李海軍，牟鵬昊

（神華準(zhǔn)能集團(tuán)公司設(shè)備維修中心，內(nèi)蒙古 準(zhǔn)格爾旗 010300）

礦用卡車電動輪翻轉(zhuǎn)架設(shè)計(jì)

李海軍，牟鵬昊

（神華準(zhǔn)能集團(tuán)公司設(shè)備維修中心，內(nèi)蒙古 準(zhǔn)格爾旗 010300）

神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司使用大量的電動輪自卸卡車進(jìn)行生產(chǎn)運(yùn)輸任務(wù)，因此用于運(yùn)行和周轉(zhuǎn)的電動輪數(shù)量很多，每年電動輪的檢修和維護(hù)數(shù)量十分龐大。檢修和維護(hù)過程中一個(gè)重要工序就是多次對電動輪進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，目前主要使用吊車和人力配合進(jìn)行該工序，這樣就造成檢修效率低下、檢修過程安全風(fēng)險(xiǎn)大。因此，根據(jù)維護(hù)檢修實(shí)際需要，針對電動輪需要旋轉(zhuǎn)角度和升降位置，并借鑒了汽車吊伸縮吊臂的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)制造一種電動輪翻轉(zhuǎn)架。該翻轉(zhuǎn)架具有承載性能可靠、扭矩輸出平穩(wěn)、翻轉(zhuǎn)及升降動作精準(zhǔn)、運(yùn)行噪音小、人員操作安全等特點(diǎn)。

電動輪自卸卡車；電動輪翻轉(zhuǎn)架；旋轉(zhuǎn)架立柱

目前國內(nèi)外許多大型露天礦均采用間斷型開采工藝，間斷型開采工藝主要由電動單斗挖掘機(jī)(電鏟)和大噸位卡車完成。一般情況下大噸位卡車是指載重在150～350噸之間的礦用電動輪自卸卡車，這類卡車在露天間斷型采礦中應(yīng)用非常廣泛，是一種露天采礦業(yè)的主流運(yùn)輸設(shè)備。因?yàn)殡妱虞喿孕犊ㄜ嚲邆溥\(yùn)輸裝載噸位大、卡車運(yùn)行效率高、實(shí)際運(yùn)輸成本低的優(yōu)點(diǎn)，神華準(zhǔn)能公司的露天煤礦也同樣采用了間斷型開采工藝，目前神華準(zhǔn)能公司兩個(gè)露天礦擁有各類型電動輪自卸卡車200臺。目前一臺卡車需要裝配2臺電動輪，每臺電動輪主要由電機(jī)和輪邊減速機(jī)構(gòu)成。電動輪作為自卸卡車的動力驅(qū)動單元，在卡車生產(chǎn)運(yùn)行及日常維護(hù)中占舉足輕重的地位。神華準(zhǔn)能公司維修中心每年大修理各類型號電動輪數(shù)量多達(dá)80件左右。由于電動輪結(jié)構(gòu)較其它類型減速機(jī)復(fù)雜，在維修時(shí)需要進(jìn)行6次徑向翻轉(zhuǎn)才能完成分解、裝配等各道檢修工序，由于電動輪自身質(zhì)量較大，僅僅利用檢修廠房內(nèi)的橋式起重機(jī)完成電動輪翻轉(zhuǎn)工作，不僅每次都存在很大安全風(fēng)險(xiǎn)，而且還嚴(yán)重影響工作效率。面對維修單位均采用這種既影響效率，也存在巨大安全隱患的起重機(jī)和人力協(xié)助完成電動輪翻轉(zhuǎn)工作的情況，為保證檢修人員和設(shè)備安全，提高工作效率，設(shè)計(jì)一款專用的電動輪輪邊減速機(jī)翻轉(zhuǎn)架，來安全、可靠地完成電動輪的維護(hù)檢修工作。

