矿用卡车电动轮翻转架设计

李海军，牟鹏昊

（神华准能集团公司设备维修中心，内蒙古 准格尔旗 010300）

矿用卡车电动轮翻转架设计

李海军，牟鹏昊

（神华准能集团公司设备维修中心，内蒙古 准格尔旗 010300）

神华准格尔能源有限责任公司使用大量的电动轮自卸卡车进行生产运输任务，因此用于运行和周转的电动轮数量很多，每年电动轮的检修和维护数量十分庞大。检修和维护过程中一个重要工序就是多次对电动轮进行翻转，目前主要使用吊车和人力配合进行该工序，这样就造成检修效率低下、检修过程安全风险大。因此，根据维护检修实际需要，针对电动轮需要旋转角度和升降位置，并借鉴了汽车吊伸缩吊臂的结构，设计制造一种电动轮翻转架。该翻转架具有承载性能可靠、扭矩输出平稳、翻转及升降动作精准、运行噪音小、人员操作安全等特点。

电动轮自卸卡车；电动轮翻转架；旋转架立柱

目前国内外许多大型露天矿均采用间断型开采工艺，间断型开采工艺主要由电动单斗挖掘机(电铲)和大吨位卡车完成。一般情况下大吨位卡车是指载重在150～350吨之间的矿用电动轮自卸卡车，这类卡车在露天间断型采矿中应用非常广泛，是一种露天采矿业的主流运输设备。因为电动轮自卸卡车具备运输装载吨位大、卡车运行效率高、实际运输成本低的优点，神华准能公司的露天煤矿也同样采用了间断型开采工艺，目前神华准能公司两个露天矿拥有各类型电动轮自卸卡车200台。目前一台卡车需要装配2台电动轮，每台电动轮主要由电机和轮边减速机构成。电动轮作为自卸卡车的动力驱动单元，在卡车生产运行及日常维护中占举足轻重的地位。神华准能公司维修中心每年大修理各类型号电动轮数量多达80件左右。由于电动轮结构较其它类型减速机复杂，在维修时需要进行6次径向翻转才能完成分解、装配等各道检修工序，由于电动轮自身质量较大，仅仅利用检修厂房内的桥式起重机完成电动轮翻转工作，不仅每次都存在很大安全风险，而且还严重影响工作效率。面对维修单位均采用这种既影响效率，也存在巨大安全隐患的起重机和人力协助完成电动轮翻转工作的情况，为保证检修人员和设备安全，提高工作效率，设计一款专用的电动轮轮边减速机翻转架，来安全、可靠地完成电动轮的维护检修工作。

1 矿用卡车电动轮使用情况及其结构介绍

1.1 各种电动轮的使用情况

目前神华准能公司两个露天矿采取使用7种型号的电动轮自卸卡车，这些卡车配备了GE776型电动路、GE788型电动轮、GEB25C4型电动轮、GDY106A8型电动轮、GEB25B4型电动轮、GEB25A2型电动轮以及W-25-55型电动轮，这些电动轮具备不同的质量、不同的外形尺寸以及不同程度的投入运行时间，目前电动轮保有总数为450台。每年进行大型修理总数约为150台次，具体信息详见表1准能公司两个露天矿各类型卡车和其配置的电动轮型号一览表。

表1 各类型卡车和其配置的电动轮型号一览表

由表1可以看出630E卡车、930E卡车、SF33900卡车、MT4400卡车、MT5500卡车的电动轮数量十分多，其中630E卡车、SF33900卡车、MT4400卡车、MT5500卡车投入使用时间较长，这些卡车使用年时间均达到10年以上，随着使用时间的不断延长这些卡车的电动轮维护量和故障率不断增加，这就造成电动轮的修理和维护量逐年增加，为了应对这种电动轮修理维护工作越来越紧张的情况，在场地、维修设备和维修人员不变的情况下，简化维护维修程序，提高维护维修速度，增加维护维修效率就是一种有效的手段。

