多功能破障车设计说明书.docx

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多功能破障车设计说明书

引言

地震发生后，大面积的建筑物倒塌，城市道路交通严重堵塞。

在山区，山体滑坡后，主要干道的路况也十分复杂（如图1）。

如果不能及时清理路面，则很多过往车辆会受困于道路中，并且救援车辆及运送救灾物资的车辆也无法及时赶到救灾现场。

自然灾害发生后，救援时间就是生命。

能否以最快的速度到达救援现场，及时运送救灾物资，对于受灾人员来说非常重要。

因此，快速地清理受堵路面显得至关紧要。

图1灾后复杂路况

在救援实践中，救援现场往往需要多种救援作业交替进行，而大型设备往往功能比较单一或者功能较少，现场移动或转换作业面比较困难，不足以应对现场多种作业需求。

那么能否采用增加只有单一功能的设备数量来解决这些问题？

由于救援空间受限，难以使多种设备同时作业，并且还会产生现场混乱和设备彼此影响等问题。

为解决以上情况，目前多是依靠大型的工程机械来打通道路，但是由于地震后路面上的杂物很多，情况很复杂，通常有大型的石块、碎石、泥土和树枝等，也有在大型设备无法靠近或者是需要更多种类现场作业时，依靠人力（如我们的专业救援队，广大消防、武警和解放军官兵）携带一些专业的手持液压或者汽动工具甚至简易工具在现场进行救援（如图2）。

