WC12RE型防爆無(wú)軌膠輪車關(guān)鍵部件優(yōu)化設(shè)計(jì)

張甲瑞，萬(wàn)中元，褚衛(wèi)忠

（1.重慶工商職業(yè)學(xué)院智能制造與汽車學(xué)院，重慶 401520；2. 常州科研試制中心有限公司技術(shù)中心，江蘇 常州 213002；3. 中煤科工集團(tuán)常州自動(dòng)化研究院，江蘇 常州 213015）

WC12RE型防爆無(wú)軌膠輪車關(guān)鍵部件優(yōu)化設(shè)計(jì)

張甲瑞1，萬(wàn)中元2，褚衛(wèi)忠3

（1.重慶工商職業(yè)學(xué)院智能制造與汽車學(xué)院，重慶 401520；2. 常州科研試制中心有限公司技術(shù)中心，江蘇 常州 213002；3. 中煤科工集團(tuán)常州自動(dòng)化研究院，江蘇 常州 213015）

為了滿足煤礦客戶需要，提出了一種WC12RE型防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車的設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)介紹了該車在提高操控性和舒適性方面對(duì)動(dòng)力部分所作的優(yōu)化改進(jìn)，并簡(jiǎn)要概述了傳動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等部分的設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明，該車的使用改善了駕乘礦工的工作環(huán)境，提高了安全性和舒適性。

防爆；無(wú)軌膠輪車；廢氣處理箱；雙水循環(huán)冷卻；舒適性

CLC NO.:U463.8Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)06-31-04

引言

WC12RE型防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車是一款以防爆柴油機(jī)為動(dòng)力、液力—機(jī)械傳動(dòng)、后輪驅(qū)動(dòng)的煤礦井下無(wú)軌式運(yùn)人車輛，根據(jù)煤礦客戶提出的使用要求該車主要用于巷道坡度不大于14°坡的煤礦礦井，額定載人數(shù)為12人。

目前，我國(guó)國(guó)產(chǎn)的防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車的系列已相當(dāng)完善，特別是3噸、5噸、8噸、10噸等輕型的運(yùn)料車已日趨成熟，重型的包括運(yùn)輸支護(hù)設(shè)備的支架搬運(yùn)車等承載能力已可達(dá)50噸以上，12人、24人等的運(yùn)人車系列也在逐漸完善。另外，一些廠家通過(guò)汽車改裝生產(chǎn)的無(wú)軌膠輪防爆車輛，也用在了一些中小型礦井中。像路面車輛特別是轎車一樣，防爆無(wú)軌膠輪車的發(fā)展，已經(jīng)從以前的追求實(shí)用性、可靠性及維修方便性，到現(xiàn)在的尋求更好的操控及乘坐舒適性。WC12RE型防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車作為一款運(yùn)人車輛，在其實(shí)用性、可靠性、操控性、舒適性方面提出了更高的要求。

1、WC12RE型防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車主要技術(shù)參數(shù)與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 技術(shù)參數(shù)[1]

整車外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）（mm)：5400×1880×1910

額定承載人數(shù)（人）：12

整車整備質(zhì)量（kg)：4800

軸距（mm）：3100

前輪距/后輪距（mm)：1595/1595

最大牽引力（kN)：40

啟動(dòng)方式：氣啟動(dòng)

驅(qū)動(dòng)形式：后輪兩驅(qū)

傳動(dòng)形式：液力傳動(dòng)

最大爬坡度（o）：14

最小通過(guò)能力半徑（內(nèi)/外）(mm)：600/6850

最小離地間隙（mm)：220

平道重載速度（km/h)：＞39.43

14°坡重載速度（km/h)：8.6324—9.4667

停車制動(dòng)：1.5倍額定載荷14°坡上制動(dòng)

排氣溫度/°C：≤70

發(fā)動(dòng)機(jī)表面溫度/°C：≤150

排放指標(biāo)CO、NOx：≤0.1%、≤0.08%

1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[2]

WC12RE型防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車采用減震效果較好的整體式車身，該車身比鉸接式車車長(zhǎng)要短，轉(zhuǎn)彎半徑更小，可操作性更強(qiáng)，乘坐舒適性更好。采用防爆柴油機(jī)為動(dòng)力、液力—機(jī)械傳動(dòng)、后輪驅(qū)動(dòng)、濕式多盤工作制動(dòng)、濕式多盤停車制動(dòng)及緊急制動(dòng)、水洗式廢氣處理系統(tǒng)等技術(shù)。主要有防爆動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、懸掛及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等組成，如圖1 WC12RE型防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車總體結(jié)構(gòu)所示。

