礦用自卸車舉升機構的優化設計

唐云娟，張斐朗

（廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州545007）

0 引言

礦用自卸車的主要功能是將礦山中某一場地的礦物運輸到另一場地再卸掉，其舉升機構設計將直接影響到整車的工作效率，因此，舉升機構的設計顯得尤為重要。多級伸縮油缸直頂式舉升機構具有布置簡單、結構緊湊、舉升效率高、工藝簡單等優點，因此，本文涉及的礦用自卸車舉升機構采用多級伸縮缸直頂式舉升機構，油缸布置采用后置雙缸直頂式。

采用計算機輔助設計、優化設計等現代設計方法對礦用自卸車舉升液壓系統進行優化設計，對提高貨物運送效率非常重要。目前，我公司主要采用三維放樣對礦用自卸車的舉升機構進行優化設計，該方法是通過對舉升油缸支點位置的優化得出滿足卸料角要求的油缸最大安裝距等參數，再選幾個點，將貨廂轉到這幾個點所在的卸料角，量出油缸的力臂長度，計算在這幾個點時油缸力矩是否能克服貨廂力矩，如果不能克服，則繼續優化支點位置，進行反復調整。該方法有一個很大的缺點，就是在舉升油缸支點位置優化的過程中不能直觀地看出舉升力是否滿足設計要求，如果不能滿足，再重復調整油缸支點位置測量油缸力臂進行力矩計算，比較麻煩，工作量較大。

本文所介紹的舉升機構優化方法，不需要進行三維放樣，只需在電子表格中改變舉升油缸支點的參數，即可直觀地看出舉升機構是否滿足卸料角、舉升力矩及舉升時間的要求。

1 舉升機構優化要求

（1）能夠根據整機設計要求的舉升油缸的最大安裝距、最小安裝距以及舉升油缸的初定支點位置校核該舉升機構是否滿足最大的卸料角要求，如果不能滿足要求，可通過調整舉升油缸的最大安裝距、最小安裝距以及舉升油缸的支點位置進行優化，以滿足最大卸料角要求。

舉升機構的最大卸料角是指液壓舉升機構能使貨廂傾翻的最大角度。它是決定能否把貨廂內貨物傾卸干凈的參數。松散物料當在水平面上堆積時，一般會自然堆成一個圓錐體，這個錐體角就稱為松散物的安息角，一般為35°～55°。安息角的大小是評價松散物流動特性的一個重要指標，它與松散物的塵粒形狀、含水率、粒徑、松散物粘附性、塵粒表面的光滑程度等因素都有關[1]。因此在設計的時候應該保持液壓舉升機構最大的卸料角大于貨物的安息角，這樣才能夠保證將貨廂內的貨物卸載完全。

（2）能夠根據整機設計要求的舉升液壓系統壓力、舉升油缸直徑及礦用卸車載重量校核該舉升機構是否滿足舉升力要求，如果不能滿足要求，可通過提高舉升液壓系統壓力、加大舉升油缸直徑以及優化舉升油缸的支點位置等方法提高舉升力矩以滿足舉升力矩要求。

