趙海興
(1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司,山西 太原 030006;2.山西天地煤機(jī)裝備有限公司,山西 太原 030006)
無(wú)軌輔助運(yùn)輸車(chē)輛(以下簡(jiǎn)稱(chēng)車(chē)輛)是大型煤礦安全生產(chǎn)必備的輔助運(yùn)輸裝備之一,用來(lái)完成人員、物料和采掘設(shè)備的搬運(yùn);隨著礦井開(kāi)采深度及范圍的擴(kuò)大,車(chē)輛配置數(shù)量越來(lái)越多,單車(chē)運(yùn)載能力逐漸增大,且使用頻率較高。由于煤礦井下巷道狹窄,坡度較大,因此運(yùn)輸物料或搬運(yùn)設(shè)備的車(chē)輛設(shè)計(jì)為前后車(chē)架鉸接型式,可降低整車(chē)外形尺寸和后翻自卸高度;車(chē)輛設(shè)計(jì)為四輪驅(qū)動(dòng)方式,可增強(qiáng)爬坡能力和提高爬坡運(yùn)行速度。
鉸接式運(yùn)輸車(chē)輛由防爆柴油機(jī)、液力變矩器、變速箱和帶濕式制動(dòng)器的雙驅(qū)動(dòng)橋共同驅(qū)駛前行,啟動(dòng)性能好、能隨負(fù)荷的大小自動(dòng)改變行駛速度。為了使整車(chē)在狹窄巷道中能前進(jìn)和倒退行駛,而且切換方便,采用定軸式動(dòng)力換擋變速箱,箱體內(nèi)所有齒輪都有固定的旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn),容易實(shí)現(xiàn)雙路動(dòng)力輸出且易改變輸出軸的旋轉(zhuǎn)方向。
定軸式動(dòng)力換擋變速箱的技術(shù)性能參數(shù)對(duì)鉸接式運(yùn)輸車(chē)輛總體結(jié)構(gòu)、外形尺寸和整車(chē)牽引特性影響較大,以下筆者將針對(duì)某型定軸式動(dòng)力換擋變速箱的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)計(jì)思路進(jìn)行研究和驗(yàn)證,為鉸接式運(yùn)輸車(chē)輛的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供保障。
鉸接式運(yùn)輸車(chē)以防爆柴油機(jī)為動(dòng)力,可雙向行駛,液力機(jī)械傳動(dòng)、四輪驅(qū)動(dòng),四點(diǎn)鋼板彈簧懸掛[1-3],主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 某型鉸接式運(yùn)輸車(chē)主要技術(shù)參數(shù)
車(chē)輛寬度為1980mm,高度為1990mm;駕駛室設(shè)計(jì)在車(chē)輛左前方,駕駛室內(nèi)寬為580mm;由此整車(chē)液力機(jī)械傳動(dòng)須設(shè)計(jì)為分體式變矩器和定軸式動(dòng)力換擋變速箱。傳動(dòng)系統(tǒng)如圖1所示。
圖1 某型鉸接式運(yùn)輸車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖
