WC12RE型防爆柴油機(jī)無軌膠輪車的選型設(shè)計(jì)

張甲瑞，萬中元

（1.重慶工商職業(yè)學(xué)院智能制造與汽車學(xué)院，重慶 401520；2.常州科研試制中心有限公司技術(shù)中心，江蘇 常州 213002）

WC12RE型防爆柴油機(jī)無軌膠輪車的選型設(shè)計(jì)

張甲瑞1，萬中元2

（1.重慶工商職業(yè)學(xué)院智能制造與汽車學(xué)院，重慶 401520；2.常州科研試制中心有限公司技術(shù)中心，江蘇 常州 213002）

為了滿足煤礦客戶需要，提出了一種WC12RE型防爆柴油機(jī)無軌膠輪車的總體設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)介紹了該車在防爆柴油機(jī)、液力變矩器和液力變速箱選型、配型設(shè)計(jì)過程，為其他相關(guān)從業(yè)者提供了一定的參考。

防爆柴油機(jī)；液力變矩器；液力變速箱；選型設(shè)計(jì)

CLC NO.:U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-71-04

引言

根據(jù)煤礦客戶要求，設(shè)計(jì)的無軌車以防爆柴油機(jī)為動(dòng)力，主要用于工作人員上下煤礦礦井使用，巷道坡度不大于14°，需可乘坐12人。整車參數(shù)要求見表1。

1、WC12RE型防爆柴油機(jī)無軌膠輪車方案設(shè)計(jì)

1.1 整車結(jié)構(gòu)形式

防爆柴油機(jī)無軌膠輪車的結(jié)構(gòu)形式按車架結(jié)構(gòu)分類，可分為鉸接式無軌車如圖1所示和整體式無軌車如圖2所示。

表1 整車參數(shù)要求

鉸接式無軌車，其車架分為前后兩個(gè)，前機(jī)架和后機(jī)架通過中央鉸接銷及關(guān)節(jié)軸承連接，前機(jī)架和后機(jī)架之間連接有轉(zhuǎn)向油缸，通過轉(zhuǎn)向油缸的伸縮使前機(jī)架與后機(jī)架相對(duì)偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，該結(jié)構(gòu)在行駛過程中，前后機(jī)架間會(huì)產(chǎn)生比較劇烈的振動(dòng)及擺動(dòng)[1][2]；整體式無軌車，其車架為整體，一般通過控制轉(zhuǎn)向車橋使輪胎偏轉(zhuǎn)來進(jìn)行轉(zhuǎn)向，該結(jié)構(gòu)減震性能更好。又因WC12RE型防爆柴油機(jī)無軌膠輪車的承載人數(shù)為12人，整個(gè)車長(zhǎng)的設(shè)計(jì)要求為不大于6米，而整體式無軌車車長(zhǎng)相對(duì)于一般的鉸接式車輛要短。

結(jié)合以上特點(diǎn)，WC12RE型防爆柴油機(jī)無軌膠輪車選擇減震性能較好且車身較短的整體式結(jié)構(gòu)。

1.2 柴油機(jī)布置

根據(jù)礦井的工況條件，要求盡量降低車身高度，并且盡可能在車身左右和后門都開有車門，這樣會(huì)更有利于井下工作人員在空間狹小的巷道內(nèi)上下車。

圖1 鉸接式無軌車

圖2 整體式無軌車

發(fā)動(dòng)機(jī)中置會(huì)抬高車身底板的高度，從而抬高整車高度；發(fā)動(dòng)機(jī)后置，會(huì)使車輛在有限的設(shè)計(jì)高度內(nèi)，無法實(shí)現(xiàn)車身后面開車門；因此WC12RE型防爆柴油機(jī)無軌膠輪車采用發(fā)動(dòng)機(jī)前置的方式是最好的選擇，既能降低車身高度又能在車身左右和后面開門。

1.3 變速方式

國(guó)內(nèi)的防爆柴油機(jī)無軌膠輪車的變速方式有機(jī)械變速箱傳動(dòng)、液力—機(jī)械傳動(dòng)、泵—馬達(dá)傳動(dòng)等方式。

對(duì)比以上三種變速方式，機(jī)械傳動(dòng)的變速箱是通過齒輪與齒輪的硬傳動(dòng)方式，在車輛運(yùn)行過程中，需要根據(jù)不同的工況條件進(jìn)行頻繁的換檔，操作不太方便；泵—馬達(dá)傳動(dòng)的變速方式傳動(dòng)效率很高，但是煤礦惡劣的工況條件需要更加昂貴和質(zhì)量可靠的進(jìn)口泵和馬達(dá)，會(huì)導(dǎo)致成本上升和供貨維修時(shí)間變長(zhǎng)；液力—機(jī)械傳動(dòng)方式具有自我調(diào)節(jié)扭矩及轉(zhuǎn)速的功能，傳輸扭矩根據(jù)車輛負(fù)載自動(dòng)變化，操控方便并具有較大的牽引力，適合條件不太好的工況使用。因此，WC12RE型防爆柴油機(jī)無軌膠輪車選用液力—機(jī)械傳動(dòng)方式。

