108t礦用自卸車前懸掛修理與改進(jìn)

唐開林，王 玉，羅 蕓

（柳工（常州）礦山機(jī)械有限公司，江蘇 常州 213168）

108t礦用自卸車是湘潭電機(jī)廠70年代自主研發(fā)的電傳動礦用自卸車，曾在我國大型露天礦的運輸設(shè)備中占有很大比重，如白云鄂博鐵礦、伊敏河煤礦、霍林河煤礦等。油氣懸掛是礦用自卸車的重要部件，有支承簧上質(zhì)量、在車輪與車架之間傳遞牽引力和制動力及減震作用。由于具有非線性變剛度特性、非線性阻尼特性、承載能力強(qiáng)、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、可以有效的改善車輛的行駛穩(wěn)定性、操作性和舒適性[1]，同時還具有降低側(cè)傾角、能實現(xiàn)閉鎖、多橋車實現(xiàn)載荷均勻分配等特點[2]。因此，對懸掛系統(tǒng)進(jìn)行分析、改進(jìn)，提高設(shè)備出動率，具有重要意義。

1 前懸掛構(gòu)造

1.1 結(jié)構(gòu)

如圖1所示，前懸掛主要由端蓋及芯桿總成（1）、活塞（2）、缸筒（9）、支承座（12）、密封件（13）、活塞桿（14）等組成，活塞通過螺栓固定在活塞桿上端，一起插入缸筒中，端蓋及芯桿總成安裝在缸筒上端，芯桿插入到活塞及活塞桿內(nèi)，芯桿上裝有減震墊，活塞下行時起阻尼作用，同時作為活塞向下運動的限位，支承座從缸筒下部裝入，內(nèi)有支承座導(dǎo)向套，主要是對活塞桿的徑向支承及軸向?qū)蜃饔谩?/p>

圖1 礦用自卸車前懸掛結(jié)構(gòu)圖1.端蓋及芯桿總成；2.活塞；3.單向閥；4.活塞銅套；5.減震墊；6.墊板；7.鍵；8.螺母；9.缸筒；10.截流孔；11.支承座銅套；12.支承座；13.密封件；14.活塞桿。

1.2 工作原理

油氣懸掛的液體是以油作為介質(zhì)，氣體是惰性氣體，通常用氮氣作為懸掛系統(tǒng)的彈性介質(zhì)。懸掛內(nèi)充滿油氣混合物，分隔成兩個腔，活塞桿內(nèi)部及活塞上部為一個腔（腔1），另一個腔為缸筒與活塞桿之間，活塞到支承座之間的空腔（腔2），車輛靜止時，腔1與腔2內(nèi)液體不發(fā)生流動。當(dāng)受到?jīng)_擊支承力增大時，懸掛長度壓縮，腔1的體積減小，腔2的體積增大，液體沖開活塞桿上的單向閥（3），經(jīng)節(jié)流孔及下部節(jié)流孔（10）流向腔2，起到減震作用；當(dāng)受到?jīng)_擊支承力減小時，懸掛長度伸長，腔1的體積增大，腔2的體積減小，腔2內(nèi)液體向腔（1）流動，關(guān)閉單向閥（3），液體僅能從節(jié)流孔（10）流向腔1，起到減震作用，且產(chǎn)生的阻尼力較壓縮時大[3]。前輪轉(zhuǎn)向時，活塞桿隨前輪一起旋轉(zhuǎn)。并兼有阻尼減震和自動潤滑特點作為大型礦用自卸車的承載部件。

2 常見故障模式

前懸掛常見的失效模式有：

（1）密封件失效，懸掛油從密封件處滲出。

前懸掛的密封件主要有：端蓋及芯桿總成上充氣閥及加油口處的密封；端蓋及芯桿總成功能缸筒的密封；支承座與缸筒的密封；支承座與活塞桿的密封；活塞下端放油螺塞的密封，主要容易引起漏油的是支承座與活塞桿的密封，因為活塞桿的運動為沿活塞桿中心直線運動和繞活塞桿中心的旋轉(zhuǎn)運動。

