童 望，萬 珊

（1.湖北中科智能裝備制造有限公司，湖北 黃岡 438000；2.湖北黃岡應(yīng)急管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 黃岡 438000）

0 引言

調(diào)平支腿廣泛應(yīng)用于各種需要調(diào)整高度和保持穩(wěn)定性的場(chǎng)合。在檢修調(diào)試時(shí)，手動(dòng)操作帶來便利。手動(dòng)操作與自動(dòng)操作必須互鎖，保證人身安全。

現(xiàn)有的手動(dòng)機(jī)構(gòu)有3 種：1）沒有手動(dòng)機(jī)構(gòu)[1-4]，不能進(jìn)行手動(dòng)操作；2）有手動(dòng)機(jī)構(gòu)，無互鎖機(jī)構(gòu)[2]；3）有手動(dòng)機(jī)構(gòu)，有互鎖機(jī)構(gòu)。其在減速箱內(nèi)部設(shè)有離合器，還設(shè)有傳感器檢測(cè)離合齒輪的位置。該方案結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，容易產(chǎn)生故障，檢修難度大。為此提出一種適用于液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的調(diào)平支腿互鎖設(shè)計(jì)方案。該方案采用了簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有成本低、耐用性強(qiáng)、檢修方便等優(yōu)點(diǎn)，大大提高了其使用便利性和效率。

設(shè)計(jì)帶有上述互鎖裝置的調(diào)平支腿整機(jī)，通過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明該設(shè)計(jì)方案的有效性和優(yōu)越性。希望通過該方案的研究，為調(diào)平支腿的設(shè)計(jì)在提升安全性，降低成本方面為相關(guān)領(lǐng)域提供有價(jià)值的參考。

1 總體設(shè)計(jì)思路

在確定平臺(tái)支撐方案[5]后，開始設(shè)計(jì)調(diào)平支腿部件。如圖1 所示。

圖1 調(diào)平支腿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

根據(jù)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)，調(diào)平支腿的驅(qū)動(dòng)部分采用液壓馬達(dá)。減速部分為齒輪減速箱。伸展撤收部分采用滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)，并通過選擇合適的螺旋升角實(shí)現(xiàn)自鎖。

驅(qū)動(dòng)部分有兩路動(dòng)力源，一路是液壓馬達(dá)，另一路是手動(dòng)，兩個(gè)動(dòng)力源都連接到驅(qū)動(dòng)軸上。為保證手動(dòng)操作的安全，在手動(dòng)操作時(shí)，液壓馬達(dá)必須停機(jī)，這個(gè)要求由互鎖機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

互鎖機(jī)構(gòu)采用了新的思路。其兩路動(dòng)力源始終與驅(qū)動(dòng)軸保持連接。在自動(dòng)狀態(tài)下，阻塞手動(dòng)操作搖把與支腿之間的機(jī)械連接。在手動(dòng)操作時(shí)，電控系統(tǒng)切斷液壓馬達(dá)供油。

2 螺旋傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算和校核

梯形螺桿選用40Cr 調(diào)質(zhì)處理，物理性能優(yōu)良，螺母選用ZCuZn25Al6Fe3Mn3 鋁黃銅。以耐磨性和強(qiáng)度計(jì)算基本尺寸，對(duì)可能存在風(fēng)險(xiǎn)的項(xiàng)目進(jìn)行校核計(jì)算[6]，見表1。

表1 校核計(jì)算分析情況

3 液壓馬達(dá)選型

液壓馬達(dá)的主要性能參數(shù)有轉(zhuǎn)速n、轉(zhuǎn)矩T和效率η，根據(jù)這些參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行馬達(dá)選型。

由梯形絲桿軸的扭矩和齒輪箱的傳動(dòng)比可得：T=223N·m，n=85 r/min，取η=0.8。

優(yōu)選選擇工作壓力高、排量低的馬達(dá)，在輸出功率相同時(shí)，減小液壓系統(tǒng)的體積和重量。

根據(jù)供應(yīng)商產(chǎn)品目錄中馬達(dá)的工作壓力范圍，選取p=14 MPa。

計(jì)算得到流量Q=10.6 L/min，排量q0=125 mL/rev。

根據(jù)排量q0，額定壓力p，額定扭矩T，轉(zhuǎn)速n的范圍，從目錄中選擇合適的型號(hào)。

4 齒輪減速箱的設(shè)計(jì)