2、WC12RE型防爆柴油機(jī)無軌膠輪車選型設(shè)計(jì)

2.1 整車質(zhì)量估算

通過對(duì)整車質(zhì)量的估算，可以為發(fā)動(dòng)機(jī)功率、變速箱速比、車橋速比等參數(shù)的確定，提供理論依據(jù)。根據(jù)整車各個(gè)組成的元部件，進(jìn)行分類，估算重量，具體內(nèi)容如表2。

WC12RE型防爆柴油機(jī)無軌膠輪車可承載12人，如果按平均每個(gè)人重量為80kg計(jì)算，最大載荷為12×80kg= 960kg。由此可以估算得出：滿載總質(zhì)量=空載總質(zhì)量＋額定載荷=4800kg＋960kg=5760kg。

表2 整車元部件

2.2 防爆柴油機(jī)選型

1）牽引功率計(jì)算

根據(jù)提出要求，規(guī)定了車輛重載情況下的最高速度：

所以，平道所需牽引功率：

14°坡所需牽引功率：

2）所需防爆柴油機(jī)功率

該車的傳動(dòng)路線為：防爆柴油機(jī)→液力變矩器→變速箱→橋→輪胎

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)液力變矩器的一般工況效率區(qū)間為0.7～0.9，變速箱→橋→輪胎的效率區(qū)間為0.8～0.85，所以總效率區(qū)間為0.56～0.765。

滿足平道要求的所需防爆柴油機(jī)功率區(qū)間為：

滿足14°要求的所需防爆柴油機(jī)功率區(qū)間為：

3）防爆柴油機(jī)選擇

由于煤礦用柴油機(jī)需要進(jìn)行防爆改造，按照某公司實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，在經(jīng)過防爆改造后，功率一般都有較大程度的下降。下面是某公司實(shí)驗(yàn)室的一些柴油機(jī)的測(cè)試參數(shù)如表3。

表3 防爆柴油機(jī)參數(shù)

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)選用原則：在動(dòng)力滿足前提下，選用體積更小，更有利于整車布置的發(fā)動(dòng)機(jī)。對(duì)比以上四種防爆改造后的發(fā)動(dòng)機(jī)，選用體積較小、功率較高的CKS4100ZQFB更適應(yīng)該車型。

CKS4100ZQFB防爆柴油機(jī)的原機(jī)型大量裝配于工程機(jī)械上，具有低轉(zhuǎn)速高扭矩特點(diǎn)（額定功率轉(zhuǎn)速2150rpm，最大扭矩點(diǎn)在1700rpm～1800rpm之間），最大功率為66kW，除去發(fā)動(dòng)機(jī)所帶附件的功率消耗約6.5kW功率，仍有59.5kW。如果根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)特性與液力變矩器匹配得當(dāng)，能夠滿足使用要求，所以WC12RE型防爆柴油機(jī)無軌膠輪車的設(shè)計(jì)采用CKS4100ZQFB防爆柴油機(jī)。

2.3 液力變矩器選定

經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研，符合安裝尺寸及可以滿足整車布置的液力變矩器有YBQ2323型、YJH280A型、YJH310R型。

YBQ2323液力變矩器與CKS4100ZQFB防爆柴油機(jī)共同工作曲線圖分別見圖3。YJH280A液力變矩器與CKS4100ZQFB防爆柴油機(jī)共同工作曲線圖分別見圖4。YJH310R液力變矩器與CKS4100ZQFB防爆柴油機(jī)與共同工作曲線圖分別見圖5。

圖3 YBQ2323液力變矩器與CKS4100ZQFB防爆柴油機(jī)共同工作曲線圖

圖4 YJH280A液力變矩器與CKS4100ZQFB防爆柴油機(jī)共同工作曲線圖

依據(jù)液力變矩器與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配原則，理想的匹配要求是液力變矩器零工況泵輪力矩曲線應(yīng)通過發(fā)動(dòng)機(jī)最大凈扭矩、液力變矩器最高效率工況泵輪力矩曲線應(yīng)該過發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率點(diǎn)。

圖5 YJH310R液力變矩器與CKS4100ZQFB防爆柴油機(jī)共同工作曲線圖

CKS4100ZQFB防爆柴油機(jī)的額定功率點(diǎn)在2150rpm左右，最大凈扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速在1700～1800rpm之間。從YBQ2323型、YJH280A型、YJH310R型液力變矩器與發(fā)動(dòng)機(jī)的共同工作曲線圖可以得出表4：

表4 三種液力變矩器工作參數(shù)

