大型礦山電動輪汽車轉向缸銷結構設計改進

周玉華

(江西銅業集團 城門山銅礦采礦場， 江西 九江 332100)

隨著礦山規模的不斷擴大，電動輪自卸車在年開采量1 000萬噸級以上大型露天礦山的運輸設備中，起著舉足輕重的作用[1]。江銅德興銅礦銅廠和富家塢采區日采選礦石產能為13萬t/d，其礦石年采剝總量巨大，達1.32億t/a，采用十幾臺大型電動挖掘機和配套的七十多臺電動輪卡車進行采礦作業，其中小松730E電動輪汽車屬于主力車型。

隨著該礦幾大采區產能的不斷提升，730E電動輪汽車采用四班三運轉方式，運輸任務十分繁重，其工況極其惡劣、復雜，高粉塵、高負荷、高強度，其轉向缸銷固定螺栓常會產生松動、脫落，致使其轉向缸銷孔磨損變大、轉向缸銷被切斷等，導致停機事故頻發。由于液壓系統元件精度較高，因而其故障修復長期以來一直成為礦山設備維修的技術“瓶頸”[2]。為使該型電動輪始終處于完好的技術狀態，保證其正常作業和延長使用壽命，降低生產成本，提高礦山技術經濟效益，針對其進行結構設計改進，十分必要。

1 主要結構組成

730E電動輪汽車載重量大、運輸快捷和安全穩定性較好。其配備了一臺全天候的動力轉向系統，這樣可以直接為操作人員提供轉向控制。其動力轉向系統包括充氮的蓄能器，這樣可以在轉向液壓減少至規定的最低值時供應緊急的能量，且其設計性能會影響汽車的操縱穩定性和駕駛舒適性，對行車安全至關重要，故汽車轉向系統零件皆稱為保安件[3]。其轉向系統采用液壓式，與整車、其它總成及各系統息息相關。其轉向油缸總成主要由油缸殼體、活塞桿、活塞軸承、活塞密封總成、密封壓蓋、心軸臂、安裝支架、鎖緊螺母、球面軸承、定位器等部分組成。其轉彎半徑 (SAE)為28.0 m，具有蓄能器的雙液壓油缸能協助連續的額定轉向。儲能器能自動提供緊急動力轉向。其轉向系統具有輕便、靈敏、易控制等特點[4]。其中轉向缸銷主要由螺桿、螺母、壓板、銷孔座、銷子等部分組成，是轉向油缸的關鍵零件，其使用壽命直接影響安全生產和生產成本。

該型電動輪汽車設置有符合或超過SAE J1511和ISO 5010標準的緊急轉向系統。它可用作備用裝置，適用于主轉向系統發生供油損失的狀況下。若低轉向系統壓力指示燈和報警啟動，則至轉向和制動系統的液壓油供應存在故障。報警首次啟動后，應快速安全地停住卡車極為重要。若供油壓力下降至預定的水平，低制動壓力警告燈也將點亮；若油壓繼續下降，制動自動施加功能將啟動，且行駛制動也將自動施加以停住卡車。

2 轉向缸銷失效主因分析

730E電動輪汽車動力轉向系統作業頻繁，故障率較高。方向盤轉向轉動至一定的角度時，經轉向控制閥，可定向、定量地將油泵所提供液壓油分別注入油缸的左右腔，并使轉向缸銷在受力的狀況下，推動導向輪實現動力轉向。然而，轉向缸銷處于工作狀態下，由于銷軸與銷孔接觸部位受到外界不同方向的反復沖擊，加之受到重心疊加等復合載荷的影響，產生的應力狀態相當復雜，容易使銷軸與銷孔之間的磨損間隙逐漸變大，銷孔內的缸瓦受到力的沖擊，也會不同程度產生開裂、破損，甚至導致本體嚴重磨損；同時，銷軸在銷孔內也跟著轉動，嚴重時銷孔內的銷軸會產生嚴重磨損、斷裂或脫落，致使車輛失控，甚至造成設備停機，安全事故隱患較大，從而成為該礦安全生產的技術“瓶頸”。

2.1 銷軸失效

銷軸的使用性能除了受其材料影響之外，還與其表面粗糙度、硬度及與銷套的配合公差有關，特別是與銷套的硬度配比對銷軸耐磨性影響較大。大量銷軸失效研究表明，磨損是銷軸的主要失效形式，約占80%；斷裂失效次之。而銷軸磨損可劃分為磨合、磨粒磨損、粘著磨損三個階段[5]。銷軸磨損階段圖，如圖1所示。

圖1 銷軸磨損階段圖

(1)磨合階段。主要是微凸體改變自身形狀和材料的冷作硬化，銷軸表面粗糙度是該階段磨損的影響主因。(2)磨粒磨損階段。銷軸磨損量較小，磨損時間較長，硬度和配合是該階段的影響主因，其中配合是通過影響潤滑狀態來影響磨損的，而表面粗糙度也會影響這一階段穩定后的配合，進而影響銷軸磨損。(3)粘著磨損。該階段銷軸磨損迅速，易超過極限值。為避免銷軸提前失效，必須確保其表面粗糙度、硬度及公差配合良好。

2.2 銷孔失效

銷孔變形是因為車輛在運行過程中受到外界不同方向的反復沖擊、重心疊加的影響，致使其應力狀態變得異常復雜。根據該型電動輪汽車轉向缸銷設計的實際，可分析出該處銷軸存在設計缺陷，最直接判斷是銷軸在車輛運行過程中使用動力轉向時，銷軸也會隨之轉動，久而久之銷軸處于摩擦狀態，銷孔也會逐漸變大。

