一種礦用防爆電動無軌膠輪車貨箱設計*

王亞軍

(神東煤炭集團技術研究院，陜西 神木 719315)

0 引言

無軌膠輪車由于無軌道的限制，具有牽引力大、適應性強、機動靈活性好、安全高效、使用范圍廣等特點[1]，廣泛應用于井下施工和生產中，是現代化礦井的重要裝備。貨箱作為整車主要的承載部件，在設計中必須保證其載重質量及其體積的要求上，采用輕量化設計貨箱，可以降低整車自重，從而減小能耗。

1 貨箱設計思路及要求

貨箱設計時，針對具體的工作條件，需要考慮物料的破碎程度、密度、硬度以及裝載工具、裝料、卸料和運輸道路情況及養護方式[2-4]。根據電動輪礦用自卸車總體方案要求及整車布置情況，貨箱設計應滿足以下要求：貨箱承載5 t，設計容積為3 m3；貨箱本體和舉升油缸重量≤500 kg，壽命在3 a以上；貨箱設計時應具有一定的強度、剛度，并有足夠的抗沖擊能力；貨箱應設計有加高欄板，保護貨箱前面的電池；具有貨箱舉升后的保險裝置。

保證上述總體要求，現階段國內礦用或者其他場合小型貨斗多數采用傳統的小噸位自卸車的貨斗結構方式，如圖1所示。底板、側板、前后面板和加強筋全部采用普通鋼板，貨箱本體周圈全部布置大量加強筋，其特點為：大量使用加強筋；焊縫多；矩形截面；外觀強壯憨實[5-8]。然而，國內外發展的趨勢是輕量化減重設計，特別礦用電動自卸車領域，降低結構重量，合理匹配電池數量，是保證技術指標先進的關鍵。減重設計關鍵在于優化結構設計而減少加強筋的布置，合理布局加強筋的位置和截面形狀，采用綜合性能好的鋼板代替普通的鋼板等，本車型貨箱結構形式采用高強度的耐磨板作為貨箱殼體，局部受力關鍵位置合理布置加強筋。如圖2所示，圓形截面貨箱的結構形式相比傳統貨箱，可以大大減少加強筋的布置，從而降低貨箱重量，因此本車型貨箱設計采用該結構形式。

綜合考慮貨箱承載要求和實際成本，貨箱鋼板選用強度高、焊接性、耐磨性好的高強度合金鋼板。

圖1 傳統貨車車廂

圖2 圓形截面貨箱

目前，礦用車貨箱材料可供選擇的主要有瑞典HARDOX悍達耐磨鋼板、國產耐磨鋼板NM400、武鋼的高強度焊接結構鋼系列等。其中，NM400、HG60HE、HG70E、Q550E、HARDOX力學性能見表1。

表1 NM400、HG60E、HG70E、Q550E等力學性能

綜合材料性能與經濟性考慮，貨箱本體材料擬選用NM450，關鍵部位加強筋采用HG70E，普通加強筋采用普通鋼板Q345。

2 貨箱設計

2.1 結構工藝特點描述

傳統設計的貨箱外觀牢實，但易出現應力集中、無法吸收沖擊功、板材的性能受焊接影響較大等。現在，國外越來越多的礦用自卸車貨箱橫截面采用半圓形設計，很少或者無加強筋，可僅根據客戶使用要求加適量的加強筋。圓形截面是最佳受壓截面，受力分析如圖3所示，貨箱截面盡量設計成圓滑過渡截面。考慮本膠輪材料運輸車結構布置情況，在保證輪胎跳動量和貨箱容積要求下，該車貨箱采用多道折彎截面，形成接近圓滑過渡截面如圖4所示。貨箱長度方向側面為流線型外觀。

圖3 兩種截面貨箱受力分析

根據材料運輸車的總體設計要求，貨箱額定載重為5 t，體積為3 m3。考慮整車布局中車架輪胎安裝位置要求和貨箱的容積要求，確定貨箱的截面形式為接近圓滑過渡截面，同時也保證了輪胎的跳動量在允許的范圍內。

