礦用卡車電動輪翻轉架設計

李海軍，牟鵬昊

（神華準能集團公司設備維修中心，內(nèi)蒙古 準格爾旗 010300）

礦用卡車電動輪翻轉架設計

李海軍，牟鵬昊

（神華準能集團公司設備維修中心，內(nèi)蒙古 準格爾旗 010300）

神華準格爾能源有限責任公司使用大量的電動輪自卸卡車進行生產(chǎn)運輸任務，因此用于運行和周轉的電動輪數(shù)量很多，每年電動輪的檢修和維護數(shù)量十分龐大。檢修和維護過程中一個重要工序就是多次對電動輪進行翻轉，目前主要使用吊車和人力配合進行該工序，這樣就造成檢修效率低下、檢修過程安全風險大。因此，根據(jù)維護檢修實際需要，針對電動輪需要旋轉角度和升降位置，并借鑒了汽車吊伸縮吊臂的結構，設計制造一種電動輪翻轉架。該翻轉架具有承載性能可靠、扭矩輸出平穩(wěn)、翻轉及升降動作精準、運行噪音小、人員操作安全等特點。

電動輪自卸卡車；電動輪翻轉架；旋轉架立柱

目前國內(nèi)外許多大型露天礦均采用間斷型開采工藝，間斷型開采工藝主要由電動單斗挖掘機(電鏟)和大噸位卡車完成。一般情況下大噸位卡車是指載重在150～350噸之間的礦用電動輪自卸卡車，這類卡車在露天間斷型采礦中應用非常廣泛，是一種露天采礦業(yè)的主流運輸設備。因為電動輪自卸卡車具備運輸裝載噸位大、卡車運行效率高、實際運輸成本低的優(yōu)點，神華準能公司的露天煤礦也同樣采用了間斷型開采工藝，目前神華準能公司兩個露天礦擁有各類型電動輪自卸卡車200臺。目前一臺卡車需要裝配2臺電動輪，每臺電動輪主要由電機和輪邊減速機構成。電動輪作為自卸卡車的動力驅(qū)動單元，在卡車生產(chǎn)運行及日常維護中占舉足輕重的地位。神華準能公司維修中心每年大修理各類型號電動輪數(shù)量多達80件左右。由于電動輪結構較其它類型減速機復雜，在維修時需要進行6次徑向翻轉才能完成分解、裝配等各道檢修工序，由于電動輪自身質(zhì)量較大，僅僅利用檢修廠房內(nèi)的橋式起重機完成電動輪翻轉工作，不僅每次都存在很大安全風險，而且還嚴重影響工作效率。面對維修單位均采用這種既影響效率，也存在巨大安全隱患的起重機和人力協(xié)助完成電動輪翻轉工作的情況，為保證檢修人員和設備安全，提高工作效率，設計一款專用的電動輪輪邊減速機翻轉架，來安全、可靠地完成電動輪的維護檢修工作。

1 礦用卡車電動輪使用情況及其結構介紹

1.1 各種電動輪的使用情況

目前神華準能公司兩個露天礦采取使用7種型號的電動輪自卸卡車，這些卡車配備了GE776型電動路、GE788型電動輪、GEB25C4型電動輪、GDY106A8型電動輪、GEB25B4型電動輪、GEB25A2型電動輪以及W-25-55型電動輪，這些電動輪具備不同的質(zhì)量、不同的外形尺寸以及不同程度的投入運行時間，目前電動輪保有總數(shù)為450臺。每年進行大型修理總數(shù)約為150臺次，具體信息詳見表1準能公司兩個露天礦各類型卡車和其配置的電動輪型號一覽表。