如圖1所示,變矩器通過(guò)上傳動(dòng)軸將動(dòng)力傳遞給定軸式動(dòng)力換擋變速箱,變速后通過(guò)傳動(dòng)軸傳遞給前、后驅(qū)動(dòng)橋。液力機(jī)械傳動(dòng)原理如圖2所示,防爆柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)液力變矩器泵輪,將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為工作油液的液壓能,使高速液流推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn),輸出動(dòng)力。變矩器變矩單元與動(dòng)力分動(dòng)箱結(jié)合在一起,動(dòng)力分動(dòng)箱驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)油循環(huán)泵和整車(chē)液壓油泵工作,循環(huán)油液通過(guò)冷卻器降溫后使溫度保持在90~110℃。
圖2 液力機(jī)械傳動(dòng)原理簡(jiǎn)圖
由表1可知,為了滿(mǎn)足整車(chē)最大質(zhì)量時(shí)爬坡能力和最大運(yùn)行速度要求,依據(jù)煤礦物料運(yùn)輸車(chē)輛的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),變速箱單方向檔位數(shù)不要超過(guò)3個(gè)。借鑒DANA公司定軸式動(dòng)力換擋變速箱的技術(shù)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),在同一軸線(xiàn)上布置斷開(kāi)的2根獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)的軸,通過(guò)離合器連接或分離,擴(kuò)大了檔位、速比和傳動(dòng)路徑的選擇[4],變速箱軸線(xiàn)少可使高度尺寸和寬度尺寸小,結(jié)構(gòu)緊湊,重量輕。當(dāng)所有離合器分離的情況下,變速箱內(nèi)能獨(dú)立旋轉(zhuǎn)的組件數(shù)為3;變速箱可以看作由前進(jìn)倒退單元與三速單元兩部分串聯(lián)組成,能實(shí)現(xiàn)的檔位數(shù)是2個(gè)單元檔位數(shù)的乘積2×3=6,即前進(jìn)和倒退各三個(gè)檔位。
由于煤礦井下巷道狹窄、工況復(fù)雜,車(chē)輛換向和換擋頻繁,變速箱一旦出現(xiàn)故障,將影響巷道內(nèi)其它車(chē)輛的正常運(yùn)轉(zhuǎn),因此在設(shè)計(jì)變速箱時(shí)需要對(duì)整車(chē)的運(yùn)行路面及工況精準(zhǔn)確定,具體見(jiàn)表2。
表2 運(yùn)行路面及工況
變速操縱閥內(nèi)置方向閥桿和檔位閥桿,方向閥桿位置從上到下分別對(duì)應(yīng)倒退檔、空檔和前進(jìn)檔;檔位閥桿位置從上向下依次為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ檔位,如圖3所示;兩閥桿通過(guò)閥芯中的定位鋼球和彈簧來(lái)限位,方向和檔位閥桿每檔的行程均為9.5mm,兩閥桿由雙聯(lián)軟軸用手直接操縱[5]。變速操縱閥設(shè)計(jì)為調(diào)壓型[6],其功能是限制最高操縱油壓,并使油壓平穩(wěn)上升,減少換擋沖擊。調(diào)壓閥的閥芯在封閉的閥體內(nèi)動(dòng)作,彈簧頂著閥芯,使溢流口處于關(guān)閉狀態(tài),當(dāng)油泵輸出的油從進(jìn)油口進(jìn)入閥體,油壓達(dá)到一定值時(shí),通過(guò)閥芯壓縮彈簧,打開(kāi)閥體上的溢流口,壓力油泄壓,從而保證系統(tǒng)壓力恒定。
圖3 變速操縱閥
3.2.1 中間檔位傳動(dòng)比確定
