一種井下重載支架搬運車液壓獨立懸架的設計

賈豐華，章 峰，鄧寶平，張新紅，董 偉

(國家能源集團寧夏煤業有限責任公司，寧夏 銀川 750000)

0 引言

支架搬運車是煤礦井下無軌運輸的專用設備，是專門針對煤礦井下綜采工作面搬家倒面過程中液壓支架的倒運或長距離運輸而研制開發的一種新型特種工具，是現代化采煤工藝必不可少的輔助運輸設備。目前，支架搬運車已普遍用于煤礦井下綜采工作面液壓支架安裝和撤除，國內使用的液壓支架搬運車噸位涵蓋50 t、55 t、80 t，均為鉸接式結構型式，且已屬成熟產品[1 -4]。但鉸接式支架搬運車對負載重心變化適應性較差，重心偏移會導致其轉向靈活性變差。相對于鉸接式支架搬運車，整體框架式支架搬運車具有整車質量輕、尺寸小、運輸平穩、適用性強等優點，具有更好的穩定性及路面適應性。

懸架是車架(或車身)與車橋(或車輪)之間的彈性連接的部件[5]。懸架具有緩和、抑制由不平路面引起的振動和沖擊的作用，懸架除傳遞車輛垂直力以外，還傳遞其他各方面的力和力矩，并保證車輪和車身(或車架)有確定的運動關系，使汽車具有良好的駕駛性能。懸架分為獨立懸架和非獨立懸架2大類。獨立懸架的車輪通過各自的懸架和車架(或車身)相連。較于非獨立懸架，獨立懸架具備以下優點：降低發動機及整車底板高度，車輪具有較大跳動空間，保證汽車行駛性能的多種設計方案。目前獨立懸架多用于轎車及客車，在井下重載支架搬運車中應用較少。本文主要設計研究了一種應用于煤礦井下整體框架式支架搬運車WC60Y(B)的液壓獨立懸架，該液壓獨立懸架為整車提供縱向補償，保證車輛滿足使用要求的同時，提高車輛的穩定性及平順性。

1 液壓獨立懸架設計要求

WC60Y(B)支架搬運車采用整體框架式設計，整車有6組驅動橋，前后軸線4組驅動橋同時也為轉向橋，轉向驅動橋在整車布置方式如圖1所示。為提高整車在井下起伏路面、涉水路面和多彎巷道等復雜工況下的適應能力以及綜合考慮重載支架搬運車總體布局，采用單輪液壓獨立懸架為整車驅動。

重載支架搬運車本身質量大以及其大負荷的載重量，對懸架的強度和可靠性要求更高。由于支架搬運車布置，單輪產生大扭矩偏載施加在液壓獨立懸架上，同時液壓獨立懸架還需承受整車軸向載荷和大的橫向力矩，懸架設計需保證在復雜受力情況下具有足夠的剛度、強度和使用壽命，并且還需根據支架搬運車的載運特點消除結構及運動干涉。對此，依據實際使用需求對液壓獨立懸架進行結構設計研究。

圖1 液壓獨立懸架在整車布置Fig.1 Layout of hydraulic independent suspension in the whole vehicle

2 液壓獨立懸架結構設計

液壓獨立懸架主要由旋轉支撐、旋轉架、懸掛油缸、行走機構(含橋殼、行走馬達減速機、車輪)等組成，液壓獨立懸架三維模型如圖2所示。通過懸架上懸掛油缸的伸縮，裝配在橋殼上的車輪可以上下擺動，支架搬運車通過煤礦井下不平整路面時，安裝于懸架的懸掛油缸可以提供縱向補償，使位于起伏路面的各個懸架受力均衡，提高支架搬運車整車適應性及轉向靈活性。

圖2 液壓獨立懸架Fig.2 Hydraulic independent suspension

2.1 旋轉支撐

旋轉支撐機構為連接車架與驅動橋的結構，采用軸承與套管相結合的設計型式，如圖3所示。旋轉支撐機構由轉向節臂、支撐軸、2組軸承、圓螺母及若干密封件組成。支撐軸一端通過法蘭與旋轉架連接，支撐軸中部與車架通過套管和組合軸承進行裝配，軸承采用圓錐滾子軸承和推力調心滾子軸承組合型式，使旋轉支撐能夠承受復雜的軸向力和徑向力。支撐軸上端通過花鍵與轉向節臂連接，采用壓板和圓螺母緊固。

圖3 旋轉支撐Fig.3 Rotating support

2.2 旋轉架

旋轉架是驅動橋的主要承載元件：頂部通過支撐軸采用螺接形式與車架連接，底部采用銷軸形式與行走機構連接，后部設計有懸掛油缸接口，懸掛油缸分別與旋轉架和車輪通過銷軸連接。為保證旋轉架強度及剛度，旋轉架主體采用由20 mm厚高強度鋼板焊接成型的箱型結構，下部與橋殼連接接口采用鑄造結構，旋轉架上設計有吊環孔用于懸架故障和更換輪胎時懸空起吊橋殼用。旋轉架三維模型如圖4所示。