圖1 WC12RE型防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車總體結(jié)構(gòu)

2、WC12RE型防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

WC12RE型防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車主體上采用成熟的防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車系統(tǒng)技術(shù)，本著提高該車駕乘舒適性、可操控性和可靠性的原則設(shè)計(jì)，因此該車設(shè)計(jì)的重點(diǎn)放在以下兩個(gè)方面：

（1）優(yōu)化防爆柴油機(jī)進(jìn)排、氣設(shè)計(jì)，減少柴油機(jī)功率損失，提高燃油經(jīng)濟(jì)性；改進(jìn)廢氣凈化系統(tǒng)，增加凈化效果，降低排氣溫度，增加防爆效果。由此能達(dá)到減少?gòu)U氣污染，改善礦井環(huán)境的目的。

（2）改變傳統(tǒng)換擋和油門控制形式，使換擋和加減速更加方便可靠；新開發(fā)液力變速箱，液力機(jī)械傳動(dòng)，提高路況自適應(yīng)能力。由此提高該車可操控性和可靠性。

2.2 動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

動(dòng)力系統(tǒng)以防爆柴油機(jī)為動(dòng)力，為整車提供動(dòng)力，要求能夠在爆炸性氣體環(huán)境中安全使用。主要組成部分有防爆柴油機(jī)、進(jìn)氣裝置、排氣裝置、防爆水冷卻系統(tǒng)等。WC12RE型防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車主機(jī)選用了天津雷沃生產(chǎn)的 CKS4100 ZQFB型四缸渦輪增壓柴油機(jī)，它具有體積小、功率大、低轉(zhuǎn)速高扭矩等特點(diǎn)。柴油機(jī)主體本機(jī)根據(jù)煤礦防爆要求進(jìn)行了處理，處理過(guò)的隔爆接合面的部位有：缸蓋與機(jī)體之間、進(jìn)排氣系統(tǒng)各部件之間、進(jìn)排氣系統(tǒng)與缸蓋之間、油標(biāo)尺位置、噴油器與缸蓋的配合處等。

2.2.1 進(jìn)氣系統(tǒng)

WC12RE型防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車的進(jìn)氣裝置如圖 2所示。它有空氣濾清器、渦輪增壓器、空氣關(guān)斷閥、阻火器及一些附件等組成。空氣通過(guò)空氣濾清器凈化，到渦輪增壓器增壓，經(jīng)過(guò)空氣關(guān)斷閥和阻火器，進(jìn)入防爆柴油機(jī)機(jī)體。

圖2 進(jìn)氣系統(tǒng)

該車的進(jìn)氣裝置配備了阻火器和空氣關(guān)斷閥。配置阻火器是為了防止柴油機(jī)可能出現(xiàn)的回火，從而點(diǎn)燃使用環(huán)境中可能出現(xiàn)的可燃?xì)怏w。在柴油機(jī)工作的過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)由于輸油泵或高壓油泵等元部件故障，導(dǎo)致熄火困難，空氣關(guān)斷閥通過(guò)切斷柴油機(jī)進(jìn)氣的方式，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)熄火。空氣關(guān)斷閥由氣路控制，通過(guò)氣缸推動(dòng)閥體開關(guān)。當(dāng)需要熄火時(shí)，通過(guò)控制氣缸實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)熄火。

2.2.2 排氣系統(tǒng)

WC12RE型防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車的排氣裝置如圖 3所示。它的主要組成部分有排氣管、排氣波紋管、廢氣處理箱、阻火器及一些附件等。柴油機(jī)的尾氣通過(guò)排氣管，進(jìn)入渦輪增壓器，為渦輪增壓器提供動(dòng)力，再經(jīng)過(guò)排氣波紋管，然后再到廢氣處理箱進(jìn)行冷卻和凈化，并通過(guò)阻火器，最后再排入大氣。

圖3 排氣系統(tǒng)

2.2.3 廢氣處理箱[3][4]

廢氣處理箱是排氣系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵零部件，它的作用是對(duì)柴油機(jī)排出的尾氣進(jìn)行水洗，起到降溫和凈化的效果。WC12RE型防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車對(duì)廢氣處理箱做了精心設(shè)計(jì)和優(yōu)化改進(jìn)，大大提高了降溫和凈化的效果。

