梅山鐵礦多功能運輸車傳動系統優化與應用

李兆猛

（南京梅山冶金發展有限公司礦業分公司）

多功能運輸車是現代礦山建設的重要輔助運輸設備。多功能運輸車由動力系統、傳動系統、工作系統、電氣系統及其它輔助系統組成。傳動系統由變速箱、傳動軸、驅動橋組成，具有控制車輛在一定速度行駛的功能，關系到車輛的速度控制和車輛剎車性能，對行車安全具有重要意義［1］。梅山鐵礦在國內率先使用多功能運輸車，對多功能運輸車的傳動系統也進行了有益探索。梅山鐵礦現有5臺多功能運輸車，承擔礦山炸藥、油料以及其它輔助材料的運輸工作。

1 現狀分析

隨著梅山鐵礦原礦產量的日益增加和采礦生產爆破分段水平的不斷下移，梅山鐵礦斜坡道運輸距離由3.2 km延伸到5 km以上，大載質量長距離下坡對運輸車輛的性能提出更大的考驗，現有設備制動性能已不能滿足礦山安全生產的要求。主要問題如下：

（1）多功能運輸車使用112系列剛性行星驅動橋，使用螺旋錐齒可以提供大扭矩和高效率，制動形式為橋體制動器，此種車橋剎車方面的優點是使用較小的力矩就可以實現剎車制動，同時缺點也比較明顯，剎車片數量較少，難以承受長距離、多頻次的頻繁剎車［2］。

（2）梅山鐵礦部分路面為迎頭碎石路，路況較為復雜，操作人員需要頻繁制動，剎車制動時間較長，摩擦片溫度升高較快，設備缺乏有效的橋內部冷卻系統，造成摩擦片摩擦系數快速下降，剎車性能急劇下降。

（3）該型多功能運輸車行車制動的液壓系統采用供油剎車制動，停車制動使用斷油剎車油缸和相應連桿機構推動剎車片進行制動，此種剎車形式存在剎車反應時間較長、緊急情況下安全性較差、故障率較高等缺點［3］。

2 傳動系統改造及實施

針對梅山鐵礦生產條件變化和車輛性能及運行中出現的問題，對傳統系統的優化初步方案是使用承受更大動載和具有冷卻功能的車橋、配套擺動架和液壓系統。

2.1 驅動橋的選型

德國Kessler公司產的驅動橋使用彈簧制動，液壓松閘制動器即油浸式濕式制動器。該制動器的制動轂布置在驅動橋兩端，靜摩擦片內花鍵與制動器外殼連接，動摩擦片交叉懸置于靜摩擦片之間，通過外花鍵與輪轂相連，隨輪轂一起轉動。制動狀態時沒有壓力油到達制動活塞，制動彈簧自由推動剎車活塞來壓緊動靜摩擦片，輪轂和制動器連為一體；行駛狀態時壓力油到達制動活塞，活塞壓推動制動彈簧，動靜摩擦片處于自由狀態，輪轂和制動器外殼可以自由活動，車輛可以正常行駛。同時動靜摩擦片由骨架封和背靠背密封形成空腔，允許冷卻油流過摩擦片，將制動產生的熱量帶走，防止摩擦片溫度升高，保證剎車性能的穩定性不變。這種制動方式安全可靠、使用壽命長、停車制動與行駛制動作用到一處，制動液壓系統相對簡單，反應也更加靈敏。

2.1.1驅動橋的型號的確定

112驅動橋的靜承載能力是16 000 kg，多功能車空載質量為是7 500 kg，滿載質量不超過12 500 kg，通過測量，空載時后橋載質量是2 700 kg，滿載時后橋荷載是9 500 kg，外輪廓寬度是1 790 mm。通過載荷匹配，初步選擇Kessler公司生產的D81系列驅動橋。此系列橋的外輪廓寬度為18 000 mm，靜承能力為32 000 kg，完全滿足車輛承載要求，相較于112系列驅動橋承載力更大，安全系數更高。