表1 各類型卡車和其配置的電動輪型號一覽表

由表1可以看出630E卡車、930E卡車、SF33900卡車、MT4400卡車、MT5500卡車的電動輪數(shù)量十分多，其中630E卡車、SF33900卡車、MT4400卡車、MT5500卡車投入使用時間較長，這些卡車使用年時間均達到10年以上，隨著使用時間的不斷延長這些卡車的電動輪維護量和故障率不斷增加，這就造成電動輪的修理和維護量逐年增加，為了應對這種電動輪修理維護工作越來越緊張的情況，在場地、維修設備和維修人員不變的情況下，簡化維護維修程序，提高維護維修速度，增加維護維修效率就是一種有效的手段。

1.2 電動輪結構簡介

以神華準能公司目前最新型卡車，即裝載量在300噸級的930E卡車電動輪——GDY106 電動輪為例，闡述電動輪結構構及其拆裝的復雜性。GDY106 電動輪主要由主機架、驅(qū)動電機、行星輪減速器和濕式制動器四部分構成，其減速器屬于多級行星齒輪減速傳動裝置。電動輪的功用是作為整臺電動輪自卸卡車的承載裝置和驅(qū)動裝置，是全車的核心總成件之一，其外部形狀、內(nèi)部結構都十分復雜，并且安裝位置在卡車的承重部分。主機架是裝配基準和主要承載結構件，裝配位置見圖1。兩級行星輪減速裝置套裝在主機架一側，見圖1右側部分，減速裝置外裝配有輪胎。電機裝配在主機架另一側，在卡車上裝配于后橋殼內(nèi)。主機架中部位置套裝有濕式制動器和輪轂。主機架裝配在卡車車架上，在卡車運行時，電機動力通過花鍵軸傳輸給兩級行星輪減速裝置，由減速裝置傳輸給輪轂。電動輪最大直徑1850mm，長度為4320mm，總重量達25000kg。在拆卸、裝配零部件時，按照工藝要求需要對電動輪總成進行翻轉和上下移動的動作，這樣在翻轉時會產(chǎn)生較大的偏心力矩，在這個偏心力的作用下，已發(fā)生傾覆或瞬間失控事故，在維護檢修過程中安全的保障成為一個困難點，同時上下運動會形成懸空，檢修人員工作時需要架梯子開展，而且還需不斷地調(diào)整位置，這些都成為提高維護檢修速度和效率的不利因素。

鑒于以上因素，吊裝物體的吊點不在重心上方，產(chǎn)生的偏心力極易產(chǎn)生安全事故，以及其它方向的運動都會極大地影響工作效率，使維護檢修時間存在極大的浪費。故此，為保證人員安全，以及各種輔助設備的充分利用，按照電動輪現(xiàn)場檢修的各項工藝標準要求，提高電動輪維護檢修效率，縮短單臺電動輪維護檢修所用時間，必須設計制造一種實用可靠的電動輪翻轉架來滿足現(xiàn)階段和今后的維護檢修任務需求。

圖1 GDY106電動輪結構圖

2 電動輪翻轉架結構設計

電動輪翻轉架整體結構共分為六個部分，第一部分是翻轉架鋼架結構，也叫支撐座，負責整體質(zhì)量的支撐，以及保證實施各種規(guī)定動作時的穩(wěn)定工作；第二部分是傳動機構，負責動力的產(chǎn)生和傳輸，主要由電機、斜齒輪-蝸桿減速機構成；第三部分是制動裝置；第四部分是液壓升降機構，這部分內(nèi)置升降油缸鋼結構旋轉立柱裝置；第五部分是電動控制部分；第六部分是運行安全防護部分。以上這些部分的具體結構見圖2。翻轉架支撐座由高強度鋼板焊接加工而成，通過高強度螺栓固定在砼基礎上，以保證運行強度和安全性。齒輪主減速箱、電機、蝸輪蝸桿減速機及制動器等旋轉、傳動裝置及制動裝置固定在支撐座上。內(nèi)置升降油缸鋼結構立柱通過支撐軸與齒輪減速機鋼性連接。在電動輪下方鋪設有可沿地面方向伸縮的安全防護板以及安全防護欄，安全防護板用作檢修人員站立平臺和防護平臺。

