防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車前機(jī)架的設(shè)計(jì)*

謝龍

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

礦用某型號(hào)防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車是一種外形緊湊，前后機(jī)架鉸接，駕駛特性優(yōu)良舒適，行車視野開闊，可雙向駕駛,具備自卸功能，四輪驅(qū)動(dòng)靜液壓機(jī)械傳動(dòng)的防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車。整體底盤結(jié)構(gòu)由前機(jī)架(由前主架及與后架機(jī)連接的主駕駛室構(gòu)成)、后機(jī)架及與其連接的副駕駛室組成。由于前機(jī)架是安裝動(dòng)力及防爆裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)、懸架、液壓氣動(dòng)系統(tǒng)、電氣件等的基礎(chǔ)架，故設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮裝配及拆卸的方便快捷，又要兼顧整車外形的美觀。原防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車的前機(jī)架都是駕駛室與主機(jī)架設(shè)計(jì)為一體的，駕駛室中各個(gè)部件的安裝都在機(jī)架上進(jìn)行，其主要帶來(lái)的問題是，前機(jī)架外形不夠美觀，駕駛的操作舒適性不夠，內(nèi)部設(shè)備的安裝相對(duì)繁瑣。經(jīng)分析研究，決定在設(shè)計(jì)該型號(hào)前機(jī)架時(shí)跳出以往的思路及模式，即將駕駛室與機(jī)架分體設(shè)計(jì)，不僅保證了焊接尺寸，加工質(zhì)量，而且保證了駕駛室的美觀及內(nèi)部操作的舒適性。

1 駕駛室設(shè)計(jì)

駕駛室是工程車輛的重要組成部分，是駕駛?cè)藛T對(duì)設(shè)備操縱完成各種工程作業(yè)的控制室，也是工程車外觀質(zhì)量的重要體現(xiàn)，根據(jù)總體布置形式來(lái)確定駕駛室結(jié)構(gòu)，除滿足駕駛操縱功能外，還安裝有廢氣處理箱、液壓油箱、蓄能器、儲(chǔ)氣罐、電磁閥等設(shè)備，考慮到強(qiáng)度要求，該型號(hào)防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車駕駛室采用普通骨架型結(jié)構(gòu)，用封閉截面的冷彎薄壁型材焊接而成?？紤]到駕駛室操作的安全性及舒適性，駕駛操縱部與安裝部件隔離，隔離處采用沖壓或冷彎成型的內(nèi)外薄鋼板組焊而成,防止螺釘外漏，影響美觀。駕駛室主框架與前主架的連接部位采用厚板與框架焊接連成一體。主駕駛室與前主架采用螺栓及銷軸連接。這種結(jié)構(gòu)的駕駛室外形美觀，加工簡(jiǎn)單，強(qiáng)度剛度大，安全性較高。駕駛室外形見圖1和圖2。

圖1 駕駛室框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖2 駕駛室外形圖

2 前主架設(shè)計(jì)

前主架(圖3)承載著發(fā)動(dòng)機(jī)、散熱器、齒輪泵及行走液壓泵等總成的質(zhì)量,以及其傳給車架的各種力和力矩，故必須保證一定的強(qiáng)度和剛度[1]?？紤]到這些因素及總體的布置，前主架兩縱梁采用箱型梁結(jié)構(gòu)形式(圖4)。與后機(jī)架連接的前鉸接耳板設(shè)計(jì)為整體結(jié)構(gòu)(圖5),與兩箱型梁焊接，與駕駛室連接的部分采用厚鋼板與兩縱梁連接，用橫梁將左右縱梁連接在一起，構(gòu)成一個(gè)完整的車架。由于煤礦井下路況復(fù)雜，前后機(jī)架均帶有變剛度特性的非線性彈性懸架，使車輛在凹凸不平濕滑路面，以及頻繁啟制動(dòng)工況下,均能保證駕駛員的舒適性。根據(jù)整體布置，該車型的非線性彈性懸架鑲嵌于箱型梁之中，故鋼板彈簧與機(jī)架連接耳處所受的應(yīng)力最大。此時(shí)，在箱型梁機(jī)架的內(nèi)部采用貼板形式增加耳板處鋼板厚度，同時(shí)增加耳座襯套，減少此處的應(yīng)力集中，增加銷軸與襯套的耐磨性[2]。前主架結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 前主架結(jié)構(gòu)圖

