劉 威 趙金元 鄧顯俊

（1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司；2.中鋼集團(tuán)衡陽機(jī)械有限公司）

標(biāo)準(zhǔn)斗容4 m3地下裝載機(jī)是大中型地下礦山無軌采礦作業(yè)的主要鏟裝、運(yùn)輸裝備之一。隨著國家對地下礦山安全生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)和職業(yè)健康法律法規(guī)不斷完善，地下礦山企業(yè)對地下裝載機(jī)的性能要求也愈來愈高，這也促使制造企業(yè)要緊跟用戶需求，及時掌握相關(guān)技術(shù)發(fā)展動態(tài)，不斷了解國外地下裝載機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀與動向，學(xué)習(xí)國外先進(jìn)技術(shù)，研制出具有競爭力、符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的新產(chǎn)品，滿足用戶要求［1-3］。WJ4i 地下裝載機(jī)（圖1）正是中鋼集團(tuán)衡陽機(jī)械有限公司在WJ4 地下裝載機(jī)基礎(chǔ)上，系統(tǒng)集成先進(jìn)發(fā)動機(jī)技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)和自動控制技術(shù)，對液壓系統(tǒng)、工作機(jī)構(gòu)、鏟斗進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，研制成功的全新一代標(biāo)準(zhǔn)斗容4 m3地下柴油機(jī)驅(qū)動裝載機(jī)，可滿足大中型非煤地下礦山無軌采礦作業(yè)要求。

1 新型WJ4i地下裝載機(jī)技術(shù)參數(shù)與新配置

近幾年隨著發(fā)動機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和液壓技術(shù)快速發(fā)展，地下裝載機(jī)的技術(shù)性能也不斷地提高。WJ4i 地下裝載機(jī)系統(tǒng)集成了國內(nèi)外新技術(shù)，技術(shù)水平達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平，其技術(shù)參數(shù)和配置見表1。

注：Posi-Stop―Dana 公司彈簧施壓，液壓松開全封閉多盤濕式制動器；No-Spin—防滑自鎖差速器；Psin-torq—防滑差速器，又叫有限打滑差速器；RRC—視距遙控控制。

1.1 發(fā)動機(jī)

WJ4i地下裝載機(jī)采用達(dá)到歐III排放標(biāo)準(zhǔn)的康明斯QSL9 C300電子控制發(fā)動機(jī)，滿足國家對非煤地下礦山安全生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)和節(jié)能減排要求，它具有以下特點及優(yōu)勢。

（1）全電控功能保證滿足歐III排放標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化發(fā)動機(jī)操作性能，提高功率，增加扭矩。

（2）更堅固的缸體和缸蓋降低噪音和振動。集成的油水管路，取代了軟管，消除了滲漏隱患。

（3）高壓共軌燃油系統(tǒng)允許多次噴射，更清潔，噪音更低，在所有轉(zhuǎn)速條件下的性能更穩(wěn)定，同時改進(jìn)了寒冷氣候下的起動功能。

（4）帶廢氣旁通閥的渦輪增壓器輸出最大功率和扭矩。

（5）中止式缸套減少穴蝕現(xiàn)象，提高可修復(fù)性。

1.2 電子自動換檔變速箱

WJ4i 地下裝載機(jī)采用的是DANA 公司電子自動換檔變速箱，它具有以下的主要優(yōu)點：①可減少司機(jī)疲勞；②可減少誤操作；③可減少設(shè)備磨損，延長機(jī)器壽命；④可降低對司機(jī)的訓(xùn)練要求；⑤可提高設(shè)備的性能與效率；⑥集成顯示；⑦利用CAN 與現(xiàn)有車輛網(wǎng)絡(luò)集成；⑧機(jī)內(nèi)檢查故障工具。電子自動換檔將是地下裝載機(jī)的發(fā)展方向之一。

1.3 采用DANA新型驅(qū)動橋

WJ4i 地下裝載機(jī)釆用DANA 公司新型20D 車橋（圖2）。

1.3.1 新型20D驅(qū)動橋外形及主要技術(shù)參數(shù)