但这样的作业方式，不仅仅救援效率较低，而且救援人员风险较大。

所以亟需种集合了多种常用功能（挖、抓、剪、推、碎）并且能快速转换的的专用破障车。

图2人力救援

以上就是设计多功能破障车的初衷。

此项设计在现有的救援机械上进行改进和结构优化，实现“挖、抓、剪、碎和推”集合在一部车上，基本可以满足一般的破障作业和现场救援需求。

多功能破障车的设计

1基本组成与工作原理

图3多功能破障车

1.1系统组成

多功能破障车主要由发动机、液压系统、工作装置、回转装置、行走装置和电气控制等部分组成。

采用履带式底盘。

工作装置的基本组成包括以下几个部分：

集成了挖、抓、剪三种功能的前臂；拥有破碎功能的后臂；装在前端的推铲。

1.2基本工作原理

多功能破障车起动后，在柴油机的带动下起动液压系统。

液压传动系统通过液压泵将发动机的动力传递给液压马达、液压缸等执行元件，推动工作装置动作，从而完成各种作业。

2多功能破障车的主要结构尺寸（mm）

A履带接地长度3830

B履带长度4640

C配重离地间隙1115

D尾部回转半径2965

E上部宽度2840

F总高度3000

G最小离地间隙480

H轨距2580

动臂长度5850

斗杆长度3050

I总长9920

J动臂高度3220

K履带板宽度680

L总宽度3180

3车身的整体布置

现在市场上的多功能装载机一般只配置了两个功能在一个车上，少有集成两个以上的功能的，少数的设计成可换头来实现多功能的变换。

基于上述的现状，我们设计出了集多个功能为一体的多功能破障车。

这种多功能破障车与传统的机械有着很大的不同。

车身的前臂设计成集挖、抓、剪这三种功能为一臂。

前臂的铲斗与设计的爪子配合使用正好可以实现挖与抓这两种功能的转化，而且也使空间更加紧凑。

同时，前臂还设计了一个液压剪，大大提高了这种多功能破障车的工作效率。

后臂的破碎装备不仅解决了车身整体的配重问题，而且还使得该机械能适应更加复杂多变的施工环境。

把传统的装载机的一根臂延伸设计成相互交叉两个臂，不仅使工作效率大大提高，而且也可以使车的整体稳定性能更好。

图4三维效果图

4控制系统的选择与设计

考虑救援现场的环境仍然十分恶劣，得先保证救援人员的人身安全，才能更好的发挥救援作用。

为此设计的控制系统为遥控操作和随车操控相结合。

面对危险的作业环境，作业人员可以远程遥控破障车避免受到伤害。

5动力系统的选择与设计

考虑到整个机械上集成了多个功能，整个车身比较重，所以以液压为动力是比较合理的选择。

液压不仅技术成熟，而且液压提供的动力大，适合用于需要大功率的机械上。

履带式液压多功能破障车的传动路线是：

油缸（各种功能的实现）

发动机→离合机→油泵→控制阀油马达（回转）

油马达（行走）

6行走装置的选择与计算

6.1行走装置的选择

设计采用履带式行走装置。

履带式行走装置的特点是牵引力大，接地比压小，因而越野性能好，爬坡能力大，且转弯半径小，机动灵活。

目前履带式行走装置装置零部件已标准化，有利于批量生产，降低成本。

履带式行走装置的这些特点使破障车在湿软或高低不平等不良地面行走时具有良好的通过性,爬坡性能和转向性能,这也是灾后作业环境所要求的。

轮胎式行走装置的优点是机动性好，运行速度快。

轮胎式行走装置的缺点是接地比压较大，爬坡能力较小。

挖掘时需要专门的支腿使机身稳定。

灾后的路面环境要求作业机械要有较好的稳定性,而轮胎式行走装置的重心较高,,在稳定性方面明显劣于履带式行走装置。

使用轮胎式行走装置也增大了车体作业时倾斜的风险。

此外,在混乱的环境中作业,轮胎式行走装置也易于被尖锐的利器扎破,进而无法在作业。

轮胎式行走装置较适用于地面较为平整的城市建设中。

综上,尽管履带式行走装置仍存在运行速度较低,行走时会损坏路面等缺点,但在灾后的复杂作业环境中,履带式行走装置无疑是最佳的选择。

6.2履带接地比压

履带式液压挖掘机的承裁能力大小取决于挖掘机运行时的通过性和作业时的稳定性。

若挖掘机的两条履带与地面完全接触，并且挖掘机重心近似地位于支撑面中心，则挖掘机对地面产生的压力则称为履带平均接地比压：

或

（kPa）

（1）

式中G——挖掘机的工作重量，N；

L——履带的接地长度，cm；

b——履带的宽度,Cm；

——履带的高度，cm。

以我们设计的尺寸G=246960N,L=383㎝,b=68㎝。

代入上式公式计算得，P=0.47㎏f/㎝²。

7三合一前臂设计

7.1前臂结构

图5前臂

7.1.1动臂

动臂是反铲装置的主要部件，其结构有整体式和组合式。

我们选择的是整体式的。

整体式动臂的优点是结构简单，质量轻而刚度大。

其缺点是更换的工作装置少，通用性较差。

多用于长期作业条件

相似的挖掘机上。

（因为我

们的设计是把多个功能都集成在一起，不需要更换装置，所以整体式的缺点对于设计影响不大。

）整体式动臂又可分为直动臂和弯动臂两种。

其中的直动臂结构简单、质量轻、制造方便，主要用于悬挂式液压挖掘机，但它不能使挖掘机获得较大的挖掘深度，不适用于通用挖掘机；弯动臂是目前应用最广泛的结构型式，与同长度的直动臂相比，可以使挖掘机有较大的挖掘深度，但降低了卸土高度，这正符合挖掘机反铲作业的要求（采用的是弯动臂）。