（3）能夠根據液壓系統相關參數計算出貨廂的舉升時間和下降時間，如果舉升時間和下降時間不能滿足設計要求，可通過優化舉升液壓系統的相關參數滿足設計要求。

2SGR100C礦用自卸車舉升機構優化實例

2.1 SGR100C礦用自卸車舉升機構的組成及工作原理

SGR100C礦用自卸車的舉升機構組成如圖1、圖2所示，主要由舉升油缸、工作泵、舉升閥、先導供油閥、先導閥、平衡閥、油箱及管路組成。舉升泵安裝在發動機動力輸出端，舉升油缸的上支點安裝在貨廂上，舉升油缸的下支點安裝在車架上。當駕駛員將礦用自卸車駕駛到某一卸料場地時，將車停好后，按下裝載制動按鈕，操縱先導閥的手柄至舉升位置，使舉升閥換向到舉升位置，舉升泵從油箱吸油后經舉升閥進入到舉升油缸的無桿腔，舉升油缸有桿腔內的液壓油則經平衡閥、舉升閥回到油箱，舉升油缸將貨廂舉起進行卸料；將貨廂內的貨物卸載完成后，駕駛員則將先導閥的手柄操縱至下降位置，使舉升閥換向至下降位，舉升泵打出的液壓油經舉升閥、平衡閥進入到舉升油缸的有桿腔，無桿腔的液壓油則經舉升閥回到油箱，貨廂在動力作用下下降，當貨廂開始由于重力作用下降時，操縱先導閥的手柄到浮動位，使舉升閥處于浮動下降位置，直到貨廂下落并?？吭谲嚰苌?，完成了舉升機構的整個工作過程，礦用自卸車即進入到下一個工作循環[2]。

圖1SGR100C礦用自卸車舉升機構示意圖

圖2SGR100C舉升液壓系統原理圖

2.2 SGR100C礦用自卸車整機設計要求

（1）舉升油缸為二級伸縮缸；

（2）卸料角不小于 45°；

（3）一級油缸的直徑不大于210；

（4）系統工作壓力不高于20 MPa；

（5）貨廂前部斜角為8°，貨廂尾部斜角為16°；

（6）貨廂舉升時間≯18 s，貨廂下降時間≯15 s。

2.3 SGR100C礦用自卸車舉升機構優化

如圖1所示，根據表1、表2所列的計算公式，優化步驟如下：

表1 油缸舉升力計算

表2 動力矩與阻力矩計算

2.3.1 確定能否使用二級油缸

暫定舉升油缸的支點位置，得到尺寸a、b、c，a為油缸上下支點的距離，a0為活塞完全縮回時的舉升油缸長度，即最小安裝距Lmin，根據舉升油缸的最小安裝距Lmin及卸料角大小可以求出油缸的最大安裝距Lmax，求出舉升油缸行程，從而確定能否使用二級油缸。

2.3.2 計算舉升油缸的舉升力矩

（1）根據舉升油缸的缸徑及系統壓力，分別計算出一級油缸和二級油缸的舉升力；

（2）根據貨廂的旋轉角度計算出在該角度時油缸的長度；

（3）計算在該位置時油缸與下支點和鉸點連線的夾角；

（4）計算油缸臂；（5）計算油缸力矩。

2.3.3 計算貨廂（含貨物）的力矩

（1）求出貨廂（含貨物）的重心；

（2）求出貨廂（含貨物）對鉸點在各個位置時的力臂；

（3）貨廂（含貨物）的力矩。

說明：由于在上述計算力矩的過程中，是假定在各個位置時貨物都是不灑落的，而實際過程是在貨廂舉起的過程中貨物在不斷地灑落，因目前還不能很好地用公式計算出邊舉升邊灑落的工況時貨物的重量，為使計算更加準確，本文采用的是從三維模型中在貨廂舉升到各個角度時切去已卸掉的料后得到的重量。

2.3.4 判斷舉升力是否滿足要求

如果貨廂舉長至每一個角度時油缸力矩都大于貨廂（含貨物）的力矩，并且貨廂的卸料角大于等于貨物的安息角，則該舉升機構滿足設計要求；如果優化結果不能滿足設計要求，則需重新調整油缸支點的位置或油缸參數進行優化。

2.3.5 計算舉升時間和下降時間是否滿足要求

如表3所示，計算過程如下：

（1）計算各級油缸的無桿腔面積及有桿腔面積；

（2）計算各級油缸的無桿腔容積和有桿腔容積；

（3）計算各級油缸的舉升時間和下降時間；

（4）計算整個機構的舉升時間和下降時間。

如果不滿足設計要求，則再調整相關參數進行優化。

3 結論

本文所介紹的舉升機構優化設計方法，使用簡單方便，只需在電子表格中輸入相關參數，即可直觀地看到貨廂的舉升角度是否滿足卸料角的要求，在貨廂（包含貨物）的整個舉升過程中舉升力矩是否能夠克服貨廂（包含貨物）的力矩，貨廂的舉升時間是否滿足設計要求。該方法可以作為模版在設計舉升機構時使用或驗算一些舉升機構的設計合理性。