一种矿用防爆电动无轨胶轮车货箱设计*

2019-08-08王亚军

陕西煤炭 2019年4期

王亚军

(神东煤炭集团技术研究院，陕西神木 719315)

0 引言

无轨胶轮车由于无轨道的限制，具有牵引力大、适应性强、机动灵活性好、安全高效、使用范围广等特点[1]，广泛应用于井下施工和生产中，是现代化矿井的重要装备。货箱作为整车主要的承载部件，在设计中必须保证其载重质量及其体积的要求上，采用轻量化设计货箱，可以降低整车自重，从而减小能耗。

1 货箱设计思路及要求

货箱设计时，针对具体的工作条件，需要考虑物料的破碎程度、密度、硬度以及装载工具、装料、卸料和运输道路情况及养护方式[2-4]。根据电动轮矿用自卸车总体方案要求及整车布置情况，货箱设计应满足以下要求：货箱承载5 t，设计容积为3 m3；货箱本体和举升油缸重量≤500 kg，寿命在3 a以上；货箱设计时应具有一定的强度、刚度，并有足够的抗冲击能力；货箱应设计有加高栏板，保护货箱前面的电池；具有货箱举升后的保险装置。

保证上述总体要求，现阶段国内矿用或者其他场合小型货斗多数采用传统的小吨位自卸车的货斗结构方式，如图1所示。底板、侧板、前后面板和加强筋全部采用普通钢板，货箱本体周圈全部布置大量加强筋，其特点为：大量使用加强筋；焊缝多；矩形截面；外观强壮憨实[5-8]。然而，国内外发展的趋势是轻量化减重设计，特别矿用电动自卸车领域，降低结构重量，合理匹配电池数量，是保证技术指标先进的关键。减重设计关键在于优化结构设计而减少加强筋的布置，合理布局加强筋的位置和截面形状，采用综合性能好的钢板代替普通的钢板等，本车型货箱结构形式采用高强度的耐磨板作为货箱壳体，局部受力关键位置合理布置加强筋。如图2所示，圆形截面货箱的结构形式相比传统货箱，可以大大减少加强筋的布置，从而降低货箱重量，因此本车型货箱设计采用该结构形式。

综合考虑货箱承载要求和实际成本，货箱钢板选用强度高、焊接性、耐磨性好的高强度合金钢板。

图1 传统货车车厢

图2 圆形截面货箱

目前，矿用车货箱材料可供选择的主要有瑞典HARDOX悍达耐磨钢板、国产耐磨钢板NM400、武钢的高强度焊接结构钢系列等。其中，NM400、HG60HE、HG70E、Q550E、HARDOX力学性能见表1。

表1 NM400、HG60E、HG70E、Q550E等力学性能

综合材料性能与经济性考虑，货箱本体材料拟选用NM450，关键部位加强筋采用HG70E，普通加强筋采用普通钢板Q345。

2 货箱设计

2.1 结构工艺特点描述

传统设计的货箱外观牢实，但易出现应力集中、无法吸收冲击功、板材的性能受焊接影响较大等。现在，国外越来越多的矿用自卸车货箱横截面采用半圆形设计，很少或者无加强筋，可仅根据客户使用要求加适量的加强筋。圆形截面是最佳受压截面，受力分析如图3所示，货箱截面尽量设计成圆滑过渡截面。考虑本胶轮材料运输车结构布置情况，在保证轮胎跳动量和货箱容积要求下，该车货箱采用多道折弯截面，形成接近圆滑过渡截面如图4所示。货箱长度方向侧面为流线型外观。

图3 两种截面货箱受力分析

根据材料运输车的总体设计要求，货箱额定载重为5 t，体积为3 m3。考虑整车布局中车架轮胎安装位置要求和货箱的容积要求，确定货箱的截面形式为接近圆滑过渡截面，同时也保证了轮胎的跳动量在允许的范围内。

图4 货箱截面图

货箱是整车装载货物的承重部件，在保证承载量的要求下，本车胶轮材料运输车货箱设计方案中，为了实现该车型最大续航里程，货箱采用轻量化设计的思路。传统的小吨位货箱底板、左右侧板、后栏板采用普通钢板焊接而成，通过加强筋保证整个货箱的刚度和强度，导致钢板使用多、焊缝多、货箱重量重。本货箱的尺寸较小，底板侧板可以采用一体折弯工艺而成，传统底部布置加强筋来提高货箱的刚度和强度，采用折弯减少底部纵筋的数量，实现了减重，减少焊接，大大减少工序以提高效率节约成本。货箱壳体成型采用底板与侧板焊接方式，如图5所示。底板折弯后与左右侧板焊接成型，底板最底端折弯两次，以加强底部承载能力，左右侧板经两次折弯成型，底板和左右侧板采用高强度的耐磨板。