由于YJH280A變矩器的零工況及最高效率工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)可最大發(fā)揮的扭矩及功率都很低，所有不適合采用。而YBQ2323變矩器與YJH310R變矩器進(jìn)行對(duì)比，YBQ2323變矩器零工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)可最大發(fā)揮的扭矩比YJH310R大；而YJH310R變矩器最高效率工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)可最大發(fā)揮的功率比YBQ2323大得多。由于WC12RE型防爆柴油機(jī)無軌膠輪車主要的功能是運(yùn)輸人員，匹配的原則為需盡量發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)功率，并零工況時(shí)滿足重載爬坡需要便可以，因此選用

YJH310R變矩器比較適合。

2.4 車橋及變速箱總傳動(dòng)比選定

3、車橋及變速箱總傳動(dòng)比選定

根據(jù)整車布置情況，采用液力變矩器和變速箱連接為一體的液力變速箱能夠更好的節(jié)約排布空間。車橋傳動(dòng)比與變速箱傳動(dòng)比相乘，便是車橋及變速箱總傳動(dòng)比。WC12RE型防爆柴油機(jī)無軌膠輪車的車橋采用濕式制動(dòng)，根據(jù)整車布置情況，首先選用作為驅(qū)動(dòng)橋的后橋，選用的車橋的傳動(dòng)比為6.142。

經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)研，WC7R型和WC20RQ型液力變速箱的液力變矩器部分采用的是YJH310R液力變矩器，都為前進(jìn)三個(gè)檔，后退一個(gè)檔及一個(gè)空檔，其各檔傳動(dòng)比見表5。

表5 各檔性能參數(shù)

將兩種變速箱的傳動(dòng)比與橋的傳動(dòng)比6.142相乘，可得出各當(dāng)總傳動(dòng)比如表5：

表6 各檔與橋總傳動(dòng)比

依據(jù)車輛牽引力公式和車輛行駛速度公式計(jì)算，可以繪制出兩種不同液力變速箱匹配結(jié)果，最后可得出不同坡度下匹配參考表，如表7。

表7 不同坡度匹配參考表

分析上表可知，當(dāng)使用WC7R型液力變速箱時(shí)，14°重載坡度時(shí)最高速度達(dá)不到要求的7.2km/h；而使用WC20RQ型液力變速箱可以達(dá)到14°重載坡度時(shí)所需速度及平道空載時(shí)所需速度。從發(fā)揮液力變矩器的效率來看，當(dāng)14°重載爬坡時(shí)，使用WC20RQ型變速箱前進(jìn)一檔，變矩器效率可達(dá)到0.81～0.813之間，匹配的效果比較好。如果使用WC20RQ型液力變速箱，在14°以下各個(gè)坡度爬坡，使用效率都可以在0.8以上，匹配的效果很好。所以選用WC20RQ型液力變速箱使用在WC12RE防爆柴油機(jī)無軌膠輪車上比較合適。

4、結(jié)語

WC12RE型防爆柴油機(jī)無軌膠輪車結(jié)合煤礦市場(chǎng)需求，通過市場(chǎng)調(diào)研選型和設(shè)計(jì)計(jì)算，比較合理的匹配了發(fā)動(dòng)機(jī)、液力變矩器和液力變速箱。礦上使用的實(shí)踐證明，該車選型設(shè)計(jì)比較成功，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)計(jì)算匹配的正確性，為相關(guān)從業(yè)者提供了一定參考。

[1] 趙海興. 煤礦井下鉸接式防爆柴油機(jī)無軌膠輪車設(shè)計(jì)特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)[J]. 礦山機(jī)械, 2013, (08): 13-17.

[2] 石濤. 鉸接式無軌膠輪車車架動(dòng)態(tài)特性研究[J]. 煤礦機(jī)械, 2013, (05): 79-81.

The lectotype design of WC12RE type explosion-proof trackless rubber tyred vehicle

Zhang Jiarui1, Wan Zhongyuan2
( 1. Institute of intelligent manufactuning and automative of CQTBI, Chongqing 401520; 2. Technology center of ChangZhou Develepment & Manufacture Centre Co., Ltd., Jiangsu Changzhou 213002 )

In order to meet the customer needs the overall design scheme of coal mine, this paper puts forward WC12RE type explosion-proof diesel trackless rubber tyred vehicle, and introduces in detail the design and selection of the explosion-proof diesel engine, hydraulic torque converter and hydraulic transmission, provide some reference for other related practitioners.

explosion-proof diesel engine; hydraulic torque converter; hydraulic transmission; lectotype design

U462.1

A

1671-7988 (2017)08-71-04

張甲瑞（1984-），男，工程師，碩士研究生，就職于重慶工商職業(yè)學(xué)院智能制造與汽車學(xué)院。現(xiàn)在主要從事特種車輛和新能源汽車的的研發(fā)。常州市科技支撐計(jì)劃（項(xiàng)目）。項(xiàng)目編號(hào)：CE20140067。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.024