一種礦用防爆電動(dòng)無軌膠輪車貨箱設(shè)計(jì)*

王亞軍

(神東煤炭集團(tuán)技術(shù)研究院，陜西 神木 719315)

0 引言

無軌膠輪車由于無軌道的限制，具有牽引力大、適應(yīng)性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)靈活性好、安全高效、使用范圍廣等特點(diǎn)[1]，廣泛應(yīng)用于井下施工和生產(chǎn)中，是現(xiàn)代化礦井的重要裝備。貨箱作為整車主要的承載部件，在設(shè)計(jì)中必須保證其載重質(zhì)量及其體積的要求上，采用輕量化設(shè)計(jì)貨箱，可以降低整車自重，從而減小能耗。

1 貨箱設(shè)計(jì)思路及要求

貨箱設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)具體的工作條件，需要考慮物料的破碎程度、密度、硬度以及裝載工具、裝料、卸料和運(yùn)輸?shù)缆非闆r及養(yǎng)護(hù)方式[2-4]。根據(jù)電動(dòng)輪礦用自卸車總體方案要求及整車布置情況，貨箱設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求：貨箱承載5 t，設(shè)計(jì)容積為3 m3；貨箱本體和舉升油缸重量≤500 kg，壽命在3 a以上；貨箱設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)具有一定的強(qiáng)度、剛度，并有足夠的抗沖擊能力；貨箱應(yīng)設(shè)計(jì)有加高欄板，保護(hù)貨箱前面的電池；具有貨箱舉升后的保險(xiǎn)裝置。

保證上述總體要求，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)礦用或者其他場(chǎng)合小型貨斗多數(shù)采用傳統(tǒng)的小噸位自卸車的貨斗結(jié)構(gòu)方式，如圖1所示。底板、側(cè)板、前后面板和加強(qiáng)筋全部采用普通鋼板，貨箱本體周圈全部布置大量加強(qiáng)筋，其特點(diǎn)為：大量使用加強(qiáng)筋；焊縫多；矩形截面；外觀強(qiáng)壯憨實(shí)[5-8]。然而，國(guó)內(nèi)外發(fā)展的趨勢(shì)是輕量化減重設(shè)計(jì)，特別礦用電動(dòng)自卸車領(lǐng)域，降低結(jié)構(gòu)重量，合理匹配電池?cái)?shù)量，是保證技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)的關(guān)鍵。減重設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而減少加強(qiáng)筋的布置，合理布局加強(qiáng)筋的位置和截面形狀，采用綜合性能好的鋼板代替普通的鋼板等，本車型貨箱結(jié)構(gòu)形式采用高強(qiáng)度的耐磨板作為貨箱殼體，局部受力關(guān)鍵位置合理布置加強(qiáng)筋。如圖2所示，圓形截面貨箱的結(jié)構(gòu)形式相比傳統(tǒng)貨箱，可以大大減少加強(qiáng)筋的布置，從而降低貨箱重量，因此本車型貨箱設(shè)計(jì)采用該結(jié)構(gòu)形式。

綜合考慮貨箱承載要求和實(shí)際成本，貨箱鋼板選用強(qiáng)度高、焊接性、耐磨性好的高強(qiáng)度合金鋼板。

圖1 傳統(tǒng)貨車車廂

圖2 圓形截面貨箱

目前，礦用車貨箱材料可供選擇的主要有瑞典HARDOX悍達(dá)耐磨鋼板、國(guó)產(chǎn)耐磨鋼板NM400、武鋼的高強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)鋼系列等。其中，NM400、HG60HE、HG70E、Q550E、HARDOX力學(xué)性能見表1。

表1 NM400、HG60E、HG70E、Q550E等力學(xué)性能

綜合材料性能與經(jīng)濟(jì)性考慮，貨箱本體材料擬選用NM450，關(guān)鍵部位加強(qiáng)筋采用HG70E，普通加強(qiáng)筋采用普通鋼板Q345。

2 貨箱設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)工藝特點(diǎn)描述

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的貨箱外觀牢實(shí)，但易出現(xiàn)應(yīng)力集中、無法吸收沖擊功、板材的性能受焊接影響較大等?，F(xiàn)在，國(guó)外越來越多的礦用自卸車貨箱橫截面采用半圓形設(shè)計(jì)，很少或者無加強(qiáng)筋，可僅根據(jù)客戶使用要求加適量的加強(qiáng)筋。圓形截面是最佳受壓截面，受力分析如圖3所示，貨箱截面盡量設(shè)計(jì)成圓滑過渡截面?？紤]本膠輪材料運(yùn)輸車結(jié)構(gòu)布置情況，在保證輪胎跳動(dòng)量和貨箱容積要求下，該車貨箱采用多道折彎截面，形成接近圓滑過渡截面如圖4所示。貨箱長(zhǎng)度方向側(cè)面為流線型外觀。

圖3 兩種截面貨箱受力分析

根據(jù)材料運(yùn)輸車的總體設(shè)計(jì)要求，貨箱額定載重為5 t，體積為3 m3?？紤]整車布局中車架輪胎安裝位置要求和貨箱的容積要求，確定貨箱的截面形式為接近圓滑過渡截面，同時(shí)也保證了輪胎的跳動(dòng)量在允許的范圍內(nèi)。