圖4 箱型梁剖視圖

1-箱型梁框架;2-貼板;3-襯套圖5 連接板簧耳座箱型梁剖視圖

3 機(jī)架與駕駛室的連接

在整個(gè)前機(jī)架的設(shè)計(jì)中，駕駛室與前主架的連接是非常重要的，必須保證其在與前主架裝配后的任何狀態(tài)下，兩者都是一個(gè)有機(jī)的整體。本圖駕駛室與前主架的連接采用的一面兩銷定位并用與若干螺栓固定連接的結(jié)構(gòu)。一面兩銷定位主要應(yīng)用于機(jī)床上，是機(jī)器零件在大批量生產(chǎn)時(shí)，為了提高生產(chǎn)效率，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，而采用的一種定位方式。根據(jù)這種方式的固定機(jī)理，將它擴(kuò)展應(yīng)用于駕駛室與前主架分體的連接上，采用固定定位銷連接結(jié)構(gòu)。在定位的兩銷中，一個(gè)選用圓柱銷，另一個(gè)設(shè)計(jì)為削邊銷，以防過定位[3]。

采用此種連接方式后，即可進(jìn)一步計(jì)算螺栓及銷軸的受力是否滿足設(shè)計(jì)要求[4]。

1) 定位銷定位受剪，螺栓只受預(yù)緊力。這種情況下，銷定位受橫向剪切力，螺栓與螺栓孔之間有間隙，故螺栓不直接受橫向載荷，而是擰緊螺栓，使被連接件表面產(chǎn)生壓力，從而使被連接件結(jié)合面間產(chǎn)生的摩擦力來(lái)承受橫向載荷[5]。這時(shí)，螺栓的預(yù)緊力為：

(1)

式中：Q0為螺栓的預(yù)緊力;F為橫向載荷;Kf為可靠性系數(shù)，取1.1～1.3;z為螺栓數(shù)量;f為結(jié)合面摩擦因數(shù),取0.15;m為結(jié)合面數(shù)。

由于駕駛室裝配后總質(zhì)量為900 kg(包括駕駛室自重及其裝配的各件質(zhì)量)，所以F=9 000 N，根據(jù)設(shè)計(jì)，螺栓數(shù)量z=14，取Kf=1.3，f=1.5，m=1，求得螺栓預(yù)緊力Q0≥5 571 N。只受預(yù)緊力的螺栓連接，在擰緊力矩作用下，螺栓受到預(yù)緊力產(chǎn)生的拉應(yīng)力作用，同時(shí)還受到螺紋副中的摩擦阻力矩所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力作用，即螺栓處于彎扭組合變形狀態(tài)，所以螺栓所受應(yīng)力為：

(2)

式中：σ為螺栓應(yīng)力;d1為螺紋直徑。

根據(jù)設(shè)計(jì)，d1=16，計(jì)算出σ=36.03 N/mm2,其10.9級(jí)螺栓的許用應(yīng)力：

(3)

式中：[σ]緊螺栓聯(lián)接的許用應(yīng)力，[σ]=138.46 N/mm2;σs為10.9級(jí)螺栓的屈服極限,σs=900 MPa;Ss為安全系數(shù),取6.5。

由于σ<[σ]，故用14個(gè)M16的螺栓完全滿足使用要求。

2) 定位銷受橫向剪切力,核對(duì)定位銷所承受的剪切強(qiáng)度為：

(4)

式中：τ為定位銷的抗剪強(qiáng)度;Ft為橫向力;d為定位銷的直徑;z為定位銷的數(shù)量。

Ft=9 000 N，d=35 mm，z=2,計(jì)算得τ=4.68 N/mm2,定位銷的材料選用45鋼，調(diào)質(zhì)后，定位銷的許用應(yīng)力為[τb]=80 MPa。

因τ<τb，故此定位銷滿足要求。

通過計(jì)算，所選用的銷軸及螺栓數(shù)量、直徑等完全滿足使用要求。這樣在設(shè)計(jì)中，就可將前主架及駕駛室視為一體，對(duì)由二者組成的前機(jī)架進(jìn)行三維建模，利用有限元方法對(duì)前機(jī)架進(jìn)行滿載彎曲工況及轉(zhuǎn)向瞬間工況的應(yīng)力應(yīng)變分析，在保證機(jī)架強(qiáng)度的前提下，減輕質(zhì)量，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)機(jī)架的合理設(shè)計(jì)，以降低整車成本。

4 結(jié)論

將駕駛室與機(jī)架分體設(shè)計(jì),外形緊湊美觀、駕駛特性優(yōu)良、行車視野開闊，便于加工。通過計(jì)算分析確定改進(jìn)連接方式完全滿足使用要求，證明了這種連接的牢固性及可靠性。對(duì)以后同類前機(jī)架的設(shè)計(jì)起到一定的借鑒作用。

該型號(hào)防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車已在陽(yáng)泉新元煤礦、同煤集團(tuán)王村煤礦、山東濟(jì)寧二礦等應(yīng)用100多臺(tái)，實(shí)踐證明，這種前機(jī)架駕駛室分體設(shè)計(jì)外形美觀，駕駛操作舒適，駕駛室與機(jī)架的連接穩(wěn)固可靠，深受用戶歡迎。