王治偉

(中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

無軌輔助運(yùn)輸車輛具有機(jī)動(dòng)靈活、運(yùn)行速度快、物料裝卸方便，可遠(yuǎn)距離連續(xù)運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn)，作為煤礦輔助運(yùn)輸設(shè)備以安全性高、用工少、效率高、運(yùn)行成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。目前無軌輔運(yùn)車輛產(chǎn)品已全面服務(wù)于煤礦生產(chǎn)作業(yè)的各個(gè)方面，包括煤礦井下人員、生產(chǎn)物料的運(yùn)輸，綜采設(shè)備的轉(zhuǎn)載搬運(yùn)，巷道工程作業(yè)等，其產(chǎn)品種類不同、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)各異[1-3]。

另一方面，我國煤炭賦存分布范圍廣，不同地區(qū)的礦井由于開拓方式、巷道斷面條件、產(chǎn)品使用習(xí)慣等差異，對(duì)無軌輔助運(yùn)輸車輛的結(jié)構(gòu)形式，功能構(gòu)造都有著不同的個(gè)性需求，從而導(dǎo)致定制化產(chǎn)品不斷增加[4]。

模塊化設(shè)計(jì)是降低產(chǎn)品制造成本，縮短研發(fā)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，解決用戶多種定制化需求，減少產(chǎn)品零部件種類的一種有效的途徑，對(duì)于復(fù)雜的自行式機(jī)械產(chǎn)品尤其適用。

2015年國家標(biāo)委會(huì)發(fā)布國家標(biāo)準(zhǔn)《機(jī)械產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 31982—2015)，以此引導(dǎo)推廣機(jī)械類產(chǎn)品進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。無軌輔助運(yùn)輸裝備屬于復(fù)雜的機(jī)電液集成產(chǎn)品，推廣應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)理念，來解決因需求差異帶來的產(chǎn)品種類多，零部件集聚增加的問題是行之有效的方法[5]。

1 無軌輔運(yùn)車輛分類及模塊化設(shè)計(jì)構(gòu)想

無軌輔運(yùn)車輛是在煤礦井下運(yùn)行的自行式無軌膠輪車輛，按結(jié)構(gòu)形式可分為鉸接式車輛和整體式車輛(如圖1所示)。鉸接式車輛，前、后車架鉸接，采用液壓油缸折腰轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)彎半徑小，巷道適應(yīng)性好；整體式車輛為整體結(jié)構(gòu)的底盤，可采用偏轉(zhuǎn)前輪轉(zhuǎn)向或原地滑移轉(zhuǎn)向。

圖1 鉸接式結(jié)構(gòu)車輛和整體式底盤車輛

井下無軌運(yùn)輸設(shè)備采用的動(dòng)力源也不同，主要有礦用防爆柴油機(jī)車輛和礦用防爆蓄電池車輛兩大類。防爆柴油機(jī)裝機(jī)功率最小的僅為40kW，最大可達(dá)300kW。

無軌輔運(yùn)車輛的傳動(dòng)方式也各有不同，機(jī)械傳動(dòng)、液力機(jī)械傳動(dòng)、靜液壓傳動(dòng)等傳動(dòng)方式都能見到。傳動(dòng)方式不同，傳動(dòng)系統(tǒng)組成和結(jié)構(gòu)差異也很大。液力機(jī)械傳動(dòng)和靜液壓傳動(dòng)的傳動(dòng)路線示意圖如圖2所示，液力機(jī)械傳動(dòng)路線一般為動(dòng)力源→液力變矩器→動(dòng)力換擋變速箱→傳動(dòng)軸→前、后驅(qū)動(dòng)橋；靜液壓車輛傳動(dòng)路線一般為動(dòng)力源→液壓泵→液壓馬達(dá)→減速器→車輪。

圖2 液力機(jī)械傳動(dòng)和靜液壓傳動(dòng)

無軌輔運(yùn)車輛的用途也不盡相同，有運(yùn)人車、運(yùn)料車、防爆鏟運(yùn)機(jī)、支架搬運(yùn)車以及特殊用途類車輛等，設(shè)備用途不同，其工作機(jī)構(gòu)也就完全不同。此外車輛的載重能力差別更大，從0.5t的輕型皮卡車到100噸級(jí)的重型支架搬運(yùn)車都可在煤礦井下看到，由此帶來的產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路也就完成不同。

從上面所列出的各種輔運(yùn)車輛產(chǎn)品可以看出，其在載重能力、結(jié)構(gòu)特征和性能參數(shù)的差別非常巨大，造成產(chǎn)品規(guī)格系列繁多。此外，即便是同一規(guī)格的車型產(chǎn)品因需求不同也產(chǎn)生出很多衍生車型。以載重5t的材料運(yùn)輸車來說，在結(jié)構(gòu)形式上有整體式，也有鉸接式；驅(qū)動(dòng)方式有四輪前驅(qū)、四輪后驅(qū)和四輪全驅(qū)；工作裝置上分為后翻自卸式、平推自卸式；配置上還有吊裝車型、運(yùn)管車型。載重5t的鉸接式帶吊機(jī)材料運(yùn)輸車如圖3所示。