2.1.2減速比的確定

根據一級減速和輪邊減速的傳動比計算公式：

式中，i0為總傳動比；i1為一級減速器的傳動比，等于盤齒數目與錐齒數目的比值；i2為輪邊減速器的傳動比［4］。

通過查詢112系列驅動橋的減速比i0=22.3，D81系列驅動橋減速比可選22.4，滿足車輛傳動需求。

2.1.3制動距離的核算

查詢可知，D81系列驅動橋的制動力矩為17 600N·m，大于112系列驅動橋的制動力矩15 500 N·m，制動力矩滿足需要。

井下車輛標準行車制動器制動距離m為

式中，v為車輛運行速度，km/h。

滿載運行時速20 km/h時，計算制動器距離應小于10.29 m。使用D81系列驅動橋滿載時速20 km/h時，經過測量制動距離是4.1 m，制動時間為1.5 s。因此，對比礦山無軌設備安全標準，使用D81驅動橋完全符合相關安全標準。

通過載荷核算、傳動比核算、剎車安全距離核算，D81系列驅動橋完全符合使用要求，且通過對車橋輸出接盤的加工，可以實現和車輛原有傳動系統匹配［5-6］。

2.2 擺動架

選取D81系列驅動橋后，由于驅動橋固定安裝尺寸不同，則需要重新設計加工前橋擺動架。重新設計擺動架，將原有擺動架割除，新擺動架安裝如圖1所示，將1、3連接板與前機架焊接為一體，擺動架2通過螺栓和驅動車橋5連為一體，擺架2通過銷軸和銅套在連接板1、3之間可以有±10°的擺動。

2.3 剎車液壓系統

D81驅動橋行車制動采取斷油剎車的剎車模式，故剎車液壓系統需要進行必要的設計優化。經過分析，需要對行車制動和冷卻系統進行設計，設計原理如圖2所示。

（1）行車制動。剎車壓力油P來自于原有制動剎車沖壓閥，壓力油P來到腳剎閥1，正常工作時壓力油通過腳剎閥到達前后橋，推動活塞推開彈簧，打開動靜剎車片，驅動橋2、3的輪轂和剎車體可以自由轉動，車輛可以正常行駛。需要行車制動時，踩下腳剎閥2，壓力油P被截斷，到驅動橋2、3的剎車油管腳剎閥1的T口相連，壓力油返回液壓油箱，制動彈簧壓力進入自由狀態，制動彈簧推動活塞壓緊動靜摩擦片，驅動橋2、3的輪轂和剎車體合為一體，車輛進入制動狀態。

（2）冷卻系統。冷卻壓力油P1來自于原車沖壓閥的溢流回油，冷卻油到達前后驅動橋2、3，對動靜摩擦片冷卻后由T口回到液壓油箱。

3 工業化驗證及改進

經過優化后的多功能車在梅山鐵礦進行了工業化驗證。長期運行后，故障率較低，安全性大幅度提升，滿足礦山安全運行需要。但是也存在一定問題，主要表現為輪邊密封經常漏油，經過分析測量發現，由沖壓閥溢流出的冷卻油P1流量不穩定，壓力在0～4 MPa波動，造成橋內壓力過高，超出輪邊背靠背密封承受壓力1 MPa。故對液壓系統進一步改進，圖3為改進后液壓原理圖，改進后液壓系統安裝齒輪泵2，溢流閥4和流量調節閥3，冷卻液壓系統的齒輪泵1由液壓油箱吸取液壓油，經過流量調節閥3和溢流閥4，形成壓力和流量穩定的冷卻壓力油，來到驅動橋9對動靜剎車片進行冷卻后，經過單向閥和濾芯液壓油回到液壓油箱。

4 結 語

經過工業化驗證及后續的改進，優化后的設備長期在梅山鐵礦運行，多功能運輸車滿載在斜坡道長距離行駛安全性能滿足需求，制動效果得到較大改善，故障率降低明顯，車橋及剎車系統年平均故障維持在較低水平，極大地節約了運行成本，完全達到既定的優化效果。