20D 驅(qū)動橋是在19D 驅(qū)動橋基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的一種新型橋，承載能力提高25%～40%，是DANA公司專門為采礦機(jī)械開發(fā)的系列車橋產(chǎn)品，具有很高的可靠性、工作效率以及理想的成本效益，其主要技術(shù)參數(shù)見表2。

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DANA公司新型驅(qū)動橋20D的結(jié)構(gòu)特點如下。

（1）POSI-STOP 液體冷卻制動器是彈簧施壓、液壓松開型制動器，通過彈簧作用力獲得可靠的制動作用，從而提高了油浸封閉制動器的使用壽命。在液壓保持壓力減小的情況下，制動力是通過多圈彈簧直接作用到安裝有摩擦盤的輪轂上。萬一喪失液壓動力，制動就會立即發(fā)生。

（2）為了達(dá)到更長的使用壽命，外置式行星減速系統(tǒng)包括堅固的整體式行星輪托架和銷軸設(shè)計、裝有滾柱軸承的高強(qiáng)度行星齒輪傳動機(jī)構(gòu)、浮動的太陽輪及內(nèi)齒圈零件。為了把輪邊減速器傳動比由4.765∶1增加到6∶1，需減少太陽輪齒數(shù)，但半軸花鍵尺寸不能減小，這就導(dǎo)致太陽輪強(qiáng)度不夠，因此，太陽輪一端做成實心，另一端做成內(nèi)花鍵與半軸外花鍵相配。同時把懸臂行星齒輪安裝托架同4個行星齒輪系統(tǒng)合并。由于用4 個行星輪代替?zhèn)鹘y(tǒng)的3 個行星輪結(jié)構(gòu)，降低了齒輪應(yīng)力，提高了齒輪的承載能力。

1.3.2 差速器

在地下裝載機(jī)驅(qū)動橋中，常采用標(biāo)準(zhǔn)差速器、NO-SPIN 差速器和POSI-TORQ 差速器。前2 種差速器用的最多，后一種差速器既能差速，又能差力，其性能要比標(biāo)準(zhǔn)差速器好，差扭能力比NO-SPIN 差速器略差（傳遞到高牽引力車輪的扭矩高達(dá)72%，而No-Spin 差速器高達(dá)100%），但結(jié)構(gòu)相對簡單，價格也相對便宜。因此，此差速器在地下裝載機(jī)中開始使用，而且有替代標(biāo)準(zhǔn)差速器的趨勢。

1.3.2.1 NO-SPIN差速器

NO-SPIN 差速器又叫牙嵌式自由輪差速器，或防滑自鎖差速器，或強(qiáng)制鎖止差速器（Positive-locking differential）。NO-SPIN 差速器是由十字軸組件（Spider assembly）、離合器組件（Clutch assembly）、半軸齒輪（Side gear）以及彈簧（Spring）和彈簧座（Spring retaner）所組成，外形見圖3。NO-SPIN差速器既能將動力100%傳給兩側(cè)車掄，又能按需要自動差速。NO-SPIN 差速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造過程中對零件尺寸、材料、熱處理、加工精度、粗糙度等要求嚴(yán)格，但NOSPIN 差速器可改善牽引力，提高生產(chǎn)率和減少維修成本，特別是它能自動將扭矩全部傳到不打滑的車輪，無需手動操作，故在地下裝載機(jī)中獲得廣泛應(yīng)用。這種差速器基本功能是確保100%地利用附著力，當(dāng)一側(cè)車輪附著力為零時，能防止車輪打滑以及功率損失，以及轉(zhuǎn)向或在不平坦地面行駛時，能進(jìn)行差速。

驅(qū)動橋裝配有NO-SPIN 差速器，差速器此時的工作情況為兩側(cè)半軸像焊接在一起一樣轉(zhuǎn)動，即處于鎖死狀態(tài)。此時兩邊車速相等，直到兩車輪同時獲得附著力為止，永遠(yuǎn)不會出現(xiàn)輪子打滑現(xiàn)象。NOSPIN差速器結(jié)構(gòu)見圖4、圖5。

