WC1E型防爆無軌膠輪車的設計

王仁群，李海霞，李清德

WC1E型防爆無軌膠輪車的設計

王仁群，李海霞，李清德

（南京科技職業學院 智能制造學院，江蘇 南京 210048）

文章根據煤礦井下巷道條件及井下維修班組典型工作用車需求特點，針對煤礦井下防爆無軌膠輪車的設計展開研究。通過對比整體式和鉸接式防爆無軌膠輪車的結構以及通過性等特點，確定設計車輛采用整體式結構，并給出了整體方案設計及整車設計硬點參數。依據整體設計方案要求，對無軌膠輪車的動力系統、傳動系統、制動液壓系統和液壓互聯懸架等關鍵系統進行了設計計算，并根據計算結果對各系統核心部件進行了選型。該方案研究設計的防爆無軌膠輪車結構緊湊、動力性好，能適應煤礦井下各種工況條件，舒適性較好，解決了井下維修班組的用車需求。

輔助運輸；防爆車輛；無軌膠輪車；結構設計

隨著我國高產高效現代化礦井的建設與發展，對提高輔助運輸效率、減員提效、改變煤礦輔助運輸落后狀況的要求也日益增高。經過多年實踐證明，無軌運輸系統具有結構簡單、用人少、設備少、運輸環節簡化、運行安全可靠、經濟效益高等特點[1-3]。但目前還沒有一款專門供煤礦井下維修班組使用的檢修專用車輛。煤礦井下維修隊一個班組人數為5人左右，工作時需要攜帶相關工具及部分物料等，工作地點涉及巷道各個角落，有巷道條件好的地點，也有巷道條件較差（路面濕滑、轉彎半徑小、坡道大等）的地點。本文研究設計一款適用于煤礦井下維修班組檢修專用的WC1E型防爆無軌膠輪車。

1 整體方案設計

煤礦輔助運輸車輛整體結構型式常用整體式和鉸接式兩種，同樣尺寸下鉸接式車輛的優點是轉彎半徑更小，但是要實現相同功能的情況下，鉸接式車輛整體尺寸比整體式要大，駕駛員操作難度增加，倒車等操作不夠靈活，同時鉸接式車輛行駛過程中車輛震動較厲害，適合作為運料車型使用[2]。整體式無軌膠輪車由于沒有鉸接部分，所以設計時可以省去鉸接部分的空間，使得完成相同運載量的條件下，相對于鉸接式無軌車可以設計得更短，更方便駕駛員操縱車輛。另外，由于整體式車輛省去了鉸接部分，且車架及車身可設計為一體，更有利于減輕車輛的自重，減少自重功率消耗，達到提升整車的動力性能、降低車輛油耗的優點。根據車型、工況特點及功能需求，WC1E型防爆無軌膠輪車設計為整體式6座皮卡車結構，車輛前部為乘員部分，可乘坐6人，后部設置貨斗，設計載重量為1噸。

由于防爆柴油機無軌膠輪車主要用于煤礦井下使用，而井下巷道的寬度及高度等都有一定限制，不同礦區的巷道設計尺寸都有差異，對車輛的外形尺寸也有不同程度的限制，即防爆無軌膠輪車屬于非標產品，不同礦區對車輛整體尺寸、功能需求都不一樣，都需要進行單獨設計。如何在保證滿足使用功能的情況下，盡可能縮小車輛的外形尺寸，以滿足不同巷道條件使用，成為設計過程中所要考慮的重要因素。所以本文在設計時根據防爆柴油機無軌膠輪車設計規范要求，盡量壓縮整車尺寸，相關參數基本貼近設計要求的極限值，初步確定設計參數如表1所示。