1 礦用卡車電動輪使用情況及其結(jié)構(gòu)介紹

1.1 各種電動輪的使用情況

目前神華準(zhǔn)能公司兩個(gè)露天礦采取使用7種型號的電動輪自卸卡車，這些卡車配備了GE776型電動路、GE788型電動輪、GEB25C4型電動輪、GDY106A8型電動輪、GEB25B4型電動輪、GEB25A2型電動輪以及W-25-55型電動輪，這些電動輪具備不同的質(zhì)量、不同的外形尺寸以及不同程度的投入運(yùn)行時(shí)間，目前電動輪保有總數(shù)為450臺。每年進(jìn)行大型修理總數(shù)約為150臺次，具體信息詳見表1準(zhǔn)能公司兩個(gè)露天礦各類型卡車和其配置的電動輪型號一覽表。

表1 各類型卡車和其配置的電動輪型號一覽表

由表1可以看出630E卡車、930E卡車、SF33900卡車、MT4400卡車、MT5500卡車的電動輪數(shù)量十分多，其中630E卡車、SF33900卡車、MT4400卡車、MT5500卡車投入使用時(shí)間較長，這些卡車使用年時(shí)間均達(dá)到10年以上，隨著使用時(shí)間的不斷延長這些卡車的電動輪維護(hù)量和故障率不斷增加，這就造成電動輪的修理和維護(hù)量逐年增加，為了應(yīng)對這種電動輪修理維護(hù)工作越來越緊張的情況，在場地、維修設(shè)備和維修人員不變的情況下，簡化維護(hù)維修程序，提高維護(hù)維修速度，增加維護(hù)維修效率就是一種有效的手段。

1.2 電動輪結(jié)構(gòu)簡介

以神華準(zhǔn)能公司目前最新型卡車，即裝載量在300噸級的930E卡車電動輪——GDY106 電動輪為例，闡述電動輪結(jié)構(gòu)構(gòu)及其拆裝的復(fù)雜性。GDY106 電動輪主要由主機(jī)架、驅(qū)動電機(jī)、行星輪減速器和濕式制動器四部分構(gòu)成，其減速器屬于多級行星齒輪減速傳動裝置。電動輪的功用是作為整臺電動輪自卸卡車的承載裝置和驅(qū)動裝置，是全車的核心總成件之一，其外部形狀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)都十分復(fù)雜，并且安裝位置在卡車的承重部分。主機(jī)架是裝配基準(zhǔn)和主要承載結(jié)構(gòu)件，裝配位置見圖1。兩級行星輪減速裝置套裝在主機(jī)架一側(cè)，見圖1右側(cè)部分，減速裝置外裝配有輪胎。電機(jī)裝配在主機(jī)架另一側(cè)，在卡車上裝配于后橋殼內(nèi)。主機(jī)架中部位置套裝有濕式制動器和輪轂。主機(jī)架裝配在卡車車架上，在卡車運(yùn)行時(shí)，電機(jī)動力通過花鍵軸傳輸給兩級行星輪減速裝置，由減速裝置傳輸給輪轂。電動輪最大直徑1850mm，長度為4320mm，總重量達(dá)25000kg。在拆卸、裝配零部件時(shí)，按照工藝要求需要對電動輪總成進(jìn)行翻轉(zhuǎn)和上下移動的動作，這樣在翻轉(zhuǎn)時(shí)會產(chǎn)生較大的偏心力矩，在這個(gè)偏心力的作用下，已發(fā)生傾覆或瞬間失控事故，在維護(hù)檢修過程中安全的保障成為一個(gè)困難點(diǎn)，同時(shí)上下運(yùn)動會形成懸空，檢修人員工作時(shí)需要架梯子開展，而且還需不斷地調(diào)整位置，這些都成為提高維護(hù)檢修速度和效率的不利因素。

