108t矿用自卸车前悬挂修理与改进

唐开林，王 玉，罗 芸

（柳工（常州）矿山机械有限公司，江苏 常州 213168）

108t矿用自卸车是湘潭电机厂70年代自主研发的电传动矿用自卸车，曾在我国大型露天矿的运输设备中占有很大比重，如白云鄂博铁矿、伊敏河煤矿、霍林河煤矿等。油气悬挂是矿用自卸车的重要部件，有支承簧上质量、在车轮与车架之间传递牵引力和制动力及减震作用。由于具有非线性变刚度特性、非线性阻尼特性、承载能力强、重量轻、结构紧凑、可以有效的改善车辆的行驶稳定性、操作性和舒适性[1]，同时还具有降低侧倾角、能实现闭锁、多桥车实现载荷均匀分配等特点[2]。因此，对悬挂系统进行分析、改进，提高设备出动率，具有重要意义。

1 前悬挂构造

1.1 结构

如图1所示，前悬挂主要由端盖及芯杆总成（1）、活塞（2）、缸筒（9）、支承座（12）、密封件（13）、活塞杆（14）等组成，活塞通过螺栓固定在活塞杆上端，一起插入缸筒中，端盖及芯杆总成安装在缸筒上端，芯杆插入到活塞及活塞杆内，芯杆上装有减震垫，活塞下行时起阻尼作用，同时作为活塞向下运动的限位，支承座从缸筒下部装入，内有支承座导向套，主要是对活塞杆的径向支承及轴向导向作用。

图1 矿用自卸车前悬挂结构图1.端盖及芯杆总成；2.活塞；3.单向阀；4.活塞铜套；5.减震垫；6.垫板；7.键；8.螺母；9.缸筒；10.截流孔；11.支承座铜套；12.支承座；13.密封件；14.活塞杆。

1.2 工作原理

油气悬挂的液体是以油作为介质，气体是惰性气体，通常用氮气作为悬挂系统的弹性介质。悬挂内充满油气混合物，分隔成两个腔，活塞杆内部及活塞上部为一个腔（腔1），另一个腔为缸筒与活塞杆之间，活塞到支承座之间的空腔（腔2），车辆静止时，腔1与腔2内液体不发生流动。当受到冲击支承力增大时，悬挂长度压缩，腔1的体积减小，腔2的体积增大，液体冲开活塞杆上的单向阀（3），经节流孔及下部节流孔（10）流向腔2，起到减震作用；当受到冲击支承力减小时，悬挂长度伸长，腔1的体积增大，腔2的体积减小，腔2内液体向腔（1）流动，关闭单向阀（3），液体仅能从节流孔（10）流向腔1，起到减震作用，且产生的阻尼力较压缩时大[3]。前轮转向时，活塞杆随前轮一起旋转。并兼有阻尼减震和自动润滑特点作为大型矿用自卸车的承载部件。

2 常见故障模式

前悬挂常见的失效模式有：

（1）密封件失效，悬挂油从密封件处渗出。

前悬挂的密封件主要有：端盖及芯杆总成上充气阀及加油口处的密封；端盖及芯杆总成功能缸筒的密封；支承座与缸筒的密封；支承座与活塞杆的密封；活塞下端放油螺塞的密封，主要容易引起漏油的是支承座与活塞杆的密封，因为活塞杆的运动为沿活塞杆中心直线运动和绕活塞杆中心的旋转运动。

（2）支承座导向套及支承座磨损，引起漏油。

支承座起到对活塞杆的定位作用，承受行驶阻力及制动力，磨损后不及时更换会过渡压缩支承座与活塞杆之间的密封件，引起漏油。

（3）活塞导向套磨损，活塞杆摆动，引起支承座磨损，悬挂油沿活塞杆漏出。

此故障的出现通常也伴随支承座导向套的磨损，造成支承座与活塞杆之间的密封件失效，引起漏油。

（4）活塞杆磨损，损坏密封件，悬挂油沿活塞杆漏出。

活塞杆过渡磨损会导致密封件的压缩量不够，如果镀层损坏还会损坏支承座与活塞杆之间的密封件，引起漏油。

（5）缸筒内部磨损，造成活塞磨损。

缸筒内部与活塞是一对工作面，任何一件磨损都会引起另外一件的磨损加剧，引起活塞杆晃动，引起支承座与活塞杆之间的密封失效。

（6）缓冲垫损坏，无缓冲作用。

缓冲垫损坏后掉落，悬挂不能正常工作，冲击更大，损坏缸筒内表面。

（7）缓冲垫固定螺母掉落。

缓冲垫一起掉入活塞杆中，无缓冲作用，冲击更大，损坏缸筒内表面。

（8）端盖及芯杆总成固定螺栓断裂.