1.3.2.2 POSI-TORQ 差速器

POSI-TORQ 差速器又叫防滑差速器或有限打滑差速器（Limited Slip differential），防滑差速器有助于車輛擺脫打滑空轉(zhuǎn)。凡是使用普通差速器的地方都可以使用防滑差速器。這兩種差速器結(jié)構(gòu)基本相同，只是在半軸齒輪大端面多了內(nèi)、外離合器盤，在小端面多了一組碟形彈簧。防滑差速器較普通差速器具有更多的優(yōu)點：①在不利的駕駛條件下較普通差速器有更大牽引力；②減少輪胎磨損；③消除由鎖止式差速器而產(chǎn)生沖擊負(fù)荷；④改進(jìn)轉(zhuǎn)向比鎖止式差速器好；⑤能使扭矩從打滑車輪傳遞給不打滑車輪；⑥可提供給牽引輪的轉(zhuǎn)矩5倍于低扭矩打滑車輪的扭矩；⑦使用4個相同小齒輪差速器與可替換的止推墊片，降低了維修成本；⑧可使用2種防滑差速器。

防滑差速器有2 種，一種帶彈簧，另一種不帶彈簧。兩者差扭能力略有差別，前者的差扭能力略大于后者，但后者結(jié)構(gòu)略簡單。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)視距遙控系統(tǒng)（RRC）

為了解決采空區(qū)殘礦回收及環(huán)境惡劣和危險作業(yè)地點的操作人員安全問題，新型WJ4i 地下裝載機(jī)提供可選配的標(biāo)準(zhǔn)視距遙控（RRC）系統(tǒng)（圖6），圖7對其系統(tǒng)組成和功能進(jìn)行了簡化描述。

2 新型WJ4i地下裝載機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)改進(jìn)

新型WJ4i地下裝載機(jī)是在WJ4地下裝載機(jī)基礎(chǔ)上，對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了重大改進(jìn)，提高了安全性、舒適性和可靠性，更好地滿足大中型非煤地下礦山無軌采礦作業(yè)要求［4-5］。

2.1 安全性

由于地下采礦環(huán)境十分惡烈，危險性很大，人與設(shè)備的安全必須高度重視。為此，國家制訂了嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)，新型WJ4i 地下裝載機(jī)在總體設(shè)計時就貫徹安全第一的思想，具體表現(xiàn)有：①司機(jī)室設(shè)計符合ROPS/FOPS 要求；②采用彈簧制動、液壓松閘式自調(diào)節(jié)行車和停車制動器；③防滑的司機(jī)室和維修通道地板表面；④司機(jī)室照明燈；⑤站在地面可觀察各艙室觀察孔；⑥提高操作者操作能見度；⑦進(jìn)入司機(jī)室有3 點支承；⑧全封閉司機(jī)室窗戶采用安全玻璃；⑨為了提高操作人員舒適性，采用可調(diào)懸浮座椅；⑩為了防止車輛傾翻時傷及操作人員，座椅配置安全帶；?防止大臂在維修和保養(yǎng)過程中意外降下，車輛配置了大臂支撐銷；?發(fā)動機(jī)冷熱面分開；?為了在保養(yǎng)和維修時，防止前后車架轉(zhuǎn)向，車架轉(zhuǎn)向機(jī)架配置了鎖銷；?設(shè)置防火墻（隔離熱源與燃料的不燃裝置）；?配備稱重系統(tǒng)（便于統(tǒng)計生產(chǎn)率，也防止系統(tǒng)過載）；?配置遙控激活滅火系統(tǒng)和機(jī)載滅火器；?配置輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；?配置開門固定器，當(dāng)操作室門打開時，轉(zhuǎn)向、傾倒和舉升系統(tǒng)被鎖止；?可選配視距遙控操作系統(tǒng)（RRC）；?對液壓軟管、電纜和高溫表面都有良好的防護(hù)措施。

2.2 集成IT技術(shù)應(yīng)用

WJ4i地下裝載機(jī)開發(fā)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)和故障診斷技術(shù)。

新型WJ4i 地下裝載機(jī)配備CAN 總線和數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)（圖8），該系統(tǒng)將機(jī)器的運(yùn)行數(shù)據(jù)及時發(fā)送收集，實現(xiàn)快速分析和故障診斷，極大提高工作效率。

新型WJ4i 地下裝載機(jī)所有信息可在一個5.7 寸LCD 顯示器上顯示（圖9、圖10），從而容易檢查和排除故障。診斷工具、全部功能鏈在一個窗口上顯示，不需要專用工具去進(jìn)行故障檢查，上述所有一切都被記錄在文件中，可在顯示器上瀏覽，也可用標(biāo)準(zhǔn)便攜式個人計算機(jī)下載。

