電動輪汽車懸掛油缸翻轉機的研制

羅序文，鐘國慶，朱家俊

（1.江西銅業公司德興銅礦， 江西 德興市 334224；2.江西理工大學， 江西 贛州市 341000）

0 前 言

在我國的大型露天采礦企業，已廣泛采用運輸能力大、機動性能好的大型電動輪汽車作為運輸設備，其數量現已超過800臺［1］，僅就江西銅業公司德興銅礦而言，現有各種型號電動輪汽車60多臺。在德興銅礦，隨著電動輪汽車使用年限的增加，其前（后）懸掛油缸的維修量不斷增加。懸掛油缸在維修中，需要多次翻轉、調整其維修位置，由于油缸重量及體積較大，通常采用橋式起重機對維修件進行翻轉、調整，給整個維修工作帶來諸多不便，而且維修效率低、勞動強度大，同時容易造成安全隱患。因此，針對730E、830E電動輪汽車懸掛油缸的結構特點及維修工藝過程對懸掛油缸的翻轉位置要求，研制懸掛油缸翻轉機，對于提高維修效率和保障維修質量具有實際意義。

1 油缸翻轉機設計依據及要求

（1）前懸掛油缸、后懸掛油缸外形如圖1所示，其結構尺寸參數由現場測繪得出。

（2）能滿足830E（730E）電動輪汽車前（后）懸掛油缸總成在本油缸翻轉機上實施拆卸和組裝的要求。

（3）可保證在對裝夾了前（后）懸掛油缸缸體實施維修時，翻轉機上被夾持的懸掛油缸缸體，能按順時針（或逆時針）方向，勻速平穩地旋轉，并在預定的位置準確地停位。

圖1 電動輪汽車前（后）懸掛油缸

（4）主軸旋轉速度大約為1r／min。

（5）翻轉過程中，懸掛油缸最小離地間隙大于100mm。

2 油缸翻轉機的設計［2－3］

2.1 油缸翻轉機傳動系統的配置設計

電動機→帶制動輪彈性套柱銷聯軸器→電磁制動器→蝸輪蝸桿減速機→凸緣聯軸器→單級臥式擺線針輪減速器→十字滑塊聯軸器→滑動軸承→主軸→夾具總成→830E（730E）前（后）懸掛油缸。懸掛油缸翻轉機結構示意見圖2［4－5］。

2.2 主要零部件的選型設計與計算

2.2.1 運動學分析計算

預選：電動機Y100L－6，額定功率1.5kW，同步轉速1000r／min。

圖2 懸掛油缸翻轉機結構示意

預定：懸掛油缸轉速≈1r／min，則轉動系統的總速比≈1000。

選擇二級變速方案：第一級選擇蝸輪蝸桿減速機，速比31.5；第二級選擇單級擺線針輪減速機，速比35（29）；總速比1102.5（913.5），則懸掛油缸轉速≈0.91（1.1）r／min。

2.2.2 主軸動力學分析計算

本懸掛油缸翻轉機的研制，取830E前懸掛油缸總成的重量（比830E后懸掛油缸及730E前（后）懸掛油缸總成重）為主軸載荷，作為主軸強度計算的依據。

首先，對載荷三維實體采用CAD／CAM／CAE一體化的三維軟件Pro／ENGINEER，繪制三維實體圖，并確定該三維實體上的物理重心點［6－8］。其次，因對本懸掛油缸翻轉機的載荷三維實體而言，均存在一垂直且左右對稱的中心截面，故把該中心截面設置為與主軸軸線重合，并把處于該中心截面上的重心設置為與主軸軸心重合（平面投影），理論上可實現主軸因載荷偏心產生的扭轉力矩為零，而主軸所承受的扭轉力矩僅為回轉副產生的摩擦力矩。

（1）主軸受力分析及計算［9］。如圖3（a）所示，主傳動系統的簡化力學模型為左外伸端為自由端的連續梁；Q為載荷，是懸掛油缸的重量產生的；Mn為扭矩，僅考慮支撐主軸的回轉副產生的摩擦力矩。主軸的力學模型可進一步簡化為圖3（b）所示的左外伸端為自由端的一次靜不定梁，圖中自由端D點的彎矩M是由載荷Q平移至主軸左外伸端產生的。為了求出A、B和C點處的支撐反力，把圖3（b）中C點的支座作為多余支座，接觸多余支座并代以多余反力RC，如圖3（c）所示，原來的靜不定梁轉化為兩端外伸的外伸梁。