1.2 电动轮结构简介

以神华准能公司目前最新型卡车，即装载量在300吨级的930E卡车电动轮——GDY106 电动轮为例，阐述电动轮结构构及其拆装的复杂性。GDY106 电动轮主要由主机架、驱动电机、行星轮减速器和湿式制动器四部分构成，其减速器属于多级行星齿轮减速传动装置。电动轮的功用是作为整台电动轮自卸卡车的承载装置和驱动装置，是全车的核心总成件之一，其外部形状、内部结构都十分复杂，并且安装位置在卡车的承重部分。主机架是装配基准和主要承载结构件，装配位置见图1。两级行星轮减速装置套装在主机架一侧，见图1右侧部分，减速装置外装配有轮胎。电机装配在主机架另一侧，在卡车上装配于后桥壳内。主机架中部位置套装有湿式制动器和轮毂。主机架装配在卡车车架上，在卡车运行时，电机动力通过花键轴传输给两级行星轮减速装置，由减速装置传输给轮毂。电动轮最大直径1850mm，长度为4320mm，总重量达25000kg。在拆卸、装配零部件时，按照工艺要求需要对电动轮总成进行翻转和上下移动的动作，这样在翻转时会产生较大的偏心力矩，在这个偏心力的作用下，已发生倾覆或瞬间失控事故，在维护检修过程中安全的保障成为一个困难点，同时上下运动会形成悬空，检修人员工作时需要架梯子开展，而且还需不断地调整位置，这些都成为提高维护检修速度和效率的不利因素。

鉴于以上因素，吊装物体的吊点不在重心上方，产生的偏心力极易产生安全事故，以及其它方向的运动都会极大地影响工作效率，使维护检修时间存在极大的浪费。故此，为保证人员安全，以及各种辅助设备的充分利用，按照电动轮现场检修的各项工艺标准要求，提高电动轮维护检修效率，缩短单台电动轮维护检修所用时间，必须设计制造一种实用可靠的电动轮翻转架来满足现阶段和今后的维护检修任务需求。

图1 GDY106电动轮结构图

2 电动轮翻转架结构设计

电动轮翻转架整体结构共分为六个部分，第一部分是翻转架钢架结构，也叫支撑座，负责整体质量的支撑，以及保证实施各种规定动作时的稳定工作；第二部分是传动机构，负责动力的产生和传输，主要由电机、斜齿轮-蜗杆减速机构成；第三部分是制动装置；第四部分是液压升降机构，这部分内置升降油缸钢结构旋转立柱装置；第五部分是电动控制部分；第六部分是运行安全防护部分。以上这些部分的具体结构见图2。翻转架支撑座由高强度钢板焊接加工而成，通过高强度螺栓固定在砼基础上，以保证运行强度和安全性。齿轮主减速箱、电机、蜗轮蜗杆减速机及制动器等旋转、传动装置及制动装置固定在支撑座上。内置升降油缸钢结构立柱通过支撑轴与齿轮减速机钢性连接。在电动轮下方铺设有可沿地面方向伸缩的安全防护板以及安全防护栏，安全防护板用作检修人员站立平台和防护平台。

当电动轮由行车放置到翻转架时，由电动轮底部法兰盘自身的孔与翻转架用螺栓紧固，开始拆卸电动轮的外套及轴承。当进行电动轮翻转作业时，翻转架坑口上部的防护板平行外移，坑口打开用以减少电动轮的提升高度。立柱通过法兰盘带动电动轮翻转，在旋转到适合维修人员维修的角度和位置时，可以停止翻转，并由蜗轮蜗杆自锁装置和制动器将旋转立柱锁死，以保证人员安全。当需要升降电动轮时，通过立柱内置升降油缸的伸缩运动，带动立柱上升或下降，进而带动电动轮上升或下降。这样，可以安全、快速、可靠地完成电动轮6次拆装翻转工作，既提高了工作效率，又保护了人员安全。

图2

3 部分结构件的设计计算及仿真

按照电动轮结构，依据最大电动轮自重、翻转时产生的偏心力矩以及安全系数，初步计算出电动轮翻转架设备额定承载重量为60000kg。整体设计通过详细的计算和对所用材料用有限元力学的建模仿真分析，使整台设备的设计既合理又科学。具体的计算和仿真分析如下所述。

3.1 主支撑轴结构计算及力学分析

通过查阅设备手册和现场测量，遵照电动轮拆装工艺步骤，确定出最大型号电动轮翻转时，其重心偏离翻转架旋转轴心的距离为1630mm，即转动力臂L＞1630mm，考虑到拆装人员站位以及极端运行工况等因素，初步按照L=2000mm计算。转动力臂应承受力矩：

式中：Ml——动力臂自重旋转时产生的力矩；

Mm——旋转时，电动轮重心距动力臂支点最大距离产生的偏心距；

M惯——电动轮和力臂旋转式的惯性力矩。

由于翻转架力臂旋转为匀速、低速运转，所以M惯可视为0，考虑到设备运行安全性，所以安全系数取值为2.4。最终确定转动力臂承载扭矩为MZ=285kN·m。

初步选用主支撑轴轴径材质为45#钢，按照扭转强度计算条件，计算得：

d≥3102MZ+αT2σ-1=256mm

通过计算得出结论，主支撑轴材质为45#钢，轴径为φ256mm，可以满足主支撑轴的扭矩，所以轴径选为φ260mm。

3.2 主支撑轴承选型

按照主支撑轴的轴径和使用寿命5000小时来选择主支撑轴承。考虑到主要支撑径向力＞300kN，轴向力相对较小。同时结构设计时每主轴选用两盘轴承支撑运转，一轴承支点为双向固定，另一轴承支点为游动支撑。经查阅手册，初步选用6052深沟球轴承作为主支撑轴轴承，轴承动载荷：Cr=292kN×2=584kN静载，Cor=372kN×2=744kN，完全可以满足电动轮反转架的翻转运行。

