WC1E型防爆無軌膠輪車的設(shè)計(jì)

王仁群，李海霞，李清德

WC1E型防爆無軌膠輪車的設(shè)計(jì)

王仁群，李海霞，李清德

（南京科技職業(yè)學(xué)院 智能制造學(xué)院，江蘇 南京 210048）

文章根據(jù)煤礦井下巷道條件及井下維修班組典型工作用車需求特點(diǎn)，針對(duì)煤礦井下防爆無軌膠輪車的設(shè)計(jì)展開研究。通過對(duì)比整體式和鉸接式防爆無軌膠輪車的結(jié)構(gòu)以及通過性等特點(diǎn)，確定設(shè)計(jì)車輛采用整體式結(jié)構(gòu)，并給出了整體方案設(shè)計(jì)及整車設(shè)計(jì)硬點(diǎn)參數(shù)。依據(jù)整體設(shè)計(jì)方案要求，對(duì)無軌膠輪車的動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)液壓系統(tǒng)和液壓互聯(lián)懸架等關(guān)鍵系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)各系統(tǒng)核心部件進(jìn)行了選型。該方案研究設(shè)計(jì)的防爆無軌膠輪車結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)力性好，能適應(yīng)煤礦井下各種工況條件，舒適性較好，解決了井下維修班組的用車需求。

輔助運(yùn)輸；防爆車輛；無軌膠輪車；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著我國(guó)高產(chǎn)高效現(xiàn)代化礦井的建設(shè)與發(fā)展，對(duì)提高輔助運(yùn)輸效率、減員提效、改變煤礦輔助運(yùn)輸落后狀況的要求也日益增高。經(jīng)過多年實(shí)踐證明，無軌運(yùn)輸系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、用人少、設(shè)備少、運(yùn)輸環(huán)節(jié)簡(jiǎn)化、運(yùn)行安全可靠、經(jīng)濟(jì)效益高等特點(diǎn)[1-3]。但目前還沒有一款專門供煤礦井下維修班組使用的檢修專用車輛。煤礦井下維修隊(duì)一個(gè)班組人數(shù)為5人左右，工作時(shí)需要攜帶相關(guān)工具及部分物料等，工作地點(diǎn)涉及巷道各個(gè)角落，有巷道條件好的地點(diǎn)，也有巷道條件較差（路面濕滑、轉(zhuǎn)彎半徑小、坡道大等）的地點(diǎn)。本文研究設(shè)計(jì)一款適用于煤礦井下維修班組檢修專用的WC1E型防爆無軌膠輪車。

1 整體方案設(shè)計(jì)

煤礦輔助運(yùn)輸車輛整體結(jié)構(gòu)型式常用整體式和鉸接式兩種，同樣尺寸下鉸接式車輛的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)彎半徑更小，但是要實(shí)現(xiàn)相同功能的情況下，鉸接式車輛整體尺寸比整體式要大，駕駛員操作難度增加，倒車等操作不夠靈活，同時(shí)鉸接式車輛行駛過程中車輛震動(dòng)較厲害，適合作為運(yùn)料車型使用[2]。整體式無軌膠輪車由于沒有鉸接部分，所以設(shè)計(jì)時(shí)可以省去鉸接部分的空間，使得完成相同運(yùn)載量的條件下，相對(duì)于鉸接式無軌車可以設(shè)計(jì)得更短，更方便駕駛員操縱車輛。另外，由于整體式車輛省去了鉸接部分，且車架及車身可設(shè)計(jì)為一體，更有利于減輕車輛的自重，減少自重功率消耗，達(dá)到提升整車的動(dòng)力性能、降低車輛油耗的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)車型、工況特點(diǎn)及功能需求，WC1E型防爆無軌膠輪車設(shè)計(jì)為整體式6座皮卡車結(jié)構(gòu)，車輛前部為乘員部分，可乘坐6人，后部設(shè)置貨斗，設(shè)計(jì)載重量為1噸。