圖4 貨箱截面圖

貨箱是整車裝載貨物的承重部件，在保證承載量的要求下，本車膠輪材料運輸車貨箱設計方案中，為了實現該車型最大續航里程，貨箱采用輕量化設計的思路。傳統的小噸位貨箱底板、左右側板、后欄板采用普通鋼板焊接而成，通過加強筋保證整個貨箱的剛度和強度，導致鋼板使用多、焊縫多、貨箱重量重。本貨箱的尺寸較小，底板側板可以采用一體折彎工藝而成，傳統底部布置加強筋來提高貨箱的剛度和強度，采用折彎減少底部縱筋的數量，實現了減重，減少焊接，大大減少工序以提高效率節約成本。貨箱殼體成型采用底板與側板焊接方式，如圖5所示。底板折彎后與左右側板焊接成型，底板最底端折彎兩次，以加強底部承載能力，左右側板經兩次折彎成型，底板和左右側板采用高強度的耐磨板。

圖5 貨箱殼體成型方式

2.2 貨箱結構設計

貨箱總體結構及參數：貨箱和舉升機構的三維圖和爆炸圖如圖6所示，貨箱由各組成部分參數見表2。貨箱由面板及加強筋組成。貨箱本體主要為貨箱面板(前面板、嵌板、左右側板、底板)。左右側板經過兩次折彎與底板搭焊，嵌板兩道折彎成型，整個貨箱采用貨箱本體與加強筋配合焊接成型。

a-貨箱；b-舉升三維圖圖6 貨箱和舉升三維圖爆炸圖

箱油缸舉升支座設計：本車型舉升油缸布置為與貨箱連接端為球鉸接，與車架連接端為支座耳鉸接。油缸的舉升頂點球鉸接通過舉升支撐座安裝，如圖7所示，支撐座與舉升支撐板焊接，支撐板內部嵌球面襯套，半球塊通過螺紋連接將球頭固定。支撐座和支撐板、半球塊采用材料Q345，由于舉升點關鍵受力點，受力較大，為此，在舉升鉸接處布置了前面板豎筋，斜筋、支撐筋保證整個油缸舉升處結構強度和剛度。

貨箱與車架連接的后舉升鉸接座設計：貨箱舉升鉸接系統與車架連接主要為后鉸接點、油缸舉升點。滿載靜止時貨箱底板支撐筋與車架上的減震墊接觸，承受整個貨箱的重量。油缸實現舉升貨箱時，整個貨箱通過后舉升鉸接座旋轉完成卸料。由于后鉸接點受力較大，在鉸接處布置了整圈加強筋，后舉升鉸接支座布置在加強筋上來保證此處結構強度和剛度，如圖8所示。

表2 貨箱和舉升主要參數

圖7 油缸球鉸安裝

圖8 舉升筋和后鉸接座三維圖

貨箱后面板部件設計：貨箱后面板設計成翻轉自動卸貨的形式，如圖9所示，整個部件通過鉸接板與貨箱本體連接，后面板根據受力分析結果布置了加強筋。鉸接翻轉部位受力較大，設計時局部加強，貨箱上部左右對稱設計兩個安裝座與貨箱左右側板筋焊接保證此處與鉸接板鉸接的強度，且結構較為簡單。貨箱左右側面和后面布置兩套鎖緊裝置，實現雙保險。

圖9 后面板總成三維圖

貨箱與車架限位支座設計：整個貨箱和舉升機構靠與車架相連的舉升鉸接點和油缸鉸接點限位，考慮到貨箱在空載、轉向時，較大的振動可能導致翻轉，參照國內外同類產品，在車架和貨箱上面各焊接限位支座將其限位。限位板采用螺接方式與貨箱板、車架板連接，其優點為限位板更換方便，如圖10所示。

