煤矿无轨辅助运输车辆模块化设计方法研究

王治伟

(中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

无轨辅助运输车辆具有机动灵活、运行速度快、物料装卸方便，可远距离连续运输等特点，作为煤矿辅助运输设备以安全性高、用工少、效率高、运行成本低等诸多优点，得到了广泛的应用。目前无轨辅运车辆产品已全面服务于煤矿生产作业的各个方面，包括煤矿井下人员、生产物料的运输，综采设备的转载搬运，巷道工程作业等，其产品种类不同、结构特点各异[1-3]。

另一方面，我国煤炭赋存分布范围广，不同地区的矿井由于开拓方式、巷道断面条件、产品使用习惯等差异，对无轨辅助运输车辆的结构形式，功能构造都有着不同的个性需求，从而导致定制化产品不断增加[4]。

模块化设计是降低产品制造成本，缩短研发周期，提高设计质量，解决用户多种定制化需求，减少产品零部件种类的一种有效的途径，对于复杂的自行式机械产品尤其适用。

2015年国家标委会发布国家标准《机械产品模块化设计规范》(GB/T 31982—2015)，以此引导推广机械类产品进行模块化设计。无轨辅助运输装备属于复杂的机电液集成产品，推广应用模块化设计理念，来解决因需求差异带来的产品种类多，零部件集聚增加的问题是行之有效的方法[5]。

1 无轨辅运车辆分类及模块化设计构想

无轨辅运车辆是在煤矿井下运行的自行式无轨胶轮车辆，按结构形式可分为铰接式车辆和整体式车辆(如图1所示)。铰接式车辆，前、后车架铰接，采用液压油缸折腰转向，转弯半径小，巷道适应性好；整体式车辆为整体结构的底盘，可采用偏转前轮转向或原地滑移转向。

图1 铰接式结构车辆和整体式底盘车辆

井下无轨运输设备采用的动力源也不同，主要有矿用防爆柴油机车辆和矿用防爆蓄电池车辆两大类。防爆柴油机装机功率最小的仅为40kW，最大可达300kW。

无轨辅运车辆的传动方式也各有不同，机械传动、液力机械传动、静液压传动等传动方式都能见到。传动方式不同，传动系统组成和结构差异也很大。液力机械传动和静液压传动的传动路线示意图如图2所示，液力机械传动路线一般为动力源→液力变矩器→动力换挡变速箱→传动轴→前、后驱动桥；静液压车辆传动路线一般为动力源→液压泵→液压马达→减速器→车轮。

图2 液力机械传动和静液压传动

无轨辅运车辆的用途也不尽相同，有运人车、运料车、防爆铲运机、支架搬运车以及特殊用途类车辆等，设备用途不同，其工作机构也就完全不同。此外车辆的载重能力差别更大，从0.5t的轻型皮卡车到100吨级的重型支架搬运车都可在煤矿井下看到，由此带来的产品设计思路也就完成不同。

从上面所列出的各种辅运车辆产品可以看出，其在载重能力、结构特征和性能参数的差别非常巨大，造成产品规格系列繁多。此外，即便是同一规格的车型产品因需求不同也产生出很多衍生车型。以载重5t的材料运输车来说，在结构形式上有整体式，也有铰接式；驱动方式有四轮前驱、四轮后驱和四轮全驱；工作装置上分为后翻自卸式、平推自卸式；配置上还有吊装车型、运管车型。载重5t的铰接式带吊机材料运输车如图3所示。

图3 载重5t的铰接式带吊机材料运输车

如此繁杂的产品种类，设想在较大范围实现全系产品的模块化设计是异常困难的，切实可行的做法是：在相近的产品系列中规划若干产品平台，以此为基础进行针对性的模块化设计[6-8]。

2 无轨辅运车辆模块化设计思路

根据无轨辅运车辆产品特点，无轨辅运车辆模块化设计的总体思路是：

1)整车平台划分。综合考量整机产品的用途、结构形式、载重吨位、发动机功率范围、驱动方式等因素，总体划分出若干产品平台，将性能特点和技术参数相近的整车产品划分为一个平台，在此基础上再进行产品衍生车型的开发。

2)分系统模块化。根据各平台整车产品的结构特点和系统组成，进行各系统的功能模块组合、配置选型。

3)各机构装置模块化。基于各系统模块下的各个组成结构装置的功能相似性、结构通用化原则，建立各独立功能子模块。

4)零部件通用化。基于结构模块化、接口标准化、尺寸通用化，进行零部件的设计。

模块化设计分解的总体原则是：先整体后局部，先主要后次要，先划分对整车功能有重大意义的核心模块，再在核心模块之下划分若干功能模块，以此类推。此外，对于一些无法做到通用的非标准模块也应优化，使非标零件的安装尽量后延，从而使得元部件组装过程的前期为标准化过程，后期再为非标部分，如图4所示。