由于防爆柴油機(jī)無軌膠輪車主要用于煤礦井下使用，而井下巷道的寬度及高度等都有一定限制，不同礦區(qū)的巷道設(shè)計(jì)尺寸都有差異，對(duì)車輛的外形尺寸也有不同程度的限制，即防爆無軌膠輪車屬于非標(biāo)產(chǎn)品，不同礦區(qū)對(duì)車輛整體尺寸、功能需求都不一樣，都需要進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)。如何在保證滿足使用功能的情況下，盡可能縮小車輛的外形尺寸，以滿足不同巷道條件使用，成為設(shè)計(jì)過程中所要考慮的重要因素。所以本文在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)防爆柴油機(jī)無軌膠輪車設(shè)計(jì)規(guī)范要求，盡量壓縮整車尺寸，相關(guān)參數(shù)基本貼近設(shè)計(jì)要求的極限值，初步確定設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 整車設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)整車設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合各系統(tǒng)主要部件常用型號(hào)（預(yù)估部件尺寸及重量參數(shù)），預(yù)估整車質(zhì)量大概為4 600 kg，滿載質(zhì)量大概為6 020 kg。

2 動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 行駛阻力計(jì)算

（1）平道滿載行駛總阻力計(jì)算。

平道行駛總阻力：

1==×（1）

式中，1為平道行駛總阻力；為摩擦阻力；為重載重量；為摩擦系數(shù)。

將預(yù)估滿載質(zhì)量代入式（1），得出16020× 9.8×0.04=2359.84 N

（2）14°坡滿載行駛總阻力計(jì)算。

14°坡行駛總阻力：

2=+2=1×+2=×cos14°×+×sin14° （2）

式中，2為14°坡行駛總阻力；為摩擦阻力；1為重力分力1；2為重力分力2；為重載重量；為摩擦系數(shù)（取0.04）。

將預(yù)估滿載質(zhì)量代入式（2），得

26020×9.8×cos14°×0.04＋6020×

sin14°= 16562.16 N

2.2 防爆柴油機(jī)功率計(jì)算

整車牽引功率需求：

（3）

平道最高車速要求：138 km/h

14°坡最高車速要求：27.2 km/h

分別將平道、14°坡行駛總阻力和最高車速要求代入式（3），得

平道所需牽引功率：

11×V=2359.84×10.56×0.001=24.92 kW

14°坡所需牽引功率：

22216562.16×2×0.001=33.12 kW

本車采用液力變矩器組合變速器加車橋主減速器的動(dòng)力傳動(dòng)方式，液力變矩器的一般工況效率區(qū)間為0.7～0.9，變速箱→橋→輪胎的效率區(qū)間為0.8～0.85。所以總效率區(qū)間為0.56～0.765。

根據(jù)平道和最大坡道所需牽引功率計(jì)算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)14°坡所需牽引功率遠(yuǎn)大于平道所需牽引功率，所以應(yīng)以14°坡所需的功率計(jì)算防爆柴油機(jī)功率，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)所帶附件還將消耗部分功率，大約為6.5 kW，所以防爆柴油機(jī)功率區(qū)間為33.12 kW/0.765+6.5 kW～33.12 kW/0.56+6.5 kW，即49.79 kW～65.64 kW，為保證功率充足發(fā)動(dòng)機(jī)功率定為66 kW。

3 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 液力變矩器選型

依據(jù)液力變矩器與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配原則，理想匹配要求是液力變矩器零工況泵輪力矩曲線應(yīng)通過發(fā)動(dòng)機(jī)最大凈扭矩、液力變矩器最高效率工況泵輪力矩曲線應(yīng)該過發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率點(diǎn)[4]。通過調(diào)研，對(duì)比匹配市場(chǎng)主流液力變矩器，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制出幾組待選液力變矩器和防爆柴油機(jī)功率的共同工作曲線，通過對(duì)比分析工作曲線，確定選用YJH310R液力變矩器，液力變矩器和防爆柴油機(jī)的共同工作曲線如圖1所示，從圖中可以看出，本方案在滿足重載爬坡能力條件下，還充分發(fā)揮了發(fā)動(dòng)機(jī)功率，匹配效果較好。

