jìn)技術(shù)水平。在美國，所有機(jī)型中自走式棉模運(yùn)輸車所占的比例在70%以上，其余部分為半掛牽引式棉模運(yùn)輸車，總體呈現(xiàn)由半掛式棉模運(yùn)輸車向自走式棉模運(yùn)輸車過渡的趨勢。可見自走式棉模運(yùn)輸車是棉花運(yùn)輸設(shè)備的發(fā)展趨勢（詳見圖1）。

圖1 牽引式（上）與自走式（下）對比

目前棉模運(yùn)輸車在新疆主要產(chǎn)棉區(qū)基本普及。新疆天鵝現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備有限公司自2006年在農(nóng)六師103團(tuán)推廣國內(nèi)第一臺棉模運(yùn)輸車以來，至今市場保有量在400臺以上，目前也有多家企業(yè)生產(chǎn)類似的棉模運(yùn)輸車。經(jīng)過多年的產(chǎn)品推廣，棉農(nóng)和加工廠已經(jīng)完全接受了機(jī)采棉棉模運(yùn)輸模式，并認(rèn)識到三模設(shè)備在實(shí)際生產(chǎn)的優(yōu)勢。

然而，目前國內(nèi)的棉模運(yùn)輸車全為半掛牽引式，2013年以前，國內(nèi)還未有廠家涉足自走式棉模運(yùn)輸車。該公司自2013年率先開展自走式棉模運(yùn)輸車的可行性調(diào)研工作。

二、自走式棉模運(yùn)輸車存在技術(shù)優(yōu)勢

自走式棉模運(yùn)輸車相對于牽引式棉模運(yùn)輸車結(jié)構(gòu)不同，具有一定優(yōu)點(diǎn)，與牽引式運(yùn)模車之間形成互補(bǔ)，可以細(xì)化棉模運(yùn)輸車市場，用戶可根據(jù)需求確定使用哪種棉模運(yùn)輸車。

（一）結(jié)構(gòu)簡單，易操作

自走式棉模運(yùn)輸車采用一體式結(jié)構(gòu)，車頭與車體之間不需要牽引銷鉸接，整體式布局使得駕駛員的操控性有很大改善。在裝卸棉模時(shí)，需要一定對正要求時(shí)，其易操作性尤為突出。

（二）動(dòng)力足，適應(yīng)性好

自走式棉模運(yùn)輸車采用后驅(qū)型式。驅(qū)動(dòng)橋同時(shí)又是主承重橋，軸荷較大，大的軸荷帶來更大的摩擦力，增加了在冰雪等摩擦力較低路面的行駛通過能力。

（三）動(dòng)力可靠性高，維護(hù)成本低

一體式棉模運(yùn)輸車在裝卸棉模時(shí)采用取力器直接從底盤發(fā)動(dòng)機(jī)獲取動(dòng)力，動(dòng)力更充沛的同時(shí)，節(jié)省了一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的購買成本以及維護(hù)成本。用戶不再需要同時(shí)維護(hù)兩臺發(fā)動(dòng)機(jī)，明顯提高整體的可靠性和降低維護(hù)成本。減少一臺發(fā)動(dòng)機(jī)也同時(shí)降低了駕駛員的操作復(fù)雜度，駕駛員只需在駕駛室內(nèi)就可以進(jìn)行裝卸棉模的操作。

（四）舉升方式簡化，提高裝卸效率

因?yàn)椴捎靡惑w式底盤，也就是不再需要采用移動(dòng)式輪滑結(jié)構(gòu)，操作時(shí)只需要直接進(jìn)行鏈床的舉升動(dòng)作，同時(shí)微調(diào)履帶位置，從而減少了裝卸棉模的操作時(shí)間，提高了裝卸棉模的工作效率（表1），明顯提高地區(qū)棉花儲運(yùn)進(jìn)度。

表1 工作效率參數(shù)對比

（五）經(jīng)濟(jì)的使用模式

自走式棉模運(yùn)輸車在制作成本上會有增加，因此售價(jià)上可能會有6萬元～10萬元的提升，但是用戶不再需要額外購買牽引汽車（新車14萬元左右），同時(shí)減少了一份購買手續(xù)和保險(xiǎn)等費(fèi)用，對于用戶來說實(shí)際是更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的一種選擇。

除以上所述五點(diǎn)外，自走式棉模運(yùn)輸車還具有安全性高、舒適性好、相對環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。為此自走式棉模運(yùn)輸車必將成為運(yùn)模車技術(shù)發(fā)展方向之一，具有廣闊的應(yīng)用前景。

三、整機(jī)結(jié)構(gòu)及計(jì)算過程

自走式棉模運(yùn)輸車采用汽車Ⅱ類底盤作為基礎(chǔ)，加裝鏈床組件和履帶行走組件，通過取力器獲取底盤發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力帶動(dòng)液壓泵，整機(jī)在裝卸棉模時(shí)均使用液壓系統(tǒng)進(jìn)行工作。

