防爆柴油机无轨胶轮车前机架的设计*

谢龙

(中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

矿用某型号防爆柴油机无轨胶轮车是一种外形紧凑，前后机架铰接，驾驶特性优良舒适，行车视野开阔，可双向驾驶,具备自卸功能，四轮驱动静液压机械传动的防爆柴油机无轨胶轮车。整体底盘结构由前机架(由前主架及与后架机连接的主驾驶室构成)、后机架及与其连接的副驾驶室组成。由于前机架是安装动力及防爆装置、传动系统、悬架、液压气动系统、电气件等的基础架，故设计时既要考虑装配及拆卸的方便快捷，又要兼顾整车外形的美观。原防爆柴油机无轨胶轮车的前机架都是驾驶室与主机架设计为一体的，驾驶室中各个部件的安装都在机架上进行，其主要带来的问题是，前机架外形不够美观，驾驶的操作舒适性不够，内部设备的安装相对繁琐。经分析研究，决定在设计该型号前机架时跳出以往的思路及模式，即将驾驶室与机架分体设计，不仅保证了焊接尺寸，加工质量，而且保证了驾驶室的美观及内部操作的舒适性。

1 驾驶室设计

驾驶室是工程车辆的重要组成部分，是驾驶人员对设备操纵完成各种工程作业的控制室，也是工程车外观质量的重要体现，根据总体布置形式来确定驾驶室结构，除满足驾驶操纵功能外，还安装有废气处理箱、液压油箱、蓄能器、储气罐、电磁阀等设备，考虑到强度要求，该型号防爆柴油机无轨胶轮车驾驶室采用普通骨架型结构，用封闭截面的冷弯薄壁型材焊接而成。考虑到驾驶室操作的安全性及舒适性，驾驶操纵部与安装部件隔离，隔离处采用冲压或冷弯成型的内外薄钢板组焊而成,防止螺钉外漏，影响美观。驾驶室主框架与前主架的连接部位采用厚板与框架焊接连成一体。主驾驶室与前主架采用螺栓及销轴连接。这种结构的驾驶室外形美观，加工简单，强度刚度大，安全性较高。驾驶室外形见图1和图2。

图1 驾驶室框架结构设计图

图2 驾驶室外形图

2 前主架设计

前主架(图3)承载着发动机、散热器、齿轮泵及行走液压泵等总成的质量,以及其传给车架的各种力和力矩，故必须保证一定的强度和刚度[1]。考虑到这些因素及总体的布置，前主架两纵梁采用箱型梁结构形式(图4)。与后机架连接的前铰接耳板设计为整体结构(图5),与两箱型梁焊接，与驾驶室连接的部分采用厚钢板与两纵梁连接，用横梁将左右纵梁连接在一起，构成一个完整的车架。由于煤矿井下路况复杂，前后机架均带有变刚度特性的非线性弹性悬架，使车辆在凹凸不平湿滑路面，以及频繁启制动工况下,均能保证驾驶员的舒适性。根据整体布置，该车型的非线性弹性悬架镶嵌于箱型梁之中，故钢板弹簧与机架连接耳处所受的应力最大。此时，在箱型梁机架的内部采用贴板形式增加耳板处钢板厚度，同时增加耳座衬套，减少此处的应力集中，增加销轴与衬套的耐磨性[2]。前主架结构如图3所示。

图3 前主架结构图

图4 箱型梁剖视图

1-箱型梁框架;2-贴板;3-衬套图5 连接板簧耳座箱型梁剖视图

3 机架与驾驶室的连接

在整个前机架的设计中，驾驶室与前主架的连接是非常重要的，必须保证其在与前主架装配后的任何状态下，两者都是一个有机的整体。本图驾驶室与前主架的连接采用的一面两销定位并用与若干螺栓固定连接的结构。一面两销定位主要应用于机床上，是机器零件在大批量生产时，为了提高生产效率，减轻工人的劳动强度，而采用的一种定位方式。根据这种方式的固定机理，将它扩展应用于驾驶室与前主架分体的连接上，采用固定定位销连接结构。在定位的两销中，一个选用圆柱销，另一个设计为削边销，以防过定位[3]。

采用此种连接方式后，即可进一步计算螺栓及销轴的受力是否满足设计要求[4]。

1) 定位销定位受剪，螺栓只受预紧力。这种情况下，销定位受横向剪切力，螺栓与螺栓孔之间有间隙，故螺栓不直接受横向载荷，而是拧紧螺栓，使被连接件表面产生压力，从而使被连接件结合面间产生的摩擦力来承受横向载荷[5]。这时，螺栓的预紧力为：

(1)

式中：Q0为螺栓的预紧力;F为横向载荷;Kf为可靠性系数，取1.1～1.3;z为螺栓数量;f为结合面摩擦因数,取0.15;m为结合面数。

由于驾驶室装配后总质量为900 kg(包括驾驶室自重及其装配的各件质量)，所以F=9 000 N，根据设计，螺栓数量z=14，取Kf=1.3，f=1.5，m=1，求得螺栓预紧力Q0≥5 571 N。只受预紧力的螺栓连接，在拧紧力矩作用下，螺栓受到预紧力产生的拉应力作用，同时还受到螺纹副中的摩擦阻力矩所产生的剪切应力作用，即螺栓处于弯扭组合变形状态，所以螺栓所受应力为：

(2)

式中：σ为螺栓应力;d1为螺纹直径。

根据设计，d1=16，计算出σ=36.03 N/mm2,其10.9级螺栓的许用应力：

(3)

式中：[σ]紧螺栓联接的许用应力，[σ]=138.46 N/mm2;σs为10.9级螺栓的屈服极限,σs=900 MPa;Ss为安全系数,取6.5。

由于σ<[σ]，故用14个M16的螺栓完全满足使用要求。

2) 定位销受横向剪切力,核对定位销所承受的剪切强度为：

(4)

式中：τ为定位销的抗剪强度;Ft为横向力;d为定位销的直径;z为定位销的数量。

Ft=9 000 N，d=35 mm，z=2,计算得τ=4.68 N/mm2,定位销的材料选用45钢，调质后，定位销的许用应力为[τb]=80 MPa。

因τ<τb，故此定位销满足要求。

通过计算，所选用的销轴及螺栓数量、直径等完全满足使用要求。这样在设计中，就可将前主架及驾驶室视为一体，对由二者组成的前机架进行三维建模，利用有限元方法对前机架进行满载弯曲工况及转向瞬间工况的应力应变分析，在保证机架强度的前提下，减轻质量，简化结构，实现机架的合理设计，以降低整车成本。

4 结论

将驾驶室与机架分体设计,外形紧凑美观、驾驶特性优良、行车视野开阔，便于加工。通过计算分析确定改进连接方式完全满足使用要求，证明了这种连接的牢固性及可靠性。对以后同类前机架的设计起到一定的借鉴作用。

该型号防爆柴油机无轨胶轮车已在阳泉新元煤矿、同煤集团王村煤矿、山东济宁二矿等应用100多台，实践证明，这种前机架驾驶室分体设计外形美观，驾驶操作舒适，驾驶室与机架的连接稳固可靠，深受用户欢迎。