CYE1电动铲运机后桥摆动架设计

机械工程学院毕业设计（论文）第 1 页 共 55 页电动铲运机用于矿山井下，以铲装，运输爆破后的松散物料为主。也可用于露天铁矿，铁路，公路以及水利等隧道工程，还少部分，煤矿使用，特别用于工作条件恶劣，作业现场狭窄，低矮以及泥泞的作业面。电动铲运机除了机动性能较差外，具有无废气污染，噪声低，节约能源等优点，是井下作业的首选设备。中钢集团衡阳重机有限公司是全国知名铲运机生产基地，已具有二十多年的井下铲运机生产历史。中钢集团衡阳重机有限公司以铲运机的设计、制造、销售为主的生产经营型企业, 是全国第一家井下铲运机专业制造公司。所研制的 CYE-1 电动铲运机是专门为地下作业而设计的一种矮车身、中央铰接、前端装载的装、运、卸联合作业设备，具有高效、灵活、机动、多用途和生产费用低等突出优点，在国内外矿山和地下工程中得到了广泛应用。本次设计的主题是 CYE-1 电动铲运机后桥摆动架设计。机械工程学院毕业设计（论文）第 2 页 共 55 页1 绪论1.1 设计研究的目的和意义本次毕业设计的目的主要是对这三年来的学习的一个总结，运用模拟软件，把理论知识和具体实践相结合，也是对我们所学习的理论知识及技能的一个评估。通过毕业设计，不仅能够对大学所学课程几个方面专业知识进行一次全面，系统的综合训练，也是对我们实践能力进一步的检验。电动铲运机是在柴油铲运机的基础上发展起来的,由于它具有无废气污染、噪声小、工作温度低、维修量小、生产费用低、作业效率高等优点，越来越多的被矿山所采用，并取得了明显的经济效益。后桥摆动架是矿山上用于矿石开采的电动铲运机上的重要部分，它能够保证电动铲运机顺利地通过凹凸不平的地面。对电动铲运机而言，后桥摆动架是一个十分关键的部件，设计不好就会使车身在通过凹凸不平的地面会剧烈摇晃，而且会出现断裂和焊缝开裂现象。因此，摆动架设计有着重要的使用及经济意义。1.2 铲运机应用与发展回顾铲运机的外貌如图 1.1图 1.1 铲运机我国是一个地下资源丰富的国家，井下矿山在我国的矿山总数中占有的数量很多，在井下开采中的装载工作是最繁重的体力劳动。50 年代初期，我国一些大型并下矿山开始引进苏联制造的装载机。60 年代，机械工程学院毕业设计（论文）第 3 页 共 55 页我国研制成功第一台装载机，从此我国井下装载机制造业不断发展并形成了批量生产的能力。国产装载机广泛地应用于我国矿山后，极大地提高了井下矿山的生产效率，减轻了矿山的劳动强度，改善了劳动条件。早期的装运机是气动的，它带有铲斗或工作机构和料仓，其行走机构为充气轮胎式的，瑞典的 T2G 和 T4G 以及国产的 ZYQ12 和 ZYQ14 型都属于这种类型的装运机。1970 年代，我国地下矿山从美国引进柴油铲运机，这是地下矿装备上的重大改革。目前我国井下矿山已经比较广泛地应用这种内燃驱动的无轨式装载设备。以柴油机驱动的无轨自行装载设备，摆脱了软道、风管或电缆的束缚，使机器提高了机动性，体现在井下可特大型的柴油铲运机调运至采区的各个出矿处作业。简化了生产管理、减少了辅助设施的敷设和维修，从而大大提高了劳动生产率。但是柴油铲运机一个突出的缺点是柴油发动机排放的废气对人体有危害，而目前对废气净化处理的效果还不够理想，还需要用强大的通风量来稀释排放的废气，尤其是在独头巷道内使用(如平巷掘进等等)会结通风带来很大的困难。基于这种原因，在柴油铲运机之后，出现了电动铲运机即用电动机代替柴油机，用缠绕在卷筒上可收故长度的电细向电动机供电。这种动力的改变，克服了燃油产生的废气污染，可是拖曳的电缆大大地影响了铲运机的机动性，因此提高铲运机的可靠性与生产率，改善司机的操作条件和作业环境是井下装载设备改进的方向。70 年代，我国开始研究应用无轨采矿工艺技术，为与工艺酣套，1975 年首次从波兰引进 LK型 2 立方米柴油铲运机 105 台在梅山铁矿等冶金矿山试用。因其使用效果 良好，随后又进 口了芬兰的 TORO0 型 13 立方米柴油铲运机、德国的 LF1 型 2 立方米柴油铲运机 、法国的 CT00 型 083 立方米 和 CT00 型 3.8 立方米柴油铲运机 、美国 EHST1A076 立方米和922E、922D 型 17 立方米电动铲运机和柴油铲运机。