（一）確定底盤結(jié)構(gòu)尺寸

選取某型號載貨汽車底盤為原型，保證汽車道路行駛最小轉(zhuǎn)彎直徑24 m的要求。經(jīng)改進(jìn)確定底盤軸距尺寸為6 600+1 300（6 600代表前軸中心與后軸中心距離，1 300代表后軸中心與車尾的距離），采用6×4載貨結(jié)構(gòu)，最大行駛速度75 km/h。

圖2 受力坐標(biāo)系

（二）確定鏈床和底盤連接尺寸

鏈床組件根據(jù)模塊尺寸要求限定有效長度11 mm，最大傾斜角度13°，確定了底盤與鏈床的連接位置為前軸后方7 885 mm。

（三）計(jì)算前后軸荷、重心高度和安全角度

1.運(yùn)模車主要部件分為底盤、鏈床組件、履帶組件，計(jì)算滿載時(shí)需要包括重10 t的標(biāo)準(zhǔn)棉模。根據(jù)各個(gè)組件的質(zhì)量與重心坐標(biāo)（表2）及以下公式計(jì)算各軸軸荷與重心高度：

式中：

L——運(yùn)模車前后軸距尺寸；

G——空載時(shí)的整車質(zhì)量，滿載時(shí)為整車質(zhì)量加標(biāo)準(zhǔn)棉模質(zhì)量之和。

表2 組件質(zhì)量及重心坐標(biāo)

經(jīng)公式計(jì)算結(jié)果：

空載時(shí)，后軸軸荷G2=10 835 kg，

前軸軸荷G1=4 865 kg；

滿載時(shí)，后軸軸荷G2=19 882 kg，

前軸軸荷G1=5 818 kg，重心高度H=1 653 mm。

在空載與滿載情況下，前后軸軸荷均符合供應(yīng)商對于軸荷數(shù)據(jù)的要求。

2.根據(jù)重心高度H和輪寬B（2400）計(jì)算安全角度：

則β=35°，滿足β≥32°的使用要求。

（四）計(jì)算主要連接點(diǎn)強(qiáng)度

在自走式運(yùn)模車整個(gè)工作過程中，鏈床組件與底盤聯(lián)接的連接銷受力最為集中，成為整車最薄弱環(huán)節(jié)，需要重點(diǎn)對其進(jìn)行力學(xué)分析。

1.裝卸棉模時(shí)的最大受力位置是當(dāng)傾斜角度13°，且棉模重心位于連接銷正上方時(shí)，此時(shí)受力F1為：

式中：F2x、F2y為傾斜時(shí)鏈床組件作用在連接銷上水平分力和豎直分力，根據(jù)公式計(jì)算此時(shí)F1=139 485 N。

2.當(dāng)棉模提升至鏈床最左端后，鏈床逐漸恢復(fù)水平過程中，連接銷的受力逐漸隨著傾斜角度變化而變化，此時(shí)：

式中：θ——油缸與底盤的水平夾角；F合y——鏈床與棉模重力之和在連接銷上的分力。

不論鏈床傾斜與否，其大小不變，當(dāng)θ最小時(shí)，連接銷受力最大。根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，可知此時(shí)θ=12°，計(jì)算F1′=542 610 N。

圖3 連接銷受力

3.選取F1和F1′中較大者用來對連接銷進(jìn)行強(qiáng)度校核。

圖4 連接銷應(yīng)力分析

首先選擇連接銷（2件）材料為45#鋼調(diào)質(zhì)處理，δs=355 MPa，直徑為60 mm，中間帶有φ6加油孔，利用SolidWorks有限元分析插件進(jìn)行計(jì)算（圖4），因?yàn)檫B接銷的工況較差，選擇安全系數(shù)應(yīng)在2倍以上。經(jīng)過計(jì)算，連接銷的安全系數(shù)S=2.1，證明設(shè)計(jì)連接銷滿足強(qiáng)度要求，且保留足夠的安全系數(shù)，連接銷的直徑應(yīng)確定為60 mm。

（五）計(jì)算傾斜油缸工作時(shí)最大壓力

自走式棉模運(yùn)輸車的液壓系統(tǒng)參考牽引式棉模運(yùn)輸車進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，其中主要變化為傾斜油缸部分，需要對其進(jìn)行工作壓力計(jì)算和校核。

通過分析計(jì)算可知，油缸壓力最大位置為θ=12°時(shí)，根據(jù)傾斜角度和連接位置計(jì)算油缸行程為750，參考其他數(shù)據(jù)，初步選擇傾斜油缸采用SG-100/ 63X840油缸，則油缸舉升時(shí)的所需推力為：

單個(gè)油缸工作所需要的壓力為：

證明油缸壓力遠(yuǎn)小于液壓系統(tǒng)最大工作壓力15 MPa，滿足壓力設(shè)計(jì)要求。雖然油缸壓力遠(yuǎn)小于系統(tǒng)壓力，但是同樣為了保證油缸的穩(wěn)定性，必須計(jì)算油缸的穩(wěn)定安全系數(shù)。

