賈豐華，章 峰，鄧寶平，張新紅，董 偉

(國家能源集團寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750000)

0 引言

支架搬運車是煤礦井下無軌運輸?shù)膶Ｓ迷O(shè)備，是專門針對煤礦井下綜采工作面搬家倒面過程中液壓支架的倒運或長距離運輸而研制開發(fā)的一種新型特種工具，是現(xiàn)代化采煤工藝必不可少的輔助運輸設(shè)備。目前，支架搬運車已普遍用于煤礦井下綜采工作面液壓支架安裝和撤除，國內(nèi)使用的液壓支架搬運車噸位涵蓋50 t、55 t、80 t，均為鉸接式結(jié)構(gòu)型式，且已屬成熟產(chǎn)品[1 -4]。但鉸接式支架搬運車對負載重心變化適應(yīng)性較差，重心偏移會導(dǎo)致其轉(zhuǎn)向靈活性變差。相對于鉸接式支架搬運車，整體框架式支架搬運車具有整車質(zhì)量輕、尺寸小、運輸平穩(wěn)、適用性強等優(yōu)點，具有更好的穩(wěn)定性及路面適應(yīng)性。

懸架是車架(或車身)與車橋(或車輪)之間的彈性連接的部件[5]。懸架具有緩和、抑制由不平路面引起的振動和沖擊的作用，懸架除傳遞車輛垂直力以外，還傳遞其他各方面的力和力矩，并保證車輪和車身(或車架)有確定的運動關(guān)系，使汽車具有良好的駕駛性能。懸架分為獨立懸架和非獨立懸架2大類。獨立懸架的車輪通過各自的懸架和車架(或車身)相連。較于非獨立懸架，獨立懸架具備以下優(yōu)點：降低發(fā)動機及整車底板高度，車輪具有較大跳動空間，保證汽車行駛性能的多種設(shè)計方案。目前獨立懸架多用于轎車及客車，在井下重載支架搬運車中應(yīng)用較少。本文主要設(shè)計研究了一種應(yīng)用于煤礦井下整體框架式支架搬運車WC60Y(B)的液壓獨立懸架，該液壓獨立懸架為整車提供縱向補償，保證車輛滿足使用要求的同時，提高車輛的穩(wěn)定性及平順性。

1 液壓獨立懸架設(shè)計要求

WC60Y(B)支架搬運車采用整體框架式設(shè)計，整車有6組驅(qū)動橋，前后軸線4組驅(qū)動橋同時也為轉(zhuǎn)向橋，轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋在整車布置方式如圖1所示。為提高整車在井下起伏路面、涉水路面和多彎巷道等復(fù)雜工況下的適應(yīng)能力以及綜合考慮重載支架搬運車總體布局，采用單輪液壓獨立懸架為整車驅(qū)動。

重載支架搬運車本身質(zhì)量大以及其大負荷的載重量，對懸架的強度和可靠性要求更高。由于支架搬運車布置，單輪產(chǎn)生大扭矩偏載施加在液壓獨立懸架上，同時液壓獨立懸架還需承受整車軸向載荷和大的橫向力矩，懸架設(shè)計需保證在復(fù)雜受力情況下具有足夠的剛度、強度和使用壽命，并且還需根據(jù)支架搬運車的載運特點消除結(jié)構(gòu)及運動干涉。對此，依據(jù)實際使用需求對液壓獨立懸架進行結(jié)構(gòu)設(shè)計研究。

圖1 液壓獨立懸架在整車布置Fig.1 Layout of hydraulic independent suspension in the whole vehicle

2 液壓獨立懸架結(jié)構(gòu)設(shè)計

液壓獨立懸架主要由旋轉(zhuǎn)支撐、旋轉(zhuǎn)架、懸掛油缸、行走機構(gòu)(含橋殼、行走馬達減速機、車輪)等組成，液壓獨立懸架三維模型如圖2所示。通過懸架上懸掛油缸的伸縮，裝配在橋殼上的車輪可以上下擺動，支架搬運車通過煤礦井下不平整路面時，安裝于懸架的懸掛油缸可以提供縱向補償，使位于起伏路面的各個懸架受力均衡，提高支架搬運車整車適應(yīng)性及轉(zhuǎn)向靈活性。

