重型礦車廂斗多功能輔助維修裝置及其應(yīng)用

田野，郭北軍，任志曌，張正，車文清，李占龍

（1.國能寶日希勒能源有限公司生產(chǎn)技術(shù)部，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000；2.山西佳誠液壓有限公司技術(shù)中心，山西 原平 034100；3.太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

煤炭資源是保障國家安全、發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)的重要能源，而露天礦山在我國煤炭資源供應(yīng)中占據(jù)重要的位置［1］。重型礦車是露天礦山物料搬運(yùn)的關(guān)鍵設(shè)備［2］，具有作業(yè)效率高、爬坡能力強(qiáng)、機(jī)動(dòng)靈活、單次運(yùn)輸量大和轉(zhuǎn)彎半徑小的優(yōu)點(diǎn)［3］，能夠在-40～45℃溫度、1000 m海拔高度、14°甚至更大坡度等極端惡劣的環(huán)境下工作［4］，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和適應(yīng)性，在露天礦山中應(yīng)用廣泛［5］。目前我國礦區(qū)普通重型礦車保有量在15萬輛左右，寬體重型礦車的保有量約為2萬輛，其中神華寶日希勒能源有限公司露天礦擁有各種重型礦車合計(jì)68臺，云南華聯(lián)鋅銦股份有限公司擁有40～120 t級重型礦車53臺［6］。

重型礦車廂斗質(zhì)量一般大于40 t，體積龐大，運(yùn)輸和維修較為困難，且焊修工作量大。礦車廂斗在裝載運(yùn)輸過程中還需要承受貨物的動(dòng)載沖擊和來自路面的非周期性振動(dòng)［7］，致使廂斗底部磨損超限、煙道腐蝕、大廂變形、開裂、損壞，廂底大梁、槽鋼、舉升缸焊口開焊等問題比較突出，如圖1（a）所示為焊修位置，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)砸裂廂斗現(xiàn)象，增加了維修的工作量［8］。目前，重型礦車廂斗運(yùn)輸采用吊車、大型平板車配合的方式，此方式投入的人力、設(shè)備較多，且存在不同尺寸廂斗和單一尺寸平板車適配性差的問題。廂斗焊修主要靠支架和大型翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)輔助焊俢工人完成廂斗的正反面焊修，如圖1（b）所示。采用這種焊修方式焊修面無法調(diào)整到最佳焊俢角度，導(dǎo)致焊修效果差、效率低、維修周期長、返修率高的問題突出，對企業(yè)的生產(chǎn)效率造成了很大影響。大型廂斗的運(yùn)輸和焊修面的自動(dòng)調(diào)平是重型礦車廂斗焊修急需解決的2大難題，廂斗輔助維修裝置是礦山企業(yè)的迫切需求。

圖1 焊修作業(yè)場景Fig.1 Operation scene of welding repair

翟浩洲［9］對內(nèi)燃機(jī)齒軌車和無軌膠輪車兩種輔助運(yùn)輸方式進(jìn)行了對比分析，得出內(nèi)燃機(jī)齒軌車具有軌道運(yùn)輸?shù)木窒蓿鵁o軌膠輪車雖具有承載能力大、轉(zhuǎn)彎半徑小、運(yùn)輸環(huán)節(jié)簡單的優(yōu)點(diǎn)，但其輔助配套裝置需要高價(jià)進(jìn)口且性能不完善。彭孟菲等［10］為提高運(yùn)輸裝置的安全系數(shù)和自動(dòng)化程度，設(shè)計(jì)了一種架空軌道運(yùn)輸車，運(yùn)行平穩(wěn)并且曲線通過性能良好。高永紅［11］以井下軌道運(yùn)輸采用的無極繩連續(xù)牽引車為研究對象，針對無極繩連續(xù)牽引車的參數(shù)選型進(jìn)行了計(jì)算分析。結(jié)合輔助維修裝置的研究現(xiàn)狀，綜合考慮礦山企業(yè)對重型礦車廂斗輔助維修裝置的實(shí)際需求，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有輔助維修裝置存在自動(dòng)化程度低、安全系數(shù)低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、輔助維修功能集成度低的問題，不能滿足重載、大體積廂斗運(yùn)輸和焊修作業(yè)的需求。因此，運(yùn)輸過程的穩(wěn)定性和實(shí)現(xiàn)焊修作業(yè)時(shí)焊修面角度的自適應(yīng)調(diào)整，已成為重型礦車廂斗輔助維修裝置亟待解決的重要課題。