圖3 載重5t的鉸接式帶吊機(jī)材料運(yùn)輸車

如此繁雜的產(chǎn)品種類，設(shè)想在較大范圍實(shí)現(xiàn)全系產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)是異常困難的，切實(shí)可行的做法是：在相近的產(chǎn)品系列中規(guī)劃若干產(chǎn)品平臺(tái)，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行針對(duì)性的模塊化設(shè)計(jì)[6-8]。

2 無軌輔運(yùn)車輛模塊化設(shè)計(jì)思路

根據(jù)無軌輔運(yùn)車輛產(chǎn)品特點(diǎn)，無軌輔運(yùn)車輛模塊化設(shè)計(jì)的總體思路是：

1)整車平臺(tái)劃分。綜合考量整機(jī)產(chǎn)品的用途、結(jié)構(gòu)形式、載重噸位、發(fā)動(dòng)機(jī)功率范圍、驅(qū)動(dòng)方式等因素，總體劃分出若干產(chǎn)品平臺(tái)，將性能特點(diǎn)和技術(shù)參數(shù)相近的整車產(chǎn)品劃分為一個(gè)平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行產(chǎn)品衍生車型的開發(fā)。

2)分系統(tǒng)模塊化。根據(jù)各平臺(tái)整車產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和系統(tǒng)組成，進(jìn)行各系統(tǒng)的功能模塊組合、配置選型。

3)各機(jī)構(gòu)裝置模塊化?；诟飨到y(tǒng)模塊下的各個(gè)組成結(jié)構(gòu)裝置的功能相似性、結(jié)構(gòu)通用化原則，建立各獨(dú)立功能子模塊。

4)零部件通用化?；诮Y(jié)構(gòu)模塊化、接口標(biāo)準(zhǔn)化、尺寸通用化，進(jìn)行零部件的設(shè)計(jì)。

模塊化設(shè)計(jì)分解的總體原則是：先整體后局部，先主要后次要，先劃分對(duì)整車功能有重大意義的核心模塊，再在核心模塊之下劃分若干功能模塊，以此類推。此外，對(duì)于一些無法做到通用的非標(biāo)準(zhǔn)模塊也應(yīng)優(yōu)化，使非標(biāo)零件的安裝盡量后延，從而使得元部件組裝過程的前期為標(biāo)準(zhǔn)化過程，后期再為非標(biāo)部分，如圖4所示。

圖4 非標(biāo)準(zhǔn)模塊的非標(biāo)零件后延安裝示意圖

面對(duì)浩瀚雜亂的整車零部件系統(tǒng)，需要有規(guī)劃、有步驟的逐步實(shí)施模塊化設(shè)計(jì)工作，通過不斷優(yōu)化改進(jìn)最終實(shí)現(xiàn)全面模塊化設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3 無軌輔運(yùn)車輛模塊化設(shè)計(jì)方法

輔運(yùn)車輛由車身底盤、動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、工作機(jī)構(gòu)、車身底盤、駕駛操縱裝置、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等系統(tǒng)構(gòu)成，整車可規(guī)劃為四級(jí)模塊：產(chǎn)品平臺(tái)為A0級(jí)、系統(tǒng)模塊為A級(jí)、功能模塊為B級(jí)、功能子模塊或結(jié)構(gòu)模塊為C級(jí)，各級(jí)模塊再根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行逐層分解，見表1。

表1 輔運(yùn)車輛產(chǎn)品頂層模塊規(guī)劃

4 無軌輔運(yùn)車輛模塊化設(shè)計(jì)應(yīng)用舉例—順槽車

防爆無軌膠輪順槽運(yùn)輸車主要用于礦井綜采工作面巷道生產(chǎn)物料、小型設(shè)備及人員的運(yùn)輸。該車以防爆柴油機(jī)為動(dòng)力，采用靜液壓+機(jī)械式傳動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)6×6全輪驅(qū)動(dòng)，車架為整體剛性焊接式車架。為適應(yīng)綜采工作面巷道斷面寬度狹小，缺少調(diào)頭硐室的巷道條件，該車設(shè)計(jì)了前后獨(dú)立駕駛室，可實(shí)現(xiàn)雙向駕駛，同時(shí)采用全液壓操控，可實(shí)原地現(xiàn)滑移轉(zhuǎn)向，車輛具有車體窄小、靈活方便、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，如圖5所示。

由于不同礦區(qū)巷道條件、作業(yè)特點(diǎn)和礦工駕駛習(xí)慣等差異，不同用戶對(duì)該產(chǎn)品提出了不同需求。目前該產(chǎn)品已有五款定制化車型，見表2。

該產(chǎn)品在設(shè)計(jì)之初未考慮模塊化設(shè)計(jì)，導(dǎo)致各細(xì)分車型車身底盤不通用，各配套功能系統(tǒng)之間都有差異，產(chǎn)品元部件數(shù)量多，給企業(yè)生產(chǎn)組織帶來很大影響。