防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車的尾氣排放溫度要求不高于 70℃，同時(shí)，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，防爆柴油機(jī)在使用工況條件下，未經(jīng)稀釋的排氣中，一氧化碳的含量不能超過(guò) 0.1%，氮氧化物的含量不能超過(guò)0.08%。在柴油機(jī)工作的工程中，尾氣通過(guò)廢氣處理箱的時(shí)候，會(huì)帶出一部分水汽，為了保證箱體內(nèi)始終有一定的水量，需要補(bǔ)水裝置進(jìn)行補(bǔ)水。基于這些要求本車設(shè)計(jì)的廢氣處理箱如圖4所示。

圖4 廢氣處理箱

1）防爆車輛的尾氣首先經(jīng)過(guò)氧化型催化凈化器（DOC）對(duì)尾氣中CO、碳?xì)浠锎呋幚恚缓笸ㄟ^(guò)導(dǎo)氣管進(jìn)入水箱底部，導(dǎo)氣管下面設(shè)有分流板，分流板攪動(dòng)廢氣氣在箱體底部向上流動(dòng)，通過(guò)與水的充分接觸清洗，提高凈化效率增大降溫效果，最后廢氣通往阻火器消除廢氣中的電火花，最后排出。

2）大水箱的補(bǔ)水通過(guò)大小水箱的壓差自動(dòng)補(bǔ)水，小水箱的補(bǔ)水由浮球水位控制機(jī)構(gòu)控制，小水箱內(nèi)的水通過(guò)虹吸管進(jìn)入大水箱，避免了大水箱中的污水流入小水箱損害浮球水位控制機(jī)構(gòu)。

2.2.4 雙水循環(huán)冷卻系統(tǒng)[5]

WC12RE型防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車的動(dòng)力系統(tǒng)的冷卻是由水冷卻系統(tǒng)和廢氣處理箱水洗尾氣來(lái)完成的，通過(guò)水冷卻系統(tǒng)和廢氣處理箱對(duì)尾氣的水洗，保證排氣溫度不超過(guò) 70℃，通過(guò)水冷卻系統(tǒng)保證動(dòng)力系統(tǒng)的各元部件表面溫度不超過(guò)150℃。

水冷卻系統(tǒng)需要對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的機(jī)油、機(jī)體、缸蓋、空壓機(jī)、渦輪增壓器、排氣管、排氣波紋管等元部件進(jìn)行冷卻。區(qū)別于普通工況條件使用的車輛，煤礦用防爆車輛需要增加對(duì)渦輪增壓器、排氣管和排氣波紋管的冷卻。WC12RE型防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，增加了一個(gè)水泵，水冷卻系統(tǒng)由兩個(gè)水泵來(lái)完成。渦輪增壓器、排氣管和排氣波紋管的冷卻通過(guò)增加的水泵進(jìn)行單獨(dú)冷卻，冷卻效果較使用一個(gè)泵的水冷卻系統(tǒng)大大提高。

防爆柴油機(jī)水冷卻系統(tǒng)如圖 5，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵是柴油機(jī)自帶水泵。防爆冷卻水泵專為防爆裝置提供冷卻，渦輪增壓器、排氣管、排氣波紋管都為雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為氣體通道，外一層為循環(huán)水通道。

圖5 雙水循環(huán)冷卻系統(tǒng)

2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

防爆柴油機(jī)的輸出動(dòng)力由傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞給輪胎，實(shí)現(xiàn)整車的運(yùn)行。傳動(dòng)系統(tǒng)如圖6所示。其主要組成部分有液力變速箱、傳動(dòng)軸、車橋、輪胎及一些附件等。該車的液力變矩器和變速箱連接在一起，液力變速箱是由液力變矩器和變速箱組成。

圖6 傳動(dòng)系統(tǒng)

該車采用的是后輪驅(qū)動(dòng)，變速箱檔位為前進(jìn)三檔、后退一檔以及空檔。變速箱通過(guò)傳動(dòng)軸將動(dòng)力傳遞給后橋，經(jīng)過(guò)后橋結(jié)構(gòu)中的主傳動(dòng)、差速機(jī)構(gòu)及半軸，驅(qū)動(dòng)后輪旋轉(zhuǎn)，從而使車輛行駛。該車的前橋以及后橋輪邊都有獨(dú)立的濕式多盤制動(dòng)器，用于行車工作制動(dòng)。后橋的輸入軸處，配置的停車及緊急制動(dòng)器可以作為停車及緊急制動(dòng)使用，也為濕式多盤制動(dòng)器。

后橋配置的停車及緊急制動(dòng)器是“彈簧制動(dòng)，液壓釋放”的結(jié)構(gòu)形式，當(dāng)不輸入高壓油的時(shí)候，彈簧通過(guò)活塞推動(dòng)動(dòng)片和靜片接合，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)；當(dāng)輸入高壓油的時(shí)候，通過(guò)液壓力推動(dòng)活塞，克服彈簧力，動(dòng)片和靜片脫開，從而車橋的傳動(dòng)部件可以正常旋轉(zhuǎn)。