本文研制了一種自動(dòng)化程度更高、承載能力更強(qiáng)且具有焊修面自動(dòng)調(diào)平功能的重型礦車廂斗輔助維修裝置，電動(dòng)行駛底盤和專用支撐工裝通過多個(gè)液壓油缸串聯(lián)，搭建了一種更加方便、靈活的機(jī)械一體化輔助維修裝置。重點(diǎn)對“重載情況下電動(dòng)行駛底盤的多運(yùn)動(dòng)控制和結(jié)構(gòu)承載特性”和“多液壓油缸配合專用支撐工裝自動(dòng)調(diào)平功能的實(shí)現(xiàn)和專用支撐工裝強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性校核與優(yōu)化”2個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題展開研究，分析了輔助維修裝置的承載結(jié)構(gòu)性能和多機(jī)構(gòu)協(xié)同調(diào)平特性，并開展工程應(yīng)用。

1 重型礦車廂斗輔助維修裝置

該重型礦車廂斗輔助維修裝置由電動(dòng)行駛底盤、自動(dòng)液壓調(diào)平裝置和專用支撐工裝組成，如圖2所示。通過電控或無動(dòng)力牽引方式，控制電動(dòng)行駛底盤上內(nèi)置減速電機(jī)輪轂的膠輪總成和牽引裝置配合，可以實(shí)現(xiàn)直行、轉(zhuǎn)向、橫向行走、原地轉(zhuǎn)向等行駛功能；自動(dòng)液壓調(diào)平裝置通過協(xié)同控制舉升油缸和連桿機(jī)構(gòu)，可調(diào)節(jié)前后專用支撐工裝的俯仰角和側(cè)傾角大小，實(shí)現(xiàn)廂斗正、反向焊修時(shí)焊修面最佳焊修位置的捕捉；專用支撐工裝具有承載-抗沖擊能力強(qiáng)、與多型號廂斗適配、對中性好的特點(diǎn)，能夠在正反向焊修作業(yè)過程中維持廂斗的穩(wěn)定。同時(shí)，由于該重型礦車廂斗輔助維修裝置兼具承載能力強(qiáng)和焊修面自動(dòng)調(diào)平的特性，使加裝智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與焊接機(jī)器人聯(lián)接作業(yè)、完成廂斗維修全過程的一體化和智能化升級成為可能，可最大限度節(jié)省維修成本，提升廂斗的維修效率，并且對智慧礦山的建設(shè)具有極大的推動(dòng)作用。

圖2 重型礦車廂斗輔助維修設(shè)備Fig.2 Auxiliary maintenance equipment for heavy mining compartment bucket

1.1 電動(dòng)行駛底盤

如圖3所示，電動(dòng)行駛底盤由車架總成、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向輪組、內(nèi)置減速電機(jī)輪轂的膠輪總成、平衡橋牽引裝置、充電設(shè)備、電氣控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)和安全防護(hù)系統(tǒng)等構(gòu)成。

圖3 電動(dòng)行駛底盤Fig.3 Electric driving chassis

1.1.1 動(dòng)力裝置

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由直流伺服電機(jī)、差動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、舵輪擺動(dòng)支架和內(nèi)置減速機(jī)的舵輪等組成。4臺直流伺服電機(jī)經(jīng)輪轂內(nèi)置行星減速機(jī)放大扭矩，驅(qū)動(dòng)舵輪同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，并配合舵輪擺動(dòng)支架和差動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)無軌平板電動(dòng)車的轉(zhuǎn)向和行駛。采用內(nèi)置差動(dòng)機(jī)構(gòu)的舵輪，可將舵輪與地面滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)化為滾動(dòng)摩擦，降低舵輪回轉(zhuǎn)負(fù)荷和回轉(zhuǎn)功率，延長舵輪使用壽命。電動(dòng)行駛底盤前部和后部均設(shè)置剛性牽引拖車裝置，能夠在設(shè)備故障或動(dòng)力不足情況下，實(shí)現(xiàn)平板車的無動(dòng)力牽引作業(yè)。拖車裝置還配置有可拆卸牽引拖臂，拖臂為雙簧緩沖式，能夠在起步或緊急剎車工況下起到緩沖作用，提升無動(dòng)力牽引作業(yè)的穩(wěn)定性。

