大型礦山電動輪汽車轉(zhuǎn)向缸銷結(jié)構(gòu)設(shè)計改進(jìn)

周玉華

(江西銅業(yè)集團(tuán) 城門山銅礦采礦場， 江西 九江 332100)

隨著礦山規(guī)模的不斷擴大，電動輪自卸車在年開采量1 000萬噸級以上大型露天礦山的運輸設(shè)備中，起著舉足輕重的作用[1]。江銅德興銅礦銅廠和富家塢采區(qū)日采選礦石產(chǎn)能為13萬t/d，其礦石年采剝總量巨大，達(dá)1.32億t/a，采用十幾臺大型電動挖掘機和配套的七十多臺電動輪卡車進(jìn)行采礦作業(yè)，其中小松730E電動輪汽車屬于主力車型。

隨著該礦幾大采區(qū)產(chǎn)能的不斷提升，730E電動輪汽車采用四班三運轉(zhuǎn)方式，運輸任務(wù)十分繁重，其工況極其惡劣、復(fù)雜，高粉塵、高負(fù)荷、高強度，其轉(zhuǎn)向缸銷固定螺栓常會產(chǎn)生松動、脫落，致使其轉(zhuǎn)向缸銷孔磨損變大、轉(zhuǎn)向缸銷被切斷等，導(dǎo)致停機事故頻發(fā)。由于液壓系統(tǒng)元件精度較高，因而其故障修復(fù)長期以來一直成為礦山設(shè)備維修的技術(shù)“瓶頸”[2]。為使該型電動輪始終處于完好的技術(shù)狀態(tài)，保證其正常作業(yè)和延長使用壽命，降低生產(chǎn)成本，提高礦山技術(shù)經(jīng)濟效益，針對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計改進(jìn)，十分必要。

1 主要結(jié)構(gòu)組成

730E電動輪汽車載重量大、運輸快捷和安全穩(wěn)定性較好。其配備了一臺全天候的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，這樣可以直接為操作人員提供轉(zhuǎn)向控制。其動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括充氮的蓄能器，這樣可以在轉(zhuǎn)向液壓減少至規(guī)定的最低值時供應(yīng)緊急的能量，且其設(shè)計性能會影響汽車的操縱穩(wěn)定性和駕駛舒適性，對行車安全至關(guān)重要，故汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)零件皆稱為保安件[3]。其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用液壓式，與整車、其它總成及各系統(tǒng)息息相關(guān)。其轉(zhuǎn)向油缸總成主要由油缸殼體、活塞桿、活塞軸承、活塞密封總成、密封壓蓋、心軸臂、安裝支架、鎖緊螺母、球面軸承、定位器等部分組成。其轉(zhuǎn)彎半徑 (SAE)為28.0 m，具有蓄能器的雙液壓油缸能協(xié)助連續(xù)的額定轉(zhuǎn)向。儲能器能自動提供緊急動力轉(zhuǎn)向。其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有輕便、靈敏、易控制等特點[4]。其中轉(zhuǎn)向缸銷主要由螺桿、螺母、壓板、銷孔座、銷子等部分組成，是轉(zhuǎn)向油缸的關(guān)鍵零件，其使用壽命直接影響安全生產(chǎn)和生產(chǎn)成本。

該型電動輪汽車設(shè)置有符合或超過SAE J1511和ISO 5010標(biāo)準(zhǔn)的緊急轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。它可用作備用裝置，適用于主轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)生供油損失的狀況下。若低轉(zhuǎn)向系統(tǒng)壓力指示燈和報警啟動，則至轉(zhuǎn)向和制動系統(tǒng)的液壓油供應(yīng)存在故障。報警首次啟動后，應(yīng)快速安全地停住卡車極為重要。若供油壓力下降至預(yù)定的水平，低制動壓力警告燈也將點亮；若油壓繼續(xù)下降，制動自動施加功能將啟動，且行駛制動也將自動施加以停住卡車。

2 轉(zhuǎn)向缸銷失效主因分析

730E電動輪汽車動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作業(yè)頻繁，故障率較高。方向盤轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)動至一定的角度時，經(jīng)轉(zhuǎn)向控制閥，可定向、定量地將油泵所提供液壓油分別注入油缸的左右腔，并使轉(zhuǎn)向缸銷在受力的狀況下，推動導(dǎo)向輪實現(xiàn)動力轉(zhuǎn)向。然而，轉(zhuǎn)向缸銷處于工作狀態(tài)下，由于銷軸與銷孔接觸部位受到外界不同方向的反復(fù)沖擊，加之受到重心疊加等復(fù)合載荷的影響，產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)相當(dāng)復(fù)雜，容易使銷軸與銷孔之間的磨損間隙逐漸變大，銷孔內(nèi)的缸瓦受到力的沖擊，也會不同程度產(chǎn)生開裂、破損，甚至導(dǎo)致本體嚴(yán)重磨損；同時，銷軸在銷孔內(nèi)也跟著轉(zhuǎn)動，嚴(yán)重時銷孔內(nèi)的銷軸會產(chǎn)生嚴(yán)重磨損、斷裂或脫落，致使車輛失控，甚至造成設(shè)備停機，安全事故隱患較大，從而成為該礦安全生產(chǎn)的技術(shù)“瓶頸”。