減速器主要由兩對(duì)直齒輪和一對(duì)錐齒輪組成，有三根立軸、一根水平軸（手動(dòng)軸）及相應(yīng)的軸承，以及箱體、箱蓋、軸承座。在減速器上設(shè)計(jì)有手柄接口，在維修時(shí)，通過手柄操作實(shí)現(xiàn)支腿的伸縮?；窘Y(jié)構(gòu)見圖2 所示。

圖2 齒輪箱剖視圖

驅(qū)動(dòng)軸上的圓柱齒輪與中軸上的大圓柱齒輪嚙合實(shí)現(xiàn)第一級(jí)減速，中軸上的小齒輪與螺桿軸上的齒輪嚙合實(shí)現(xiàn)第二級(jí)減速。與液壓設(shè)計(jì)協(xié)同計(jì)算，確定馬達(dá)與螺桿軸的傳動(dòng)比為4.1。

錐齒輪嚙合提供手柄操作接口。手柄的回轉(zhuǎn)半徑≤350 mm，操作力≤160 N。據(jù)此計(jì)算出錐齒輪的傳動(dòng)比為4.08。

5 手動(dòng)自動(dòng)互鎖設(shè)計(jì)

在液壓馬達(dá)運(yùn)行時(shí)，不得進(jìn)行手動(dòng)操作。互鎖機(jī)構(gòu)通過機(jī)電結(jié)合的方式得以實(shí)現(xiàn)該功能。

自動(dòng)操作時(shí)，手柄接口被遮擋（圖3 左），驅(qū)動(dòng)軸由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。此時(shí)，手動(dòng)軸上的錐齒輪會(huì)跟轉(zhuǎn)；由于此時(shí)在手動(dòng)軸上幾乎沒有負(fù)載，而且手動(dòng)軸的使用頻率很低，故對(duì)整機(jī)壽命沒有的影響。

圖3 互鎖機(jī)構(gòu)

手動(dòng)操作時(shí)，手柄接口沒有被遮擋（圖3 右），可以連接手柄。此時(shí)，電控檢測(cè)到手柄接口處于開放狀態(tài)，在此狀態(tài)下液壓馬達(dá)的供油被切斷。需要了解的是，手動(dòng)操作時(shí)，液壓馬達(dá)會(huì)跟轉(zhuǎn)。由于液壓馬達(dá)在卸載后僅有很小的阻力，對(duì)操作力的影響很小。

6 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在設(shè)計(jì)完成后，需要采用樣機(jī)驗(yàn)證關(guān)鍵性能。按如下步驟進(jìn)行：

（1）將樣機(jī)固定到推力實(shí)驗(yàn)臺(tái)上（見圖4）。

圖4 調(diào)平支腿推力實(shí)驗(yàn)圖

（2）用手柄操作使支腿伸展至最大行程的90%左右。

（3）給樣機(jī)逐步施加載荷，至200 kN 停止，保持5 分鐘后卸除載荷。注意觀察實(shí)驗(yàn)過程中是否有異常噪音，在保持載荷的過程中是否有回退現(xiàn)象；卸除載荷后檢查是否有彎曲變形、結(jié)構(gòu)損壞，操作是否靈活。

（4）給樣機(jī)施加150 kN 的初始載荷，保持試驗(yàn)臺(tái)加載板的位置。用手柄操作使支腿伸展，載荷逐漸增加。在載荷達(dá)到160 kN 時(shí)，用推力計(jì)推動(dòng)手柄繼續(xù)加載，讀取推力計(jì)顯示的值。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，機(jī)械設(shè)計(jì)方案是適當(dāng)?shù)模軡M足技術(shù)要求。

經(jīng)用戶裝車聯(lián)調(diào)測(cè)試（見圖5），互鎖裝置實(shí)現(xiàn)了期望的功能，安全有效。

圖5 調(diào)平支腿裝車狀態(tài)

7 結(jié)語

調(diào)平支腿在工程車輛和特種車輛上應(yīng)用廣泛，其設(shè)計(jì)成熟可靠。而且動(dòng)力來源和執(zhí)行方式多種多樣，減速器的設(shè)計(jì)各有特色。為了安全起見，帶有手動(dòng)功能的調(diào)平腿需要有手動(dòng)自動(dòng)互鎖裝置。文中的互鎖機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零件數(shù)量少，減輕了整機(jī)重量，提升了整機(jī)的可靠性，降低了生產(chǎn)成本和使用維護(hù)成本，可根據(jù)使用場(chǎng)景評(píng)估后酌情采納。