1.1.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用可編程控制器PLC、繼電器、電機(jī)控制器和液壓轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的組合控制方式，通過操作按鈕或無線遙控器即可驅(qū)動(dòng)無軌平板電動(dòng)車實(shí)現(xiàn)前進(jìn)后退、左右轉(zhuǎn)向、橫向行走、原地差動(dòng)旋轉(zhuǎn)、縱橫向位移微調(diào)和360°原地回轉(zhuǎn)等功能，完成作業(yè)位置的精準(zhǔn)定位。同時(shí)，電機(jī)控制器具備過載、過壓、欠壓、超溫等多重故障安全防護(hù)裝置和多運(yùn)動(dòng)邏輯控制節(jié)點(diǎn)互鎖保護(hù)功能，為無軌平板電動(dòng)車高效、精準(zhǔn)、安全的運(yùn)輸作業(yè)提供了保障。

1.1.3 安全防護(hù)裝置

電動(dòng)行駛底盤安全防護(hù)裝置包括聲光報(bào)警裝置、障礙探測裝置和緊急制動(dòng)開關(guān)。聲光報(bào)警裝置可在電動(dòng)平板車行駛過程中時(shí)刻提醒過往行人、車輛；障礙探測裝置通過點(diǎn)狀安全光電傳感設(shè)備采集平板車3 m范圍內(nèi)的障礙物信息，當(dāng)檢測到障礙物時(shí)可自行制動(dòng)，起到保護(hù)人身和設(shè)備安全的作用；緊急制動(dòng)開關(guān)可在出現(xiàn)危險(xiǎn)工況時(shí)緊急停車，避免出現(xiàn)災(zāi)難性后果。

1.1.4 其他裝置

車架總成采用優(yōu)質(zhì)鋼板制造，鋼板焊接坡口位置均進(jìn)行機(jī)械加工以增強(qiáng)車架承載能力。同時(shí)，車體框架焊接時(shí)進(jìn)行時(shí)效處理以消除內(nèi)應(yīng)力，提升車架抗變型能力。隨車配備高效能全自動(dòng)充電設(shè)備，平板車啟動(dòng)后即可自動(dòng)充電，并可根據(jù)電池電量智能調(diào)節(jié)充電電流，充電完成自動(dòng)停止，避免了電池組的過沖和過放，極大延長了充電設(shè)備的使用壽命。同時(shí)，充電設(shè)備表面裝有數(shù)字式電壓電流顯示器，可查看充電設(shè)備的實(shí)時(shí)電壓、電流，并可終身記錄電池的使用時(shí)間。

1.2 液壓自動(dòng)調(diào)平裝置

專用支撐工裝采用液壓調(diào)平方式，如圖4、圖5所示。其中，前支撐架左右調(diào)平裝置由雙液壓舉升缸和平面4連桿機(jī)構(gòu)組成。液壓舉升缸下端鉸接在與下底板固連的雙耳板上，上端通過活塞桿與前支撐架鉸接。液壓缸伸縮行程為2 m，通過調(diào)平控制裝置可進(jìn)行支撐架高度和角度調(diào)整；平面4連桿機(jī)構(gòu)具有機(jī)械鎖緊保護(hù)功能，能防止因油缸泄壓造成的廂斗和臺面下降，避免出現(xiàn)安全事故。

圖4 前支撐架調(diào)平裝置Fig.4 Leveling device of front support frame

圖5 后支撐架調(diào)平裝置Fig.5 Leveling device of rear support frame

后支撐架調(diào)平裝置通過單液壓舉升缸和調(diào)平連接座總成的配合實(shí)現(xiàn)后支撐架角度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。前、后支撐架調(diào)平裝置的協(xié)同作業(yè)，可使焊修面處于最佳焊修高度和焊修角度，極大提升了焊修作業(yè)效率。

1.3 專用支撐工裝

前支撐架由伸縮橫梁和垂直布置的多根支柱焊接而成，橫梁最短寬度與車體寬度一致。支撐架兩端設(shè)有固定夾緊卡塊，用于對大箱的固定，可方便地將焊接結(jié)構(gòu)件重心與平板車承載平臺中心對中，避免運(yùn)輸或焊接過程中發(fā)生重心偏移而傾倒的事故。

后支撐架由后調(diào)平架2與后支撐拉架1、頂架3通過連接座4鉸接方式組合而成，如圖6所示。

圖6 后支撐架總成Fig.6 Rear support frame assembly

后支承拉架可向后翻轉(zhuǎn)將廂斗一端固定，可防止廂斗滑脫，增強(qiáng)了運(yùn)輸和焊修作業(yè)的安全與穩(wěn)定。

前、后專用支撐工裝可開發(fā)性強(qiáng)、拆卸方便，可以設(shè)計(jì)不同的專用工裝適應(yīng)不同維修設(shè)備的支撐需求。

2 專用支撐工裝校核分析與優(yōu)化

在實(shí)際工程應(yīng)用中，專用支撐工裝的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性能皆應(yīng)滿足實(shí)際要求。因此，對支撐架進(jìn)行靜力學(xué)分析，保證強(qiáng)度、剛度符合實(shí)際承載需求。