當電動輪由行車放置到翻轉架時，由電動輪底部法蘭盤自身的孔與翻轉架用螺栓緊固，開始拆卸電動輪的外套及軸承。當進行電動輪翻轉作業(yè)時，翻轉架坑口上部的防護板平行外移，坑口打開用以減少電動輪的提升高度。立柱通過法蘭盤帶動電動輪翻轉，在旋轉到適合維修人員維修的角度和位置時，可以停止翻轉，并由蝸輪蝸桿自鎖裝置和制動器將旋轉立柱鎖死，以保證人員安全。當需要升降電動輪時，通過立柱內(nèi)置升降油缸的伸縮運動，帶動立柱上升或下降，進而帶動電動輪上升或下降。這樣，可以安全、快速、可靠地完成電動輪6次拆裝翻轉工作，既提高了工作效率，又保護了人員安全。

圖2

3 部分結構件的設計計算及仿真

按照電動輪結構，依據(jù)最大電動輪自重、翻轉時產(chǎn)生的偏心力矩以及安全系數(shù)，初步計算出電動輪翻轉架設備額定承載重量為60000kg。整體設計通過詳細的計算和對所用材料用有限元力學的建模仿真分析，使整臺設備的設計既合理又科學。具體的計算和仿真分析如下所述。

3.1 主支撐軸結構計算及力學分析

通過查閱設備手冊和現(xiàn)場測量，遵照電動輪拆裝工藝步驟，確定出最大型號電動輪翻轉時，其重心偏離翻轉架旋轉軸心的距離為1630mm，即轉動力臂L＞1630mm，考慮到拆裝人員站位以及極端運行工況等因素，初步按照L=2000mm計算。轉動力臂應承受力矩：

式中：Ml——動力臂自重旋轉時產(chǎn)生的力矩；

Mm——旋轉時，電動輪重心距動力臂支點最大距離產(chǎn)生的偏心距；

M慣——電動輪和力臂旋轉式的慣性力矩。

由于翻轉架力臂旋轉為勻速、低速運轉，所以M慣可視為0，考慮到設備運行安全性，所以安全系數(shù)取值為2.4。最終確定轉動力臂承載扭矩為MZ=285kN·m。

初步選用主支撐軸軸徑材質(zhì)為45#鋼，按照扭轉強度計算條件，計算得：

d≥3102MZ+αT2σ-1=256mm

通過計算得出結論，主支撐軸材質(zhì)為45#鋼，軸徑為φ256mm，可以滿足主支撐軸的扭矩，所以軸徑選為φ260mm。

3.2 主支撐軸承選型

按照主支撐軸的軸徑和使用壽命5000小時來選擇主支撐軸承。考慮到主要支撐徑向力＞300kN，軸向力相對較小。同時結構設計時每主軸選用兩盤軸承支撐運轉，一軸承支點為雙向固定，另一軸承支點為游動支撐。經(jīng)查閱手冊，初步選用6052深溝球軸承作為主支撐軸軸承，軸承動載荷：Cr=292kN×2=584kN靜載，Cor=372kN×2=744kN，完全可以滿足電動輪反轉架的翻轉運行。

3.3 旋轉架立柱結構、材質(zhì)選型及其力學分析

參照汽車吊箱形伸縮式吊臂結構設計了翻轉架立柱，箱形伸縮式吊臂結構緊湊、空間剛度大、抗扭性能好，在汽車起重機應用廣泛。同樣，翻轉架立柱也采用箱型結構，其截面為矩形，箱體結構內(nèi)裝有伸縮液壓缸。翻轉架立柱由兩節(jié)伸縮臂構成，與吊車臂類似，每個外節(jié)段內(nèi)裝有支承內(nèi)節(jié)的滑塊支座，兩節(jié)臂之間可以相對滑動。兩節(jié)臂中部與主支撐軸通過法蘭盤剛性連接。吊臂根部裝有變幅液壓缸，可實現(xiàn)吊臂在變幅平面內(nèi)自由轉動，這樣設計就具有較好的靜動特性。

