DKC20地下自卸卡車橫向擺動結構設計

郭鑫，石峰，戰凱，顧洪樞，馮孝華

(北京礦冶研究總院，北京 100070)

1 目前井下無軌卡車的現狀

隨著地下礦山開采量的增加以及對設備機動、靈活性的要求，大部分地下礦山的出礦設備都使用地下鏟運機與地下自卸卡車協同出礦。從20世紀七十年代，我國開始引進地下無軌設備，目前地下自卸卡車已系列化生產和使用了8 t、10 t、12 t。

國外，阿特拉斯、德國GHH和山特維克等主要地下無軌設備生產商，都生產了10 t、12 t、22 t以及30 t以上的不同規格的自卸卡車。

國內，北京礦冶研究總院從九十年代初已產品化、系列化研制出8 t、10 t、12 t地下自卸卡車。國內20 t地下自卸卡車的市場需求日漸成熟，研發的技術條件也已具備。為了提高國內的無軌設備技術水平，滿足國內礦山的出礦效率的需求，北京礦冶研究總院進行了20噸地下自卸卡車的研制工作，整個設備的設計依托三維設計及力學分析軟件。PROE所做的三維設計模型如圖1所示。本文將重點對橫向擺動結構的設計進行分析和論述[1]。

2 橫向擺動結構的功能及結構

為了保證地下自卸卡車在井下行走時四輪著地，時刻具有足夠附著力，地下自卸卡車的前后車橋需要在橫向有一定角度的相對擺動。

國內外地下無軌設備，對于此功能的實現，通常采用兩種結構：1)設計專用的橫向擺動架，用它將其中一個車橋與車體分離，實現車體與該車橋的橫向相對擺動；2)使用回轉支承，將前后車體連接，實現前后車橋的橫向相對擺動。對于橫向擺動架方案，結構簡單，安裝方便。但是工藝復雜，加工較為困難，且由于結構中使用滑動軸承，重載下磨損嚴重，更換頻繁。對于回轉支承方案，有成熟的專業系列化產品，安裝方便。但是對車輛的整體結構設計上有一定的難度，特別是轉向油缸及油箱的布置造成一定的困難。

DKC20地下自卸卡車，采用了第二種方案，即回轉支承連接前后車體，實現前后橋的相對橫向擺動。避免了擺動架的加工難問題，以及擺動架的頻繁更換帶來的成本問題。

圖1 DKC20自卸卡車的三維模型

3 力學計算

對于回轉支承的造型，需要拉力與傾覆力矩兩個參數，以下分別進行計算。

3.1 回轉支承承受的拉力

前后橋選用美國DANA產品，自帶油式彈簧制動盤。

主傳動比i1=4.556；輪邊行星減速比i2=6.000；總傳動比iq=27.336。

選用16.00-25工程用無內胎輪胎，動力半徑為0.715 m。

發動機和液力變矩器的共同工作是指發動機飛輪和液力變矩器泵輪連接在一起的工作，在穩定運轉條件下、發動機凈扭矩Mej扣除輔助機構所消耗的力矩后就是液力變矩器泵輪力矩Mb，發動機的轉速ne也就是液力變矩器泵輪轉速nb。同樣，發動機凈功率為發動機標稱功率扣除發動機配帶標準附件時消耗的功率[2]，即：

Mb=Mej-Mf

(1)

Mej=Me(1-a)

(2)

ne=nb

(3)

Nej=Ne-Nf

(4)

(5)

式中：Me—發動機扭矩，N·m；a—發動機自身扭矩損失系數，用于發動機配帶標準附件時消耗的扭矩，取0.10；Mej—發動機凈扭矩，N·m；Mf—輔助機構等所消耗的扭矩，N·m；Mb—液力變矩器泵輪力矩，N·m；Nej—發動機凈功率，kW；Ne—發動機標稱功率，kW；Nf—發動機配帶標準附件時消耗的功率，kW；ne—發動機的轉速，r/min；nb—液力變矩器泵輪的轉速，r/min。

