電動(dòng)輪汽車懸掛油缸翻轉(zhuǎn)機(jī)的研制

羅序文，鐘國(guó)慶，朱家俊

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

0 前 言

在我國(guó)的大型露天采礦企業(yè)，已廣泛采用運(yùn)輸能力大、機(jī)動(dòng)性能好的大型電動(dòng)輪汽車作為運(yùn)輸設(shè)備，其數(shù)量現(xiàn)已超過800臺(tái)［1］，僅就江西銅業(yè)公司德興銅礦而言，現(xiàn)有各種型號(hào)電動(dòng)輪汽車60多臺(tái)。在德興銅礦，隨著電動(dòng)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(zhuǎn)、調(diào)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(jī)對(duì)維修件進(jìn)行翻轉(zhuǎn)、調(diào)整，給整個(gè)維修工作帶來諸多不便，而且維修效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，同時(shí)容易造成安全隱患。因此，針對(duì)730E、830E電動(dòng)輪汽車懸掛油缸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及維修工藝過程對(duì)懸掛油缸的翻轉(zhuǎn)位置要求，研制懸掛油缸翻轉(zhuǎn)機(jī)，對(duì)于提高維修效率和保障維修質(zhì)量具有實(shí)際意義。

1 油缸翻轉(zhuǎn)機(jī)設(shè)計(jì)依據(jù)及要求

（1）前懸掛油缸、后懸掛油缸外形如圖1所示，其結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪得出。

（2）能滿足830E（730E）電動(dòng)輪汽車前（后）懸掛油缸總成在本油缸翻轉(zhuǎn)機(jī)上實(shí)施拆卸和組裝的要求。

（3）可保證在對(duì)裝夾了前（后）懸掛油缸缸體實(shí)施維修時(shí)，翻轉(zhuǎn)機(jī)上被夾持的懸掛油缸缸體，能按順時(shí)針（或逆時(shí)針）方向，勻速平穩(wěn)地旋轉(zhuǎn)，并在預(yù)定的位置準(zhǔn)確地停位。

圖1 電動(dòng)輪汽車前（后）懸掛油缸

（4）主軸旋轉(zhuǎn)速度大約為1r／min。

（5）翻轉(zhuǎn)過程中，懸掛油缸最小離地間隙大于100mm。

2 油缸翻轉(zhuǎn)機(jī)的設(shè)計(jì)［2－3］

2.1 油缸翻轉(zhuǎn)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的配置設(shè)計(jì)

電動(dòng)機(jī)→帶制動(dòng)輪彈性套柱銷聯(lián)軸器→電磁制動(dòng)器→蝸輪蝸桿減速機(jī)→凸緣聯(lián)軸器→單級(jí)臥式擺線針輪減速器→十字滑塊聯(lián)軸器→滑動(dòng)軸承→主軸→夾具總成→830E（730E）前（后）懸掛油缸。懸掛油缸翻轉(zhuǎn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意見圖2［4－5］。

2.2 主要零部件的選型設(shè)計(jì)與計(jì)算

2.2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析計(jì)算

預(yù)選：電動(dòng)機(jī)Y100L－6，額定功率1.5kW，同步轉(zhuǎn)速1000r／min。

圖2 懸掛油缸翻轉(zhuǎn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意

預(yù)定：懸掛油缸轉(zhuǎn)速≈1r／min，則轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的總速比≈1000。

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

2.2.2 主軸動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算

本懸掛油缸翻轉(zhuǎn)機(jī)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(qiáng)度計(jì)算的依據(jù)。

首先，對(duì)載荷三維實(shí)體采用CAD／CAM／CAE一體化的三維軟件Pro／ENGINEER，繪制三維實(shí)體圖，并確定該三維實(shí)體上的物理重心點(diǎn)［6－8］。其次，因?qū)Ρ緫覓煊透追D(zhuǎn)機(jī)的載荷三維實(shí)體而言，均存在一垂直且左右對(duì)稱的中心截面，故把該中心截面設(shè)置為與主軸軸線重合，并把處于該中心截面上的重心設(shè)置為與主軸軸心重合（平面投影），理論上可實(shí)現(xiàn)主軸因載荷偏心產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩為零，而主軸所承受的扭轉(zhuǎn)力矩僅為回轉(zhuǎn)副產(chǎn)生的摩擦力矩。