2.1 銷軸失效

銷軸的使用性能除了受其材料影響之外，還與其表面粗糙度、硬度及與銷套的配合公差有關(guān)，特別是與銷套的硬度配比對銷軸耐磨性影響較大。大量銷軸失效研究表明，磨損是銷軸的主要失效形式，約占80%；斷裂失效次之。而銷軸磨損可劃分為磨合、磨粒磨損、粘著磨損三個階段[5]。銷軸磨損階段圖，如圖1所示。

圖1 銷軸磨損階段圖

(1)磨合階段。主要是微凸體改變自身形狀和材料的冷作硬化，銷軸表面粗糙度是該階段磨損的影響主因。(2)磨粒磨損階段。銷軸磨損量較小，磨損時間較長，硬度和配合是該階段的影響主因，其中配合是通過影響潤滑狀態(tài)來影響磨損的，而表面粗糙度也會影響這一階段穩(wěn)定后的配合，進(jìn)而影響銷軸磨損。(3)粘著磨損。該階段銷軸磨損迅速，易超過極限值。為避免銷軸提前失效，必須確保其表面粗糙度、硬度及公差配合良好。

2.2 銷孔失效

銷孔變形是因為車輛在運行過程中受到外界不同方向的反復(fù)沖擊、重心疊加的影響，致使其應(yīng)力狀態(tài)變得異常復(fù)雜。根據(jù)該型電動輪汽車轉(zhuǎn)向缸銷設(shè)計的實際，可分析出該處銷軸存在設(shè)計缺陷，最直接判斷是銷軸在車輛運行過程中使用動力轉(zhuǎn)向時，銷軸也會隨之轉(zhuǎn)動，久而久之銷軸處于摩擦狀態(tài)，銷孔也會逐漸變大。

2.3 缸銷失效

由于轉(zhuǎn)向缸銷由螺栓直接固定，無任何設(shè)計阻擋銷軸水平旋轉(zhuǎn)運動的物體，車輛運行過程中產(chǎn)生震動，易使螺栓、壓板松動或脫落，銷軸整體無受壓、無保護(hù)，一旦車輛遇到大的沖擊時，轉(zhuǎn)向缸銷易上下竄動，銷軸與銷孔磨損加劇，轉(zhuǎn)向受力陡增，銷孔軸承破碎，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向缸銷易磨損和斷裂，時而還會出現(xiàn)轉(zhuǎn)向缸銷整個外竄現(xiàn)象，造成電動輪汽車在運行時突然無方向，極易釀成嚴(yán)重的安全事故，安全隱患極大。

2.4 停機維修

據(jù)統(tǒng)計，由于緊固轉(zhuǎn)向缸銷固定螺栓和修復(fù)轉(zhuǎn)向缸銷孔頻繁，該礦由此造成的年停機時間超過5 000 h/a，導(dǎo)致設(shè)備使用率低，員工勞動強度大。究其主因，主要是原設(shè)計轉(zhuǎn)向缸銷和固定方式設(shè)計存在缺陷，原轉(zhuǎn)向缸銷是由螺桿、螺母、壓板共同作用固定于銷孔座上的，該固定方式僅限制了轉(zhuǎn)向缸銷的上下運動，卻不能很好地限制轉(zhuǎn)向缸銷的水平旋轉(zhuǎn)運動。730E型電動輪汽車載重約200 t，其轉(zhuǎn)向時對轉(zhuǎn)向缸銷會施加旋轉(zhuǎn)力較大，若僅靠螺母、螺桿和壓板共同作用的磨擦力，根本無法有效地限制轉(zhuǎn)向缸銷的水平旋轉(zhuǎn)，反而易使固定螺栓產(chǎn)生松動。而轉(zhuǎn)向缸銷旋轉(zhuǎn)會使銷孔磨損變大、變形，導(dǎo)致固定螺栓易松動，銷孔損壞加劇，從而產(chǎn)生惡性循環(huán)。改進(jìn)前轉(zhuǎn)向缸銷固定方式，如圖2所示。

1.銷子 2.壓板 3.銷子 4.銷孔座 5.螺母 6.螺桿 7.銷孔座圖2 改進(jìn)前轉(zhuǎn)向缸銷固定方式

2.5 維修成本

該礦730E電動輪汽車共有20余臺，以一年修復(fù)一次計算，修復(fù)轉(zhuǎn)向缸銷，銷孔、鏜孔費用和備件費用共消耗20余萬元，且維修成本正在逐年遞增。為及時消除故障，杜絕設(shè)備安全隱患，大幅降低備件消耗及維修成本，避免造成大的經(jīng)濟損失，分析轉(zhuǎn)向缸銷在運行過程中水平旋轉(zhuǎn)運動故障，并對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計改進(jìn)已迫在眉睫。