圖10 限位支座三維圖

貨箱檢修支撐裝置設計：礦區跑車運料時，即貨箱在使用和生產過程中，需要經常檢修。檢修時將空貨箱舉升支撐到一定高度。需設計檢修裝置，選用支撐鋼板，在車輛正常工作時，支撐桿固定在車架后部梁上，當貨箱檢修時，支撐桿支撐在貨箱底部如圖11所示。

圖11 支撐桿支撐貨箱三維圖

2.3 貨箱的有限元分析

對貨箱進行有限元分析，得出各工況下應力最大值結果見表3。

表3 各工況應力最大值

3 貨箱舉升系統設計

根據貨箱和車架的安裝位置，布置舉升油缸的舉升位置，通過校核舉升力確定舉升油缸的缸徑。本車型采用單缸舉升，布置貨箱前部受力小，這種布置結構簡單，易于實現，為了保證舉升機構具有良好的穩定性，同時使液壓舉升系統具有較好的油壓特性，確定為單缸兩級油缸舉升。

根據結構布局，并考慮舉升油缸所能允許的安裝尺寸，做出一種比較合理的舉升油缸安裝點位示意圖，如圖12所示。

圖12 舉升油缸安裝點位示意圖

油缸安裝點位布置的基本原則是：①油缸鉸接點A與貨箱鉸接點O之間的距離盡量大；②油缸軸線原始位置AB盡量垂直地面；③為了保證油壓特性，油缸級數盡可能少，即AB-ABO的值盡可能小；④保證最小離地間隙不得小于230 mm，舉升后貨箱最高點離地面距離不得超過3 000 mm。

壓油缸選型手冊取第一級油缸工作直徑d1=120 mm，第二級油缸工作直徑d2=80 mm。油缸與車架連接端采用鉸接，與貨箱端可由圖12得出：直推式舉升機構油缸最小安裝距離為1 100 mm，油缸舉升后距離為2 453 mm，油缸總行程1 353 mm，選擇兩級油缸，則單級行程為676.5 mm。

通過對O點分析力矩平衡得到油缸在零行程時，油缸受到貨箱和貨物的反力F為

(1)

對于直推式舉升機構進行受力分析和計算時，需引入力矩比η，即當任意一節油缸套筒將要伸出時，舉升機構提供的舉升力矩與阻力矩之比。考慮到舉升初始階段各鉸支點靜摩擦力矩(即阻力矩)較大，為使液壓系統工作平穩，避免發生過大的沖擊，通常取η1=3～4，而最后一節油缸對應的ηn=1～2。本方案為兩級油缸，這里取η1=4,η2=1.5。

單根油缸在第一節剛伸出時，油缸推力為

F1=η1KF=80 094.8 N

(2)

由于

(3)

則第一級油缸有效工作直徑為

(4)

式中：d1—第一級油缸計算缸徑，mm；p—液壓系統舉升壓力，本系統p=10 MPa。同理可以計算得到第二級油缸有效工作缸徑為d2=68.89 mm。因此，參照江蘇恒立油缸進行選型。

4 礦區跑車試驗效果及其改進

貨箱礦區跑車試驗中，首臺貨箱結構布置合理，各種工況都能滿足要求，結構可靠。后續根據礦區續航里程的要求減少，對電池布局進行更改，由最初的6塊電池減少為4塊電池，根據總體布置，結合首臺貨箱的設計經驗和要求，改進型車型設計系列長貨箱和短貨箱兩種，共用同一種舉升系統，具有互換性，如圖13、14所示。貨箱結構形式均采用高強度板的貨箱本體+普通鋼板加強筋。

圖13 改進型長貨箱

圖14 改進型短貨箱

5 結語

貨箱在礦區裝配為整車并投入生產，根據目前已多車累計運行20 000 km，單車累計運行8 000 km的情況，本車電動輪礦用自卸車貨箱和舉升機構結構布置、外形尺寸、強度、重量等各項指標均能滿足實際使用需求，效果較好。