3.3 旋转架立柱结构、材质选型及其力学分析

参照汽车吊箱形伸缩式吊臂结构设计了翻转架立柱，箱形伸缩式吊臂结构紧凑、空间刚度大、抗扭性能好，在汽车起重机应用广泛。同样，翻转架立柱也采用箱型结构，其截面为矩形，箱体结构内装有伸缩液压缸。翻转架立柱由两节伸缩臂构成，与吊车臂类似，每个外节段内装有支承内节的滑块支座，两节臂之间可以相对滑动。两节臂中部与主支撑轴通过法兰盘刚性连接。吊臂根部装有变幅液压缸，可实现吊臂在变幅平面内自由转动，这样设计就具有较好的静动特性。

旋转架立柱材料选用42CrMo，钢板厚度δ=50mm，其抗拉强度σb＝1080MPa，屈服点σs=930MPa。在承受60000kg的工件时，其垂直方向的重力为600kN，通过计算和有限元力学分析，完全满足工况需要。

3.4 减速机选型

斜齿轮—蜗杆减速机结构紧凑、传动比大，比涡轮蜗杆减速机效率高，相对于普通齿轮减速机还具有自锁功能，该型号减速机是将斜齿轮传动的一级减速和蜗轮蜗杆的两级减速的性能集于一体。而且其传动精度高，非常适用于电动轮翻转架装配使用。经过筛选，选用西门子弗兰德斜齿轮—蜗杆减速机(包含电机和变频控制器)作为传动装置。

按照上述扭矩Mz=285kN·m，减速机输出转速为0.5rad/s，可计算得减速机功率≥6.55kW。西门子弗兰德斜齿轮—蜗杆系列减速机的功率最大可达到15kW，其输出扭矩可达到1600Nm，输出转速在0.05～148rad/s。因此，经论证选用西门子弗兰德斜齿轮-蜗杆减速机作为传动装置。

4 结语

这些年来神华准能公司一直采用吊车和人工配合的方法来完成电动轮维护修理过程中的电动轮翻转工作，但是随着生产规模的不断扩大，各种大型矿用电动轮卡车不断引进，使的电动轮的保有量越来越大，随着时间的推移电动轮的年维护维修数量也在不断增加，同时由于厂房和人员的制约维护检修的台位无法增加，从事检修的人员也得不到增加，最终使电动轮的维护检修效率低下这个瓶颈凸显。

与此同时采用这种吊车和人工配合的方法也存在安全隐患，要求人机配合十分到位，否则可能发生倾覆或失控问题。同时后期引进的卡车电动轮都存在大型化问题，即电动轮质量加大，体积加大，所以对这种老的维护检修方法又提出了新的考验。为了防患于未然，彻底解决这个安全隐患，解决维护检修中的新困难，提出翻转架这个可靠解决方案。

根据本文项目设计制造的电动轮翻转架，具有承载性能可靠，范围大；扭矩输出平稳；翻转及升降动作精准；设备运行噪声小；人员操作安全等显著特点。同时涵盖广泛，使各种电动轮均完全可以维护，如检修表1中各型号电动轮。通过翻转架地面位置的人员工作承载平台，检修人员可以360°旋转电动轮，且通过制动器和斜齿轮-蜗杆减速机自锁功能，停留在任意角度位置进行检修，电动轮翻转架投入使用后维护检修或大修理1台电动轮时只需一次装夹在翻转架上即可以完成全部维护检修工序。由2名检修人员在2～3h内就可以完成电动轮拆解工作，极大地提高了检修效率和安全系数，大大降低了维修人员的劳动强度，成功避免了电动轮维护检修过程中产生的安全风险，提高了电动轮的维护检修效率，缩短了电动轮的维护检修时间，使电动轮维护检修工作可在人员和场地不变得情况下完成高额维护检修任务。

[1]小松930E电动轮自卸卡车维修手册.

[2]焦文瑞,孔庆华 .汽车起重机箱形伸缩式吊臂的有限元分析[J].工程机械，2007,9,38.

TD67

：A

：1671-0711（2017）12（下）-0124-03