圖1 液力變矩器與柴油機(jī)共同工作曲線圖

3.2 變速器車橋傳動(dòng)比計(jì)算

車輛牽引力計(jì)算式為

式中，為車橋及變速箱總傳動(dòng)比；為車輛牽引力；為輪胎滾動(dòng)半徑；為渦輪扭矩；為車橋及變速箱總傳動(dòng)效率。

根據(jù)整車布置需求及整車載重量，本車選擇輪胎的規(guī)格尺寸為20.96 cm～40.64 cm，滾動(dòng)半徑為0.4 m。防爆柴油機(jī)無軌膠輪車變速箱和車橋的傳動(dòng)效率區(qū)間一般為0.8～0.85，取0.82。即

車輛行駛速度為

式中，為車輛行駛速度；為輪胎滾動(dòng)周長(zhǎng)；為渦輪轉(zhuǎn)速；為車橋及變速箱總傳動(dòng)比；為輪胎滾動(dòng)半徑。

根據(jù)輪胎滾動(dòng)半徑為0.4 m，由式（5）可得

通過選型匹配計(jì)算得出最適合本車型的傳動(dòng)速比參數(shù)，如表2所示。

表2 傳動(dòng)速比參數(shù)表

表2 （續(xù)）

通過傳動(dòng)速比匹配參數(shù)可以確定變速器擋位速比及主減速器速比，系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖2所示，圖中序號(hào)5、9、14、18、21為各種規(guī)格螺栓，6、10、15為各種規(guī)格螺母，7、11、16、22為墊圈，24、25為開口銷。

1—輪胎；2、17—輪輞；3、13—前橋；4—鋼板彈簧總成；8、19—壓板；12—傳動(dòng)軸；13—后橋；20—牽引板；23—換擋機(jī)構(gòu)。

4 制動(dòng)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)原理

制動(dòng)液壓系統(tǒng)分為工作制動(dòng)、緊急制動(dòng)及停車制動(dòng)。工作制動(dòng)用于經(jīng)常性和一般行駛中速度控制、停車，工作制動(dòng)為多盤濕式制動(dòng)。緊急及停車制動(dòng)系統(tǒng)用于停車后的制動(dòng)或者在行車制動(dòng)失效時(shí)的應(yīng)急制動(dòng)，緊急制動(dòng)和停車制動(dòng)共用一套系統(tǒng)，制動(dòng)、接觸方式為彈簧制動(dòng)液壓松閘[5]。制動(dòng)液壓系統(tǒng)主要由制動(dòng)泵、充液閥、蓄能器、腳制動(dòng)閥、駐車制動(dòng)閥等元件組成，制動(dòng)系統(tǒng)液壓原理圖如圖3所示。

車輛啟動(dòng)后，置于變矩器取力口的制動(dòng)齒輪泵輸出壓力油，壓力油通過充液閥向制動(dòng)蓄能器充液，當(dāng)蓄能器的壓力到達(dá)充液閥設(shè)定的最高壓力值時(shí)，充液閥通過內(nèi)部壓力感應(yīng)機(jī)構(gòu)使液壓油經(jīng)過充液閥N口卸荷回油箱，當(dāng)蓄能器壓力降到充液閥設(shè)定最低壓力時(shí)會(huì)自動(dòng)充液，到設(shè)定的最高壓力值時(shí)卸荷。充液閥安全閥設(shè)定值15 bar，充液壓力110 bar～135 bar，制動(dòng)壓力103 bar，停車制動(dòng)壓力65.5 bar。

1—吸油濾油器；2—制動(dòng)齒輪泵；3—充液閥；4—壓力表；5—制動(dòng)蓄能器；6—停車制動(dòng)器；7—駐車制動(dòng)閥；8—腳制動(dòng)閥；9、10—前后橋濕式制動(dòng)器。

4.2 關(guān)鍵部件選型設(shè)計(jì)