7.2铲斗

7.2.1基本要求

1）铲斗的纵向剖面形状应适应挖损过程各种物料在斗中运动规律，有利于物料的流动，使装土阻力最小．有利于将铲斗充满。

2）装设斗齿，以增大铲斗对挖掘物科的线比压，斗齿及斗形参数具有较小的单位切削阻力，便于切人及破碎土壤。

斗齿应耐磨、易于更换。

3）为使装进铲斗的物料不易掉出，斗宽与物料直径之比应大于4：

1。

4）物科易于卸净，缩短卸载时间，并提高铲斗有效容积。

7.2.2结构

反铲用的铲斗形状、尺寸与其作业对象有很大关系。

为了满足各种挖掘作业的需要，在同一台挖掘机上可配以多种结构型式的铲斗，图7、图8分别为反铲用铲斗的基本形式和常用形式。

铲斗的斗齿采用装配式，其形式有螺栓连接式和橡胶卡销式，如图9所示。

铲斗与液压缸连接的结构形式有四连杆机构和六连杆机构。

如图10所示。

其中的四连杆机构连接方式是铲斗直接铰接于液压缸，使铲斗转角较小。

工作力短变化较大；六连杆机构连接方式的特点是，在液压缸活塞杆行程相同条件下，铲斗可获得较大转角，并改善机构的传动特性。

图7反铲用铲斗的基本形式

1-齿座；2-斗齿；3-橡胶卡销；4-卡销；5、6、7-斗齿板

图8反铲常用铲斗结构

（a）螺栓连接；（b）橡胶卡销连接

1-卡销；2-橡胶卡销；3-齿座；4-斗齿

图9斗齿安装形式

（a）四连杆结构；（b）、（c）、（d）六连杆结构

1-摇杆；2-推杆

图10铲斗与液压缸连接方式

7.2.3斗容量计算

反铲斗容量的计算（参阅图11）公式为

（安息角1：

1）及

（安息角2：

1），即

（

）

（2）

（

）（3）

式中A——斗口长度，m；

——前面内宽度,m；

——后面内宽度，m；

F——铲斗横截面积，m²。

（a）SAE或PCSA标准；（b）CECE标准

图11反铲斗容量的计算简图

准备设计成V=1.2m³。

7.3反铲挖掘力的计算

现结合反铲挖掘机挖掘力计算简图12，分别计算斗杆液压缸理论挖掘力

和铲斗液压缸理论挖掘力

。

7.3.1斗杆液压缸理论挖掘力

斗杆液压缸理论挖掘力

可用下式计算：

图12反铲挖掘力的计算简图

（kN）（4）

式中

——斗杆液压缸推力，kN;

a、b——力臂长度，m。

7.3.2铲斗液压缸理论挖掘力

反铲挖掘机铲斗液压缸理论挖掘力

为

（kN）（5）

式中

——铲斗液压缸推力，kN；c、d、e、r——力臀长度，m。

根据经验，对于反铲工作装置，则有

（kN）（6）

式中G——挖掘机重，kN。

G＜1000kN时

＝G／2；G≥1000kN时，

=G／3。

（7）

如果力臂长度a、b、c、d、e、r未知时，则可在挖掘机上进行如图12所示的位置实测或用比例作图法求出。

反铲工作装置采用斗杆液压缸（或铲斗液压缸）进行挖掘时所得的理论挖掘力不考虑下列因素：

工作装置自重和土重；液压系统和连秆机构的效率；斗杆液压缸和铲斗液压缸的背压等。

根据我们的尺寸设计，

=123.5kN;

=135.8kN；

7.4抓斗

因为我们的抓斗是通过爪子与铲斗来实现抓取物件的功能的，可用于清理道路上的大石块、倒塌的建筑物中的大块混凝土等。

因此抓斗的抓取能力与设计的铲斗的容量已经相关联了，这里就不再累述了。

7.5液压剪

液压剪可用于切断作业现场的钢筋，根据目前建筑用的钢筋最大来设计，翻阅设计资料，我们的液压剪设计为：

夹钳扩度406㎜，夹钳深度460㎜，最大夹持力3750Kn，最大切割物料大小81㎜.