鑒于以上因素，吊裝物體的吊點(diǎn)不在重心上方，產(chǎn)生的偏心力極易產(chǎn)生安全事故，以及其它方向的運(yùn)動都會極大地影響工作效率，使維護(hù)檢修時(shí)間存在極大的浪費(fèi)。故此，為保證人員安全，以及各種輔助設(shè)備的充分利用，按照電動輪現(xiàn)場檢修的各項(xiàng)工藝標(biāo)準(zhǔn)要求，提高電動輪維護(hù)檢修效率，縮短單臺電動輪維護(hù)檢修所用時(shí)間，必須設(shè)計(jì)制造一種實(shí)用可靠的電動輪翻轉(zhuǎn)架來滿足現(xiàn)階段和今后的維護(hù)檢修任務(wù)需求。

圖1 GDY106電動輪結(jié)構(gòu)圖

2 電動輪翻轉(zhuǎn)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電動輪翻轉(zhuǎn)架整體結(jié)構(gòu)共分為六個(gè)部分，第一部分是翻轉(zhuǎn)架鋼架結(jié)構(gòu)，也叫支撐座，負(fù)責(zé)整體質(zhì)量的支撐，以及保證實(shí)施各種規(guī)定動作時(shí)的穩(wěn)定工作；第二部分是傳動機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)動力的產(chǎn)生和傳輸，主要由電機(jī)、斜齒輪-蝸桿減速機(jī)構(gòu)成；第三部分是制動裝置；第四部分是液壓升降機(jī)構(gòu)，這部分內(nèi)置升降油缸鋼結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)立柱裝置；第五部分是電動控制部分；第六部分是運(yùn)行安全防護(hù)部分。以上這些部分的具體結(jié)構(gòu)見圖2。翻轉(zhuǎn)架支撐座由高強(qiáng)度鋼板焊接加工而成，通過高強(qiáng)度螺栓固定在砼基礎(chǔ)上，以保證運(yùn)行強(qiáng)度和安全性。齒輪主減速箱、電機(jī)、蝸輪蝸桿減速機(jī)及制動器等旋轉(zhuǎn)、傳動裝置及制動裝置固定在支撐座上。內(nèi)置升降油缸鋼結(jié)構(gòu)立柱通過支撐軸與齒輪減速機(jī)鋼性連接。在電動輪下方鋪設(shè)有可沿地面方向伸縮的安全防護(hù)板以及安全防護(hù)欄，安全防護(hù)板用作檢修人員站立平臺和防護(hù)平臺。

當(dāng)電動輪由行車放置到翻轉(zhuǎn)架時(shí)，由電動輪底部法蘭盤自身的孔與翻轉(zhuǎn)架用螺栓緊固，開始拆卸電動輪的外套及軸承。當(dāng)進(jìn)行電動輪翻轉(zhuǎn)作業(yè)時(shí)，翻轉(zhuǎn)架坑口上部的防護(hù)板平行外移，坑口打開用以減少電動輪的提升高度。立柱通過法蘭盤帶動電動輪翻轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)到適合維修人員維修的角度和位置時(shí)，可以停止翻轉(zhuǎn)，并由蝸輪蝸桿自鎖裝置和制動器將旋轉(zhuǎn)立柱鎖死，以保證人員安全。當(dāng)需要升降電動輪時(shí)，通過立柱內(nèi)置升降油缸的伸縮運(yùn)動，帶動立柱上升或下降，進(jìn)而帶動電動輪上升或下降。這樣，可以安全、快速、可靠地完成電動輪6次拆裝翻轉(zhuǎn)工作，既提高了工作效率，又保護(hù)了人員安全。

圖2

3 部分結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)計(jì)算及仿真

按照電動輪結(jié)構(gòu)，依據(jù)最大電動輪自重、翻轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的偏心力矩以及安全系數(shù)，初步計(jì)算出電動輪翻轉(zhuǎn)架設(shè)備額定承載重量為60000kg。整體設(shè)計(jì)通過詳細(xì)的計(jì)算和對所用材料用有限元力學(xué)的建模仿真分析，使整臺設(shè)備的設(shè)計(jì)既合理又科學(xué)。具體的計(jì)算和仿真分析如下所述。