1.制動(dòng)泵的選擇

根據(jù)前、后橋濕式多盤制動(dòng)器的制動(dòng)要求，制動(dòng)壓力須為103 bar，而停車制動(dòng)壓力須為65.5 bar。因此，充液閥的充液壓力設(shè)計(jì)為110 bar～135 bar，車輛啟動(dòng)后，置于變矩器取力口的制動(dòng)齒輪泵輸出壓力油，壓力油通過充液閥向制動(dòng)蓄能器充液，當(dāng)蓄能器的壓力到達(dá)充液閥設(shè)定的最高壓力值時(shí)，充液閥通過內(nèi)部壓力感應(yīng)機(jī)構(gòu)使液壓油經(jīng)過充液閥N口卸荷回油箱，當(dāng)蓄能器壓力降到充液閥設(shè)定最低壓力時(shí)會(huì)自動(dòng)充液，到設(shè)定的最高壓力值時(shí)卸荷，充液閥安全閥設(shè)定值155 bar。制動(dòng)液壓系統(tǒng)制動(dòng)泵選用長(zhǎng)治液壓件廠的CBJ30- E14L-F375，其具體參數(shù)如表3所示。

表3 制動(dòng)泵參數(shù)

2.蓄能器的選擇

蓄能器容量選擇取決于制動(dòng)壓力、排量（制動(dòng)器用油量）和動(dòng)力消失后緊急制動(dòng)次數(shù)。本制動(dòng)液壓系統(tǒng)選用黎明液壓型號(hào)為NXQA-4/20-L的蓄能器，其具體參數(shù)如表4所示。

表4 蓄能器參數(shù)

5 懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)

防爆車輛由于防爆設(shè)計(jì)等因素，導(dǎo)致車輛自重較重，所以懸架系統(tǒng)只能使用承載能力好的鋼板彈簧懸架，同時(shí)鋼板彈簧可以直接與車架連接，懸架機(jī)構(gòu)所需的橫向空間很小，從而可以給底部留出更多空間，便于整車布置。

本項(xiàng)目轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用液壓助力轉(zhuǎn)向，因?yàn)槊旱V井下設(shè)備的防爆要求，如果采用電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向方案，則轉(zhuǎn)向電機(jī)需要防爆設(shè)計(jì)，從而使得電機(jī)體積、重量上升，導(dǎo)致前機(jī)艙布置困難。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由方向盤、轉(zhuǎn)向柱轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸、油罐、轉(zhuǎn)向葉片泵、轉(zhuǎn)向機(jī)、直拉桿、轉(zhuǎn)向橋等組成。

5.1 鋼板彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)整車布置情況，本設(shè)計(jì)選用的鋼板彈簧長(zhǎng)度=1 200 mm，板簧片數(shù)為8片，鋼板斷面形狀為常用的矩形。

（1）鋼板彈簧斷面寬度的確定

鋼板彈簧的剛度強(qiáng)度可按等截面簡(jiǎn)支梁的計(jì)算公式計(jì)算，但需要引入擾度增大系數(shù)加以修正。所以對(duì)于鋼板彈簧所需要的總慣性矩0為

經(jīng)計(jì)算0=52 140 mm4。

0/[()]

19800×1200/(4×450)=13 200 mm3。

初取p2002×52 140/13 200 =7.9 mm，取8p=63.2 mm。鋼板彈簧的片寬與片厚的比值p在6～10范圍內(nèi)選取，所以本設(shè)計(jì)中取= 70 mm。

（2）鋼板彈簧片厚的選擇

根據(jù)03/12得10.7。根據(jù)國(guó)產(chǎn)型材規(guī)格最終選擇=70 mm，=11 mm。

5.2 液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)

懸架系統(tǒng)中由于彈性元件受沖擊產(chǎn)生振動(dòng)，不但會(huì)影響到車輛行駛的平順性、乘員的舒適性，還會(huì)影響到車輛零部件的使用壽命。鋼板彈簧懸架剛度較高，當(dāng)車輛處于空載甚至部分裝載情況下，車輛駛過路面時(shí)加速度響應(yīng)過大，乘坐舒適性差。為了減小這種使乘坐人員感到不適的加速度響應(yīng)，整車懸架需要設(shè)計(jì)得較軟些；同時(shí)，較軟的懸架會(huì)導(dǎo)致車輛俯仰剛度較低，剎車點(diǎn)頭效應(yīng)加劇，而煤礦井下道路條件又十分復(fù)雜、惡劣，所以為改善車輛行駛的平順性和舒適性，延長(zhǎng)車輛零部件的使用壽命，需要設(shè)計(jì)一套減振系統(tǒng)，本文采用液壓互聯(lián)系統(tǒng)，能夠很好地解決車輛垂向和俯仰振動(dòng)。