由于這里校核回轉支承的強度，故取大值忽略輔助機構的消耗，故用發動機凈扭矩Mej來代替實際變矩器輸入扭矩Mb。

渦輪力矩Mt=KMb

(6)

變矩器輸出力矩Mto=Mtior

(7)

式中：K—變矩系數；ior——變矩器輸出齒輪速比。

車輛最大驅動力由兩方面決定:一是發動機的功率，另一是地面附著能力，兩者之中取較小者[2]。而回轉支承承受的最大拉力，則是發動機與滿載后橋附著力之中的較小者。

滿載時車輛質量G1=41t，空載時車輛質量G2=21t，地面附著系數ψ=0.6，可產生的地面附著力為：

滿載Pψ1=ψG1g=0.6×41.0×9.81=241.3 kN

發動機可能發揮的最大驅動力為：

(8)

ηc—變矩器之后傳動系統效率，取ηc=0.8；rq—動力半徑，近似等于靜力半徑，rq=0.715m；iqj—各檔總傳動比；iq—驅動橋總速比，iq=27.336；ij—變速箱各檔傳動比(i1=5.33，i2=2.22，i3=1.26，i4=0.72)。

在PROE中通過軟件測量出前后車體的重心，然后計算出滿載時后橋負載為24噸，附著力為Pψ2=ψG2g=0.6×24.0×9.81=141.3kN，取此值為前后車體鉸接處的最大拉力。

3.2 傾覆力矩

在PROE中可直接測量出滿載后車體(含滿載料斗)的質心與到回轉支承處的縱向距離為x=2.02m，此距離即為后車體質心到回轉支承的力臂l2=x=2.02m，傾覆力矩為Mq=G2×l2+Nf×l1。

其中：G2—后車體重力；Nf—前橋承受力；l1—前橋到回轉支承的距離，即為相應的力臂。

將以上數值測量代入公式中得Mq=G2×l2+Nr×l1=440 kN·m。

3.3 選型

回轉支承已是系列化成熟產品，根據計算出的拉力及傾覆力矩的數值，考慮到井下惡劣的使用環境，取安全系數為2。由于工作環境和條件的特殊性，回轉支承在使用中，有較大的傾覆力矩，故須選用單排交叉滾柱式。根據力學參數，選取型號為11.32.1250.001配用螺栓選用10.9級螺栓，拉力和傾覆力矩完全在許用范圍之內。如果選用較小型號的回轉支承，力學條件也可以滿足，但其回轉支承的直徑較小，使轉向油缸支座的布置和下鉸接板的布置十分困難。故綜合考慮選用11.32.1250.001型號。

圖2 回轉支承11.32.1250.001力學性能曲線

4 橫向擺動實現

如圖3，回轉支承一端連接中間鉸接板，另一端連接前車架。

圖3 回轉支承與中鉸板支架的連接

如圖4所示，與回轉支承相連接的中間鉸接板的下端，兩個對稱的長方體限位塊。如圖5所示，相對應的前車架位置也有兩個長方體限位塊。由于靠回轉支承相連接，中間鉸接支架與前車架能夠相對轉動，當轉動到達要求角度時，限位塊相干涉，阻止進一步轉動，實現定量角度的旋轉。

圖4 橫向擺動限位塊

圖5 回轉支承安裝完成后的三維圖

5 小結

橫向擺動結構在鉸接工程車輛中是很重要的一個結構，在地面不平的情況下為車輛提供足夠的附著力。兩種不同的橫向擺動結構，各有優劣。但是考慮到國內機加工的水平，以及地下無軌設備的加工批量不大，使用專用擺動架，在加工制造上面臨更大的困難。使用回轉支承所帶來的安裝困難，可以通過合理化的設計來一一避免，所以此結構對于國產自卸卡車來講更為經濟合理。

[1] 戰凱. 國內外地下汽車研究現狀評述及今后發展趨勢[J]. 采礦技術, 2007, 7(4):51-57.

[2] 石峰. 20t地下自卸汽車底盤傳動系統匹配及牽引特性分析[C]. 北京金屬學會，第六屆冶金年會，2010.