低矮型铲板车曲柄式载荷提升机构的设计

刘志更

(1.中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司，山西 太原 030006；2.山西天地煤机装备有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

重型铲板式搬运车是一种实现煤矿井下大件物料整体搬运的无轨胶轮运输装备，吨位涵盖了20～100 t等不同级别，在现有的井工矿应用广泛。其克服了原来大型物料运输需要拆解、运输过程中频繁换装、井下安装费时费力、全程安全性差、效率低等诸多问题，实现了大型物料的点对点、不拆解、不转载的高效连续运输，为煤矿辅助运输生产准备做出了突出贡献[1]。

提升机构作为铲板载荷的执行机构，其结构强度应满足载荷搬运要求，且设计更要符合环境空间要求。众所周知，煤矿设备在满足功能要求的前提下，尺寸和体积越小越好，而通用的提升机构采用的是与装载机类似的形式，缺点是占用空间大，工作时提升机构容易遮挡驾驶员视线，不利于安全作业。本文着重研究一种矿用低矮型重载铲板式搬运车上的曲柄式载荷提升机构。

1 常用载荷提升机构形式

1.1 单一倾翻式结构

提升高度要求不高的铲板提升机构通常采用省略举升功能，仅具有倾翻功能就满足使用工况需求，这一类单一倾翻式结构常用于功能较为单一的铲运类装备[2]，通过铲板的翻转实现物料的装运和卸载，结构如图1所示。车体与提升座通过连接销连接，铲板的倾翻由倾翻油缸的伸缩来实现，该结构较为简单，以铲板水平为基准，铲尖的倾翻角度±15°以内，垂直活动距离为±500 mm。

1-铲板;2-倾翻油缸;3-提升座;4-机座连接销;5-车体。

1.2 举升倾翻配合式结构

跟地面装载机一样，对提升高度有要求的情况下，通常采用举升和倾翻配合动作的载荷提升机构[3]，结构如图2所示。铲叉插入铲板上的插槽将铲板固定，提升座上端与倾翻油缸连接，下端与大臂连接。倾翻油缸缸筒与车体连接，活塞杆与提升座连接，倾翻油缸的伸缩实现提升座和铲板的倾翻动作。举升油缸缸筒与车体连接，活塞杆与大臂连接，利用举升油缸的伸缩实现大臂的升降。以铲板水平为基准，铲尖的倾翻角度约为-15°～+30°以内，垂直活动距离为-400～+800 mm以内。

1-铲板;2-铲叉;3-提升座;4-倾翻油缸;5-大臂;6-举升油缸;7-车体。

2 曲柄式载荷提升机构设计

2.1 设计要求

载荷提升机构的主要设计要求：载重为30 000 kg(距离铲板根部500 mm);车身高度小于1 400 mm(驾驶室高度不计);离地间隙大于300 mm;铲板提升高度大于400 mm。

按照设计要求，可以布置的提升机构空间仅为1 100 mm，尺寸要求相当紧凑。

2.2 机构组成

对于车身高度有严格尺寸要求的铲板车，其提升机构尺寸要求越紧凑，车辆的适应性就越好。针对低矮性铲板式搬运车的设计要求，研究一种曲柄式载荷提升机构，如图3所示。

1-铲板；2-提升座；3-曲柄；4-车体；5-铲叉； 6-举升油缸；7-倾翻油缸。

该机构主要由1个铲板、2个铲叉、1个提升座、1个曲柄、2个举升油缸、2个倾翻油缸等零部件组成。铲叉插入铲板上的插槽将铲板固定，铲叉与提升座通过铰接点G连接。曲柄与车体通过铰接点A连接，与提升座通过铰接点B连接，与举升油缸通过铰接点C连接。曲柄绕铰接点A旋转，利用举升油缸的伸缩带动曲柄的旋转，实现铲板的降升动作。提升座绕铰接点B旋转，利用倾翻油缸的伸缩实现铲板的倾翻动作。该机构的本质是利用体积较小的曲柄替代了举升倾翻配合式结构中的大臂，节省了布置空间，更加适合于低矮性载荷提升机构的车辆。

2.3 设计计算

根据设计需求，建立曲柄式载荷提升机构的初步三维模型，重点计算举升油缸和倾翻油缸的作用力。

计算举升油缸的作用力F1时，围绕铰接点A达到力矩的平衡。

(1)

计算倾翻油缸的作用力F2时，围绕铰接点B达到力矩的平衡。

(2)

根据铲板的工作特点，确定铲板工作时铲和运的临界状态。铲装作业时，设计原则是铲板的铲尖需要低于地平面约100～150 mm；运输作业时，设计原则是铲板的表面与水平面的夹角以5°～10°为宜。按照两个临界状态的设计原则，利用三维模型软件模拟运行状态，从而确定两种油缸的设计行程。

根据计算出来的油缸力和模拟出的运行行程进行两种油缸的设计。

模型优化后的参数为：载重为30 000 kg(距离铲板根部500 mm);车身高度为1 380 mm(驾驶室高度不计);离地间隙为320 mm；铲板提升高度为440 mm。

综上所述，所有指标满足或优于设计要求。

3 关键件强度分析

所有计算完成后，根据计算结果进行提升机构各部件的详细设计，完善和修正三维模型。将提升机构与整机连接，利用动力学分析软件ADAMS进行整机重载运行模拟[4-5]，如图4所示。动力学仿真计算可以真实模拟路况和机身姿态，从运行结果中提取了各部件的动态载荷，还包含了惯性力等动态载荷，更加贴合实际运行状态，从而很大程度上提高了整机各部件受力的准确性。

图4 动力学分析

提升座主体由Q345材料焊接而成，根据提取到的动态载荷，对提升座进行了强度分析如图5所示，该处应力最大值为126 MPa，材料屈服极限为345 MPa，可以满足提升座的安全使用要求。

曲柄主体由Q345材料焊接而成，根据提取到的动态载荷，对曲柄进行了强度分析如图6所示，该处应力最大值为148 MPa，材料屈服极限为345 MPa，可以满足曲柄的安全使用要求。

曲柄式载荷提升机构设计完成后，整机在煤矿井下进行了工业性试验，既可以进行物料的安装调整作业，还可实现较大型物料的运输作业，举升和倾翻动作灵活，实现了30 t物料的铲、装、运要求，达到了设计的技术指标，总体运行良好。

图5 提升座受力分析

图6 曲柄受力分析

4 结论

该曲柄式载荷提升机构设计巧妙，结构紧凑合理，与井下多功能铲运车工作机构相比，不仅可以降低油缸等元部件的承载能力要求，还可以降低车辆工作时的空间高度要求。该结构为煤矿井下薄煤层重型铲板车提供了一种可行的载荷提升机构形式，具有很好的实际应用价值。