筒式液力減振器由于其工作穩(wěn)定性好，在現(xiàn)代汽車懸架系統(tǒng)中得到普遍應(yīng)用。本車采用筒式液力減振器和鋼板彈簧并聯(lián)的方式來衰減系統(tǒng)中的振動(dòng)，系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖4 液壓互聯(lián)懸架系統(tǒng)原理圖

（1）相對(duì)阻尼系數(shù)的選擇。

車輛簧上質(zhì)量的振動(dòng)，通過阻尼使其為周期衰減振動(dòng)，用相對(duì)阻尼系數(shù)的大小來判斷振動(dòng)衰減的快慢。一般將壓縮行程的相對(duì)阻尼系數(shù)y取得小些，伸張行程的相對(duì)阻尼系數(shù)x取得大些，常用y（0.25～0.5）s。設(shè)計(jì)時(shí)先選取y，s的平均值，一般=0.25～0.35。對(duì)于行駛路面條件較差的車輛，值應(yīng)取大些，一般取s>0.3，為避免懸架碰撞車架，選擇y=0.5s。本車選擇s=0.36，得出y=0.18，=0.27。

（2）最大卸荷力0的確定。

最大卸荷力：

0sx（7）

式中，x為卸荷速度，一般為0.15 m/s～0.30 m/s。

（3）缸筒的設(shè)計(jì)計(jì)算。

工作缸缸筒直徑：

h40/3.14[](12)（8）

式中，[]為工作缸最大允許壓力，一般取3 MPa～4 MPa；為連桿直徑與缸筒直徑之比，雙筒式取=0.4～0.5，儲(chǔ)油缸直徑c（1.35～1.50）h。

（4）活塞桿的設(shè)計(jì)計(jì)算。

活塞桿直徑g根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般取g（0.4～0.5）h。

經(jīng)計(jì)算并根據(jù)工作缸常用直徑系列，選擇工作缸直徑h=40 mm，g=18 mm。

6 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了煤礦井下維修班組專用的WC1E型整體式防爆無軌膠輪車，該車型為客貨兩用皮卡型，市面同類車型只有利用民用皮卡車防爆改造的，相比改造車型，本設(shè)計(jì)全新設(shè)計(jì)了動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，車輛動(dòng)力充足，能夠滿足各種工況使用要求。同時(shí)車輛懸掛采用液壓互聯(lián)懸架減震系統(tǒng)，提高了乘員乘坐舒適性。相比鉸接車輛，大幅提升了車輛操作的方便性和靈活性，提高了工作效率。

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The Overall Design of WC1E Type Explosion-proof Trackless Rubber Tyred Vehicle

WANG Renqun, LI Haixia, LI Qingde

( Intelligent Manufacturing College, Nanjing Polytechnic Institute, Nanjing 210048, China )

In this paper, according to the conditions of the underground roadway and the characteristics of the typical work vehicle demand of the underground maintenance team, the design of the underground explosion-proof trackless rubber tyred vehicle is studied. By comparing the structure and traffic ability of the integrated and articulated explosion-proof trackless rubber tyred vehicles, it is determined that the design vehicle adopts the integrated structure, and the overall scheme design and the hard point parameters of the vehicle design are given. According to the requirements of the overall design scheme, the key systems such as the power system, transmission system, brake hydraulic system and hydraulic interconnected suspension of the trackless rubber tyred vehicle are designed and calculated, and the core components of each system are selected according to the calculation results. The explosion-proof trackless rubber tyred vehicle researched and designed in this scheme has compact structure and good power performance, can adapt to various working conditions in the coal mine, and has good comfort, and solves the vehicle demand of the underground maintenance team.

Auxiliary transportation; Explosion-proof trackless; Rubber tyred vehicle; Structural design

U273

A

1671-7988(2023)03-64-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.03.012

王仁群（1983—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)樘胤N車輛及新能源汽車研發(fā)，E-mail:357543477@qq.com。

南京科技職業(yè)學(xué)院“科研北斗計(jì)劃（2.0版）”（NJPI-RC-2022-07）。