2.3 缸銷失效

由于轉向缸銷由螺栓直接固定，無任何設計阻擋銷軸水平旋轉運動的物體，車輛運行過程中產生震動，易使螺栓、壓板松動或脫落，銷軸整體無受壓、無保護，一旦車輛遇到大的沖擊時，轉向缸銷易上下竄動，銷軸與銷孔磨損加劇，轉向受力陡增，銷孔軸承破碎，導致轉向缸銷易磨損和斷裂，時而還會出現轉向缸銷整個外竄現象，造成電動輪汽車在運行時突然無方向，極易釀成嚴重的安全事故，安全隱患極大。

2.4 停機維修

據統計，由于緊固轉向缸銷固定螺栓和修復轉向缸銷孔頻繁，該礦由此造成的年停機時間超過5 000 h/a，導致設備使用率低，員工勞動強度大。究其主因，主要是原設計轉向缸銷和固定方式設計存在缺陷，原轉向缸銷是由螺桿、螺母、壓板共同作用固定于銷孔座上的，該固定方式僅限制了轉向缸銷的上下運動，卻不能很好地限制轉向缸銷的水平旋轉運動。730E型電動輪汽車載重約200 t，其轉向時對轉向缸銷會施加旋轉力較大，若僅靠螺母、螺桿和壓板共同作用的磨擦力，根本無法有效地限制轉向缸銷的水平旋轉，反而易使固定螺栓產生松動。而轉向缸銷旋轉會使銷孔磨損變大、變形，導致固定螺栓易松動，銷孔損壞加劇，從而產生惡性循環。改進前轉向缸銷固定方式，如圖2所示。

1.銷子 2.壓板 3.銷子 4.銷孔座 5.螺母 6.螺桿 7.銷孔座圖2 改進前轉向缸銷固定方式

2.5 維修成本

該礦730E電動輪汽車共有20余臺，以一年修復一次計算，修復轉向缸銷，銷孔、鏜孔費用和備件費用共消耗20余萬元，且維修成本正在逐年遞增。為及時消除故障，杜絕設備安全隱患，大幅降低備件消耗及維修成本，避免造成大的經濟損失，分析轉向缸銷在運行過程中水平旋轉運動故障，并對其進行結構設計改進已迫在眉睫。

3 轉向缸銷結構設計改進

通過現狀調查原因，確定了限制轉向缸銷的水平旋轉是解決故障的關鍵所在。經過反復分析與研究，針對轉向缸銷進行結構改進，具體方案如下。

3.1 轉向缸銷設計改進

2011年2月，根據測繪轉向缸銷孔內徑、長度及定位尺寸，結合方案優化設計；4月初測繪設計完成，成功制作出樣品。原設計轉向缸銷是臺階型圓柱銷，新設計在轉向缸銷銷頭上增設一個帶切面的銷頸。改進前后銷頸對比圖，如圖3所示。

1.改進前銷頸 2.改進后銷頸圖3 改進前后銷頸對比圖

3.2 銷子固定方式改進

新設計是在銷孔座上部安裝擋塊，與轉向缸的銷頸切面相互配合，以限制銷子的水平旋轉。改進銷子固定方式，如圖4所示。

2011年5月至8月，按以上設計改進方案，先安裝在一臺730E電動輪汽車上進行跟蹤試用，并跟蹤試用3個月后未出現固定螺栓松動、銷孔磨損等現象，效果十分明顯。逐步擴大試驗范圍，推廣應用于至其它730E電動輪汽車，通過持續跟蹤，應用效果良好，但使用中不難發現，第一次設計擋塊僅是簡單長方體通過焊接裝于銷孔座上，每次更換磨損的擋塊，都必須采用氣割方法去除舊擋塊，再焊接新擋塊，維修非常麻煩。

1.銷子 2.壓板 3.銷子 4.擋塊 5.銷孔座 6.螺母 7.螺桿 8.銷孔座 9.擋塊圖4 改進銷子固定方式1

3.3 擋塊設計改進

2011年9月，通過擋塊使用現狀調查，針對上述磨損擋塊更換的麻煩，采取二次設計改進，將擋塊重新設計成由帶螺絲孔的擋塊座、擋塊、螺釘組成的復合型擋塊。擋塊座焊在銷孔座上，擋塊用螺釘固定在擋塊座上。一旦擋塊磨損后，僅需拆裝螺釘，即可方便地更換新擋塊。改進銷子固定方式，如圖5所示。二次改進后，更換磨損擋塊較方便，維修時間短，通過使用跟蹤，該型電動輪汽車試用狀況良好，設備出勤率高。

1.銷子 2.壓板 3.銷子 4.擋塊 5.銷孔座 6.螺母 7.螺桿 8.銷孔座 9.擋塊 10.螺桿圖5 改進銷子固定方式2

4 結語

生產實踐表明，730E電動輪汽車轉向缸銷結構設計改進是成功的，徹底解決了其轉向缸銷、銷孔易松動或異常損壞，解決了長期困擾該礦設備維修的技術“瓶頸”。年可減少因鏜孔、緊固螺栓造成停機時間約5 000 h(鏜孔2 000 h，每天緊固螺栓近3 000 h，相當于一臺730E電動輪汽車的年產量，增加運輸礦或廢石近270多萬噸。以年修復轉向缸銷一次進行保守計算，改進后每臺電動輪汽車年維修成本可由20余萬元降至1萬元以下。目前，該礦已將該成果應用于舉升缸銷、橫拉桿銷等固定方式上，并全面推廣應用至該礦所有的電動輪汽車。其作業效率、可開動率、設備利用率高，生產成本低，安全隱患低，使用壽命長，確保了該礦的安全生產，技術經濟效益和社會效益十分顯著。