礦用自卸車舉升機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

唐云娟，張斐朗

（廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州545007）

0 引言

礦用自卸車的主要功能是將礦山中某一場(chǎng)地的礦物運(yùn)輸?shù)搅硪粓?chǎng)地再卸掉，其舉升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)將直接影響到整車的工作效率，因此，舉升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)顯得尤為重要。多級(jí)伸縮油缸直頂式舉升機(jī)構(gòu)具有布置簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、舉升效率高、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因此，本文涉及的礦用自卸車舉升機(jī)構(gòu)采用多級(jí)伸縮缸直頂式舉升機(jī)構(gòu)，油缸布置采用后置雙缸直頂式。

采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法對(duì)礦用自卸車舉升液壓系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)提高貨物運(yùn)送效率非常重要。目前，我公司主要采用三維放樣對(duì)礦用自卸車的舉升機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，該方法是通過(guò)對(duì)舉升油缸支點(diǎn)位置的優(yōu)化得出滿足卸料角要求的油缸最大安裝距等參數(shù)，再選幾個(gè)點(diǎn)，將貨廂轉(zhuǎn)到這幾個(gè)點(diǎn)所在的卸料角，量出油缸的力臂長(zhǎng)度，計(jì)算在這幾個(gè)點(diǎn)時(shí)油缸力矩是否能克服貨廂力矩，如果不能克服，則繼續(xù)優(yōu)化支點(diǎn)位置，進(jìn)行反復(fù)調(diào)整。該方法有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，就是在舉升油缸支點(diǎn)位置優(yōu)化的過(guò)程中不能直觀地看出舉升力是否滿足設(shè)計(jì)要求，如果不能滿足，再重復(fù)調(diào)整油缸支點(diǎn)位置測(cè)量油缸力臂進(jìn)行力矩計(jì)算，比較麻煩，工作量較大。

本文所介紹的舉升機(jī)構(gòu)優(yōu)化方法，不需要進(jìn)行三維放樣，只需在電子表格中改變舉升油缸支點(diǎn)的參數(shù)，即可直觀地看出舉升機(jī)構(gòu)是否滿足卸料角、舉升力矩及舉升時(shí)間的要求。

1 舉升機(jī)構(gòu)優(yōu)化要求

（1）能夠根據(jù)整機(jī)設(shè)計(jì)要求的舉升油缸的最大安裝距、最小安裝距以及舉升油缸的初定支點(diǎn)位置校核該舉升機(jī)構(gòu)是否滿足最大的卸料角要求，如果不能滿足要求，可通過(guò)調(diào)整舉升油缸的最大安裝距、最小安裝距以及舉升油缸的支點(diǎn)位置進(jìn)行優(yōu)化，以滿足最大卸料角要求。

舉升機(jī)構(gòu)的最大卸料角是指液壓舉升機(jī)構(gòu)能使貨廂傾翻的最大角度。它是決定能否把貨廂內(nèi)貨物傾卸干凈的參數(shù)。松散物料當(dāng)在水平面上堆積時(shí)，一般會(huì)自然堆成一個(gè)圓錐體，這個(gè)錐體角就稱為松散物的安息角，一般為35°～55°。安息角的大小是評(píng)價(jià)松散物流動(dòng)特性的一個(gè)重要指標(biāo)，它與松散物的塵粒形狀、含水率、粒徑、松散物粘附性、塵粒表面的光滑程度等因素都有關(guān)[1]。因此在設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)該保持液壓舉升機(jī)構(gòu)最大的卸料角大于貨物的安息角，這樣才能夠保證將貨廂內(nèi)的貨物卸載完全。

（2）能夠根據(jù)整機(jī)設(shè)計(jì)要求的舉升液壓系統(tǒng)壓力、舉升油缸直徑及礦用卸車載重量校核該舉升機(jī)構(gòu)是否滿足舉升力要求，如果不能滿足要求，可通過(guò)提高舉升液壓系統(tǒng)壓力、加大舉升油缸直徑以及優(yōu)化舉升油缸的支點(diǎn)位置等方法提高舉升力矩以滿足舉升力矩要求。

（3）能夠根據(jù)液壓系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)計(jì)算出貨廂的舉升時(shí)間和下降時(shí)間，如果舉升時(shí)間和下降時(shí)間不能滿足設(shè)計(jì)要求，可通過(guò)優(yōu)化舉升液壓系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。