3.1 主支撐軸結(jié)構(gòu)計(jì)算及力學(xué)分析

通過查閱設(shè)備手冊和現(xiàn)場測量，遵照電動輪拆裝工藝步驟，確定出最大型號電動輪翻轉(zhuǎn)時(shí)，其重心偏離翻轉(zhuǎn)架旋轉(zhuǎn)軸心的距離為1630mm，即轉(zhuǎn)動力臂L＞1630mm，考慮到拆裝人員站位以及極端運(yùn)行工況等因素，初步按照L=2000mm計(jì)算。轉(zhuǎn)動力臂應(yīng)承受力矩：

式中：Ml——動力臂自重旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的力矩；

Mm——旋轉(zhuǎn)時(shí)，電動輪重心距動力臂支點(diǎn)最大距離產(chǎn)生的偏心距；

M慣——電動輪和力臂旋轉(zhuǎn)式的慣性力矩。

由于翻轉(zhuǎn)架力臂旋轉(zhuǎn)為勻速、低速運(yùn)轉(zhuǎn)，所以M慣可視為0，考慮到設(shè)備運(yùn)行安全性，所以安全系數(shù)取值為2.4。最終確定轉(zhuǎn)動力臂承載扭矩為MZ=285kN·m。

初步選用主支撐軸軸徑材質(zhì)為45#鋼，按照扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算條件，計(jì)算得：

d≥3102MZ+αT2σ-1=256mm

通過計(jì)算得出結(jié)論，主支撐軸材質(zhì)為45#鋼，軸徑為φ256mm，可以滿足主支撐軸的扭矩，所以軸徑選為φ260mm。

3.2 主支撐軸承選型

按照主支撐軸的軸徑和使用壽命5000小時(shí)來選擇主支撐軸承。考慮到主要支撐徑向力＞300kN，軸向力相對較小。同時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)每主軸選用兩盤軸承支撐運(yùn)轉(zhuǎn)，一軸承支點(diǎn)為雙向固定，另一軸承支點(diǎn)為游動支撐。經(jīng)查閱手冊，初步選用6052深溝球軸承作為主支撐軸軸承，軸承動載荷：Cr=292kN×2=584kN靜載，Cor=372kN×2=744kN，完全可以滿足電動輪反轉(zhuǎn)架的翻轉(zhuǎn)運(yùn)行。

3.3 旋轉(zhuǎn)架立柱結(jié)構(gòu)、材質(zhì)選型及其力學(xué)分析

參照汽車吊箱形伸縮式吊臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了翻轉(zhuǎn)架立柱，箱形伸縮式吊臂結(jié)構(gòu)緊湊、空間剛度大、抗扭性能好，在汽車起重機(jī)應(yīng)用廣泛。同樣，翻轉(zhuǎn)架立柱也采用箱型結(jié)構(gòu)，其截面為矩形，箱體結(jié)構(gòu)內(nèi)裝有伸縮液壓缸。翻轉(zhuǎn)架立柱由兩節(jié)伸縮臂構(gòu)成，與吊車臂類似，每個(gè)外節(jié)段內(nèi)裝有支承內(nèi)節(jié)的滑塊支座，兩節(jié)臂之間可以相對滑動。兩節(jié)臂中部與主支撐軸通過法蘭盤剛性連接。吊臂根部裝有變幅液壓缸，可實(shí)現(xiàn)吊臂在變幅平面內(nèi)自由轉(zhuǎn)動，這樣設(shè)計(jì)就具有較好的靜動特性。

旋轉(zhuǎn)架立柱材料選用42CrMo，鋼板厚度δ=50mm，其抗拉強(qiáng)度σb＝1080MPa，屈服點(diǎn)σs=930MPa。在承受60000kg的工件時(shí)，其垂直方向的重力為600kN，通過計(jì)算和有限元力學(xué)分析，完全滿足工況需要。

