WC12RE型防爆柴油机无轨胶轮车的选型设计

张甲瑞，万中元

（1.重庆工商职业学院智能制造与汽车学院，重庆 401520；2.常州科研试制中心有限公司技术中心，江苏 常州 213002）

WC12RE型防爆柴油机无轨胶轮车的选型设计

张甲瑞1，万中元2

（1.重庆工商职业学院智能制造与汽车学院，重庆 401520；2.常州科研试制中心有限公司技术中心，江苏 常州 213002）

为了满足煤矿客户需要，提出了一种WC12RE型防爆柴油机无轨胶轮车的总体设计方案，详细介绍了该车在防爆柴油机、液力变矩器和液力变速箱选型、配型设计过程，为其他相关从业者提供了一定的参考。

防爆柴油机；液力变矩器；液力变速箱；选型设计

CLC NO.:U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-71-04

引言

根据煤矿客户要求，设计的无轨车以防爆柴油机为动力，主要用于工作人员上下煤矿矿井使用，巷道坡度不大于14°，需可乘坐12人。整车参数要求见表1。

1、WC12RE型防爆柴油机无轨胶轮车方案设计

1.1 整车结构形式

防爆柴油机无轨胶轮车的结构形式按车架结构分类，可分为铰接式无轨车如图1所示和整体式无轨车如图2所示。

表1 整车参数要求

铰接式无轨车，其车架分为前后两个，前机架和后机架通过中央铰接销及关节轴承连接，前机架和后机架之间连接有转向油缸，通过转向油缸的伸缩使前机架与后机架相对偏转，从而实现转向，该结构在行驶过程中，前后机架间会产生比较剧烈的振动及摆动[1][2]；整体式无轨车，其车架为整体，一般通过控制转向车桥使轮胎偏转来进行转向，该结构减震性能更好。又因WC12RE型防爆柴油机无轨胶轮车的承载人数为12人，整个车长的设计要求为不大于6米，而整体式无轨车车长相对于一般的铰接式车辆要短。

结合以上特点，WC12RE型防爆柴油机无轨胶轮车选择减震性能较好且车身较短的整体式结构。

1.2 柴油机布置

根据矿井的工况条件，要求尽量降低车身高度，并且尽可能在车身左右和后门都开有车门，这样会更有利于井下工作人员在空间狭小的巷道内上下车。

图1 铰接式无轨车

图2 整体式无轨车

发动机中置会抬高车身底板的高度，从而抬高整车高度；发动机后置，会使车辆在有限的设计高度内，无法实现车身后面开车门；因此WC12RE型防爆柴油机无轨胶轮车采用发动机前置的方式是最好的选择，既能降低车身高度又能在车身左右和后面开门。

1.3 变速方式

国内的防爆柴油机无轨胶轮车的变速方式有机械变速箱传动、液力—机械传动、泵—马达传动等方式。

对比以上三种变速方式，机械传动的变速箱是通过齿轮与齿轮的硬传动方式，在车辆运行过程中，需要根据不同的工况条件进行频繁的换档，操作不太方便；泵—马达传动的变速方式传动效率很高，但是煤矿恶劣的工况条件需要更加昂贵和质量可靠的进口泵和马达，会导致成本上升和供货维修时间变长；液力—机械传动方式具有自我调节扭矩及转速的功能，传输扭矩根据车辆负载自动变化，操控方便并具有较大的牵引力，适合条件不太好的工况使用。因此，WC12RE型防爆柴油机无轨胶轮车选用液力—机械传动方式。

2、WC12RE型防爆柴油机无轨胶轮车选型设计

2.1 整车质量估算

通过对整车质量的估算，可以为发动机功率、变速箱速比、车桥速比等参数的确定，提供理论依据。根据整车各个组成的元部件，进行分类，估算重量，具体内容如表2。

WC12RE型防爆柴油机无轨胶轮车可承载12人，如果按平均每个人重量为80kg计算，最大载荷为12×80kg= 960kg。由此可以估算得出：满载总质量=空载总质量＋额定载荷=4800kg＋960kg=5760kg。

表2 整车元部件

2.2 防爆柴油机选型

1）牵引功率计算

根据提出要求，规定了车辆重载情况下的最高速度：

所以，平道所需牵引功率：

14°坡所需牵引功率：

2）所需防爆柴油机功率

该车的传动路线为：防爆柴油机→液力变矩器→变速箱→桥→轮胎

根据经验液力变矩器的一般工况效率区间为0.7～0.9，变速箱→桥→轮胎的效率区间为0.8～0.85，所以总效率区间为0.56～0.765。

满足平道要求的所需防爆柴油机功率区间为：

满足14°要求的所需防爆柴油机功率区间为：

3）防爆柴油机选择

由于煤矿用柴油机需要进行防爆改造，按照某公司实验室的试验测试数据，在经过防爆改造后，功率一般都有较大程度的下降。下面是某公司实验室的一些柴油机的测试参数如表3。

表3 防爆柴油机参数

根据发动机选用原则：在动力满足前提下，选用体积更小，更有利于整车布置的发动机。对比以上四种防爆改造后的发动机，选用体积较小、功率较高的CKS4100ZQFB更适应该车型。

CKS4100ZQFB防爆柴油机的原机型大量装配于工程机械上，具有低转速高扭矩特点（额定功率转速2150rpm，最大扭矩点在1700rpm～1800rpm之间），最大功率为66kW，除去发动机所带附件的功率消耗约6.5kW功率，仍有59.5kW。如果根据发动机特性与液力变矩器匹配得当，能够满足使用要求，所以WC12RE型防爆柴油机无轨胶轮车的设计采用CKS4100ZQFB防爆柴油机。