（六）傾斜油缸活塞桿的穩(wěn)定性校核

傾斜油缸雖然受力小于連接銷，但是其較大的伸長量，導(dǎo)致傾斜油缸容易出現(xiàn)失穩(wěn)后彎曲變形現(xiàn)象，需要進(jìn)行穩(wěn)定性校核。

根據(jù)手冊查找并計(jì)算：

因?yàn)棣耍睛?，桿件處于線彈性范圍，據(jù)此使用歐拉公式計(jì)算臨界載荷Pcr：

將數(shù)據(jù)帶入中心壓桿穩(wěn)定條件公式：

式中：λ—壓桿的柔度；λ1—比例極限柔度值；μ—長度系數(shù)；l—壓桿的計(jì)算長度；A—橫截面面積；E—材料的彈性模量；σp—比例極限；η—穩(wěn)定系數(shù)；I—橫截面的形心主慣性矩；Pcr—臨界載荷；P—單根油缸實(shí)際載荷。

查表油缸活塞桿的許用穩(wěn)定安全系數(shù)4≤nw≤6，油缸剛好滿足使用條件。

以上針對自走式棉模運(yùn)輸車設(shè)計(jì)時(shí)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算和校核，首要重點(diǎn)是要保證自走式棉模運(yùn)輸車的道路行駛安全性，而后對主要零部件的機(jī)械強(qiáng)度和液壓件的工作壓力計(jì)算校核①。通過公式（6）和公式（11）分析：可以通過增大角度θ或者降低油缸行程l，降低所需油缸的外形尺寸來滿足同樣的使用要求。如果底盤允許，可以使用更小的油缸降低制造成本。

四、試驗(yàn)與推廣情況

為了能夠驗(yàn)證自走式棉模運(yùn)輸車的結(jié)構(gòu)合理性、安全性和可靠性，公司通過試制樣機(jī)，先進(jìn)行了基本功能和安全性試驗(yàn)，改進(jìn)后進(jìn)行了長時(shí)間的可靠性試驗(yàn)。通過兩階段的試驗(yàn)證明，雖然自走式棉模運(yùn)輸車符合最初的設(shè)計(jì)要求，并在工作效率和可靠性方面有明顯的優(yōu)勢，但是隨著圓形棉模的不斷推廣，需要自走式棉模運(yùn)輸車順應(yīng)市場變化，同樣適用于圓模的運(yùn)輸工作，后期可以進(jìn)行功能拓展開發(fā)。

盡管產(chǎn)品存在諸多優(yōu)勢，但是產(chǎn)品的推廣卻遇到了一點(diǎn)問題，導(dǎo)致目前未形成大的銷量。自走式棉模運(yùn)輸車的特殊使用環(huán)境，使得用戶對其上路行駛時(shí)是否需要掛牌和購買相應(yīng)保險(xiǎn)存在一定疑惑。新疆天鵝現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備有限公司針對問題進(jìn)行了咨詢，因?yàn)樽宰呤矫弈＿\(yùn)輸車已超出農(nóng)用車標(biāo)準(zhǔn)，而且汽車標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)也未有符合的分類標(biāo)準(zhǔn)，對于這一新型產(chǎn)品沒有適合的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。雖然產(chǎn)品符合運(yùn)模車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但是卻不能幫助產(chǎn)品獲得牌照，對此需要廠家與有關(guān)部門進(jìn)行溝通，尋找合適的解決方案②，并且不斷完善產(chǎn)品和產(chǎn)品的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。

五、結(jié)束語

本文通過對自走式棉模運(yùn)輸車的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行闡述，表明了產(chǎn)品的應(yīng)用前景。在闡述了自走式運(yùn)模車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算過程中，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了其道路安全性和主要工作部件的可靠性計(jì)算。雖然有牽引式運(yùn)模車作為參考，但是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)的特殊性，產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)需要符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，所以還必須考慮符合有關(guān)道路行駛安全性的標(biāo)準(zhǔn)。另外自走式運(yùn)模車是新型產(chǎn)品，在推廣過程中遇到一些問題，需要廠家與有關(guān)部門溝通解決。目前國內(nèi)自走式的棉模運(yùn)輸車才剛剛開始起步，達(dá)到大面積推廣和使用還有一段路要走，但其高效率、適用廣、經(jīng)濟(jì)可靠等優(yōu)點(diǎn)，必將使其成為我國運(yùn)模車中主力型式。

注釋：

①此文只列出自走式棉模運(yùn)輸車與牽引式棉模運(yùn)輸車存在較大差異部分的計(jì)算過程，其余計(jì)算與牽引式棉模運(yùn)輸車大致相同。

②希望能夠獲得汽車特種車分類，并制定相關(guān)的產(chǎn)品鑒定標(biāo)準(zhǔn)。滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的產(chǎn)品可以通過有關(guān)部門獲得車輛牌照，即獲得明確的道路行駛許可?！?/p>

工業(yè)高新技術(shù)科技攻關(guān)與成果轉(zhuǎn)化

項(xiàng)目名稱：7MZ-10自走式棉模運(yùn)輸車的研制（2015AB004）