1. 引言
集装箱具有足够的强度，可以快速装卸载，种类多容积大，运输接口适应公路、铁路和水路运输，能长期反复使用，具有良好的经济性，因此作为物流运输载体广泛应用于各个行业。由于各国地缘政治的不同及特定的利益导向，近年国外一些国家突破传统观念进行革新设计，研制并推出了非常规的、采用集装箱运输和FS的隐蔽DD系统—集装箱式FS系统。为了拓展集装箱在军事上的应用范围，设计了一种纵向伸缩集装箱及其驱动装置。
2. 任务概述
一种纵向伸缩集装箱应能自动收拢展开，收拢及展开到位后应能可靠锁定，收拢后外形尺寸与标准45英尺集装箱（长×宽×高:13716mm×2438mm×2896mm）相同，展开后长度为65英尺（19774mm）。
3. 技术分析
该纵向伸缩集装箱伸缩扩展行程为20英尺（6058mm），常用的旋转运动转换为直线运动执行装置通常有齿轮齿条、丝杆螺母、曲柄滑块、凸轮机构、链轮链条、液压油缸等方式。
采用齿轮齿条传动应用范围较大，可适应于不同行程、不同载荷的场合，且安装中心距可根据实际情况调整，结构简单，可靠性高，成本低。
采用丝杆螺母装置传动，受力较大且行程长选用的丝杆直径大，扩展舱与固定舱之间铅垂方向安装距大，成本高。
采用曲柄滑块机构传动，受力较大且行程长会导致机构本体尺寸较大，占用了集装箱内的存储空间，该装置只适合行程较小且空间尺寸不受限制的场合。
凸轮机构一般适合受力较小的间歇往复运动，比如柴油机的气门，无法应用于受力工况复杂且行程较长的场合。
采用链轮链条形式适合应用受力较大且行程较长的场合，但是链轮链条轴线平行于地面布置会导致扩展舱与固定舱之间的安装高度变高，集装箱内的有效利用空间变小。
采用液压油缸的形式可适用受力较大且空间尺寸不受限制的场合，当行程较长时需采用多级伸缩缸，占用较大的空间尺寸，且液压油缸需要配置一套液压系统，难维护、易泄漏、成本高。
通过上述分析可知纵向伸缩集装箱扩展运动宜采用齿轮齿条传动形式。
4. 纵向伸缩集装箱设计
4.1 结构组成
一种纵向伸缩集装箱主要由固定舱、扩展舱、柔性伸缩风道、拖链、驱动装置、控制系统、密封条等组成，其中固定舱由固定舱本体、顶盖一、串锁一、电动缸、维修窗、后双开门等组成，扩展舱由扩展舱本体、顶盖二、串锁二、电动缸、隔舱、前双开门等组成，如下图所示。
图1 集装箱右前内部示意图
驱动装置由动力装置（伺服电机、行星减速机、齿轮、过渡座、安装座）导轨滑块、齿条、伺服支腿、辅助滚轮、控制箱等组成。如下图所示。
图2 集装箱驱动装置示意图
4.2 工作原理
一种纵向伸缩集装箱扩展舱通过四方向等载荷滚柱滑块导轨导向，采用伺服电机驱动大速比行星减速机、齿轮旋转，齿轮齿条啮合带动扩展舱沿导轨作直线运动，在初始状态下，扩展舱由后端的滑块与前端辅助滚轮支撑，扩展舱伸出700mm后，此时伺服支腿开始伸出与地面接触，辅助滚轮可在伺服支腿未伸出以及伸出后虚腿时起支撑作用，以减轻滑块载荷，提高滑块使用寿命。集装箱的扩展舱与固定舱的顶盖均为双开顶形式，采用电动推杆为动力开盖，顶盖可开启90°可实现载体快速在箱内起吊装卸。在集装箱内设置固定风道、柔性伸缩风道实现将扩展舱内的热冷风输送至固定舱指定位置。通过拖链装置实现扩展舱与固定舱之间电力、信号互联互通。
5. 伸缩驱动装置设计
5.1 导轨滑块选型计算
扩展舱重心分布及驱动装置安装形式如下图所示。
图3 扩展舱简图
根据滑块布置情况，将运动简图转化为数学模型计算滑块在使用过程中的等效载荷，如下图所示。
图4 滑块受力等效计算模型
已知扩展舱载荷mg=43943.3N，l0=1000mm，l1=1400mm，l2=3902mm，l3=0mm，代入上述计算公式计算可知P1=96718.98N,P2=-74747.4N，P3=-74747.4N，P4=96718.98N。选用GZB55BAL滑块，额定动载荷C=174.9KN,额定静载荷C0=360KN，
MA=10713Nm，MB=10713Nm，MC=11927Nm。
导轨寿命计算：
-硬度系数,
-硬度系数,
-硬度系数,
-硬度系数,
-硬度系数,通过查表可知，
=1，
=1，
=1，
=0.9，
=1.2，代入上述公式计算可知L=276km,
=3.72。
（h）
已知l=6.058m,n=0.1，代入公式计算可知
=3798.5h。
5.2 阻力矩计算
a) 滑块承载悬臂工况
四方向等载荷滚柱滑块的滚动摩擦系数f=0.01左右，根据上述计算可知每个滑块处的等效载荷代入计算可知F摩1=3429.33N。
