劉志更

(1.中國煤炭科工集團(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)

0 引言

重型鏟板式搬運(yùn)車是一種實(shí)現(xiàn)煤礦井下大件物料整體搬運(yùn)的無軌膠輪運(yùn)輸裝備，噸位涵蓋了20～100 t等不同級(jí)別，在現(xiàn)有的井工礦應(yīng)用廣泛。其克服了原來大型物料運(yùn)輸需要拆解、運(yùn)輸過程中頻繁換裝、井下安裝費(fèi)時(shí)費(fèi)力、全程安全性差、效率低等諸多問題，實(shí)現(xiàn)了大型物料的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、不拆解、不轉(zhuǎn)載的高效連續(xù)運(yùn)輸，為煤礦輔助運(yùn)輸生產(chǎn)準(zhǔn)備做出了突出貢獻(xiàn)[1]。

提升機(jī)構(gòu)作為鏟板載荷的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度應(yīng)滿足載荷搬運(yùn)要求，且設(shè)計(jì)更要符合環(huán)境空間要求。眾所周知，煤礦設(shè)備在滿足功能要求的前提下，尺寸和體積越小越好，而通用的提升機(jī)構(gòu)采用的是與裝載機(jī)類似的形式，缺點(diǎn)是占用空間大，工作時(shí)提升機(jī)構(gòu)容易遮擋駕駛員視線，不利于安全作業(yè)。本文著重研究一種礦用低矮型重載鏟板式搬運(yùn)車上的曲柄式載荷提升機(jī)構(gòu)。

1 常用載荷提升機(jī)構(gòu)形式

1.1 單一傾翻式結(jié)構(gòu)

提升高度要求不高的鏟板提升機(jī)構(gòu)通常采用省略舉升功能，僅具有傾翻功能就滿足使用工況需求，這一類單一傾翻式結(jié)構(gòu)常用于功能較為單一的鏟運(yùn)類裝備[2]，通過鏟板的翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)物料的裝運(yùn)和卸載，結(jié)構(gòu)如圖1所示。車體與提升座通過連接銷連接，鏟板的傾翻由傾翻油缸的伸縮來實(shí)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)較為簡單，以鏟板水平為基準(zhǔn)，鏟尖的傾翻角度±15°以內(nèi)，垂直活動(dòng)距離為±500 mm。

1-鏟板;2-傾翻油缸;3-提升座;4-機(jī)座連接銷;5-車體。

1.2 舉升傾翻配合式結(jié)構(gòu)

跟地面裝載機(jī)一樣，對(duì)提升高度有要求的情況下，通常采用舉升和傾翻配合動(dòng)作的載荷提升機(jī)構(gòu)[3]，結(jié)構(gòu)如圖2所示。鏟叉插入鏟板上的插槽將鏟板固定，提升座上端與傾翻油缸連接，下端與大臂連接。傾翻油缸缸筒與車體連接，活塞桿與提升座連接，傾翻油缸的伸縮實(shí)現(xiàn)提升座和鏟板的傾翻動(dòng)作。舉升油缸缸筒與車體連接，活塞桿與大臂連接，利用舉升油缸的伸縮實(shí)現(xiàn)大臂的升降。以鏟板水平為基準(zhǔn)，鏟尖的傾翻角度約為-15°～+30°以內(nèi)，垂直活動(dòng)距離為-400～+800 mm以內(nèi)。

1-鏟板;2-鏟叉;3-提升座;4-傾翻油缸;5-大臂;6-舉升油缸;7-車體。

2 曲柄式載荷提升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求

載荷提升機(jī)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)要求：載重為30 000 kg(距離鏟板根部500 mm);車身高度小于1 400 mm(駕駛室高度不計(jì));離地間隙大于300 mm;鏟板提升高度大于400 mm。

按照設(shè)計(jì)要求，可以布置的提升機(jī)構(gòu)空間僅為1 100 mm，尺寸要求相當(dāng)緊湊。

2.2 機(jī)構(gòu)組成

對(duì)于車身高度有嚴(yán)格尺寸要求的鏟板車，其提升機(jī)構(gòu)尺寸要求越緊湊，車輛的適應(yīng)性就越好。針對(duì)低矮性鏟板式搬運(yùn)車的設(shè)計(jì)要求，研究一種曲柄式載荷提升機(jī)構(gòu)，如圖3所示。