表1 整車設計參數

根據整車設計參數，結合各系統主要部件常用型號（預估部件尺寸及重量參數），預估整車質量大概為4 600 kg，滿載質量大概為6 020 kg。

2 動力系統設計計算

2.1 行駛阻力計算

（1）平道滿載行駛總阻力計算。

平道行駛總阻力：

1==×（1）

式中，1為平道行駛總阻力；為摩擦阻力；為重載重量；為摩擦系數。

將預估滿載質量代入式（1），得出16020× 9.8×0.04=2359.84 N

（2）14°坡滿載行駛總阻力計算。

14°坡行駛總阻力：

2=+2=1×+2=×cos14°×+×sin14° （2）

式中，2為14°坡行駛總阻力；為摩擦阻力；1為重力分力1；2為重力分力2；為重載重量；為摩擦系數（取0.04）。

將預估滿載質量代入式（2），得

26020×9.8×cos14°×0.04＋6020×

sin14°= 16562.16 N

2.2 防爆柴油機功率計算

整車牽引功率需求：

（3）

平道最高車速要求：138 km/h

14°坡最高車速要求：27.2 km/h

分別將平道、14°坡行駛總阻力和最高車速要求代入式（3），得

平道所需牽引功率：

11×V=2359.84×10.56×0.001=24.92 kW

14°坡所需牽引功率：

22216562.16×2×0.001=33.12 kW

本車采用液力變矩器組合變速器加車橋主減速器的動力傳動方式，液力變矩器的一般工況效率區間為0.7～0.9，變速箱→橋→輪胎的效率區間為0.8～0.85。所以總效率區間為0.56～0.765。

根據平道和最大坡道所需牽引功率計算結果，可以發現14°坡所需牽引功率遠大于平道所需牽引功率，所以應以14°坡所需的功率計算防爆柴油機功率，同時發動機所帶附件還將消耗部分功率，大約為6.5 kW，所以防爆柴油機功率區間為33.12 kW/0.765+6.5 kW～33.12 kW/0.56+6.5 kW，即49.79 kW～65.64 kW，為保證功率充足發動機功率定為66 kW。

3 傳動系統設計計算

3.1 液力變矩器選型

依據液力變矩器與發動機匹配原則，理想匹配要求是液力變矩器零工況泵輪力矩曲線應通過發動機最大凈扭矩、液力變矩器最高效率工況泵輪力矩曲線應該過發動機額定功率點[4]。通過調研，對比匹配市場主流液力變矩器，并通過實驗數據繪制出幾組待選液力變矩器和防爆柴油機功率的共同工作曲線，通過對比分析工作曲線，確定選用YJH310R液力變矩器，液力變矩器和防爆柴油機的共同工作曲線如圖1所示，從圖中可以看出，本方案在滿足重載爬坡能力條件下，還充分發揮了發動機功率，匹配效果較好。

圖1 液力變矩器與柴油機共同工作曲線圖

3.2 變速器車橋傳動比計算

車輛牽引力計算式為

式中，為車橋及變速箱總傳動比；為車輛牽引力；為輪胎滾動半徑；為渦輪扭矩；為車橋及變速箱總傳動效率。

根據整車布置需求及整車載重量，本車選擇輪胎的規格尺寸為20.96 cm～40.64 cm，滾動半徑為0.4 m。防爆柴油機無軌膠輪車變速箱和車橋的傳動效率區間一般為0.8～0.85，取0.82。即

車輛行駛速度為

式中，為車輛行駛速度；為輪胎滾動周長；為渦輪轉速；為車橋及變速箱總傳動比；為輪胎滾動半徑。

根據輪胎滾動半徑為0.4 m，由式（5）可得

通過選型匹配計算得出最適合本車型的傳動速比參數，如表2所示。

表2 傳動速比參數表

表2 （續）

通過傳動速比匹配參數可以確定變速器擋位速比及主減速器速比，系統設計方案如圖2所示，圖中序號5、9、14、18、21為各種規格螺栓，6、10、15為各種規格螺母，7、11、16、22為墊圈，24、25為開口銷。

1—輪胎；2、17—輪輞；3、13—前橋；4—鋼板彈簧總成；8、19—壓板；12—傳動軸；13—后橋；20—牽引板；23—換擋機構。

4 制動液壓系統設計

4.1 系統原理

制動液壓系統分為工作制動、緊急制動及停車制動。工作制動用于經常性和一般行駛中速度控制、停車，工作制動為多盤濕式制動。緊急及停車制動系統用于停車后的制動或者在行車制動失效時的應急制動，緊急制動和停車制動共用一套系統，制動、接觸方式為彈簧制動液壓松閘[5]。制動液壓系統主要由制動泵、充液閥、蓄能器、腳制動閥、駐車制動閥等元件組成，制動系統液壓原理圖如圖3所示。