圖4 貨箱截面圖

貨箱是整車裝載貨物的承重部件，在保證承載量的要求下，本車膠輪材料運(yùn)輸車貨箱設(shè)計(jì)方案中，為了實(shí)現(xiàn)該車型最大續(xù)航里程，貨箱采用輕量化設(shè)計(jì)的思路。傳統(tǒng)的小噸位貨箱底板、左右側(cè)板、后欄板采用普通鋼板焊接而成，通過加強(qiáng)筋保證整個(gè)貨箱的剛度和強(qiáng)度，導(dǎo)致鋼板使用多、焊縫多、貨箱重量重。本貨箱的尺寸較小，底板側(cè)板可以采用一體折彎工藝而成，傳統(tǒng)底部布置加強(qiáng)筋來提高貨箱的剛度和強(qiáng)度，采用折彎減少底部縱筋的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了減重，減少焊接，大大減少工序以提高效率節(jié)約成本。貨箱殼體成型采用底板與側(cè)板焊接方式，如圖5所示。底板折彎后與左右側(cè)板焊接成型，底板最底端折彎兩次，以加強(qiáng)底部承載能力，左右側(cè)板經(jīng)兩次折彎成型，底板和左右側(cè)板采用高強(qiáng)度的耐磨板。

圖5 貨箱殼體成型方式

2.2 貨箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

貨箱總體結(jié)構(gòu)及參數(shù)：貨箱和舉升機(jī)構(gòu)的三維圖和爆炸圖如圖6所示，貨箱由各組成部分參數(shù)見表2。貨箱由面板及加強(qiáng)筋組成。貨箱本體主要為貨箱面板(前面板、嵌板、左右側(cè)板、底板)。左右側(cè)板經(jīng)過兩次折彎與底板搭焊，嵌板兩道折彎成型，整個(gè)貨箱采用貨箱本體與加強(qiáng)筋配合焊接成型。

a-貨箱；b-舉升三維圖圖6 貨箱和舉升三維圖爆炸圖

箱油缸舉升支座設(shè)計(jì)：本車型舉升油缸布置為與貨箱連接端為球鉸接，與車架連接端為支座耳鉸接。油缸的舉升頂點(diǎn)球鉸接通過舉升支撐座安裝，如圖7所示，支撐座與舉升支撐板焊接，支撐板內(nèi)部嵌球面襯套，半球塊通過螺紋連接將球頭固定。支撐座和支撐板、半球塊采用材料Q345，由于舉升點(diǎn)關(guān)鍵受力點(diǎn)，受力較大，為此，在舉升鉸接處布置了前面板豎筋，斜筋、支撐筋保證整個(gè)油缸舉升處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度。

貨箱與車架連接的后舉升鉸接座設(shè)計(jì)：貨箱舉升鉸接系統(tǒng)與車架連接主要為后鉸接點(diǎn)、油缸舉升點(diǎn)。滿載靜止時(shí)貨箱底板支撐筋與車架上的減震墊接觸，承受整個(gè)貨箱的重量。油缸實(shí)現(xiàn)舉升貨箱時(shí)，整個(gè)貨箱通過后舉升鉸接座旋轉(zhuǎn)完成卸料。由于后鉸接點(diǎn)受力較大，在鉸接處布置了整圈加強(qiáng)筋，后舉升鉸接支座布置在加強(qiáng)筋上來保證此處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，如圖8所示。

表2 貨箱和舉升主要參數(shù)

圖7 油缸球鉸安裝

圖8 舉升筋和后鉸接座三維圖

貨箱后面板部件設(shè)計(jì)：貨箱后面板設(shè)計(jì)成翻轉(zhuǎn)自動(dòng)卸貨的形式，如圖9所示，整個(gè)部件通過鉸接板與貨箱本體連接，后面板根據(jù)受力分析結(jié)果布置了加強(qiáng)筋。鉸接翻轉(zhuǎn)部位受力較大，設(shè)計(jì)時(shí)局部加強(qiáng)，貨箱上部左右對(duì)稱設(shè)計(jì)兩個(gè)安裝座與貨箱左右側(cè)板筋焊接保證此處與鉸接板鉸接的強(qiáng)度，且結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。貨箱左右側(cè)面和后面布置兩套鎖緊裝置，實(shí)現(xiàn)雙保險(xiǎn)。

圖9 后面板總成三維圖

貨箱與車架限位支座設(shè)計(jì)：整個(gè)貨箱和舉升機(jī)構(gòu)靠與車架相連的舉升鉸接點(diǎn)和油缸鉸接點(diǎn)限位，考慮到貨箱在空載、轉(zhuǎn)向時(shí)，較大的振動(dòng)可能導(dǎo)致翻轉(zhuǎn)，參照國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品，在車架和貨箱上面各焊接限位支座將其限位。限位板采用螺接方式與貨箱板、車架板連接，其優(yōu)點(diǎn)為限位板更換方便，如圖10所示。