（2）支承座導(dǎo)向套及支承座磨損，引起漏油。

支承座起到對活塞桿的定位作用，承受行駛阻力及制動力，磨損后不及時更換會過渡壓縮支承座與活塞桿之間的密封件，引起漏油。

（3）活塞導(dǎo)向套磨損，活塞桿擺動，引起支承座磨損，懸掛油沿活塞桿漏出。

此故障的出現(xiàn)通常也伴隨支承座導(dǎo)向套的磨損，造成支承座與活塞桿之間的密封件失效，引起漏油。

（4）活塞桿磨損，損壞密封件，懸掛油沿活塞桿漏出。

活塞桿過渡磨損會導(dǎo)致密封件的壓縮量不夠，如果鍍層損壞還會損壞支承座與活塞桿之間的密封件，引起漏油。

（5）缸筒內(nèi)部磨損，造成活塞磨損。

缸筒內(nèi)部與活塞是一對工作面，任何一件磨損都會引起另外一件的磨損加劇，引起活塞桿晃動，引起支承座與活塞桿之間的密封失效。

（6）緩沖墊損壞，無緩沖作用。

緩沖墊損壞后掉落，懸掛不能正常工作，沖擊更大，損壞缸筒內(nèi)表面。

（7）緩沖墊固定螺母掉落。

緩沖墊一起掉入活塞桿中，無緩沖作用，沖擊更大，損壞缸筒內(nèi)表面。

（8）端蓋及芯桿總成固定螺栓斷裂.

螺栓斷裂俗稱“頂蓋”，端蓋從上部脫出，油氣瞬間壓出，轉(zhuǎn)向節(jié)與支承座下端面接觸，車輛傾斜，可能對駕駛員造成傷害。

（9）活塞桿斷裂。

活塞桿斷裂為重大事故，行駛時前輪直接飛出，斷裂側(cè)車頭扎入地面，駕駛員不同程度受傷，同時飛出的車輪可能對附近的人員造成傷害，也可能損壞其它設(shè)施。

3 改進(jìn)及修理方案

3.1 設(shè)計改進(jìn)

3.1.1 導(dǎo)向套材料改進(jìn)

原懸掛活塞及支承座的導(dǎo)向套材料用的是380軸承酚醛布管，加工困難，尺寸精度不易保證，耐磨性能欠佳。隨著耐磨材料的發(fā)展，特殊黃銅應(yīng)用廣泛，具有很高的力學(xué)性能，鑄造性能良好，耐蝕性較好，適合用作導(dǎo)向套。

3.1.2 支承座導(dǎo)向套加長

前輪的行駛阻力會通過前懸掛傳遞到車架上，下支承座導(dǎo)向套承受徑向壓力大，要減小應(yīng)力，只能增大受力面積，而受結(jié)構(gòu)限制，活塞桿的直徑不能加大，只能增加長度。接觸面積加大，有效降低單位面積的壓力，提高使用壽命。

3.1.3 芯桿上緩沖墊固定螺母防松結(jié)構(gòu)

原設(shè)計懸掛芯桿上緩沖墊固定螺母為開槽螺母加開口銷的結(jié)構(gòu)，在實際使用中出現(xiàn)松脫，很難發(fā)現(xiàn)，最終活塞與活塞桿分離，損壞缸筒，前輪歪斜。改進(jìn)后采用如圖1所示結(jié)構(gòu)，墊板（6）通過鍵（7）安裝在芯桿上，螺母（8）安裝在芯桿上，同時螺母上有6個螺栓與墊板（6）連接，通過鍵（7）限制螺母（8）的松動。

3.2 修理方案及主要步驟

經(jīng)過對損壞部件的檢查及分析，主要對端蓋及芯桿總成、活塞、缸筒、活塞桿進(jìn)行修理，支承座新制，其它部件無修復(fù)價值。因公司有前懸掛制造的詳細(xì)工藝，修理過程不再作詳細(xì)論述。