車輛啟動后，置于變矩器取力口的制動齒輪泵輸出壓力油，壓力油通過充液閥向制動蓄能器充液，當蓄能器的壓力到達充液閥設定的最高壓力值時，充液閥通過內部壓力感應機構使液壓油經過充液閥N口卸荷回油箱，當蓄能器壓力降到充液閥設定最低壓力時會自動充液，到設定的最高壓力值時卸荷。充液閥安全閥設定值15 bar，充液壓力110 bar～135 bar，制動壓力103 bar，停車制動壓力65.5 bar。

1—吸油濾油器；2—制動齒輪泵；3—充液閥；4—壓力表；5—制動蓄能器；6—停車制動器；7—駐車制動閥；8—腳制動閥；9、10—前后橋濕式制動器。

4.2 關鍵部件選型設計

1.制動泵的選擇

根據前、后橋濕式多盤制動器的制動要求，制動壓力須為103 bar，而停車制動壓力須為65.5 bar。因此，充液閥的充液壓力設計為110 bar～135 bar，車輛啟動后，置于變矩器取力口的制動齒輪泵輸出壓力油，壓力油通過充液閥向制動蓄能器充液，當蓄能器的壓力到達充液閥設定的最高壓力值時，充液閥通過內部壓力感應機構使液壓油經過充液閥N口卸荷回油箱，當蓄能器壓力降到充液閥設定最低壓力時會自動充液，到設定的最高壓力值時卸荷，充液閥安全閥設定值155 bar。制動液壓系統制動泵選用長治液壓件廠的CBJ30- E14L-F375，其具體參數如表3所示。

表3 制動泵參數

2.蓄能器的選擇

蓄能器容量選擇取決于制動壓力、排量（制動器用油量）和動力消失后緊急制動次數。本制動液壓系統選用黎明液壓型號為NXQA-4/20-L的蓄能器，其具體參數如表4所示。

表4 蓄能器參數

5 懸架系統設計

防爆車輛由于防爆設計等因素，導致車輛自重較重，所以懸架系統只能使用承載能力好的鋼板彈簧懸架，同時鋼板彈簧可以直接與車架連接，懸架機構所需的橫向空間很小，從而可以給底部留出更多空間，便于整車布置。

本項目轉向系統采用液壓助力轉向，因為煤礦井下設備的防爆要求，如果采用電動助力轉向方案，則轉向電機需要防爆設計，從而使得電機體積、重量上升，導致前機艙布置困難。液壓助力轉向系統由方向盤、轉向柱轉向傳動軸、油罐、轉向葉片泵、轉向機、直拉桿、轉向橋等組成。

5.1 鋼板彈簧的設計計算

根據整車布置情況，本設計選用的鋼板彈簧長度=1 200 mm，板簧片數為8片，鋼板斷面形狀為常用的矩形。

（1）鋼板彈簧斷面寬度的確定

鋼板彈簧的剛度強度可按等截面簡支梁的計算公式計算，但需要引入擾度增大系數加以修正。所以對于鋼板彈簧所需要的總慣性矩0為

經計算0=52 140 mm4。

0/[()]

19800×1200/(4×450)=13 200 mm3。

初取p2002×52 140/13 200 =7.9 mm，取8p=63.2 mm。鋼板彈簧的片寬與片厚的比值p在6～10范圍內選取，所以本設計中取= 70 mm。

（2）鋼板彈簧片厚的選擇

根據03/12得10.7。根據國產型材規格最終選擇=70 mm，=11 mm。

5.2 液壓互聯懸架系統設計

懸架系統中由于彈性元件受沖擊產生振動，不但會影響到車輛行駛的平順性、乘員的舒適性，還會影響到車輛零部件的使用壽命。鋼板彈簧懸架剛度較高，當車輛處于空載甚至部分裝載情況下，車輛駛過路面時加速度響應過大，乘坐舒適性差。為了減小這種使乘坐人員感到不適的加速度響應，整車懸架需要設計得較軟些；同時，較軟的懸架會導致車輛俯仰剛度較低，剎車點頭效應加劇，而煤礦井下道路條件又十分復雜、惡劣，所以為改善車輛行駛的平順性和舒適性，延長車輛零部件的使用壽命，需要設計一套減振系統，本文采用液壓互聯系統，能夠很好地解決車輛垂向和俯仰振動。