圖10 限位支座三維圖

貨箱檢修支撐裝置設(shè)計(jì)：礦區(qū)跑車運(yùn)料時(shí)，即貨箱在使用和生產(chǎn)過程中，需要經(jīng)常檢修。檢修時(shí)將空貨箱舉升支撐到一定高度。需設(shè)計(jì)檢修裝置，選用支撐鋼板，在車輛正常工作時(shí)，支撐桿固定在車架后部梁上，當(dāng)貨箱檢修時(shí)，支撐桿支撐在貨箱底部如圖11所示。

圖11 支撐桿支撐貨箱三維圖

2.3 貨箱的有限元分析

對(duì)貨箱進(jìn)行有限元分析，得出各工況下應(yīng)力最大值結(jié)果見表3。

表3 各工況應(yīng)力最大值

3 貨箱舉升系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)貨箱和車架的安裝位置，布置舉升油缸的舉升位置，通過校核舉升力確定舉升油缸的缸徑。本車型采用單缸舉升，布置貨箱前部受力小，這種布置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，為了保證舉升機(jī)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性，同時(shí)使液壓舉升系統(tǒng)具有較好的油壓特性，確定為單缸兩級(jí)油缸舉升。

根據(jù)結(jié)構(gòu)布局，并考慮舉升油缸所能允許的安裝尺寸，做出一種比較合理的舉升油缸安裝點(diǎn)位示意圖，如圖12所示。

圖12 舉升油缸安裝點(diǎn)位示意圖

油缸安裝點(diǎn)位布置的基本原則是：①油缸鉸接點(diǎn)A與貨箱鉸接點(diǎn)O之間的距離盡量大；②油缸軸線原始位置AB盡量垂直地面；③為了保證油壓特性，油缸級(jí)數(shù)盡可能少，即AB-ABO的值盡可能小；④保證最小離地間隙不得小于230 mm，舉升后貨箱最高點(diǎn)離地面距離不得超過3 000 mm。

壓油缸選型手冊(cè)取第一級(jí)油缸工作直徑d1=120 mm，第二級(jí)油缸工作直徑d2=80 mm。油缸與車架連接端采用鉸接，與貨箱端可由圖12得出：直推式舉升機(jī)構(gòu)油缸最小安裝距離為1 100 mm，油缸舉升后距離為2 453 mm，油缸總行程1 353 mm，選擇兩級(jí)油缸，則單級(jí)行程為676.5 mm。

通過對(duì)O點(diǎn)分析力矩平衡得到油缸在零行程時(shí)，油缸受到貨箱和貨物的反力F為

(1)

對(duì)于直推式舉升機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析和計(jì)算時(shí)，需引入力矩比η，即當(dāng)任意一節(jié)油缸套筒將要伸出時(shí)，舉升機(jī)構(gòu)提供的舉升力矩與阻力矩之比。考慮到舉升初始階段各鉸支點(diǎn)靜摩擦力矩(即阻力矩)較大，為使液壓系統(tǒng)工作平穩(wěn)，避免發(fā)生過大的沖擊，通常取η1=3～4，而最后一節(jié)油缸對(duì)應(yīng)的ηn=1～2。本方案為兩級(jí)油缸，這里取η1=4,η2=1.5。

單根油缸在第一節(jié)剛伸出時(shí)，油缸推力為

F1=η1KF=80 094.8 N

(2)

由于

(3)

則第一級(jí)油缸有效工作直徑為

(4)

式中：d1—第一級(jí)油缸計(jì)算缸徑，mm；p—液壓系統(tǒng)舉升壓力，本系統(tǒng)p=10 MPa。同理可以計(jì)算得到第二級(jí)油缸有效工作缸徑為d2=68.89 mm。因此，參照江蘇恒立油缸進(jìn)行選型。

4 礦區(qū)跑車試驗(yàn)效果及其改進(jìn)

貨箱礦區(qū)跑車試驗(yàn)中，首臺(tái)貨箱結(jié)構(gòu)布置合理，各種工況都能滿足要求，結(jié)構(gòu)可靠。后續(xù)根據(jù)礦區(qū)續(xù)航里程的要求減少，對(duì)電池布局進(jìn)行更改，由最初的6塊電池減少為4塊電池，根據(jù)總體布置，結(jié)合首臺(tái)貨箱的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和要求，改進(jìn)型車型設(shè)計(jì)系列長(zhǎng)貨箱和短貨箱兩種，共用同一種舉升系統(tǒng)，具有互換性，如圖13、14所示。貨箱結(jié)構(gòu)形式均采用高強(qiáng)度板的貨箱本體+普通鋼板加強(qiáng)筋。

圖13 改進(jìn)型長(zhǎng)貨箱

圖14 改進(jìn)型短貨箱

5 結(jié)語

貨箱在礦區(qū)裝配為整車并投入生產(chǎn)，根據(jù)目前已多車?yán)塾?jì)運(yùn)行20 000 km，單車?yán)塾?jì)運(yùn)行8 000 km的情況，本車電動(dòng)輪礦用自卸車貨箱和舉升機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)布置、外形尺寸、強(qiáng)度、重量等各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足實(shí)際使用需求，效果較好。