梅山铁矿多功能运输车传动系统优化与应用

李兆猛

（南京梅山冶金发展有限公司矿业分公司）

多功能运输车是现代矿山建设的重要辅助运输设备。多功能运输车由动力系统、传动系统、工作系统、电气系统及其它辅助系统组成。传动系统由变速箱、传动轴、驱动桥组成，具有控制车辆在一定速度行驶的功能，关系到车辆的速度控制和车辆刹车性能，对行车安全具有重要意义［1］。梅山铁矿在国内率先使用多功能运输车，对多功能运输车的传动系统也进行了有益探索。梅山铁矿现有5台多功能运输车，承担矿山炸药、油料以及其它辅助材料的运输工作。

1 现状分析

随着梅山铁矿原矿产量的日益增加和采矿生产爆破分段水平的不断下移，梅山铁矿斜坡道运输距离由3.2 km延伸到5 km以上，大载质量长距离下坡对运输车辆的性能提出更大的考验，现有设备制动性能已不能满足矿山安全生产的要求。主要问题如下：

（1）多功能运输车使用112系列刚性行星驱动桥，使用螺旋锥齿可以提供大扭矩和高效率，制动形式为桥体制动器，此种车桥刹车方面的优点是使用较小的力矩就可以实现刹车制动，同时缺点也比较明显，刹车片数量较少，难以承受长距离、多频次的频繁刹车［2］。

（2）梅山铁矿部分路面为迎头碎石路，路况较为复杂，操作人员需要频繁制动，刹车制动时间较长，摩擦片温度升高较快，设备缺乏有效的桥内部冷却系统，造成摩擦片摩擦系数快速下降，刹车性能急剧下降。

（3）该型多功能运输车行车制动的液压系统采用供油刹车制动，停车制动使用断油刹车油缸和相应连杆机构推动刹车片进行制动，此种刹车形式存在刹车反应时间较长、紧急情况下安全性较差、故障率较高等缺点［3］。

2 传动系统改造及实施

针对梅山铁矿生产条件变化和车辆性能及运行中出现的问题，对传统系统的优化初步方案是使用承受更大动载和具有冷却功能的车桥、配套摆动架和液压系统。

2.1 驱动桥的选型

德国Kessler公司产的驱动桥使用弹簧制动，液压松闸制动器即油浸式湿式制动器。该制动器的制动毂布置在驱动桥两端，静摩擦片内花键与制动器外壳连接，动摩擦片交叉悬置于静摩擦片之间，通过外花键与轮毂相连，随轮毂一起转动。制动状态时没有压力油到达制动活塞，制动弹簧自由推动刹车活塞来压紧动静摩擦片，轮毂和制动器连为一体；行驶状态时压力油到达制动活塞，活塞压推动制动弹簧，动静摩擦片处于自由状态，轮毂和制动器外壳可以自由活动，车辆可以正常行驶。同时动静摩擦片由骨架封和背靠背密封形成空腔，允许冷却油流过摩擦片，将制动产生的热量带走，防止摩擦片温度升高，保证刹车性能的稳定性不变。这种制动方式安全可靠、使用寿命长、停车制动与行驶制动作用到一处，制动液压系统相对简单，反应也更加灵敏。

2.1.1驱动桥的型号的确定

112驱动桥的静承载能力是16 000 kg，多功能车空载质量为是7 500 kg，满载质量不超过12 500 kg，通过测量，空载时后桥载质量是2 700 kg，满载时后桥荷载是9 500 kg，外轮廓宽度是1 790 mm。通过载荷匹配，初步选择Kessler公司生产的D81系列驱动桥。此系列桥的外轮廓宽度为18 000 mm，静承能力为32 000 kg，完全满足车辆承载要求，相较于112系列驱动桥承载力更大，安全系数更高。

2.1.2减速比的确定

根据一级减速和轮边减速的传动比计算公式：

式中，i0为总传动比；i1为一级减速器的传动比，等于盘齿数目与锥齿数目的比值；i2为轮边减速器的传动比［4］。

通过查询112系列驱动桥的减速比i0=22.3，D81系列驱动桥减速比可选22.4，满足车辆传动需求。

2.1.3制动距离的核算

查询可知，D81系列驱动桥的制动力矩为17 600N·m，大于112系列驱动桥的制动力矩15 500 N·m，制动力矩满足需要。

井下车辆标准行车制动器制动距离m为

式中，v为车辆运行速度，km/h。

满载运行时速20 km/h时，计算制动器距离应小于10.29 m。使用D81系列驱动桥满载时速20 km/h时，经过测量制动距离是4.1 m，制动时间为1.5 s。因此，对比矿山无轨设备安全标准，使用D81驱动桥完全符合相关安全标准。

通过载荷核算、传动比核算、刹车安全距离核算，D81系列驱动桥完全符合使用要求，且通过对车桥输出接盘的加工，可以实现和车辆原有传动系统匹配［5-6］。

2.2 摆动架

选取D81系列驱动桥后，由于驱动桥固定安装尺寸不同，则需要重新设计加工前桥摆动架。重新设计摆动架，将原有摆动架割除，新摆动架安装如图1所示，将1、3连接板与前机架焊接为一体，摆动架2通过螺栓和驱动车桥5连为一体，摆架2通过销轴和铜套在连接板1、3之间可以有±10°的摆动。

2.3 刹车液压系统

D81驱动桥行车制动采取断油刹车的刹车模式，故刹车液压系统需要进行必要的设计优化。经过分析，需要对行车制动和冷却系统进行设计，设计原理如图2所示。

（1）行车制动。刹车压力油P来自于原有制动刹车冲压阀，压力油P来到脚刹阀1，正常工作时压力油通过脚刹阀到达前后桥，推动活塞推开弹簧，打开动静刹车片，驱动桥2、3的轮毂和刹车体可以自由转动，车辆可以正常行驶。需要行车制动时，踩下脚刹阀2，压力油P被截断，到驱动桥2、3的刹车油管脚刹阀1的T口相连，压力油返回液压油箱，制动弹簧压力进入自由状态，制动弹簧推动活塞压紧动静摩擦片，驱动桥2、3的轮毂和刹车体合为一体，车辆进入制动状态。

（2）冷却系统。冷却压力油P1来自于原车冲压阀的溢流回油，冷却油到达前后驱动桥2、3，对动静摩擦片冷却后由T口回到液压油箱。

3 工业化验证及改进

经过优化后的多功能车在梅山铁矿进行了工业化验证。长期运行后，故障率较低，安全性大幅度提升，满足矿山安全运行需要。但是也存在一定问题，主要表现为轮边密封经常漏油，经过分析测量发现，由冲压阀溢流出的冷却油P1流量不稳定，压力在0～4 MPa波动，造成桥内压力过高，超出轮边背靠背密封承受压力1 MPa。故对液压系统进一步改进，图3为改进后液压原理图，改进后液压系统安装齿轮泵2，溢流阀4和流量调节阀3，冷却液压系统的齿轮泵1由液压油箱吸取液压油，经过流量调节阀3和溢流阀4，形成压力和流量稳定的冷却压力油，来到驱动桥9对动静刹车片进行冷却后，经过单向阀和滤芯液压油回到液压油箱。

4 结 语

经过工业化验证及后续的改进，优化后的设备长期在梅山铁矿运行，多功能运输车满载在斜坡道长距离行驶安全性能满足需求，制动效果得到较大改善，故障率降低明显，车桥及刹车系统年平均故障维持在较低水平，极大地节约了运行成本，完全达到既定的优化效果。