3.2.1 缸筒

缸筒的材料為30CrMoA，缸筒的直徑不大，經(jīng)對損壞的缸筒進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)缺陷主要出現(xiàn)在中部，不能進(jìn)行焊接修復(fù)，缸筒內(nèi)徑尺寸為φ320H7，經(jīng)過對一批內(nèi)壁有損傷的缸筒進(jìn)行檢測，損傷深度小于1.2mm，在強(qiáng)度允許的范圍內(nèi)，采用加大缸筒內(nèi)徑尺寸的方法來修復(fù)。經(jīng)查O形密封圈標(biāo)準(zhǔn)，最終確定缸筒的內(nèi)徑尺寸為φ322.5H7。

主要修理步驟：

清理→探傷檢查→半精鏜→精鏜

3.2.2 端蓋及芯桿總成

因缸筒直徑加大，端蓋及芯桿總成插入缸筒的部分直徑同樣需要增加，采用常用堆焊的方法來完成，最終的直徑尺寸為φ330mm。芯桿的下端增加鍵槽。

主要修理步驟：清理→預(yù)熱→焊接→保溫→粗車→精車→探傷檢查→銑鍵槽

3.2.3 活塞桿

鍍層全部去除，重新電鍍后加工到標(biāo)準(zhǔn)尺寸。

主要修理步驟：清理→探傷檢查→磨外圓→電鍍→磨外圓

3.2.4 活塞

活塞由原來的膠木套改為特殊黃銅套結(jié)構(gòu)，缸筒尺寸加大，活塞外徑需同樣增加。

主要修理步驟：清理→活塞外圓加工→鑄造銅套→銅套加工→銅套熱套入活塞→總成加工

4 缸筒強(qiáng)度校核

前懸掛主要承受三種力，垂直于地面的支承力、與行駛方向相反的制動摩擦力、車輛轉(zhuǎn)向時克服的輪胎與地面的摩擦阻力。考慮到車輛超載10%，整車懸掛系統(tǒng)支承重量為190t，分配到單個前懸掛的重量為31.7t。主銷的后傾角為0.5度，對懸掛缸筒的影響小，計算時不考慮。承載力按5倍的沖擊計算，此時懸掛位于最大長度，實際上受力最大時應(yīng)該比平時工作時長度要短，此處按最惡劣情況分析。

行駛時，前輪傳遞輪胎的滾動阻力，制動時傳遞的由于地面摩擦產(chǎn)生的地面附著力，遠(yuǎn)大于滾動阻力，按制動極限情況來考慮，取摩擦系數(shù)為0.6。

阻力為：F1=31.7×1000×9.8×0.6=186396（N）

承載力為：F2=31.7 × 1000×9.8 ×5=1553300（N）。

轉(zhuǎn)向動力缸缸徑為125mm，活塞桿徑為65mm，系統(tǒng)最高壓力為17.5（MPa）。

無桿腔的面積為：π×(125/2)2=12265.6mm2。

有桿腔的面積為：π×[(125/2)2-(65/2)2]= 8949mm2。

轉(zhuǎn)向推力：F3=17.5×(12265.6+8949)/2=185623（N）。

圖2 前懸掛裝置建模圖

對前懸掛裝置進(jìn)行建模并用Ansys軟件進(jìn)行分析，應(yīng)力結(jié)果如上圖。從圖中可以看出，最大應(yīng)力為503MPa，出現(xiàn)在活塞桿下部位置，缸筒內(nèi)部的應(yīng)力＜300MPa，由GB/T 3077-2015查得30CrMoA的抗拉強(qiáng)度≥930MPa，屈服強(qiáng)度≥735MPa，完全滿足設(shè)計要求。因此加大缸筒內(nèi)徑的修理方法不影響缸筒的正常使用，方案可行。

5 結(jié)論

以前服務(wù)的公司承包了24臺108t礦用自卸車的維修（含備件采購），通過對前懸掛原結(jié)構(gòu)的活塞、支承座導(dǎo)向套、芯桿下端防松螺母的設(shè)計改進(jìn)，并對已損壞的懸掛進(jìn)行再修理改進(jìn)，經(jīng)對運行臺帳進(jìn)行統(tǒng)計，懸掛使用壽命使壽命延長了29%。前懸掛端蓋及芯桿總成、活塞、缸筒、活塞桿占前懸掛總成本的80%。懸掛總成的價格約8.6萬元，公司共承包了五年維修，前懸掛的改進(jìn)及維修，為公司帶來了良好的效益。