由于實(shí)際作業(yè)過程中前支撐架比后支撐架的承力情況更為復(fù)雜，為此，本文基于三維建模軟件SolidWorks和有限元分析軟件ANSYA，對原前支撐架和優(yōu)化后的前支撐架進(jìn)行了應(yīng)力響應(yīng)和變形狀況的對比分析。

2.1 前支撐架對比校核分析

前支撐架材料選用工程常用的Q235鋼，廂斗質(zhì)量60 t按前、后支撐架實(shí)際受力比例分配。在此基礎(chǔ)上對原前支撐架進(jìn)行靜力學(xué)分析，獲得相應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變云圖，如圖7所示。其中，支撐架最大變形為32.5 mm，最大應(yīng)力為379.5 MPa，遠(yuǎn)大于Q235鋼的許用應(yīng)力，因此不滿足強(qiáng)度、剛度要求。若同時(shí)考慮動(dòng)力沖擊所產(chǎn)生的瞬態(tài)載荷，則該支撐架應(yīng)承受更大的的應(yīng)力和應(yīng)變響應(yīng)。

圖7 原前支撐架校核圖Fig.7 Check figure of original front support frame

基于上述分析，在最大應(yīng)力點(diǎn)處進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造，如圖8所示。在前支撐架添加加強(qiáng)筋、用耳板固定的矩形鋼和工字型加強(qiáng)筋。

圖8 改進(jìn)后的前支撐架Fig.8 Improved front support frame

對改進(jìn)后的前支撐架進(jìn)行有限元分析獲得應(yīng)力和應(yīng)變云圖，如圖9所示。

圖9 改進(jìn)后支撐架校核圖Fig.9 Check figure of improved support frame

由圖9可知，支撐架最大變形為8.2 mm，最大應(yīng)力為153.8 MPa，低于Q235鋼的許用應(yīng)力要求。因此，優(yōu)化改造后的支撐架可滿足實(shí)際強(qiáng)度、剛度要求，提升了前支撐架的承載能力。

2.2 工程應(yīng)用

綜上所述，設(shè)計(jì)的輔助維修裝置具有一體化的輔助維修功能和可靠的結(jié)構(gòu)承載特性，符合大型廂斗運(yùn)輸和焊修輔助作業(yè)的實(shí)際需求。目前，該輔助維修裝置已被多個(gè)露天礦大型設(shè)備維修中心應(yīng)用于大型廂斗焊修作業(yè)中，如圖10所示。

圖10 重型礦車廂斗維修作業(yè)Fig.10 Maintenance work site of heavy mining compartment bucket

經(jīng)用戶反饋，該重型礦車輔助維修裝置在長時(shí)間的輔助焊修作業(yè)過程中，運(yùn)行安全、平穩(wěn)、高效，極大提升了大型廂斗的維修效率。同時(shí)該輔助維修裝置還提高了礦山輔助維修的自動(dòng)化程度，對智慧礦山的實(shí)現(xiàn)無疑是一股強(qiáng)大的助力，應(yīng)用前景廣闊。

3 結(jié)語

以重型礦車廂斗的輔助維修裝置為研究對象，結(jié)合礦山企業(yè)應(yīng)用的實(shí)際需求，研發(fā)了一種載質(zhì)量大于60 t、最大沖擊載荷大于72 t且具有自動(dòng)調(diào)平功能的新型廂斗輔助維修裝置。該輔助維修裝置可通過電動(dòng)行駛底盤、自動(dòng)液壓調(diào)平裝置和專用支撐工裝3部分的協(xié)同配合，實(shí)現(xiàn)廂斗穩(wěn)定運(yùn)輸和焊修面的自動(dòng)調(diào)平。同時(shí)，利用SolidWorks建模和有限元分析的方法對前專用工裝進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，優(yōu)化后的專用工裝的承載能力提升了40%。實(shí)際應(yīng)用表明，廂斗的焊修效果和工作效率都得到了大幅提升，返修率明顯降低，符合智慧礦山建設(shè)的需求，具有良好的應(yīng)用前景。