圖5 順槽運(yùn)輸車

細(xì)分車型車型特征標(biāo)準(zhǔn)型長4.8m,寬1.6m罐籠車型長4.4m,寬1.6m單駕駛室雙向駕駛長4.8m,寬1.6m窄型車長5.1m,寬1.4m人員運(yùn)輸車外形尺寸同標(biāo)準(zhǔn)型,貨箱改客廂

4.1 順槽車功能模塊分析和車身模塊劃分

4.1.1 功能分析

順槽車各細(xì)分車型的差異主要體現(xiàn)在外形尺寸、駕駛室布置、承載結(jié)構(gòu)等方面；而發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等配套功能系統(tǒng)基本是相同的。因此，模塊化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)首先是把車身底盤結(jié)構(gòu)模塊化。

4.1.2 車體模塊化

根據(jù)該車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將車身分為主駕駛單元模塊、副駕駛操縱模塊、底盤模塊、車廂模塊。如此模塊化設(shè)計(jì)后，罐籠車型直接去掉副駕駛操縱模塊即可；單駕駛室雙向駕駛車型需將主駕駛單元模塊設(shè)計(jì)為前后雙向駕駛形式；人員運(yùn)輸車將貨箱改為客廂即可實(shí)現(xiàn)；窄型車因外形尺寸變化、軸距變化，車體不能與其它車型通用。具體模塊劃分見表3。

表3 順槽車車體模塊劃分

4.2 順槽車整車模塊劃分

根據(jù)上述平臺(tái)車體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及模塊劃分要點(diǎn)，該車產(chǎn)品可劃分為車體、動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)9個(gè)A級(jí)模塊，如圖6所示。

圖6 順槽車平臺(tái)產(chǎn)品模塊規(guī)劃圖

每個(gè)A級(jí)模塊再根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)劃分若干二級(jí)子模塊(例如車體模塊劃分為4個(gè)二級(jí)子模塊)；二級(jí)子模塊再劃分出若干子模塊，順槽車產(chǎn)品模塊劃分結(jié)構(gòu)樹圖如7所示。

圖7 順槽運(yùn)輸車產(chǎn)品模塊劃分結(jié)構(gòu)樹

5 車輛模塊連接方式及安裝接口通用化設(shè)計(jì)

無軌運(yùn)輸車輛各模塊和子模塊之間通常采用銷軸、螺栓、法蘭、接頭及焊接等方式連接，為提高各模塊的通用性，必須對(duì)模塊之間的連接方式和安裝接口進(jìn)行通用化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

接口通用化設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下幾方面問題：

1)車體和大部件連接。車體和大部件通常采用焊接、法蘭螺栓或銷軸連接方式。為提高通用性，焊接連接要統(tǒng)一接口部位尺寸，優(yōu)化焊接接口形式；連接法蘭應(yīng)注意不同連接處法蘭螺栓規(guī)格形式要盡量統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，制定產(chǎn)品系列的螺栓連接標(biāo)準(zhǔn)庫，統(tǒng)一調(diào)用選?。讳N軸連接尺寸和形式應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化，制定銷軸材料優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)銷軸直徑系列和結(jié)構(gòu)形式編制銷軸類庫，并統(tǒng)一命名規(guī)則。

2)元部件安裝接口。根據(jù)元部件種類和接口形式，建立分類庫，盡可能優(yōu)選通用化零部件。例如液壓閥組、油缸、各類箱體等元件，應(yīng)著力編制相應(yīng)的優(yōu)選零件庫，同時(shí)集成設(shè)計(jì)零部件的安裝底座，以適應(yīng)多個(gè)元件的安裝需求。

3)連接部膠管接頭。無軌車輛通常液壓氣動(dòng)系統(tǒng)較為復(fù)雜，應(yīng)最大范圍減少膠管接口種類，提高模塊化程度，特別是模塊接口部位的液壓膠管?？刹捎每觳褰宇^連接工藝，同時(shí)通過增加過液閥塊、隔壁接頭，增設(shè)管路連接標(biāo)識(shí)等措施(如圖8所示)，改進(jìn)液壓元件接口位置降低由管路擁擠、操作空間不足等造成的裝配難度，提高模塊組裝效率。

圖8 車輛鉸接連接部管路優(yōu)化

6 結(jié) 語

產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)能夠在有效控制生產(chǎn)成本，壓縮元部件種類和數(shù)量，提高產(chǎn)品質(zhì)量，以此為基礎(chǔ)可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的多樣化，滿足不同用戶的定制需求。因此成為實(shí)現(xiàn)批量定制和敏捷制造的主要方法。本文對(duì)無軌輔助運(yùn)輸車輛產(chǎn)品的模塊化進(jìn)行了初步探索，后續(xù)在煤機(jī)產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)應(yīng)用方面還需深入研究推廣。產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)必須科學(xué)合理地規(guī)劃，大力推進(jìn)產(chǎn)品模塊庫的建立，進(jìn)而完成車體子模塊的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化設(shè)計(jì)。無軌運(yùn)輸車輛產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)具有十分重要的示范意義，將極大提高煤機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造效率，控制企業(yè)成本，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭力。