旋轉架立柱材料選用42CrMo，鋼板厚度δ=50mm，其抗拉強度σb＝1080MPa，屈服點σs=930MPa。在承受60000kg的工件時，其垂直方向的重力為600kN，通過計算和有限元力學分析，完全滿足工況需要。

3.4 減速機選型

斜齒輪—蝸桿減速機結構緊湊、傳動比大，比渦輪蝸桿減速機效率高，相對于普通齒輪減速機還具有自鎖功能，該型號減速機是將斜齒輪傳動的一級減速和蝸輪蝸桿的兩級減速的性能集于一體。而且其傳動精度高，非常適用于電動輪翻轉架裝配使用。經(jīng)過篩選，選用西門子弗蘭德斜齒輪—蝸桿減速機(包含電機和變頻控制器)作為傳動裝置。

按照上述扭矩Mz=285kN·m，減速機輸出轉速為0.5rad/s，可計算得減速機功率≥6.55kW。西門子弗蘭德斜齒輪—蝸桿系列減速機的功率最大可達到15kW，其輸出扭矩可達到1600Nm，輸出轉速在0.05～148rad/s。因此，經(jīng)論證選用西門子弗蘭德斜齒輪-蝸桿減速機作為傳動裝置。

4 結語

這些年來神華準能公司一直采用吊車和人工配合的方法來完成電動輪維護修理過程中的電動輪翻轉工作，但是隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，各種大型礦用電動輪卡車不斷引進，使的電動輪的保有量越來越大，隨著時間的推移電動輪的年維護維修數(shù)量也在不斷增加，同時由于廠房和人員的制約維護檢修的臺位無法增加，從事檢修的人員也得不到增加，最終使電動輪的維護檢修效率低下這個瓶頸凸顯。

與此同時采用這種吊車和人工配合的方法也存在安全隱患，要求人機配合十分到位，否則可能發(fā)生傾覆或失控問題。同時后期引進的卡車電動輪都存在大型化問題，即電動輪質(zhì)量加大，體積加大，所以對這種老的維護檢修方法又提出了新的考驗。為了防患于未然，徹底解決這個安全隱患，解決維護檢修中的新困難，提出翻轉架這個可靠解決方案。

根據(jù)本文項目設計制造的電動輪翻轉架，具有承載性能可靠，范圍大；扭矩輸出平穩(wěn)；翻轉及升降動作精準；設備運行噪聲??；人員操作安全等顯著特點。同時涵蓋廣泛，使各種電動輪均完全可以維護，如檢修表1中各型號電動輪。通過翻轉架地面位置的人員工作承載平臺，檢修人員可以360°旋轉電動輪，且通過制動器和斜齒輪-蝸桿減速機自鎖功能，停留在任意角度位置進行檢修，電動輪翻轉架投入使用后維護檢修或大修理1臺電動輪時只需一次裝夾在翻轉架上即可以完成全部維護檢修工序。由2名檢修人員在2～3h內(nèi)就可以完成電動輪拆解工作，極大地提高了檢修效率和安全系數(shù)，大大降低了維修人員的勞動強度，成功避免了電動輪維護檢修過程中產(chǎn)生的安全風險，提高了電動輪的維護檢修效率，縮短了電動輪的維護檢修時間，使電動輪維護檢修工作可在人員和場地不變得情況下完成高額維護檢修任務。

[1]小松930E電動輪自卸卡車維修手冊.

[2]焦文瑞,孔慶華 .汽車起重機箱形伸縮式吊臂的有限元分析[J].工程機械，2007,9,38.

TD67

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：1671-0711（2017）12（下）-0124-03