由表2可知,依據(jù)整車(chē)滿(mǎn)載爬14°坡時(shí)所需的牽引力來(lái)求得最大傳動(dòng)比;依據(jù)最高車(chē)速求出最小傳動(dòng)比。在柴油機(jī)和液力變矩器共同工作的輸出特性上,根據(jù)整車(chē)在中間檔位工作時(shí)液力變矩器在高效區(qū)內(nèi)工作來(lái)確定渦輪轉(zhuǎn)速的變化范圍[1500,2300],最大轉(zhuǎn)速與最小轉(zhuǎn)速的比值即為傳動(dòng)比的公比1.53,進(jìn)而求出各檔位傳動(dòng)比[7]。考慮到各檔利用率差別較大,整車(chē)Ⅱ檔和Ⅲ檔總利用率為85%,因此Ⅱ檔和Ⅲ檔之間傳動(dòng)比間隔應(yīng)比Ⅰ檔和Ⅱ檔相鄰兩檔間的傳動(dòng)比間隔更小些,適合長(zhǎng)距離、變坡度運(yùn)行;而且定軸式動(dòng)力換擋變速箱各檔位傳動(dòng)比的間隔越小,換擋越容易,離合器的總摩擦熱損失越小。由此,各檔位傳動(dòng)比并不是正好按等比級(jí)數(shù)來(lái)分配。
以上計(jì)算確定的傳動(dòng)比只是作為初步設(shè)計(jì)基礎(chǔ),最終還要根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)所選定的齒輪齒數(shù)加以修正。
3.2.2 齒輪齒數(shù)及各檔位傳動(dòng)比計(jì)算
各檔位傳動(dòng)比的分配要考慮參與傳動(dòng)的每一個(gè)齒輪圓周速度不能過(guò)高[8],齒輪圓周速度的增加會(huì)使軸承壽命縮短,產(chǎn)生的噪聲增大;同時(shí)為了降低空轉(zhuǎn)離合器主動(dòng)和從動(dòng)摩擦片間相對(duì)轉(zhuǎn)速,減小功率損失;因此齒輪齒數(shù)的確定要使各齒輪的最大圓周速度盡可能相近。各齒輪齒數(shù)如圖4所示。
圖4 動(dòng)力換擋變速箱齒輪嚙合示意圖
前進(jìn)和倒退各檔位傳動(dòng)比的計(jì)算如下:
前進(jìn)檔傳動(dòng)比分別為:
倒退檔傳動(dòng)比分別為:
3.2.3 齒輪模數(shù)的確定
前進(jìn)、倒退檔位齒輪模數(shù)的確定[8],主要按以下經(jīng)驗(yàn)公式:
式中,k=1。
輸出齒輪:
式中,k=0.7;Mmax為變矩器渦輪輸出最大扭矩,N·m,取710;i1為變速箱Ⅰ檔傳動(dòng)比,取4.22;η為變速箱的傳動(dòng)效率,η=0.9。
將表1的數(shù)據(jù)帶入以上兩式,實(shí)際選取齒輪模數(shù)時(shí)可略微減少,同時(shí)從制造的工藝性考慮變速箱內(nèi)各檔齒輪模數(shù)應(yīng)盡可能一致,初步選定齒輪模數(shù),然后按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)確定的變速箱傳動(dòng)齒輪模數(shù)為:齒輪1、2、3的模數(shù)為3.25mm;齒輪4、5的模數(shù)為2.5mm;齒輪6、7的模數(shù)為3.25mm;齒輪8、9、10的模數(shù)為4.25mm。
從車(chē)輛傳動(dòng)系統(tǒng)可知,要求傳動(dòng)軸工作角度均在許用范圍之內(nèi);在整車(chē)前懸和軸距一定的情況下,變速箱輸入和輸出中心距直接影響傳動(dòng)軸的工作角度。為了保證變速箱結(jié)構(gòu)的緊湊性,該變速箱采用斜齒輪傳動(dòng)方式,壓力角為20°,各齒輪的齒數(shù)如圖4,兩嚙合齒輪軸中心距:
A=0.5mn(za+zb)/cosβ
式中,mn為斜齒輪法面模數(shù);Za為主動(dòng)齒輪齒數(shù);Zb為被動(dòng)齒輪齒數(shù);β為斜齒輪分度圓上的螺旋角。
將齒輪的模數(shù)和齒數(shù)代入以上公式計(jì)算,確定變速箱輸入軸和輸出中心距為311mm。
3.4.1 倒退檔和Ⅱ檔離合器組件