筒式液力減振器由于其工作穩定性好，在現代汽車懸架系統中得到普遍應用。本車采用筒式液力減振器和鋼板彈簧并聯的方式來衰減系統中的振動，系統原理圖如圖4所示。

圖4 液壓互聯懸架系統原理圖

（1）相對阻尼系數的選擇。

車輛簧上質量的振動，通過阻尼使其為周期衰減振動，用相對阻尼系數的大小來判斷振動衰減的快慢。一般將壓縮行程的相對阻尼系數y取得小些，伸張行程的相對阻尼系數x取得大些，常用y（0.25～0.5）s。設計時先選取y，s的平均值，一般=0.25～0.35。對于行駛路面條件較差的車輛，值應取大些，一般取s>0.3，為避免懸架碰撞車架，選擇y=0.5s。本車選擇s=0.36，得出y=0.18，=0.27。

（2）最大卸荷力0的確定。

最大卸荷力：

0sx（7）

式中，x為卸荷速度，一般為0.15 m/s～0.30 m/s。

（3）缸筒的設計計算。

工作缸缸筒直徑：

h40/3.14[](12)（8）

式中，[]為工作缸最大允許壓力，一般取3 MPa～4 MPa；為連桿直徑與缸筒直徑之比，雙筒式取=0.4～0.5，儲油缸直徑c（1.35～1.50）h。

（4）活塞桿的設計計算。

活塞桿直徑g根據經驗，一般取g（0.4～0.5）h。

經計算并根據工作缸常用直徑系列，選擇工作缸直徑h=40 mm，g=18 mm。

6 結語

本文設計了煤礦井下維修班組專用的WC1E型整體式防爆無軌膠輪車，該車型為客貨兩用皮卡型，市面同類車型只有利用民用皮卡車防爆改造的，相比改造車型，本設計全新設計了動力傳動系統，車輛動力充足，能夠滿足各種工況使用要求。同時車輛懸掛采用液壓互聯懸架減震系統，提高了乘員乘坐舒適性。相比鉸接車輛，大幅提升了車輛操作的方便性和靈活性，提高了工作效率。

[1] 宋中宇.礦用防爆無軌膠輪車在礦井輔助運輸中的應用研究[J].礦業裝備,2020(5): 152-153.

[2] 蒙紅榮,馮浩男,高碩,等.無軌設備運輸在大西溝金礦的適用性研究[J].采礦技術,2022,22(4):49-51,66.

[3] 楊欣凱.礦井建設中輔助運輸方式的確定[J].能源與節能,2020(1):207-208.

[4] 路超,張福生,潘學文.防爆無軌膠輪車傳動形式現狀與發展綜述[J].工程機械,2022,53(4):96-100,12-13.

[5] 周輝.礦用防爆無軌膠輪車多盤制動器的設計研究[J].機械管理開發.2020,35(2):41-43.

The Overall Design of WC1E Type Explosion-proof Trackless Rubber Tyred Vehicle

WANG Renqun, LI Haixia, LI Qingde

( Intelligent Manufacturing College, Nanjing Polytechnic Institute, Nanjing 210048, China )

In this paper, according to the conditions of the underground roadway and the characteristics of the typical work vehicle demand of the underground maintenance team, the design of the underground explosion-proof trackless rubber tyred vehicle is studied. By comparing the structure and traffic ability of the integrated and articulated explosion-proof trackless rubber tyred vehicles, it is determined that the design vehicle adopts the integrated structure, and the overall scheme design and the hard point parameters of the vehicle design are given. According to the requirements of the overall design scheme, the key systems such as the power system, transmission system, brake hydraulic system and hydraulic interconnected suspension of the trackless rubber tyred vehicle are designed and calculated, and the core components of each system are selected according to the calculation results. The explosion-proof trackless rubber tyred vehicle researched and designed in this scheme has compact structure and good power performance, can adapt to various working conditions in the coal mine, and has good comfort, and solves the vehicle demand of the underground maintenance team.

Auxiliary transportation; Explosion-proof trackless; Rubber tyred vehicle; Structural design

U273

A

1671-7988(2023)03-64-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.03.012

王仁群（1983—），男，碩士，工程師，研究方向為特種車輛及新能源汽車研發，E-mail:357543477@qq.com。

南京科技職業學院“科研北斗計劃（2.0版）”（NJPI-RC-2022-07）。