2SGR100C礦用自卸車舉升機(jī)構(gòu)優(yōu)化實(shí)例

2.1 SGR100C礦用自卸車舉升機(jī)構(gòu)的組成及工作原理

SGR100C礦用自卸車的舉升機(jī)構(gòu)組成如圖1、圖2所示，主要由舉升油缸、工作泵、舉升閥、先導(dǎo)供油閥、先導(dǎo)閥、平衡閥、油箱及管路組成。舉升泵安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出端，舉升油缸的上支點(diǎn)安裝在貨廂上，舉升油缸的下支點(diǎn)安裝在車架上。當(dāng)駕駛員將礦用自卸車駕駛到某一卸料場(chǎng)地時(shí)，將車停好后，按下裝載制動(dòng)按鈕，操縱先導(dǎo)閥的手柄至舉升位置，使舉升閥換向到舉升位置，舉升泵從油箱吸油后經(jīng)舉升閥進(jìn)入到舉升油缸的無(wú)桿腔，舉升油缸有桿腔內(nèi)的液壓油則經(jīng)平衡閥、舉升閥回到油箱，舉升油缸將貨廂舉起進(jìn)行卸料；將貨廂內(nèi)的貨物卸載完成后，駕駛員則將先導(dǎo)閥的手柄操縱至下降位置，使舉升閥換向至下降位，舉升泵打出的液壓油經(jīng)舉升閥、平衡閥進(jìn)入到舉升油缸的有桿腔，無(wú)桿腔的液壓油則經(jīng)舉升閥回到油箱，貨廂在動(dòng)力作用下下降，當(dāng)貨廂開(kāi)始由于重力作用下降時(shí)，操縱先導(dǎo)閥的手柄到浮動(dòng)位，使舉升閥處于浮動(dòng)下降位置，直到貨廂下落并停靠在車架上，完成了舉升機(jī)構(gòu)的整個(gè)工作過(guò)程，礦用自卸車即進(jìn)入到下一個(gè)工作循環(huán)[2]。

圖1SGR100C礦用自卸車舉升機(jī)構(gòu)示意圖

圖2SGR100C舉升液壓系統(tǒng)原理圖

2.2 SGR100C礦用自卸車整機(jī)設(shè)計(jì)要求

（1）舉升油缸為二級(jí)伸縮缸；

（2）卸料角不小于 45°；

（3）一級(jí)油缸的直徑不大于210；

（4）系統(tǒng)工作壓力不高于20 MPa；

（5）貨廂前部斜角為8°，貨廂尾部斜角為16°；

（6）貨廂舉升時(shí)間≯18 s，貨廂下降時(shí)間≯15 s。

2.3 SGR100C礦用自卸車舉升機(jī)構(gòu)優(yōu)化

如圖1所示，根據(jù)表1、表2所列的計(jì)算公式，優(yōu)化步驟如下：

表1 油缸舉升力計(jì)算

表2 動(dòng)力矩與阻力矩計(jì)算

2.3.1 確定能否使用二級(jí)油缸

暫定舉升油缸的支點(diǎn)位置，得到尺寸a、b、c，a為油缸上下支點(diǎn)的距離，a0為活塞完全縮回時(shí)的舉升油缸長(zhǎng)度，即最小安裝距Lmin，根據(jù)舉升油缸的最小安裝距Lmin及卸料角大小可以求出油缸的最大安裝距Lmax，求出舉升油缸行程，從而確定能否使用二級(jí)油缸。

2.3.2 計(jì)算舉升油缸的舉升力矩

（1）根據(jù)舉升油缸的缸徑及系統(tǒng)壓力，分別計(jì)算出一級(jí)油缸和二級(jí)油缸的舉升力；

（2）根據(jù)貨廂的旋轉(zhuǎn)角度計(jì)算出在該角度時(shí)油缸的長(zhǎng)度；

（3）計(jì)算在該位置時(shí)油缸與下支點(diǎn)和鉸點(diǎn)連線的夾角；

（4）計(jì)算油缸臂；（5）計(jì)算油缸力矩。

2.3.3 計(jì)算貨廂（含貨物）的力矩

（1）求出貨廂（含貨物）的重心；

（2）求出貨廂（含貨物）對(duì)鉸點(diǎn)在各個(gè)位置時(shí)的力臂；

（3）貨廂（含貨物）的力矩。

說(shuō)明：由于在上述計(jì)算力矩的過(guò)程中，是假定在各個(gè)位置時(shí)貨物都是不灑落的，而實(shí)際過(guò)程是在貨廂舉起的過(guò)程中貨物在不斷地灑落，因目前還不能很好地用公式計(jì)算出邊舉升邊灑落的工況時(shí)貨物的重量，為使計(jì)算更加準(zhǔn)確，本文采用的是從三維模型中在貨廂舉升到各個(gè)角度時(shí)切去已卸掉的料后得到的重量。

2.3.4 判斷舉升力是否滿足要求

如果貨廂舉長(zhǎng)至每一個(gè)角度時(shí)油缸力矩都大于貨廂（含貨物）的力矩，并且貨廂的卸料角大于等于貨物的安息角，則該舉升機(jī)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求；如果優(yōu)化結(jié)果不能滿足設(shè)計(jì)要求，則需重新調(diào)整油缸支點(diǎn)的位置或油缸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2.3.5 計(jì)算舉升時(shí)間和下降時(shí)間是否滿足要求

如表3所示，計(jì)算過(guò)程如下：

（1）計(jì)算各級(jí)油缸的無(wú)桿腔面積及有桿腔面積；

（2）計(jì)算各級(jí)油缸的無(wú)桿腔容積和有桿腔容積；

（3）計(jì)算各級(jí)油缸的舉升時(shí)間和下降時(shí)間；

（4）計(jì)算整個(gè)機(jī)構(gòu)的舉升時(shí)間和下降時(shí)間。

如果不滿足設(shè)計(jì)要求，則再調(diào)整相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

3 結(jié)論

本文所介紹的舉升機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，使用簡(jiǎn)單方便，只需在電子表格中輸入相關(guān)參數(shù)，即可直觀地看到貨廂的舉升角度是否滿足卸料角的要求，在貨廂（包含貨物）的整個(gè)舉升過(guò)程中舉升力矩是否能夠克服貨廂（包含貨物）的力矩，貨廂的舉升時(shí)間是否滿足設(shè)計(jì)要求。該方法可以作為模版在設(shè)計(jì)舉升機(jī)構(gòu)時(shí)使用或驗(yàn)算一些舉升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)合理性。