圖2 液壓獨立懸架Fig.2 Hydraulic independent suspension

2.1 旋轉(zhuǎn)支撐

旋轉(zhuǎn)支撐機構(gòu)為連接車架與驅(qū)動橋的結(jié)構(gòu)，采用軸承與套管相結(jié)合的設(shè)計型式，如圖3所示。旋轉(zhuǎn)支撐機構(gòu)由轉(zhuǎn)向節(jié)臂、支撐軸、2組軸承、圓螺母及若干密封件組成。支撐軸一端通過法蘭與旋轉(zhuǎn)架連接，支撐軸中部與車架通過套管和組合軸承進行裝配，軸承采用圓錐滾子軸承和推力調(diào)心滾子軸承組合型式，使旋轉(zhuǎn)支撐能夠承受復(fù)雜的軸向力和徑向力。支撐軸上端通過花鍵與轉(zhuǎn)向節(jié)臂連接，采用壓板和圓螺母緊固。

圖3 旋轉(zhuǎn)支撐Fig.3 Rotating support

2.2 旋轉(zhuǎn)架

旋轉(zhuǎn)架是驅(qū)動橋的主要承載元件：頂部通過支撐軸采用螺接形式與車架連接，底部采用銷軸形式與行走機構(gòu)連接，后部設(shè)計有懸掛油缸接口，懸掛油缸分別與旋轉(zhuǎn)架和車輪通過銷軸連接。為保證旋轉(zhuǎn)架強度及剛度，旋轉(zhuǎn)架主體采用由20 mm厚高強度鋼板焊接成型的箱型結(jié)構(gòu)，下部與橋殼連接接口采用鑄造結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)架上設(shè)計有吊環(huán)孔用于懸架故障和更換輪胎時懸空起吊橋殼用。旋轉(zhuǎn)架三維模型如圖4所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)架Fig.4 Rotating frame

2.3 懸掛油缸

懸掛油缸為實現(xiàn)懸架上下跳動的主要元件，懸掛油缸通過銷軸分別與旋轉(zhuǎn)架和橋殼連接。保證油缸安裝及實際承載使用需求，懸掛油缸選用輸出力大、結(jié)構(gòu)簡單、小型緊湊、的單作用柱塞缸。為實現(xiàn)車輛在復(fù)雜路面的使用需求，油缸工作時有3種工況，分別為油缸縮到最短、車橋擺臂水平、油缸伸到最長，如圖5所示。綜合考慮支架搬運車整車布局、支架搬運車實際使用工況、液壓獨立懸架安裝及防止油缸拉脫及撞缸，在旋轉(zhuǎn)架及橋殼上分別設(shè)計有油缸限位結(jié)構(gòu)，設(shè)計油缸行程420 mm，上下擺動量-125/+125 mm。

圖5 懸掛油缸工作工況Fig.5 Working condition of suspension cylinder

2.4 行走機構(gòu)

行走機構(gòu)主要由橋殼、行走馬達減速機、車輪等部件組成。橋殼為傳遞車輪與懸架間的負荷的主要結(jié)構(gòu)[6]，橋殼上設(shè)計有懸掛油缸、旋轉(zhuǎn)架及行走馬達減速機等的接口。為滿足承載需求，橋殼整體采用高強度鋼板HG70E焊接成型；考慮懸架故障維修及更換輪胎時，橋殼上設(shè)計有吊環(huán)孔用于懸空起吊橋殼。橋殼結(jié)構(gòu)形式如圖6所示。

圖6 橋殼結(jié)構(gòu)形式Fig.6 Structural form of axle housing

3 懸架有限元分析

液壓獨立懸架為重載支架搬運車的重要承載部件，懸架的強度直接影響支架搬運車的使用及安全，懸架強度分析至關(guān)重要[7]。通過有限元分析，在液壓獨立懸架設(shè)計初期對其強度進行初步評估，為液壓獨立懸架設(shè)計提供依據(jù)。