8后臂设计

图13后臂

考虑到车身整体的配重问题,把破碎锤单独设计在一根臂上。

液压破碎器（锤）是利用液压能转化为机械能，对外做功的一种工作装置。

它主要用于打桩、开挖冻土和岩层、破碎路面表层和捣实土壤等作业。

为了减轻振动，在锤的壳体和支座的连接处常设有橡胶缓冲装置。

液压破碎器经过近40年的发展，其规格和功率都大量增加，可靠性和工作效率也明显提高。

其中最大的技术进步是“智能型液压破碎器”的诞生，其特点是能根据岩石的阻力自动调节输出功率。

当岩石被击穿时，自动切断功率输出，避免产生空打、损坏工具和固定销。

如法国Montabert公司生产的BRY32型、BRV52型智能液压破碎器的冲击能由破碎器自己控制，岩石越硬，冲击能越大，频率越低。

对于软岩石则相反、可保持液压破碎器的总功率图（冲击能×频率）恒定不变。

图14液压破碎器

8.1液压破碎器的选用

根据液压挖掘机主机总重选择液压破碎器。

它与主机的合理匹配十分重要，其中主要匹配参数有两个：

一是主机液压泵的压力和流量；另一个是主机的总重。

国外生产液压破碎器的公司、厂家均提供了液压破碎器与主机总重的匹配范围，见表8-1。

表8-1国外重型液压破碎器主要参数

选用时既要考虑充分发挥液压破碎器的工作效率，又要考虑挖掘机的稳定性和结构的耐久性。

因此，针对需安装液压破碎器的挖掘机机型，根据提供的液压破碎器与主机总重的匹配范围表，可利用下列公式予以校核：

G＜0．9（W+

）（N）（8）

式中G——液压破碎器总重，N；

，其中G1为中间支座重量，N；G2为破碎器重量，N；G3：

为作业工具（如凿子、扁铲、镐等）量，N；

W——标准铲斗的重量，N；

γ——砂土容重，一般取1600N／m³；

q——标准铲斗容量，m³。

若液压破碎器总重（G）为标准铲斗的重量（W）和铲斗中砂土重量（γq）总和的90％以下时，则可以认为液压破碎器的选用是正确的。

9推铲设计

灾后路面的大石块或狭长的倒塌物可以利用钻,挖或抓来进行清理,但是难免会留下碎石或泥土,这对于车辆的行进非常不利。

特别是雨天,残留的泥土更会使的车辆行驶时易打滑,针对这种情况,我们在底盘的前侧设计了一个“V”图15“V”型推铲

型推土装置，用来清除道路上的松土,碎石或积雪等障碍。

考虑到在正常的路面行进时,推铲会对车子的行进起到阻碍作用,我们设计可抬式推铲,利用液压控制使得推铲在没有作业时属于“腾空”状态。

同时为了增强推土能力,我们仿照扫雪机的斜扫雪铲的工作原理,设计了“V”型推土铲。

推土作业时,不仅增加了推土铲与路面的接触面积,而且因有了一定的斜度,松土,碎石可顺畅地沿推土铲两侧斜向滑动翻到路边,保证了推土效果,提高了推土的效率,使得松土,碎石不阻碍道路,从而保证了车辆的顺畅前进。

10应用前景

最近几年,自然灾害频频发生,灾后救援尤显重要。

针对能否在最短的时间进行救援作业这一关键的问题我们的方案做出了很好的回答。

特别是受破坏道路能否及时再开通,事关生命安危。

由于路面情况复杂,一般情况下都需要几种救援交替作业,但是作业空间受限,使得几种救援机械无法同时作业,效率自然低下。

若是采用人力辅助作业,则作业人员风险较大。

解决这些问题需要新的思路,需要有新的可以投入使用的机械。

多功能破障车旨在受限的空间提供最高效率的作业方式,以及尽最大可能保障人员的生命安全。

制造工艺不同，造价也不同。

拿20吨级挖掘机来比较，卡特、日立、神钢、助友、小松20吨级的是100万左右，现代的是70、80万左右。

现在的推土机的价位也在40万到100多万之间。

一个剪切机要5万多，钻车的价位从8万多到70多万不等。

而我们的多功能破障车是集成了“挖、抓、剪、碎、推”五个功能的。

如果把具有上面功能的车做一个简单的计算就会发现，挖+推+剪+碎+抓≥70+40+5+8=123万。

而我们的多功能破障车的造价定位在80-85万，如果再进行改进和结构优化，造价进一步降低，那么很显然这是性价比高的救灾破障设备。

11慧鱼模型介绍

11.1模型主体介绍

受慧鱼模型个别零件的局限，模型与设想中的还有所差别。

主要差别为用螺旋副结构和气缸结构来代替液压缸结构。

11.2模型主体结构

图16主体结构的主视图图17主体结构的左视图

11.2.1前臂结构

图18前臂的整体视图图19前臂中的铲斗

图20前臂中的抓斗图21前臂中的液压剪

11.2.2后臂结构

图22后臂

11.2.3挖掘过程

图23铲斗挖掘前准备图24前臂铲斗开始挖掘

11.2.4抓的动作过程

图25进入抓的状态图26抓取物件

11.2.5挖转化为剪切的过程

图27剪切前准备图28剪切动作1

图29剪切动作2图30剪切动作3

11.2.6破碎动作

图31破碎器准备图32破碎器进行破碎作业

11.2.7推土的过程

图33推铲准备图34进行推土

参考文献

[1]西北工业大学机械原理及机械零件教研室编.机械原理.高等教育出版社,2006.

[2]西北工业大学机械原理及机械零件教研室编.机械设计.高等教育出版社,2006.

[3]哈尔滨工业大学理论力学教研室编.理论力学.高等教育出版社,2002.

[4]刘鸿文编.材料力学.高等教育出版社,2004.

[5]张铁编.液压挖掘机结构、原理及使用.高等教育出版社,2002

[6]同济大学编.单斗液压挖掘机.中国建筑工业出版社,1986.