图4 非标准模块的非标零件后延安装示意图

面对浩瀚杂乱的整车零部件系统，需要有规划、有步骤的逐步实施模块化设计工作，通过不断优化改进最终实现全面模块化设计目标。

3 无轨辅运车辆模块化设计方法

辅运车辆由车身底盘、动力系统、传动系统、工作机构、车身底盘、驾驶操纵装置、液压系统、气动系统、电气系统等系统构成，整车可规划为四级模块：产品平台为A0级、系统模块为A级、功能模块为B级、功能子模块或结构模块为C级，各级模块再根据结构特点进行逐层分解，见表1。

表1 辅运车辆产品顶层模块规划

4 无轨辅运车辆模块化设计应用举例—顺槽车

防爆无轨胶轮顺槽运输车主要用于矿井综采工作面巷道生产物料、小型设备及人员的运输。该车以防爆柴油机为动力，采用静液压+机械式传动方式，实现6×6全轮驱动，车架为整体刚性焊接式车架。为适应综采工作面巷道断面宽度狭小，缺少调头硐室的巷道条件，该车设计了前后独立驾驶室，可实现双向驾驶，同时采用全液压操控，可实原地现滑移转向，车辆具有车体窄小、灵活方便、适应性强的特点，如图5所示。

由于不同矿区巷道条件、作业特点和矿工驾驶习惯等差异，不同用户对该产品提出了不同需求。目前该产品已有五款定制化车型，见表2。

该产品在设计之初未考虑模块化设计，导致各细分车型车身底盘不通用，各配套功能系统之间都有差异，产品元部件数量多，给企业生产组织带来很大影响。

图5 顺槽运输车

细分车型车型特征标准型长4.8m,宽1.6m罐笼车型长4.4m,宽1.6m单驾驶室双向驾驶长4.8m,宽1.6m窄型车长5.1m,宽1.4m人员运输车外形尺寸同标准型,货箱改客厢

4.1 顺槽车功能模块分析和车身模块划分

4.1.1 功能分析

顺槽车各细分车型的差异主要体现在外形尺寸、驾驶室布置、承载结构等方面；而发动机系统、液压系统、电气系统等配套功能系统基本是相同的。因此，模块化设计的关键点首先是把车身底盘结构模块化。

4.1.2 车体模块化

根据该车结构特点，将车身分为主驾驶单元模块、副驾驶操纵模块、底盘模块、车厢模块。如此模块化设计后，罐笼车型直接去掉副驾驶操纵模块即可；单驾驶室双向驾驶车型需将主驾驶单元模块设计为前后双向驾驶形式；人员运输车将货箱改为客厢即可实现；窄型车因外形尺寸变化、轴距变化，车体不能与其它车型通用。具体模块划分见表3。

表3 顺槽车车体模块划分

4.2 顺槽车整车模块划分

根据上述平台车体的结构特点以及模块划分要点，该车产品可划分为车体、动力系统、传动系统、液压系统、气动系统、电气系统9个A级模块，如图6所示。

图6 顺槽车平台产品模块规划图

每个A级模块再根据结构特点划分若干二级子模块(例如车体模块划分为4个二级子模块)；二级子模块再划分出若干子模块，顺槽车产品模块划分结构树图如7所示。

图7 顺槽运输车产品模块划分结构树

5 车辆模块连接方式及安装接口通用化设计

无轨运输车辆各模块和子模块之间通常采用销轴、螺栓、法兰、接头及焊接等方式连接，为提高各模块的通用性，必须对模块之间的连接方式和安装接口进行通用化和标准化设计。

接口通用化设计应注意以下几方面问题：

1)车体和大部件连接。车体和大部件通常采用焊接、法兰螺栓或销轴连接方式。为提高通用性，焊接连接要统一接口部位尺寸，优化焊接接口形式；连接法兰应注意不同连接处法兰螺栓规格形式要尽量统一标准，制定产品系列的螺栓连接标准库，统一调用选取；销轴连接尺寸和形式应标准化，制定销轴材料优选标准，根据销轴直径系列和结构形式编制销轴类库，并统一命名规则。

2)元部件安装接口。根据元部件种类和接口形式，建立分类库，尽可能优选通用化零部件。例如液压阀组、油缸、各类箱体等元件，应着力编制相应的优选零件库，同时集成设计零部件的安装底座，以适应多个元件的安装需求。

3)连接部胶管接头。无轨车辆通常液压气动系统较为复杂，应最大范围减少胶管接口种类，提高模块化程度，特别是模块接口部位的液压胶管。可采用快插接头连接工艺，同时通过增加过液阀块、隔壁接头，增设管路连接标识等措施(如图8所示)，改进液压元件接口位置降低由管路拥挤、操作空间不足等造成的装配难度，提高模块组装效率。

图8 车辆铰接连接部管路优化

6 结 语

产品模块化设计能够在有效控制生产成本，压缩元部件种类和数量，提高产品质量，以此为基础可实现产品的多样化，满足不同用户的定制需求。因此成为实现批量定制和敏捷制造的主要方法。本文对无轨辅助运输车辆产品的模块化进行了初步探索，后续在煤机产品的模块化设计应用方面还需深入研究推广。产品模块化设计必须科学合理地规划，大力推进产品模块库的建立，进而完成车体子模块的标准化、系列化设计。无轨运输车辆产品的模块化设计具有十分重要的示范意义，将极大提高煤机产品的设计和制造效率，控制企业成本，增强市场竞争力。