本文所設(shè)計的液壓獨立懸架中主要依靠旋轉(zhuǎn)架，橋殼來傳遞車輪及懸架間的載荷，旋轉(zhuǎn)架及橋殼2個部件承載較大，針對旋轉(zhuǎn)架及橋殼進行不同工況下的有限元分析，以判定該液壓獨立懸架的強度是否滿足使用要求。

3.1 有限元模型的建立

通過Abaqus 6.12有限元分析軟件對懸架結(jié)構(gòu)進行了有限元模型的建立[8 -9]，旋轉(zhuǎn)架結(jié)構(gòu)由板單元建立有限元模型，橋殼采用實體單元建立，橋殼與旋轉(zhuǎn)架之間采用接觸，懸掛油缸利用梁單元模型。在旋轉(zhuǎn)架回轉(zhuǎn)軸承處施加固定約束，輪胎接地點施加對應(yīng)載荷[10 -11]。

3.2 計算工況

考慮整車實際使用工況，進行5種工況下的有限元分析[12]，5種工況分別為：滿載靜止工況、0.3 g滿載剎車工況、0.3 g滿載啟動工況、0.2 g滿載轉(zhuǎn)向工況、0.2 g滿載剎車0.1 g轉(zhuǎn)向工況。各工況下輪載載荷見表1。

3.3 仿真分析結(jié)果

3.3.1 旋轉(zhuǎn)架有限元分析結(jié)果

通過有限元分析，在0.3 g剎車工況下旋轉(zhuǎn)架Mises應(yīng)力及變形最大，旋轉(zhuǎn)架有限元分析結(jié)果如圖7所示。旋轉(zhuǎn)架最大應(yīng)力達到297 MPa，出現(xiàn)在側(cè)面筋板焊接處，最大變形量為8.4 mm，旋轉(zhuǎn)架采用高強度鋼板屈服強度690 MPa，最小安全系數(shù)為2.3，旋轉(zhuǎn)架強度滿足使用要求。

表1 各工況下輪載載荷

3.3.2 橋殼有限元分析結(jié)果

通過有限元分析，在0.3 g啟動工況下橋殼Mises應(yīng)力最大，0.3 g剎車工況下拉應(yīng)力最大，有限元分析結(jié)果如圖8所示。0.3 g啟動工況有限元分析結(jié)果：Mises應(yīng)力436 MPa，拉應(yīng)力201 MPa；0.3 g剎車工況有限元分析結(jié)果：Mises應(yīng)力355 Pa，拉應(yīng)力262 MPa。橋殼最大應(yīng)力點出現(xiàn)在軸銷孔邊緣，是由于車輪布置在橋殼單側(cè)導(dǎo)致銷軸擠壓所致，此應(yīng)力僅僅局限于孔邊緣材料的變形而不會影響到整個橋殼軸銷孔的強度，因此可以將此處低應(yīng)力忽略，橋殼使用高強度鋼板屈服強度為590 MPa，那么橋殼最小拉應(yīng)力安全系數(shù)為2.3，最小的Mises應(yīng)力安全系數(shù)為2.1，滿足強度要求。

圖7 旋轉(zhuǎn)架應(yīng)力與變形Fig.7 Stress and deformation of rotating frame

圖8 橋殼應(yīng)力與變形Fig.8 Stress and deformation of axle housing

4 結(jié)語

(1)一種應(yīng)用于井下整體框架式重載液壓支架搬運車的液壓獨立懸架，針對整體框架式重載支架搬運車使用特點，設(shè)計一種液壓獨立懸架，該液壓獨立懸架可以為支架搬運車通過不平路面時提供縱向補償，提高整車的平順性及適用性，有效解決了鉸接式支架搬運車負載重心變化適應(yīng)性較差，重心偏移等問題。

(2)對液壓獨立懸架中的主要承載部件旋轉(zhuǎn)架及橋殼進行有限元分析，2個部件設(shè)計均留有安全余量，滿足設(shè)計使用要求。該液壓獨立懸架已經(jīng)實際投入生產(chǎn)并在重載支架搬運車中得到應(yīng)用。

(3)目前液壓獨立懸架技術(shù)在煤礦井下爆炸性環(huán)境應(yīng)用較少，需進一步驗證液壓獨立懸架在井下復(fù)雜工況下的強度和使用壽命以及整車對井下復(fù)雜路面的適用性。