該變速箱共有五個(gè)離合器組件,分別為前進(jìn)檔、Ⅰ檔、Ⅲ檔、倒退檔和Ⅱ檔離合器組件,在變速箱工作過(guò)程中,只允許一個(gè)方向和一個(gè)檔位共兩離合器同時(shí)結(jié)合。離合器外轂采用電子束焊工藝,既降低了機(jī)械加工難度,又可減小離合器組件的軸向尺寸。倒退檔和Ⅱ檔離合器組件如圖5所示,其結(jié)構(gòu)原理和設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下。
1—Ⅱ擋充油油道;2—倒退擋齒輪;3—擋板;4—卡環(huán);5—碟簧;6—碟簧隔套;7—活塞Ⅰ;8—倒退檔和Ⅱ檔離合器轂組件;9—復(fù)位彈簧;10—鋼片;11—摩擦片;12—彈簧座;13—卸油孔;14—鋼球;15—活塞Ⅱ;16—潤(rùn)滑小孔;17—潤(rùn)滑油道;18—倒退檔充油油道圖5 倒退檔和Ⅱ檔離合器組件
該離合器組件左側(cè)為倒退檔離合器組件,右側(cè)為Ⅱ檔離合器組件。離合器轂組件8帶有內(nèi)花鍵和活塞腔,活塞Ⅰ和活塞Ⅱ被置于腔中,活塞與腔之間設(shè)計(jì)有密封圈。在離合器轂的內(nèi)部,緊靠活塞的是一個(gè)帶外齒的鋼片,將鋼片與摩擦片交替放置,最外邊放置的是壓盤(pán)3,由內(nèi)彈性卡環(huán)4軸向限位。倒退檔齒輪外花鍵與摩擦片內(nèi)花鍵嚙合,只要離合器活塞不受壓,鋼片10和摩擦片11之間不傳遞轉(zhuǎn)矩,兩者自由轉(zhuǎn)動(dòng)。
若使離合器接合,變速操縱閥必須在預(yù)期位置,壓力油從操縱閥流出沿管路流向所選的離合器軸,經(jīng)過(guò)油道1和18進(jìn)入活塞空腔中,使活塞、鋼片10和摩擦片11壓緊在壓盤(pán)3上,使離合器轂和離合器軸鎖緊在一起傳動(dòng)[9]。離合器分離時(shí),充油道關(guān)閉,卸油道打開(kāi),高速旋轉(zhuǎn)的鋼球14產(chǎn)生的離心力力矩大于油液壓力產(chǎn)生的力矩,卸油孔自動(dòng)打開(kāi),部分油液直接從卸油孔快速排出。當(dāng)充油道再次開(kāi)啟,油壓上升,鋼球回位關(guān)閉卸油孔,離合器再次結(jié)合。
換擋離合器工作過(guò)程中,高速旋轉(zhuǎn)的軸承和摩擦片應(yīng)有充足的潤(rùn)滑和冷卻[10,11],為此在液壓系統(tǒng)中設(shè)有潤(rùn)滑小孔16和潤(rùn)滑油道17。為了使冷卻油液快速通過(guò)摩擦片,沿離合器外毅的周?chē)鶆蛟O(shè)計(jì)有幾個(gè)卸油小孔[12],可提高冷卻效果。
計(jì)算可知,倒退檔和Ⅱ檔離合器組件中的鋼片和摩擦片總分離間隙分別為2.9mm和2.2mm;摩擦片為紙基材料;兩離合器組件的工作油壓均為1.5MPa;充油油道的直徑為6mm;兩檔位的卸油量為0.5L/min。
3.4.2 其余檔位離合器組件
前進(jìn)檔、倒退檔、Ⅰ檔、Ⅱ檔和Ⅲ檔離合器的工作原理和結(jié)構(gòu)型式與倒退檔和Ⅱ檔離合器相似;各檔位離合器摩擦片尺寸及材料均相同,但由于Ⅰ檔、前進(jìn)檔和倒退檔離合器傳遞轉(zhuǎn)矩較大,因此三個(gè)離合器的摩擦副數(shù)量為15對(duì);而Ⅱ檔和Ⅲ檔離合器傳遞轉(zhuǎn)矩較小,摩擦副數(shù)量為11對(duì)。前進(jìn)檔和倒退檔離合器組件采用相同的碟形彈簧回位結(jié)構(gòu);Ⅰ檔、Ⅱ檔和Ⅲ檔離合器采用相同的圓柱螺旋彈簧回位結(jié)構(gòu),如圖5所示。