在我国，进口铲运机在新型技术推广应用初期发挥了重要作用。 因为进口设备价格比较昂贵，供应部件管理困难，许多中小型矿山都不能发展起来。为此 ，l970 年代中期，有关研究院所开始了国产铲运机的研究开发工作。国内最先研发的铲运机为柳州 T 程机械厂与长沙矿山研究院和厦门工程机械厂合作，以 ZIA0、ZIS0 型露天装载机为基础开发的 DZIAO、DZLS0 型柴机械工程学院毕业设计（论文）第 4 页 共 55 页油铲运机。后来，扬州冶金机械厂与马鞍山矿山研究院合作开发了 WJD15 型电动铲运机；长沙矿山研究院与嘉兴冶金机械厂、沈阳冶金机械厂、南昌通用机械厂、衡阳冶金机械厂合作研制了 DCY 一 1 型 1 立方米 、WJD 一 15 15 立方米电动铲运机，CY 一 1 型 13 立方米、CY 一 35 型 2 立方米、922D 17立方米柴油铲运机；南昌通用机械厂与南昌矿山机械研究所合作开发了 WJD 一076 型 076 立方米。电动铲运机北京矿冶研究总院与江西拖拉机厂合作研制了 WJ1 型 083 立方米柴油铲运机等。到 1990 年代初期，国内开发生产了斗容 0425 立方米的系列柴油和电动铲运机。除上述铲运机生产厂商外，还有太原重型机器厂厂、吉林冶金机械厂、山东金岭铁矿机修厂和华山汽车修造厂等。在总结“七五”、“八五”攻 关的经验后，研究开发人员对前期工作进行 了深刻反思。从“九五”攻关起 ，铲运机攻关重点从强凋国产化率调整为注重整机性能和可靠性，零部件配套注重质量和可靠性，和国际知名工厂一样，走全球化的道路。“九五”期间衡阳冶金机械厂与长沙矿山研究院以及广西高峰矿业公司联合攻关研制的 CY 一 35G(CY 一 4)型 4 立方米柴油铲运机就是按这一新思路研究开发的第一型高性能铲运机，其变速箱 、变矩器 、驱动桥 、低污染柴油机以及关键液压控制阀都采用国际先进技术 ，应用了弹簧制动等最新技术，变速箱电控操作和多盘湿式制动器液压松闸，性能已经达到国际先进水平。从此，国内井下无轨采矿设备开发几乎都按这一模式进行，国产采矿设备的性能水平跨上一个新台阶。 衡阳有色冶金机械总厂衡阳力达铲运机有限责任公司是中国第一家井下铲运机专业制造公司、中国大型铲运机生产基地。通过 20 年引进、消化和吸收国外先进技术，已成功研发出具有自主知识产权的铲运机系列产品，并荣获国家级新产品称号及国家科技进步三等奖。产品有 CY、CYE 系列井下铲运机以及CA-8 地下矿山自卸汽车，产品已经广泛应用于有色、冶金、化工及黄金矿山。尤其是 2002 年由衡阳有色冶金机械厂的力达铲运机制造有限公司开发生产的CA-8 地下矿山自卸汽车，经过一年的工业试验在山东某矿取得了很大的成功，得到了该矿的认可，并于 2003 年再次向力达铲运机制造有限公司订购 4 台 CA-8 地下矿山自卸汽车。核工业第六研究所并入南华大学之后，南华大学在地下机械工程学院毕业设计（论文）第 5 页 共 55 页矿山运输设备方面的研究力量得到加强，原核工业第六研究所曾在 1998 年研究开发了我国第一台 KZC-5 地下矿山自卸汽车。所以，项目研究人员既具有研究开发地下矿山自卸汽车的经验，又有较高的理论计算基础。1.3 未来技术发展展望 (1)发动机近几年内仍将以简单可靠的低污染风冷发动机为主，然后逐步研究应用计算机控制 的电喷发动机。前端式装载机大部分采用柴油机作为动力，仅在井下某些不能使用柴油机的地方，才以气压或电作为动力。装载机使用的柴油机 都是四冲程的。井下前端式装载机使用的柴油机，要求排放的废气中含有的有害气体较少，以减少污染。此外，还要增设机外净化装置。(2)制动系统现在普遍使用的弹簧松闸、压力制动的制动器将会向安全、可靠系统简单的压力松闸、弹簧制动的全封闭多盘湿式制动器方向发展。储能器充压阀和反向调节脚制动阀将得到普遍应用。 (3)变速箱将以液压控制型式和电磁阀控制型式的变速箱为主。