2.3 人機(jī)工程學(xué)設(shè)計

在設(shè)計開發(fā)WJ4i 地下裝載機(jī)時，應(yīng)用人機(jī)工程學(xué)進(jìn)行設(shè)計，以改善地下裝載機(jī)和操作人員的安全性、舒適性和可操縱性，從而提高生產(chǎn)率，處處都體現(xiàn)了人機(jī)工程學(xué)設(shè)計思想。

2.3.1 駕駛室

全封閉帶空調(diào)的駕駛室十分寬敞，操作裝置、儀表、座椅的布置很適合操作員操作，可調(diào)懸浮座椅使駕駛員十分舒適，新型、寬闊的前窗開闊了駕駛員的視野，從而增強(qiáng)了操作安全性，降低了駕駛員的疲勞強(qiáng)度。司機(jī)室結(jié)構(gòu)設(shè)計符合FOPS/ROPS 安全要求，還設(shè)計了安全而方便進(jìn)入司機(jī)室的踏腳和把手三點支承（圖11）。

2.3.2 電子自動換檔

裝載機(jī)換檔操縱頻繁，平均3.6 s 換一次檔，司機(jī)勞動強(qiáng)度大。采用電子操縱換檔，操縱力可由30 N降到6 N，操縱行程從70 mm 左右降到40 mm 左右。通過安裝在換檔操縱桿主柱上按鈕實現(xiàn)車輛換擋操控，操縱輕巧方便。電子操縱還具有非空檔無法啟動、駐車時自動返回空檔等輔助功能。車輛具備自動換擋模式，在該模式下，變速箱檔位切換采用出廠時預(yù)設(shè)的換檔點，每次換檔時產(chǎn)生的扭矩和速度配合最佳，最大限度發(fā)揮車輛性能。

2.4 可靠性

采用更可靠的零部件，除前面介紹的Cummins QSL9 發(fā)動機(jī)、DANA 驅(qū)動橋及變速箱和可靠的電子元件外，其液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、機(jī)架結(jié)構(gòu)和材料也做了許多改進(jìn)，提高了整機(jī)的可靠性。

2.5 液壓系統(tǒng)改進(jìn)

液壓系統(tǒng)集成并使用了安全而可靠的零部件：①活塞式液壓儲能器堅固而耐用，只需要一個儲能器；②高過濾精度的液壓油回油過濾器零件使用壽命長；③新型油缸密封不需要調(diào)整或維護(hù)；④新系列Parker齒輪泵效率更高，油溫更低；⑤簡化零件布置；⑥容易接近所有主要零部件，方便維護(hù)；⑦用新的控制系統(tǒng)優(yōu)化閥的控制，平穩(wěn)轉(zhuǎn)向，靈敏的大臂和鏟斗運(yùn)動。

2.6 自動集中潤滑

新開發(fā)的WJ4i地下裝載機(jī)采用自動集中潤滑系統(tǒng)，控制元件定時通過潤滑管路和分配器向各潤滑點定量供給潤滑脂，自動集中潤滑替代人工集中潤滑，從而避免了人工集中潤滑的缺點。而且，自動潤滑功能還能避免人員操作帶來的保養(yǎng)不到位、勞動強(qiáng)度大、耽誤時間長等負(fù)面影響。

3 結(jié) 語

新型WJ4i地下裝載機(jī)正在柿竹園有色金屬有限責(zé)任公司礦山試用，自動化技術(shù)提高到新的水平，同時降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)率，其性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計要求，帶來了一定的經(jīng)濟(jì)效益。新型WJ4i 地下裝載機(jī)改進(jìn)了安全性、舒適性、可靠性、高效性等核心問題，系統(tǒng)集成應(yīng)用了先進(jìn)的新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)，使整機(jī)技術(shù)性能提升到了新的水平，達(dá)到國內(nèi)同類機(jī)型先進(jìn)水平，深得礦山用戶的歡迎，WJ4i地下裝載機(jī)將成為中、大型地下礦山無軌采礦的主體設(shè)備。