要得到1個(gè)檔位需要結(jié)合2個(gè)離合器,各檔位離合器的組合方式見(jiàn)表3;傳動(dòng)路線(xiàn)為3.2.2中每個(gè)檔位傳動(dòng)比計(jì)算代入齒輪的路線(xiàn),由傳動(dòng)路線(xiàn)可知前進(jìn)檔每個(gè)檔位參加傳動(dòng)齒輪的對(duì)數(shù)為2對(duì),嚙合效率高;倒退Ⅱ檔參加傳動(dòng)齒輪的對(duì)數(shù)為3對(duì),倒退Ⅰ檔和Ⅲ檔參加傳動(dòng)齒輪的對(duì)數(shù)為5對(duì),嚙合效率低。由表2可知整車(chē)前進(jìn)檔使用時(shí)間占比要多于倒退檔,前進(jìn)檔傳動(dòng)效率更高,因此變速箱各檔位離合器的設(shè)計(jì)布置合理。
表3 各檔位離合器組合方式
為了減輕換向操縱強(qiáng)度和提高前進(jìn)、倒退擋離合器的平均壽命,將換向離合器布置在轉(zhuǎn)速較高的輸入軸上,如圖6所示。變速箱的輸入軸與惰輪軸、倒退檔和Ⅱ檔離合器軸成為空間三角形布置,這三根軸上齒輪處于常嚙合狀態(tài)[13],通過(guò)接合前進(jìn)檔離合器和倒退檔離合器可使車(chē)輛前進(jìn)和倒退行駛。
圖6 動(dòng)力換擋變速箱傳動(dòng)原理簡(jiǎn)圖
借鑒進(jìn)口變速箱的技術(shù)[14]和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),該變速箱潤(rùn)滑油道設(shè)計(jì)在殼體內(nèi)部,不同于國(guó)內(nèi)工程機(jī)械用動(dòng)力換擋變速箱外置式潤(rùn)滑油道[15],其外形如圖7所示。變速箱箱體為薄壁型殼體,由一個(gè)輸入軸殼體、一個(gè)中間箱形殼體和后端蓋組成;輸入軸殼體上設(shè)計(jì)縱橫向加強(qiáng)筋板,用來(lái)提高局部剛度,安裝有變速操縱閥;中間箱形殼體的前端為半封閉結(jié)構(gòu),殼體外部左右兩側(cè)面嵌入式鑄造有8個(gè)螺栓孔用于將變速箱固定安裝在車(chē)架上,承受變速箱的自重和由于牽引所引起的力;殼體內(nèi)部有一個(gè)隔板,用來(lái)提高箱體的整體剛度,并支承各齒輪軸正常旋轉(zhuǎn);輸出軸由箱體、中間隔板和后端蓋支承。變速箱箱體既是外殼,又可當(dāng)作液壓油箱,各個(gè)離合器的動(dòng)力油全部來(lái)自箱體內(nèi),用于潤(rùn)滑軸承、齒輪和冷卻摩擦片后返回[8]。該箱體從設(shè)計(jì)上避免了操縱閥面、四軸主面和中間箱形殼體端面的變形,而且具有拆解快速和維修方便的特點(diǎn)。
圖7 動(dòng)力換擋變速箱外形圖
該動(dòng)力換擋變速箱齒輪小側(cè)隙嚙合,所以要重視制造工藝、齒輪強(qiáng)度設(shè)計(jì)、熱處理及電子束焊接技術(shù)。
將液力變矩器和動(dòng)力換擋變速箱組成液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)在試驗(yàn)控制臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試,試驗(yàn)臺(tái)主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、渦流測(cè)功機(jī)、傳動(dòng)油循環(huán)及冷卻系統(tǒng)組成;測(cè)試Ⅰ檔、Ⅱ檔和Ⅲ檔時(shí)動(dòng)力換擋變速箱的輸入轉(zhuǎn)速、輸入轉(zhuǎn)矩、輸入功率、輸出轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)矩、輸出功率和傳動(dòng)效率等參數(shù)。選取變矩器常用高效率區(qū)域?qū)?yīng)的轉(zhuǎn)速為設(shè)定輸入轉(zhuǎn)速,分別對(duì)變速箱在不同檔位下進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn),可為整車(chē)動(dòng)力匹配計(jì)算積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù),為動(dòng)力換擋變速箱的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供依據(jù)。變速箱Ⅰ檔測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。