1-鏟板；2-提升座；3-曲柄；4-車體；5-鏟叉； 6-舉升油缸；7-傾翻油缸。

該機(jī)構(gòu)主要由1個(gè)鏟板、2個(gè)鏟叉、1個(gè)提升座、1個(gè)曲柄、2個(gè)舉升油缸、2個(gè)傾翻油缸等零部件組成。鏟叉插入鏟板上的插槽將鏟板固定，鏟叉與提升座通過鉸接點(diǎn)G連接。曲柄與車體通過鉸接點(diǎn)A連接，與提升座通過鉸接點(diǎn)B連接，與舉升油缸通過鉸接點(diǎn)C連接。曲柄繞鉸接點(diǎn)A旋轉(zhuǎn)，利用舉升油缸的伸縮帶動(dòng)曲柄的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)鏟板的降升動(dòng)作。提升座繞鉸接點(diǎn)B旋轉(zhuǎn)，利用傾翻油缸的伸縮實(shí)現(xiàn)鏟板的傾翻動(dòng)作。該機(jī)構(gòu)的本質(zhì)是利用體積較小的曲柄替代了舉升傾翻配合式結(jié)構(gòu)中的大臂，節(jié)省了布置空間，更加適合于低矮性載荷提升機(jī)構(gòu)的車輛。

2.3 設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)需求，建立曲柄式載荷提升機(jī)構(gòu)的初步三維模型，重點(diǎn)計(jì)算舉升油缸和傾翻油缸的作用力。

計(jì)算舉升油缸的作用力F1時(shí)，圍繞鉸接點(diǎn)A達(dá)到力矩的平衡。

(1)

計(jì)算傾翻油缸的作用力F2時(shí)，圍繞鉸接點(diǎn)B達(dá)到力矩的平衡。

(2)

根據(jù)鏟板的工作特點(diǎn)，確定鏟板工作時(shí)鏟和運(yùn)的臨界狀態(tài)。鏟裝作業(yè)時(shí)，設(shè)計(jì)原則是鏟板的鏟尖需要低于地平面約100～150 mm；運(yùn)輸作業(yè)時(shí)，設(shè)計(jì)原則是鏟板的表面與水平面的夾角以5°～10°為宜。按照兩個(gè)臨界狀態(tài)的設(shè)計(jì)原則，利用三維模型軟件模擬運(yùn)行狀態(tài)，從而確定兩種油缸的設(shè)計(jì)行程。

根據(jù)計(jì)算出來的油缸力和模擬出的運(yùn)行行程進(jìn)行兩種油缸的設(shè)計(jì)。

模型優(yōu)化后的參數(shù)為：載重為30 000 kg(距離鏟板根部500 mm);車身高度為1 380 mm(駕駛室高度不計(jì));離地間隙為320 mm；鏟板提升高度為440 mm。

綜上所述，所有指標(biāo)滿足或優(yōu)于設(shè)計(jì)要求。

3 關(guān)鍵件強(qiáng)度分析

所有計(jì)算完成后，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行提升機(jī)構(gòu)各部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)，完善和修正三維模型。將提升機(jī)構(gòu)與整機(jī)連接，利用動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS進(jìn)行整機(jī)重載運(yùn)行模擬[4-5]，如圖4所示。動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算可以真實(shí)模擬路況和機(jī)身姿態(tài)，從運(yùn)行結(jié)果中提取了各部件的動(dòng)態(tài)載荷，還包含了慣性力等動(dòng)態(tài)載荷，更加貼合實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，從而很大程度上提高了整機(jī)各部件受力的準(zhǔn)確性。

圖4 動(dòng)力學(xué)分析

提升座主體由Q345材料焊接而成，根據(jù)提取到的動(dòng)態(tài)載荷，對(duì)提升座進(jìn)行了強(qiáng)度分析如圖5所示，該處應(yīng)力最大值為126 MPa，材料屈服極限為345 MPa，可以滿足提升座的安全使用要求。

曲柄主體由Q345材料焊接而成，根據(jù)提取到的動(dòng)態(tài)載荷，對(duì)曲柄進(jìn)行了強(qiáng)度分析如圖6所示，該處應(yīng)力最大值為148 MPa，材料屈服極限為345 MPa，可以滿足曲柄的安全使用要求。

曲柄式載荷提升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，整機(jī)在煤礦井下進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，既可以進(jìn)行物料的安裝調(diào)整作業(yè)，還可實(shí)現(xiàn)較大型物料的運(yùn)輸作業(yè)，舉升和傾翻動(dòng)作靈活，實(shí)現(xiàn)了30 t物料的鏟、裝、運(yùn)要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)，總體運(yùn)行良好。

圖5 提升座受力分析

圖6 曲柄受力分析

4 結(jié)論

該曲柄式載荷提升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙，結(jié)構(gòu)緊湊合理，與井下多功能鏟運(yùn)車工作機(jī)構(gòu)相比，不僅可以降低油缸等元部件的承載能力要求，還可以降低車輛工作時(shí)的空間高度要求。該結(jié)構(gòu)為煤礦井下薄煤層重型鏟板車提供了一種可行的載荷提升機(jī)構(gòu)形式，具有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。