圖4 旋轉架Fig.4 Rotating frame

2.3 懸掛油缸

懸掛油缸為實現懸架上下跳動的主要元件，懸掛油缸通過銷軸分別與旋轉架和橋殼連接。保證油缸安裝及實際承載使用需求，懸掛油缸選用輸出力大、結構簡單、小型緊湊、的單作用柱塞缸。為實現車輛在復雜路面的使用需求，油缸工作時有3種工況，分別為油缸縮到最短、車橋擺臂水平、油缸伸到最長，如圖5所示。綜合考慮支架搬運車整車布局、支架搬運車實際使用工況、液壓獨立懸架安裝及防止油缸拉脫及撞缸，在旋轉架及橋殼上分別設計有油缸限位結構，設計油缸行程420 mm，上下擺動量-125/+125 mm。

圖5 懸掛油缸工作工況Fig.5 Working condition of suspension cylinder

2.4 行走機構

行走機構主要由橋殼、行走馬達減速機、車輪等部件組成。橋殼為傳遞車輪與懸架間的負荷的主要結構[6]，橋殼上設計有懸掛油缸、旋轉架及行走馬達減速機等的接口。為滿足承載需求，橋殼整體采用高強度鋼板HG70E焊接成型；考慮懸架故障維修及更換輪胎時，橋殼上設計有吊環孔用于懸空起吊橋殼。橋殼結構形式如圖6所示。

圖6 橋殼結構形式Fig.6 Structural form of axle housing

3 懸架有限元分析

液壓獨立懸架為重載支架搬運車的重要承載部件，懸架的強度直接影響支架搬運車的使用及安全，懸架強度分析至關重要[7]。通過有限元分析，在液壓獨立懸架設計初期對其強度進行初步評估，為液壓獨立懸架設計提供依據。

本文所設計的液壓獨立懸架中主要依靠旋轉架，橋殼來傳遞車輪及懸架間的載荷，旋轉架及橋殼2個部件承載較大，針對旋轉架及橋殼進行不同工況下的有限元分析，以判定該液壓獨立懸架的強度是否滿足使用要求。

3.1 有限元模型的建立

通過Abaqus 6.12有限元分析軟件對懸架結構進行了有限元模型的建立[8 -9]，旋轉架結構由板單元建立有限元模型，橋殼采用實體單元建立，橋殼與旋轉架之間采用接觸，懸掛油缸利用梁單元模型。在旋轉架回轉軸承處施加固定約束，輪胎接地點施加對應載荷[10 -11]。

3.2 計算工況

考慮整車實際使用工況，進行5種工況下的有限元分析[12]，5種工況分別為：滿載靜止工況、0.3 g滿載剎車工況、0.3 g滿載啟動工況、0.2 g滿載轉向工況、0.2 g滿載剎車0.1 g轉向工況。各工況下輪載載荷見表1。

3.3 仿真分析結果

3.3.1 旋轉架有限元分析結果

通過有限元分析，在0.3 g剎車工況下旋轉架Mises應力及變形最大，旋轉架有限元分析結果如圖7所示。旋轉架最大應力達到297 MPa，出現在側面筋板焊接處，最大變形量為8.4 mm，旋轉架采用高強度鋼板屈服強度690 MPa，最小安全系數為2.3，旋轉架強度滿足使用要求。

表1 各工況下輪載載荷

3.3.2 橋殼有限元分析結果

通過有限元分析，在0.3 g啟動工況下橋殼Mises應力最大，0.3 g剎車工況下拉應力最大，有限元分析結果如圖8所示。0.3 g啟動工況有限元分析結果：Mises應力436 MPa，拉應力201 MPa；0.3 g剎車工況有限元分析結果：Mises應力355 Pa，拉應力262 MPa。橋殼最大應力點出現在軸銷孔邊緣，是由于車輪布置在橋殼單側導致銷軸擠壓所致，此應力僅僅局限于孔邊緣材料的變形而不會影響到整個橋殼軸銷孔的強度，因此可以將此處低應力忽略，橋殼使用高強度鋼板屈服強度為590 MPa，那么橋殼最小拉應力安全系數為2.3，最小的Mises應力安全系數為2.1，滿足強度要求。

圖7 旋轉架應力與變形Fig.7 Stress and deformation of rotating frame

圖8 橋殼應力與變形Fig.8 Stress and deformation of axle housing

4 結語

(1)一種應用于井下整體框架式重載液壓支架搬運車的液壓獨立懸架，針對整體框架式重載支架搬運車使用特點，設計一種液壓獨立懸架，該液壓獨立懸架可以為支架搬運車通過不平路面時提供縱向補償，提高整車的平順性及適用性，有效解決了鉸接式支架搬運車負載重心變化適應性較差，重心偏移等問題。

(2)對液壓獨立懸架中的主要承載部件旋轉架及橋殼進行有限元分析，2個部件設計均留有安全余量，滿足設計使用要求。該液壓獨立懸架已經實際投入生產并在重載支架搬運車中得到應用。

(3)目前液壓獨立懸架技術在煤礦井下爆炸性環境應用較少，需進一步驗證液壓獨立懸架在井下復雜工況下的強度和使用壽命以及整車對井下復雜路面的適用性。