劉志更

(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)

0 引言

近年來(lái)，無(wú)軌膠輪車在我國(guó)煤礦的廣泛應(yīng)用，使礦井物料運(yùn)輸效率得到了明顯提升，將原來(lái)90 d的搬家周期縮短到現(xiàn)在最快的7 d，顯著提高了礦井生產(chǎn)準(zhǔn)備效率，輔助運(yùn)輸安全事故的概率也得到了明顯改觀。其中支架搬運(yùn)車功不可沒(méi)，其在一次搬家作業(yè)中承擔(dān)了千萬(wàn)噸級(jí)礦井綜采工作面約120～150臺(tái)液壓支架的整體搬運(yùn)工作，既安全又高效[1-3]。

支架搬運(yùn)車承載液壓支架采用U型拖車，具有離地間隙小、運(yùn)輸高度低、裝卸支架方便等優(yōu)點(diǎn)，市場(chǎng)上幾乎所有的支架搬運(yùn)車均采用的是U型拖車結(jié)構(gòu)。隨著更多大采高工作面的出現(xiàn)，綜采液壓支架的重量由最初的25 t發(fā)展到現(xiàn)在的100 t，對(duì)U型拖車自身結(jié)構(gòu)提出了更高強(qiáng)度的運(yùn)輸要求[4-5]。使用過(guò)程中擺動(dòng)梁和拖車框架的連接部出現(xiàn)了銅套壓潰和銷軸磨損現(xiàn)象，本文從擺動(dòng)梁整體受力出發(fā)，分析鉸接部結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

1 U型拖車結(jié)構(gòu)

礦用支架搬運(yùn)車一般為前、后機(jī)架兩段鉸接式結(jié)構(gòu)。前機(jī)架主要放置動(dòng)力單元，包括防爆柴油機(jī)機(jī)體、防爆進(jìn)/排氣系統(tǒng)、液壓泵、散熱器、柴油箱、液壓油箱、補(bǔ)水箱、駕駛室等。為了方便支架裝卸，后機(jī)架全部采用U型拖車結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)形式為靜液壓驅(qū)動(dòng)，如圖1所示，主要包括U型框架、擺動(dòng)梁、驅(qū)動(dòng)部(液壓馬達(dá)、減速器、制動(dòng)器和輪胎)、提升機(jī)構(gòu)等[6]。搬運(yùn)支架時(shí)，支架保持在地面固定不動(dòng)，U型拖車倒行，使支架位于U型框內(nèi)，操作4個(gè)提升臂動(dòng)作手柄使提升鏈下降，由人工將提升鉤掛入支架底座起吊孔，繼而操作4個(gè)提升臂動(dòng)作手柄使提升鏈上升，提起支架。起吊過(guò)程中可以單獨(dú)操作提升臂，最終保持支架基本水平，運(yùn)輸狀態(tài)時(shí)支架底座下表面離地200～300 mm即可。

1-U型框架; 2-提升機(jī)構(gòu); 3-擺動(dòng)梁; 4-主銷軸; 5-驅(qū)動(dòng)部。

拖車整體呈U字型，兩側(cè)各有一個(gè)擺動(dòng)梁，目的是在起伏路面行走時(shí)可以使4個(gè)輪胎同時(shí)著地，確保能夠提供足夠大的驅(qū)動(dòng)力。擺動(dòng)梁兩端分別設(shè)置一個(gè)驅(qū)動(dòng)部，驅(qū)動(dòng)部主要由液壓馬達(dá)、減速器、制動(dòng)器和輪胎組成。擺動(dòng)梁與框架通過(guò)主銷軸連接。

2 故障及原因分析

支架搬運(yùn)車屬于礦井大型設(shè)備運(yùn)輸類車輛，其承載荷很大，長(zhǎng)距離運(yùn)輸對(duì)車輛機(jī)械結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度提出了很高的要求?，F(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，擺動(dòng)梁和U型拖車框架的連接處出現(xiàn)異響，拆開后發(fā)現(xiàn)有銅套壓潰和銷軸磨損的現(xiàn)象。經(jīng)分析該故障主要由結(jié)構(gòu)受力不好和材料選擇不合理兩方面的因素造成。

2.1 結(jié)構(gòu)受力分析

U型拖車框架和擺動(dòng)梁連接部的改進(jìn)前結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖中可看出，U型拖車框架和樞軸支架共同支撐擺動(dòng)梁組件；主銷軸作為連接件將擺動(dòng)梁固定到框架結(jié)構(gòu)上；擺動(dòng)梁和擺動(dòng)梁銅套過(guò)盈配合連接，通過(guò)緊定螺釘相對(duì)固定不轉(zhuǎn)動(dòng)；框架鋼套位于U型框架內(nèi)，樞軸支架銅套位于樞軸支架內(nèi)，均為過(guò)盈配合連接；主銷軸相對(duì)于框架鋼套和樞軸支架銅套是可以轉(zhuǎn)動(dòng)的，主銷軸和擺動(dòng)梁銅套也是可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的；輪胎中心線距離主銷軸中心的距離為400 mm。

1-U型拖車框架; 2-樞軸支架; 3-擺動(dòng)梁; 4-主銷軸;5-擺動(dòng)梁銅套; 6-框架鋼套; 7-樞軸支架銅套。

將U型拖車單側(cè)的擺動(dòng)梁和兩個(gè)驅(qū)動(dòng)部合成一個(gè)整體，簡(jiǎn)稱擺動(dòng)梁組件，將其作為研究對(duì)象，受力簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 受力簡(jiǎn)圖