Ⅱ檔和Ⅲ檔的試驗(yàn)方法同Ⅰ檔,測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為30min,變速箱傳動(dòng)效率范圍為96.3%~98.5%,傳動(dòng)油最高溫度為88.5℃。
變速箱輸入和輸出中心距為311mm,前后輸出法蘭端面距離為493mm,在保證傳動(dòng)軸的工作角度均小于7°的情況下,整車(chē)軸距設(shè)計(jì)為3450mm。鉸接轉(zhuǎn)向角為45°時(shí),轉(zhuǎn)彎半徑小于6500mm,全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)節(jié)能輕便,且中央鉸接處傳動(dòng)軸工作無(wú)別卡,可靠耐用;整車(chē)前懸及前車(chē)體高度尺寸小,駕駛視線(xiàn)好,更適應(yīng)煤礦井下巷道條件。
該變速箱裝車(chē)使用后出現(xiàn)問(wèn)題如下:離合器摩擦片和鋼片的平面度不夠,導(dǎo)致離合間隙過(guò)小,摩擦片磨損嚴(yán)重、燒結(jié);離合器轂組件電子束焊發(fā)生開(kāi)裂,導(dǎo)致壓力油泄漏,不能正常換擋和換向;變速箱活塞密封環(huán)處夾雜異物導(dǎo)致壓力油泄壓,離合器摩擦片和鋼片不能壓緊;焊渣和鐵屑堵塞了卸油閥,使摩擦片和鋼片分離不徹底,燒毀離合器。
表4 變速箱Ⅰ檔測(cè)試數(shù)據(jù)
在改進(jìn)了變速箱各零部件的制造及裝配工藝、加強(qiáng)了出廠(chǎng)檢驗(yàn)及測(cè)試、將摩擦片的材質(zhì)由紙基更改為銅基后,系列化研發(fā)的變速箱累計(jì)300余件使用在5t和8t鉸接式運(yùn)輸車(chē)上,兩種車(chē)型被批量應(yīng)用在陜西郭家河煤礦、霍州煤電木瓜煤礦和呂梁聯(lián)盛集團(tuán)寨崖底煤礦等;單臺(tái)最長(zhǎng)使用時(shí)間為12個(gè)月,平均維修周期為8個(gè)月;全壽命周期成本與進(jìn)口變速箱相當(dāng)。
1)變速箱輸入和輸出軸中心距較小,有利于整車(chē)液力機(jī)械傳動(dòng)及四輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì);可降低整車(chē)的高度尺寸,更適應(yīng)煤礦井下巷道條件。
2)變速箱前進(jìn)檔位傳動(dòng)路線(xiàn)設(shè)計(jì)合理,傳動(dòng)效率更高,保證整車(chē)在長(zhǎng)距離爬坡前行時(shí)速度快;換向和換擋離合器的結(jié)構(gòu)型式及摩擦副設(shè)計(jì)合理,能保證各種工況下動(dòng)力傳遞平穩(wěn)、無(wú)打滑現(xiàn)象。
3)系列化設(shè)計(jì)的變速箱應(yīng)用于載荷為5t和8t的鉸接式運(yùn)輸車(chē)輛,煤礦適應(yīng)性好,傳動(dòng)效率高,燃油消耗低;解決了無(wú)軌運(yùn)輸車(chē)輛關(guān)鍵元部件及核心技術(shù)長(zhǎng)期依賴(lài)進(jìn)口的卡脖子問(wèn)題,縮短了整車(chē)的研發(fā)周期。