3 轉(zhuǎn)向缸銷結(jié)構(gòu)設(shè)計改進(jìn)

通過現(xiàn)狀調(diào)查原因，確定了限制轉(zhuǎn)向缸銷的水平旋轉(zhuǎn)是解決故障的關(guān)鍵所在。經(jīng)過反復(fù)分析與研究，針對轉(zhuǎn)向缸銷進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，具體方案如下。

3.1 轉(zhuǎn)向缸銷設(shè)計改進(jìn)

2011年2月，根據(jù)測繪轉(zhuǎn)向缸銷孔內(nèi)徑、長度及定位尺寸，結(jié)合方案優(yōu)化設(shè)計；4月初測繪設(shè)計完成，成功制作出樣品。原設(shè)計轉(zhuǎn)向缸銷是臺階型圓柱銷，新設(shè)計在轉(zhuǎn)向缸銷銷頭上增設(shè)一個帶切面的銷頸。改進(jìn)前后銷頸對比圖，如圖3所示。

1.改進(jìn)前銷頸 2.改進(jìn)后銷頸圖3 改進(jìn)前后銷頸對比圖

3.2 銷子固定方式改進(jìn)

新設(shè)計是在銷孔座上部安裝擋塊，與轉(zhuǎn)向缸的銷頸切面相互配合，以限制銷子的水平旋轉(zhuǎn)。改進(jìn)銷子固定方式，如圖4所示。

2011年5月至8月，按以上設(shè)計改進(jìn)方案，先安裝在一臺730E電動輪汽車上進(jìn)行跟蹤試用，并跟蹤試用3個月后未出現(xiàn)固定螺栓松動、銷孔磨損等現(xiàn)象，效果十分明顯。逐步擴大試驗范圍，推廣應(yīng)用于至其它730E電動輪汽車，通過持續(xù)跟蹤，應(yīng)用效果良好，但使用中不難發(fā)現(xiàn)，第一次設(shè)計擋塊僅是簡單長方體通過焊接裝于銷孔座上，每次更換磨損的擋塊，都必須采用氣割方法去除舊擋塊，再焊接新?lián)鯄K，維修非常麻煩。

1.銷子 2.壓板 3.銷子 4.擋塊 5.銷孔座 6.螺母 7.螺桿 8.銷孔座 9.擋塊圖4 改進(jìn)銷子固定方式1

3.3 擋塊設(shè)計改進(jìn)

2011年9月，通過擋塊使用現(xiàn)狀調(diào)查，針對上述磨損擋塊更換的麻煩，采取二次設(shè)計改進(jìn)，將擋塊重新設(shè)計成由帶螺絲孔的擋塊座、擋塊、螺釘組成的復(fù)合型擋塊。擋塊座焊在銷孔座上，擋塊用螺釘固定在擋塊座上。一旦擋塊磨損后，僅需拆裝螺釘，即可方便地更換新?lián)鯄K。改進(jìn)銷子固定方式，如圖5所示。二次改進(jìn)后，更換磨損擋塊較方便，維修時間短，通過使用跟蹤，該型電動輪汽車試用狀況良好，設(shè)備出勤率高。

1.銷子 2.壓板 3.銷子 4.擋塊 5.銷孔座 6.螺母 7.螺桿 8.銷孔座 9.擋塊 10.螺桿圖5 改進(jìn)銷子固定方式2

4 結(jié)語

生產(chǎn)實踐表明，730E電動輪汽車轉(zhuǎn)向缸銷結(jié)構(gòu)設(shè)計改進(jìn)是成功的，徹底解決了其轉(zhuǎn)向缸銷、銷孔易松動或異常損壞，解決了長期困擾該礦設(shè)備維修的技術(shù)“瓶頸”。年可減少因鏜孔、緊固螺栓造成停機時間約5 000 h(鏜孔2 000 h，每天緊固螺栓近3 000 h，相當(dāng)于一臺730E電動輪汽車的年產(chǎn)量，增加運輸?shù)V或廢石近270多萬噸。以年修復(fù)轉(zhuǎn)向缸銷一次進(jìn)行保守計算，改進(jìn)后每臺電動輪汽車年維修成本可由20余萬元降至1萬元以下。目前，該礦已將該成果應(yīng)用于舉升缸銷、橫拉桿銷等固定方式上，并全面推廣應(yīng)用至該礦所有的電動輪汽車。其作業(yè)效率、可開動率、設(shè)備利用率高，生產(chǎn)成本低，安全隱患低，使用壽命長，確保了該礦的安全生產(chǎn)，技術(shù)經(jīng)濟效益和社會效益十分顯著。