停車及緊急制動(dòng)器可以通過(guò)液壓控制閥控制，當(dāng)切斷高壓液壓油的供給，便可實(shí)現(xiàn)停車制動(dòng)。而當(dāng)車輛的制動(dòng)液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障，導(dǎo)致液壓油壓力丟失，停車及緊急制動(dòng)器可以通過(guò)彈簧力促使動(dòng)片和靜片接合，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，起到緊急制動(dòng)的作用。

2.4 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

該車的轉(zhuǎn)向采用了液壓助力轉(zhuǎn)向，司機(jī)通過(guò)方向盤與轉(zhuǎn)向軸，控制轉(zhuǎn)向機(jī)的動(dòng)作，轉(zhuǎn)向機(jī)的搖臂與直拉桿連接，直拉桿與車橋的轉(zhuǎn)向連桿機(jī)構(gòu)連接，可以控制輪胎進(jìn)行轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向泵連接于發(fā)動(dòng)機(jī)的取力口，從油罐內(nèi)吸油后，輸出高壓油，傳導(dǎo)給方向機(jī)，幫助轉(zhuǎn)向機(jī)起到助力的作用。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用動(dòng)力助力轉(zhuǎn)向，該系統(tǒng)由方向盤、轉(zhuǎn)向柱轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸、油罐、轉(zhuǎn)向葉片泵、轉(zhuǎn)向機(jī)、直拉桿、轉(zhuǎn)向橋等組成。

2.5 其他系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)安全系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等其他部件，基本采用較為成熟的系統(tǒng)，根據(jù)整車設(shè)計(jì)需要，做了簡(jiǎn)單變動(dòng)，在此不再贅述。

3、結(jié)語(yǔ)

WC12RE型防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車結(jié)合煤礦市場(chǎng)需求，采用新開發(fā)的四缸渦輪增壓柴油機(jī)和液力變速箱，大大提高該車動(dòng)力性能；使用優(yōu)化改進(jìn)后的廢氣處理箱，改善了廢氣處理效果，結(jié)合雙水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，增強(qiáng)了冷卻效果。礦上使用的實(shí)踐證明，該車減輕了礦上員工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率和舒適性，創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 耿國(guó)龍.某型防爆柴油機(jī)廢氣處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].煤礦科技,2016年第二期（3-5）.

[2] 莊嚴(yán). 煤礦井下無(wú)軌膠輪車的選型原則[J]. 礦山機(jī)械, 2009, (09): 44-47.

[3] 劉開華,劉杏妹,姚甦.虹吸現(xiàn)象在防爆灑水車及防爆廢氣箱設(shè)計(jì)時(shí)的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械,2013年10月第34卷第10期（181-182）.

[4] 趙宏宇,魏永勝.WC8E無(wú)軌膠輪車廢氣處理箱的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].煤炭技術(shù),2014年10月第33卷第10期（199-200）.

[5] 王曉.某型防爆柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2015年4月第36卷第2期（111-115）.

The optimization design of the key components of WC12RE type explosionproof trackless rubber tyred vehicle

Zhang Jiarui1, Wan Zhongyuan2, Chu Weizhong3
( 1. Institute of intelligent manufactuning and automative of CQTBI, ChongQing 401520; 2. Technology center of ChangZhou Develepment & Manufacture Centre Co., Ltd., Jiangsu ChangZhou 213002; 3. Changzhou Automation Research Institute of China Coal Technology and Engineering Group Corporation, Jiangsu Changzhou 213015 )

In order to meet the needs of customers in coal mine, the paper proposed a design scheme of WC12RE explosionproof diesel trackless rubber-tyred vehicle, introduces the optimization for the vehicle to improve handling and comfort on the dynamic part of the improvement, and a brief overview of the system design such as part of the drive system, steering. The practice proved that the use of the car driving to improve the miners work environment, improve safety and comfort.

explosion-proof; trackless rubber-tyred vehicle; waste gas processing tank; double channel circulation cooling system; comfortable

U463.8

A

1671-7988 (2017)06-31-04

張甲瑞（1984-），男，工程師，碩士研究生，就職于重慶工商職業(yè)學(xué)院智能制造與汽車學(xué)院。現(xiàn)在主要從事特種車輛和新能源汽車的的研發(fā)和教學(xué)工作。常州市科技支撐計(jì)劃（項(xiàng)目）項(xiàng)目編號(hào)：CE20140067。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.06.010