在8级风21m/s的环境条件下，根据伯努利方程动压计算简化公式wp=v2/1600可以计算出8级风速条件下的动压为0.276（kN/m2），最大迎风面积为14.67m2，风载荷F风=4048.9N，根据力矩平衡计算滑块在风载荷作用下的侧向载荷，受力简图如下图所示。
图5 扩展舱风载荷力学简图
已知L0=1000mm，L4=3216mm，通过计算可知F1=17070.25N，F2=-13021.33N
滑块侧向摩擦力为F摩2=300.92N。
F摩合1= F摩1+ F摩2=3730.25N
b) 扩展舱前端有辅助支撑工况
图6 扩展舱辅助支撑工况力学简图
已知L5=3402，L6=2460，G=4484kg，通过力矩平衡原理计算F3=16992N，F4=26952N根据机械设计手册第五版第一卷表1-1-10可知橡胶轮胎与沥青路面之间摩擦系数取0.25，则滚轮处的摩擦力为F滚摩=6738N，滑块处的摩擦力为F滑摩=471N
F摩合2=F滚摩+F滑摩=7209N
通过上述两种工况分析可知，在使用纯导轨滑块作悬臂支撑导向时摩擦阻力小于扩展舱前端有支撑滚轮时摩擦力，为了延长导轨的使用寿命，减少导轨滑块的受力，在设计时选取后者工况进行动力选型计算。
根据导轨滑块的安装高度以及扩展的骨架高度结合驱动装置的安装形式，初步估算齿轮半径约为135mm左右，初选齿轮模数m=6，齿数Z=45，那么阻力矩T阻=973Nm。
5.3 电机输入功率计算
扩展舱的工作行程为6058mm,工作时间为46s,则扩展舱的线速度V=131.7mm/s，根据公式P=F×V计算可知P=949.4W，取安全系数为1.5，则电机的输入功率为1424W，根据电机的规格系列选取1500W电机。
5.4 减速机速比计算
输出转速计算
将V=131.7mm/s,D=270mm代入公式计算可知
=9.32r/min。
通过计算可知i=321.8,根据减损机的常用规格系列选取速比i=320的行星减速机。
5.5 输出力矩计算
将电机额定转速n=3000r/min、P=1.5kW代入上述公式计算，
=4.8Nm。
将i=320,
=0.92，
=0.97，代入公式计算可知：
=1371Nm。
，实际安全系数为S=
=1.41，由于供配电只能提供单相220V 50Hz的输入电压的，伺服电机最大功率为1.5kW，如果减速比加大，可以提高电机的安全系数，但是扩展运动时间将延长，1.5 Kw 伺服电机额定电流10.8A，最大工作电流32A,实际使用过程通过驱动器读取最大工作电流为9.6A，平稳运行工作电流约为5A左右，均小于伺服电机的额定电流，通过实物扩展试验工作电流情况可知上述计算准确无误。
5.6 齿轮模数校核
通过机械设计手册查表可知：使用系数KA=1.5，动载系数KV=1.12，齿间载荷分配系数KHα=1.4，齿间载荷分配系数KHβ=1.4，计算可知载荷系数K=3.29，齿形系数YFA=2.35，应力校正系数YSA=1.68，齿宽系数φd=0.15，当量齿数Z=45，σF许用弯曲应力为650Mpa，代入上述公式计算可知m=5.77,故选第一系列标准模数m=6。
为了快速计算齿轮基本参数，查询齿轮三组公差，通过Visual Basic软件编程开发了一个可视化界面，如下图所示。
图7 齿轮参数计算、查询界面
6. 不足之处
集装箱扩展舱在伸缩过程中只能在路面平整的坚实水泥路面使用，伺服支腿无法实时伸缩适应较大变化的路面形态，当运动方向有较大的凸起对支腿的冲击传递到导轨滑块、齿轮齿条及减速机，当遇到路面较大的凹坑时，伺服支腿与地面无接触，扩展舱相当于悬臂安装，此时滑块承受倾翻力矩，两种情况均影响其使用寿命。后续产品拟在伺服支腿上进行改进优化设计，提高对路面的适应能力，减小对减速机、齿轮齿条、导轨滑块的冲击振动。
7. 结束语
本文通过对纵向伸缩集装箱的伸缩扩展运动需求分析，综合对比多种传动机构的结构形式，设计了导轨滑块+齿轮齿条+辅助滚轮+伺服支腿的驱动装置，通过实物验证，实现了“集装箱具备自动扩展收拢功能，收拢及展开到位后能可靠锁定，收拢后外形尺寸为45英尺，扩展后长度为65英尺”目标。
伸缩集装箱的设计，会受到载体外形尺寸、工作方式及箱体安装空间的限制，需要根据具体情况选择合适的技术路径，本文的纵向伸缩集装箱及其驱动装置设计，可以为集装箱运输及FS载体设计提供一种借鉴。
参考文献
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潘庭发（1983-02），男，广西人，工程师，本科，主要研究方向：通信车辆系统集成的研发工作。