图5 货箱壳体成型方式

2.2 货箱结构设计

货箱总体结构及参数：货箱和举升机构的三维图和爆炸图如图6所示，货箱由各组成部分参数见表2。货箱由面板及加强筋组成。货箱本体主要为货箱面板(前面板、嵌板、左右侧板、底板)。左右侧板经过两次折弯与底板搭焊，嵌板两道折弯成型，整个货箱采用货箱本体与加强筋配合焊接成型。

a-货箱；b-举升三维图图6 货箱和举升三维图爆炸图

箱油缸举升支座设计：本车型举升油缸布置为与货箱连接端为球铰接，与车架连接端为支座耳铰接。油缸的举升顶点球铰接通过举升支撑座安装，如图7所示，支撑座与举升支撑板焊接，支撑板内部嵌球面衬套，半球块通过螺纹连接将球头固定。支撑座和支撑板、半球块采用材料Q345，由于举升点关键受力点，受力较大，为此，在举升铰接处布置了前面板竖筋，斜筋、支撑筋保证整个油缸举升处结构强度和刚度。

货箱与车架连接的后举升铰接座设计：货箱举升铰接系统与车架连接主要为后铰接点、油缸举升点。满载静止时货箱底板支撑筋与车架上的减震垫接触，承受整个货箱的重量。油缸实现举升货箱时，整个货箱通过后举升铰接座旋转完成卸料。由于后铰接点受力较大，在铰接处布置了整圈加强筋，后举升铰接支座布置在加强筋上来保证此处结构强度和刚度，如图8所示。

表2 货箱和举升主要参数

图7 油缸球铰安装

图8 举升筋和后铰接座三维图

货箱后面板部件设计：货箱后面板设计成翻转自动卸货的形式，如图9所示，整个部件通过铰接板与货箱本体连接，后面板根据受力分析结果布置了加强筋。铰接翻转部位受力较大，设计时局部加强，货箱上部左右对称设计两个安装座与货箱左右侧板筋焊接保证此处与铰接板铰接的强度，且结构较为简单。货箱左右侧面和后面布置两套锁紧装置，实现双保险。

图9 后面板总成三维图

货箱与车架限位支座设计：整个货箱和举升机构靠与车架相连的举升铰接点和油缸铰接点限位，考虑到货箱在空载、转向时，较大的振动可能导致翻转，参照国内外同类产品，在车架和货箱上面各焊接限位支座将其限位。限位板采用螺接方式与货箱板、车架板连接，其优点为限位板更换方便，如图10所示。

图10 限位支座三维图

货箱检修支撑装置设计：矿区跑车运料时，即货箱在使用和生产过程中，需要经常检修。检修时将空货箱举升支撑到一定高度。需设计检修装置，选用支撑钢板，在车辆正常工作时，支撑杆固定在车架后部梁上，当货箱检修时，支撑杆支撑在货箱底部如图11所示。

图11 支撑杆支撑货箱三维图

2.3 货箱的有限元分析

对货箱进行有限元分析，得出各工况下应力最大值结果见表3。

表3 各工况应力最大值

3 货箱举升系统设计

根据货箱和车架的安装位置，布置举升油缸的举升位置，通过校核举升力确定举升油缸的缸径。本车型采用单缸举升，布置货箱前部受力小，这种布置结构简单，易于实现，为了保证举升机构具有良好的稳定性，同时使液压举升系统具有较好的油压特性，确定为单缸两级油缸举升。

根据结构布局，并考虑举升油缸所能允许的安装尺寸，做出一种比较合理的举升油缸安装点位示意图，如图12所示。

图12 举升油缸安装点位示意图

油缸安装点位布置的基本原则是：①油缸铰接点A与货箱铰接点O之间的距离尽量大；②油缸轴线原始位置AB尽量垂直地面；③为了保证油压特性，油缸级数尽可能少，即AB-ABO的值尽可能小；④保证最小离地间隙不得小于230 mm，举升后货箱最高点离地面距离不得超过3 000 mm。

压油缸选型手册取第一级油缸工作直径d1=120 mm，第二级油缸工作直径d2=80 mm。油缸与车架连接端采用铰接，与货箱端可由图12得出：直推式举升机构油缸最小安装距离为1 100 mm，油缸举升后距离为2 453 mm，油缸总行程1 353 mm，选择两级油缸，则单级行程为676.5 mm。

通过对O点分析力矩平衡得到油缸在零行程时，油缸受到货箱和货物的反力F为

(1)

对于直推式举升机构进行受力分析和计算时，需引入力矩比η，即当任意一节油缸套筒将要伸出时，举升机构提供的举升力矩与阻力矩之比。考虑到举升初始阶段各铰支点静摩擦力矩(即阻力矩)较大，为使液压系统工作平稳，避免发生过大的冲击，通常取η1=3～4，而最后一节油缸对应的ηn=1～2。本方案为两级油缸，这里取η1=4,η2=1.5。

单根油缸在第一节刚伸出时，油缸推力为

F1=η1KF=80 094.8 N

(2)

由于

(3)

则第一级油缸有效工作直径为

(4)

式中：d1—第一级油缸计算缸径，mm；p—液压系统举升压力，本系统p=10 MPa。同理可以计算得到第二级油缸有效工作缸径为d2=68.89 mm。因此，参照江苏恒立油缸进行选型。

4 矿区跑车试验效果及其改进

货箱矿区跑车试验中，首台货箱结构布置合理，各种工况都能满足要求，结构可靠。后续根据矿区续航里程的要求减少，对电池布局进行更改，由最初的6块电池减少为4块电池，根据总体布置，结合首台货箱的设计经验和要求，改进型车型设计系列长货箱和短货箱两种，共用同一种举升系统，具有互换性，如图13、14所示。货箱结构形式均采用高强度板的货箱本体+普通钢板加强筋。