在輪胎中心處，地面施加給了擺動(dòng)梁組件一個(gè)垂直地面向上的力為F上，導(dǎo)致地面施加給主銷軸一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩為M，則：

F上=(G拖車+G支架)/2

(1)

M上=F上×L

(2)

式中：G拖車為U型拖車自重；G支架為液壓支架重量；L為輪胎中心線和擺動(dòng)梁主銷軸中心點(diǎn)的垂直距離。

假設(shè)G拖車為25 t，G支架為55 t，L為400 mm，計(jì)算得出M為160 000 Nm。

正是因?yàn)槿绱舜罅氐拇嬖冢沟弥麂N軸對(duì)框架鋼套和樞軸支架銅套產(chǎn)生了較大的擠壓作用，因?yàn)殂~套較軟，首先導(dǎo)致銅套擠壓變形，主銷軸與樞軸支架銅套間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)而引起銷軸磨損并產(chǎn)生異響。減小力矩M的措施，只有從縮小力臂L入手。

2.2 材料分析

U型拖車框架和擺動(dòng)梁連接部關(guān)鍵件的材料及性能說(shuō)明見表1。

表1 原結(jié)構(gòu)關(guān)鍵件材料說(shuō)明

對(duì)關(guān)鍵件的材料及潤(rùn)滑狀況進(jìn)行分析，存在如下問(wèn)題：

1) 樞軸支架處用的是銅套，厚度為10 mm，材質(zhì)較軟。

2) 樞軸支架銅套沒(méi)有潤(rùn)滑措施，導(dǎo)致銅套發(fā)生擠壓變形后與主銷軸干磨，造成主銷軸表面磨損。

3) 擺動(dòng)梁銅套與主銷軸之間沒(méi)有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的需求。

4) 擺動(dòng)梁處用的是銅套，厚度為10 mm，雖然有潤(rùn)滑，但時(shí)間稍長(zhǎng)也會(huì)出現(xiàn)銅套壓潰和銷軸磨損問(wèn)題。

5) 框架鋼套與主銷軸存在相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，缺少潤(rùn)滑措施。

3 設(shè)計(jì)改進(jìn)

3.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

根據(jù)故障原因分析，對(duì)U型拖車框架和擺動(dòng)梁連接部的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，改進(jìn)后的連接部結(jié)構(gòu)如圖4所示，相比原結(jié)構(gòu)主要改動(dòng)如下：

1-U型拖車框架; 2-樞軸支架; 3-擺動(dòng)梁; 4-主銷軸; 5-擺動(dòng)梁鋼套; 6-框架鋼套; 7-樞軸支架鋼套; 8-主軸鍵; 9-樞軸鋼套鍵; 10-框架鋼套鍵; 11-油杯。

1) 輪胎中心線距離主銷軸中心點(diǎn)的距離L由400 mm改為270 mm，地面施加給主銷軸的力矩降低了32.5%。

2) 鋼套和擺動(dòng)梁焊接為一體，消除了相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的隱患。

3) 主銷軸與擺動(dòng)梁鋼套之間增加鍵連接，使得擺動(dòng)梁、擺動(dòng)梁鋼套和主銷軸之間成為一個(gè)整體，主銷軸僅與框架鋼套和樞軸支架鋼套之間存在相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

4) U型拖車框架與框架鋼套之間增加鍵連接。

5) 樞軸支架與樞軸支架鋼套之間增加鍵連接。

結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)后，主銷軸、擺動(dòng)梁鋼套、框架鋼套、樞軸支架鋼套等關(guān)鍵件受力情況得到了明顯改善。若再次出現(xiàn)問(wèn)題，至多是損壞框架鋼套或者樞軸支架鋼套，主銷軸不會(huì)損壞，也能降低維修成本。

3.2 材料改進(jìn)及潤(rùn)滑措施

根據(jù)原結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的問(wèn)題及原因分析，對(duì)U型拖車框架和擺動(dòng)梁連接部關(guān)鍵件的材料進(jìn)行了調(diào)整，詳見表2，說(shuō)明如下：

表2 改進(jìn)后結(jié)構(gòu)關(guān)鍵件材料說(shuō)明

1) 擺動(dòng)梁銅套更換為鋼套，厚度由10 mm改為30 mm。

2) 樞軸支架銅套更換為鋼套，厚度由10 mm改為15 mm，增加了螺旋潤(rùn)滑槽。

3) 框架鋼套更換了材料，厚度由10 mm改為15 mm，增加了螺旋潤(rùn)滑槽。

4 應(yīng)用效果

結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)后的實(shí)物如圖5所示。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)跟蹤試驗(yàn)，結(jié)構(gòu)改造后的某臺(tái)車陸續(xù)完成了60余臺(tái)載重51.2 t液壓支架的搬運(yùn)，共行駛里程約1 040 mm，U型拖車框架與擺動(dòng)梁連接部的異響未再出現(xiàn)，車輛運(yùn)行的可靠性和安全性得到了保障。

圖5 改進(jìn)后的實(shí)物

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)原有U型拖車框架與擺動(dòng)梁連接部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，梳理產(chǎn)生樞軸支架銅套壓潰和主銷軸磨損的主要原因是地面施加給主銷軸的力矩較大、連接部相關(guān)關(guān)鍵件材料選擇不合理以及局部潤(rùn)滑不到位所致。

采取了連接部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)、關(guān)鍵件材料更換、改善潤(rùn)滑等措施，解決了故障，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)也為后續(xù)系列化車型同類結(jié)構(gòu)的復(fù)制奠定了試驗(yàn)和應(yīng)用基礎(chǔ)。