螺栓断裂俗称“顶盖”，端盖从上部脱出，油气瞬间压出，转向节与支承座下端面接触，车辆倾斜，可能对驾驶员造成伤害。

（9）活塞杆断裂。

活塞杆断裂为重大事故，行驶时前轮直接飞出，断裂侧车头扎入地面，驾驶员不同程度受伤，同时飞出的车轮可能对附近的人员造成伤害，也可能损坏其它设施。

3 改进及修理方案

3.1 设计改进

3.1.1 导向套材料改进

原悬挂活塞及支承座的导向套材料用的是380轴承酚醛布管，加工困难，尺寸精度不易保证，耐磨性能欠佳。随着耐磨材料的发展，特殊黄铜应用广泛，具有很高的力学性能，铸造性能良好，耐蚀性较好，适合用作导向套。

3.1.2 支承座导向套加长

前轮的行驶阻力会通过前悬挂传递到车架上，下支承座导向套承受径向压力大，要减小应力，只能增大受力面积，而受结构限制，活塞杆的直径不能加大，只能增加长度。接触面积加大，有效降低单位面积的压力，提高使用寿命。

3.1.3 芯杆上缓冲垫固定螺母防松结构

原设计悬挂芯杆上缓冲垫固定螺母为开槽螺母加开口销的结构，在实际使用中出现松脱，很难发现，最终活塞与活塞杆分离，损坏缸筒，前轮歪斜。改进后采用如图1所示结构，垫板（6）通过键（7）安装在芯杆上，螺母（8）安装在芯杆上，同时螺母上有6个螺栓与垫板（6）连接，通过键（7）限制螺母（8）的松动。

3.2 修理方案及主要步骤

经过对损坏部件的检查及分析，主要对端盖及芯杆总成、活塞、缸筒、活塞杆进行修理，支承座新制，其它部件无修复价值。因公司有前悬挂制造的详细工艺，修理过程不再作详细论述。

3.2.1 缸筒

缸筒的材料为30CrMoA，缸筒的直径不大，经对损坏的缸筒进行检查，发现缺陷主要出现在中部，不能进行焊接修复，缸筒内径尺寸为φ320H7，经过对一批内壁有损伤的缸筒进行检测，损伤深度小于1.2mm，在强度允许的范围内，采用加大缸筒内径尺寸的方法来修复。经查O形密封圈标准，最终确定缸筒的内径尺寸为φ322.5H7。

主要修理步骤：

清理→探伤检查→半精镗→精镗

3.2.2 端盖及芯杆总成

因缸筒直径加大，端盖及芯杆总成插入缸筒的部分直径同样需要增加，采用常用堆焊的方法来完成，最终的直径尺寸为φ330mm。芯杆的下端增加键槽。

主要修理步骤：清理→预热→焊接→保温→粗车→精车→探伤检查→铣键槽

3.2.3 活塞杆

镀层全部去除，重新电镀后加工到标准尺寸。

主要修理步骤：清理→探伤检查→磨外圆→电镀→磨外圆

3.2.4 活塞

活塞由原来的胶木套改为特殊黄铜套结构，缸筒尺寸加大，活塞外径需同样增加。

主要修理步骤：清理→活塞外圆加工→铸造铜套→铜套加工→铜套热套入活塞→总成加工

4 缸筒强度校核

前悬挂主要承受三种力，垂直于地面的支承力、与行驶方向相反的制动摩擦力、车辆转向时克服的轮胎与地面的摩擦阻力。考虑到车辆超载10%，整车悬挂系统支承重量为190t，分配到单个前悬挂的重量为31.7t。主销的后倾角为0.5度，对悬挂缸筒的影响小，计算时不考虑。承载力按5倍的冲击计算，此时悬挂位于最大长度，实际上受力最大时应该比平时工作时长度要短，此处按最恶劣情况分析。

行驶时，前轮传递轮胎的滚动阻力，制动时传递的由于地面摩擦产生的地面附着力，远大于滚动阻力，按制动极限情况来考虑，取摩擦系数为0.6。

阻力为：F1=31.7×1000×9.8×0.6=186396（N）

承载力为：F2=31.7 × 1000×9.8 ×5=1553300（N）。

转向动力缸缸径为125mm，活塞杆径为65mm，系统最高压力为17.5（MPa）。

无杆腔的面积为：π×(125/2)2=12265.6mm2。

有杆腔的面积为：π×[(125/2)2-(65/2)2]= 8949mm2。

转向推力：F3=17.5×(12265.6+8949)/2=185623（N）。

图2 前悬挂装置建模图

对前悬挂装置进行建模并用Ansys软件进行分析，应力结果如上图。从图中可以看出，最大应力为503MPa，出现在活塞杆下部位置，缸筒内部的应力＜300MPa，由GB/T 3077-2015查得30CrMoA的抗拉强度≥930MPa，屈服强度≥735MPa，完全满足设计要求。因此加大缸筒内径的修理方法不影响缸筒的正常使用，方案可行。

5 结论

以前服务的公司承包了24台108t矿用自卸车的维修（含备件采购），通过对前悬挂原结构的活塞、支承座导向套、芯杆下端防松螺母的设计改进，并对已损坏的悬挂进行再修理改进，经对运行台帐进行统计，悬挂使用寿命使寿命延长了29%。前悬挂端盖及芯杆总成、活塞、缸筒、活塞杆占前悬挂总成本的80%。悬挂总成的价格约8.6万元，公司共承包了五年维修，前悬挂的改进及维修，为公司带来了良好的效益。