3.4 減速機(jī)選型

斜齒輪—蝸桿減速機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比大，比渦輪蝸桿減速機(jī)效率高，相對于普通齒輪減速機(jī)還具有自鎖功能，該型號減速機(jī)是將斜齒輪傳動的一級減速和蝸輪蝸桿的兩級減速的性能集于一體。而且其傳動精度高，非常適用于電動輪翻轉(zhuǎn)架裝配使用。經(jīng)過篩選，選用西門子弗蘭德斜齒輪—蝸桿減速機(jī)(包含電機(jī)和變頻控制器)作為傳動裝置。

按照上述扭矩Mz=285kN·m，減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為0.5rad/s，可計(jì)算得減速機(jī)功率≥6.55kW。西門子弗蘭德斜齒輪—蝸桿系列減速機(jī)的功率最大可達(dá)到15kW，其輸出扭矩可達(dá)到1600Nm，輸出轉(zhuǎn)速在0.05～148rad/s。因此，經(jīng)論證選用西門子弗蘭德斜齒輪-蝸桿減速機(jī)作為傳動裝置。

4 結(jié)語

這些年來神華準(zhǔn)能公司一直采用吊車和人工配合的方法來完成電動輪維護(hù)修理過程中的電動輪翻轉(zhuǎn)工作，但是隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，各種大型礦用電動輪卡車不斷引進(jìn)，使的電動輪的保有量越來越大，隨著時(shí)間的推移電動輪的年維護(hù)維修數(shù)量也在不斷增加，同時(shí)由于廠房和人員的制約維護(hù)檢修的臺位無法增加，從事檢修的人員也得不到增加，最終使電動輪的維護(hù)檢修效率低下這個(gè)瓶頸凸顯。

與此同時(shí)采用這種吊車和人工配合的方法也存在安全隱患，要求人機(jī)配合十分到位，否則可能發(fā)生傾覆或失控問題。同時(shí)后期引進(jìn)的卡車電動輪都存在大型化問題，即電動輪質(zhì)量加大，體積加大，所以對這種老的維護(hù)檢修方法又提出了新的考驗(yàn)。為了防患于未然，徹底解決這個(gè)安全隱患，解決維護(hù)檢修中的新困難，提出翻轉(zhuǎn)架這個(gè)可靠解決方案。

根據(jù)本文項(xiàng)目設(shè)計(jì)制造的電動輪翻轉(zhuǎn)架，具有承載性能可靠，范圍大；扭矩輸出平穩(wěn)；翻轉(zhuǎn)及升降動作精準(zhǔn)；設(shè)備運(yùn)行噪聲??；人員操作安全等顯著特點(diǎn)。同時(shí)涵蓋廣泛，使各種電動輪均完全可以維護(hù)，如檢修表1中各型號電動輪。通過翻轉(zhuǎn)架地面位置的人員工作承載平臺，檢修人員可以360°旋轉(zhuǎn)電動輪，且通過制動器和斜齒輪-蝸桿減速機(jī)自鎖功能，停留在任意角度位置進(jìn)行檢修，電動輪翻轉(zhuǎn)架投入使用后維護(hù)檢修或大修理1臺電動輪時(shí)只需一次裝夾在翻轉(zhuǎn)架上即可以完成全部維護(hù)檢修工序。由2名檢修人員在2～3h內(nèi)就可以完成電動輪拆解工作，極大地提高了檢修效率和安全系數(shù)，大大降低了維修人員的勞動強(qiáng)度，成功避免了電動輪維護(hù)檢修過程中產(chǎn)生的安全風(fēng)險(xiǎn)，提高了電動輪的維護(hù)檢修效率，縮短了電動輪的維護(hù)檢修時(shí)間，使電動輪維護(hù)檢修工作可在人員和場地不變得情況下完成高額維護(hù)檢修任務(wù)。

[1]小松930E電動輪自卸卡車維修手冊.

[2]焦文瑞,孔慶華 .汽車起重機(jī)箱形伸縮式吊臂的有限元分析[J].工程機(jī)械，2007,9,38.

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：1671-0711（2017）12（下）-0124-03