（1）主軸受力分析及計(jì)算［9］。如圖3（a）所示，主傳動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化力學(xué)模型為左外伸端為自由端的連續(xù)梁；Q為載荷，是懸掛油缸的重量產(chǎn)生的；Mn為扭矩，僅考慮支撐主軸的回轉(zhuǎn)副產(chǎn)生的摩擦力矩。主軸的力學(xué)模型可進(jìn)一步簡(jiǎn)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(diǎn)的彎矩M是由載荷Q平移至主軸左外伸端產(chǎn)生的。為了求出A、B和C點(diǎn)處的支撐反力，把圖3（b）中C點(diǎn)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(zhuǎn)化為兩端外伸的外伸梁。

根據(jù)變形諧調(diào)條件，C點(diǎn)的繞度fc＝（fc）RC＋（fc）Q＋（fc）M＝0，即：

可以求得：

分別對(duì)于A點(diǎn)和B點(diǎn)由靜力平衡方程，則進(jìn)一步可求得：

圖3 主軸受力分析

經(jīng)整理可得：

然后，就和靜定梁一樣，根據(jù)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(qiáng)度計(jì)算［10－11］。根據(jù)主軸的受力分析的結(jié)果，按扭轉(zhuǎn)和彎曲組合強(qiáng)度要求，確定主軸的最小直徑，然后按彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的合成應(yīng)力，對(duì)主軸進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算或校核（略）。

（3）主軸結(jié)構(gòu)。主軸結(jié)構(gòu)如圖4所示。

（4）減速機(jī)承載能力校驗(yàn)。根據(jù)預(yù)選電動(dòng)機(jī)的額定輸出功率、轉(zhuǎn)速和選定的二級(jí)變速方案，分別對(duì)第一級(jí)蝸輪蝸桿減速機(jī)（速比31.5）和第二級(jí)單級(jí)擺線針輪減速機(jī)（速比35或29）的許用輸出扭矩進(jìn)行校驗(yàn)。

圖4 主軸結(jié)構(gòu)

（5）電動(dòng)機(jī)承載能力校驗(yàn)。在對(duì)電動(dòng)機(jī)承載能力進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，可設(shè)定主軸除受支撐回轉(zhuǎn)副處的摩擦力矩作用外，還受載荷偏心對(duì)主軸產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩的作用。根據(jù)計(jì)算，確定偏心距的取值為15～30 mm，預(yù)選電動(dòng)機(jī)的額定功率和轉(zhuǎn)速須滿足本懸掛油缸翻轉(zhuǎn)機(jī)機(jī)械性能參數(shù)的要求，否則重選，直至符合要求為止。

（6）傳動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)的選型設(shè)計(jì)。因?yàn)橛透追D(zhuǎn)機(jī)功能，需要使夾持的懸掛油缸在翻轉(zhuǎn)過程中制動(dòng)停止，所以傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)置了制動(dòng)裝置。本傳動(dòng)系統(tǒng)在電動(dòng)機(jī)與蝸輪蝸桿減速機(jī)之間的TLL1彈性套柱銷聯(lián)軸器（帶制動(dòng)輪）與TJ2－200／100電磁鐵塊式制動(dòng)器相配，實(shí)現(xiàn)剎車制動(dòng)的功能。

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

根據(jù)上述設(shè)計(jì)，最終制造的樣機(jī)如圖5所示。

圖5 懸掛油缸翻轉(zhuǎn)機(jī)結(jié)構(gòu)外觀

3 結(jié) 語

（1）本設(shè)計(jì)充分利用兩種型號(hào)電動(dòng)輪汽車懸掛油缸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在同一翻轉(zhuǎn)機(jī)上進(jìn)行不同型號(hào)懸掛油缸的維修輔助作業(yè)，提高了該設(shè)備的利用率。

（2）在德興銅礦的實(shí)際應(yīng)用表明，該設(shè)備設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行可靠，達(dá)到預(yù)定設(shè)計(jì)要求。應(yīng)用該設(shè)備大大減輕了維修人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，有效縮短了維修時(shí)間，提高了油缸維修效率及維修作業(yè)安全性［12］。

［1］ 羅泉根.電動(dòng)輪汽車輪馬達(dá)翻轉(zhuǎn)架的研制［J］.設(shè)備管理與維修，2002（6）.

［2］ 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)聯(lián)合編寫組編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第2版）［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1987.

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［J］.江西理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（1）.