2.3 液力变矩器选定

经市场调研，符合安装尺寸及可以满足整车布置的液力变矩器有YBQ2323型、YJH280A型、YJH310R型。

YBQ2323液力变矩器与CKS4100ZQFB防爆柴油机共同工作曲线图分别见图3。YJH280A液力变矩器与CKS4100ZQFB防爆柴油机共同工作曲线图分别见图4。YJH310R液力变矩器与CKS4100ZQFB防爆柴油机与共同工作曲线图分别见图5。

图3 YBQ2323液力变矩器与CKS4100ZQFB防爆柴油机共同工作曲线图

图4 YJH280A液力变矩器与CKS4100ZQFB防爆柴油机共同工作曲线图

依据液力变矩器与发动机的匹配原则，理想的匹配要求是液力变矩器零工况泵轮力矩曲线应通过发动机最大净扭矩、液力变矩器最高效率工况泵轮力矩曲线应该过发动机额定功率点。

图5 YJH310R液力变矩器与CKS4100ZQFB防爆柴油机共同工作曲线图

CKS4100ZQFB防爆柴油机的额定功率点在2150rpm左右，最大净扭矩点转速在1700～1800rpm之间。从YBQ2323型、YJH280A型、YJH310R型液力变矩器与发动机的共同工作曲线图可以得出表4：

表4 三种液力变矩器工作参数

由于YJH280A变矩器的零工况及最高效率工况时，发动机可最大发挥的扭矩及功率都很低，所有不适合采用。而YBQ2323变矩器与YJH310R变矩器进行对比，YBQ2323变矩器零工况时，发动机可最大发挥的扭矩比YJH310R大；而YJH310R变矩器最高效率工况时，发动机可最大发挥的功率比YBQ2323大得多。由于WC12RE型防爆柴油机无轨胶轮车主要的功能是运输人员，匹配的原则为需尽量发挥发动机功率，并零工况时满足重载爬坡需要便可以，因此选用

YJH310R变矩器比较适合。

2.4 车桥及变速箱总传动比选定

3、车桥及变速箱总传动比选定

根据整车布置情况，采用液力变矩器和变速箱连接为一体的液力变速箱能够更好的节约排布空间。车桥传动比与变速箱传动比相乘，便是车桥及变速箱总传动比。WC12RE型防爆柴油机无轨胶轮车的车桥采用湿式制动，根据整车布置情况，首先选用作为驱动桥的后桥，选用的车桥的传动比为6.142。

经过市场调研，WC7R型和WC20RQ型液力变速箱的液力变矩器部分采用的是YJH310R液力变矩器，都为前进三个档，后退一个档及一个空档，其各档传动比见表5。

表5 各档性能参数

将两种变速箱的传动比与桥的传动比6.142相乘，可得出各当总传动比如表5：

表6 各档与桥总传动比

依据车辆牵引力公式和车辆行驶速度公式计算，可以绘制出两种不同液力变速箱匹配结果，最后可得出不同坡度下匹配参考表，如表7。

表7 不同坡度匹配参考表

分析上表可知，当使用WC7R型液力变速箱时，14°重载坡度时最高速度达不到要求的7.2km/h；而使用WC20RQ型液力变速箱可以达到14°重载坡度时所需速度及平道空载时所需速度。从发挥液力变矩器的效率来看，当14°重载爬坡时，使用WC20RQ型变速箱前进一档，变矩器效率可达到0.81～0.813之间，匹配的效果比较好。如果使用WC20RQ型液力变速箱，在14°以下各个坡度爬坡，使用效率都可以在0.8以上，匹配的效果很好。所以选用WC20RQ型液力变速箱使用在WC12RE防爆柴油机无轨胶轮车上比较合适。

4、结语

WC12RE型防爆柴油机无轨胶轮车结合煤矿市场需求，通过市场调研选型和设计计算，比较合理的匹配了发动机、液力变矩器和液力变速箱。矿上使用的实践证明，该车选型设计比较成功，验证了设计计算匹配的正确性，为相关从业者提供了一定参考。

[1] 赵海兴. 煤矿井下铰接式防爆柴油机无轨胶轮车设计特点和发展趋势[J]. 矿山机械, 2013, (08): 13-17.

[2] 石涛. 铰接式无轨胶轮车车架动态特性研究[J]. 煤矿机械, 2013, (05): 79-81.

The lectotype design of WC12RE type explosion-proof trackless rubber tyred vehicle

Zhang Jiarui1, Wan Zhongyuan2
( 1. Institute of intelligent manufactuning and automative of CQTBI, Chongqing 401520; 2. Technology center of ChangZhou Develepment & Manufacture Centre Co., Ltd., Jiangsu Changzhou 213002 )

In order to meet the customer needs the overall design scheme of coal mine, this paper puts forward WC12RE type explosion-proof diesel trackless rubber tyred vehicle, and introduces in detail the design and selection of the explosion-proof diesel engine, hydraulic torque converter and hydraulic transmission, provide some reference for other related practitioners.

explosion-proof diesel engine; hydraulic torque converter; hydraulic transmission; lectotype design

U462.1

A

1671-7988 (2017)08-71-04

张甲瑞（1984-），男，工程师，硕士研究生，就职于重庆工商职业学院智能制造与汽车学院。现在主要从事特种车辆和新能源汽车的的研发。常州市科技支撑计划（项目）。项目编号：CE20140067。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.024