根據變形諧調條件，C點的繞度fc＝（fc）RC＋（fc）Q＋（fc）M＝0，即：

可以求得：

分別對于A點和B點由靜力平衡方程，則進一步可求得：

圖3 主軸受力分析

經整理可得：

然后，就和靜定梁一樣，根據已求得的主軸所受的載荷，繪制主軸受力的剪力圖、彎矩圖和扭矩圖。

（2）主軸強度計算［10－11］。根據主軸的受力分析的結果，按扭轉和彎曲組合強度要求，確定主軸的最小直徑，然后按彎曲應力和扭轉剪應力的合成應力，對主軸進行強度計算或校核（略）。

（3）主軸結構。主軸結構如圖4所示。

（4）減速機承載能力校驗。根據預選電動機的額定輸出功率、轉速和選定的二級變速方案，分別對第一級蝸輪蝸桿減速機（速比31.5）和第二級單級擺線針輪減速機（速比35或29）的許用輸出扭矩進行校驗。

圖4 主軸結構

（5）電動機承載能力校驗。在對電動機承載能力進行校驗時，可設定主軸除受支撐回轉副處的摩擦力矩作用外，還受載荷偏心對主軸產生的扭轉力矩的作用。根據計算，確定偏心距的取值為15～30 mm，預選電動機的額定功率和轉速須滿足本懸掛油缸翻轉機機械性能參數的要求，否則重選，直至符合要求為止。

（6）傳動系統制動的選型設計。因為油缸翻轉機功能，需要使夾持的懸掛油缸在翻轉過程中制動停止，所以傳動系統設置了制動裝置。本傳動系統在電動機與蝸輪蝸桿減速機之間的TLL1彈性套柱銷聯軸器（帶制動輪）與TJ2－200／100電磁鐵塊式制動器相配，實現剎車制動的功能。

（7）夾具總成設計。夾具總成為焊接組件，其上面開有數組腰型通槽，以適用所夾持的翻轉件的重心位置調整至與連接套的圓心（主軸中心）重合。

根據上述設計，最終制造的樣機如圖5所示。

圖5 懸掛油缸翻轉機結構外觀

3 結 語

（1）本設計充分利用兩種型號電動輪汽車懸掛油缸的結構特點進行設計，實現了在同一翻轉機上進行不同型號懸掛油缸的維修輔助作業，提高了該設備的利用率。

（2）在德興銅礦的實際應用表明，該設備設計合理，運行可靠，達到預定設計要求。應用該設備大大減輕了維修人員的勞動強度，有效縮短了維修時間，提高了油缸維修效率及維修作業安全性［12］。

［1］ 羅泉根.電動輪汽車輪馬達翻轉架的研制［J］.設備管理與維修，2002（6）.

［2］ 機械設計手冊聯合編寫組編.機械設計手冊（第2版）［M］.北京：化學工業出版社，1987.

［3］ 蔡春源.新編機械設計手冊［M］.沈陽：遼寧科學技術出版社，1993.

［4］ 譚光宇.機械CAD技術基礎［M］.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2005.

［5］ 張寶忠.Auto CAD機械制圖基礎教程［M］.北京：人民郵電出版社，2004.

［6］ 何 剛.Pro／ENGINEER設計與應用［M］.北京：電子工業出版社，2004.

［7］ 梁 玲，趙春章.Pro／Engineer Wildfire4.0實用教程［M］.北京：清華大學出版社，2008.

［8］ 丁凌蓉.基于Pro／M的傾斜式破碎機偏心軸有限元結構分析［J］.江西理工大學學報，2012（1）：52－53.

［9］ 劉鴻文.材料力學（下冊）［M］.武漢：人民教育出版社，1979：45－52.

［10］張柏清，徐廣紅，鐘禮東.機械設計基礎［M］.南昌：江西高校出版社，2007.

［11］吳宗澤.機械零件設計手冊［M］.北京：機械工業出版社，2004.

［12］胡明振，劉 超.礦用電動輪汽車日常維修成本數學模型分析

［J］.江西理工大學學報，2008（1）.