汽车用的自动换档变速箱很难在铲运机上得到普遍应用，因为在铲斗插入装载时，要求变速箱承载的力矩最大，插入阻力和插入时速度在很短的时问内发生会急剧变化 ，将使变速箱在档位之间快速跳换，使变速箱离合器工作在承载能力差的不稳定的过渡状态 ，经常导致变速箱异常损害。 (4)遥控技术遥控技术是对受控对象进行远距离控制和监测的技术。它是利用自动控制技术，通信技术和计算机技术而形成的一门综合性技术。一般都是指对远距离的受控对象的单一的或两种极限动作进行控制的技术，在人们的生产生活中具有广泛的应用空间。 手动和遥控铲运机将实现一体化，即在设计手动铲运机的同时考虑遥控动作如何实现，预留与遥控系统快速联接的液压接口、电器和装配位置。遥控液压执行机构和电器系统将按功能模块结构设计，只要将相应的遥控功能模块装上，普通手控铲运机就成了标准的遥控铲运机。 (5)自诊断技术机械工程学院毕业设计（论文）第 6 页 共 55 页汽车电子控制系统中，执行器是决定发动机运行和汽车行驶安全的主要器件，当执行器发生故障时，往往会对汽车的行驶造成一定的影响。因此，对于执行器故障的处理方法通常是：当确认为执行器故障时，由 ECU 根据故障的严重程度采取相应的安全措施的实施，在控制系统中，又专门设计了故障保险系统。(6)能源技术近年来，随着新材料的开发，高效电池技术取得了突破性进展，其能量密度已经达到普通铅酸电池的 5 倍以上，因此，研发电池驱动的小斗容铲运机已成为当前的主要内容。（7）废气净化废气净化可以采取选择优质燃料，选择燃烧完全的内燃机及加强维护检修等机内措施；还应采取对排出废气进行净化处理及加强通风等机外措施。1.4 设计拟解决的关键问题和研究方法做摆动架的受力模型，可简化为悬臂梁。由于摆动轴和桥支座之间的作用力较大，摆动轴和后车架 频繁断裂或 摆动架体焊缝撕裂。如果增加焊缝强度，则会引起后车架侧板严重变形。增加 摆动 轴轴颈的长度，虽然可以减少摆动轴的断裂次数，但铜套的更 换频次并未下降，反而增加了摆动架体的失效概率。根据用户反馈，摆动架体的失效形式主 要为焊缝撕裂或钢板变形；铜套的失效形式主要为挤压变形而非正常磨损失效；后车架 (桥支座) 的失效形式主要为焊缝撕裂和钢板严重变形。在充分分析 CYE-1 型铲 运机现结构各 种失效形式和失效原因的基础上，决定采用简支梁结构 替代悬臂梁结构。双支承 式摆动架结构如图 1.2 所示。前支承板为剖分式结构，后支承板为整体结构，下部开有装配工艺孔，上部留有工作泵空间。前后支承板设有加注润滑脂的油孔和油道。机械工程学院毕业设计（论文）第 7 页 共 55 页图 1.2 双支承式摆动1. 加强板 2. 驱动桥 3. 后支承板 4. 铜套 5. 前支承板架由于 CYE-1 型铲运机 结构紧凑，后驱动桥部位空间狭窄，其前端有传动轴伸出，后端有安装在发动机上的液压工作泵和 主油管。摆动架体前端 的支承轴套和焊接在后车架支承板上的轴孔联接，形 成钢套-铜套转动副，便于传动轴穿过。摆动架体后支承轴 与后支承板 的轴孔形成转动轴 -铜套转动副。双支承 摆动架体结构如图 1.3 所示。1. 前支承套 2. 驱动桥 3. 后支承轴图 1.3 双支承摆动架体机械工程学院毕业设计（论文）第 8 页 共 55 页2 铲运机总体分析2.1 铲运机的组成系统及功能铲运机通常是由车架(前、后机架)、发动机(电动机)、传动系统、工作机构、转向机构、制动系统、操作机构及仪表、电器线路等几大部分组成。各种不同型式的铲运机都有一个典型的结构示意图。现以较先进的轮胎行走、前、后机身铰接连接、铲斗前端装载的最常见铲运机为例，它的基本结构如图 2.1所示。图 2.1 轮胎式铲运机组成系统图1.铲斗 2.工作机构 3.电器系统 4.操作机构 5 转向机构 6.驾驶室7.液压油箱 8.主传动轴 9.柴油机 10.变矩器 11.变速器 12.前后本身13.刹车机构 14.前桥车架是铲运机的骨架，把其它机构全部承载到车架上。在前车架上，焊有安装工作机构的耳座和安装前桥轴的底座；在后车架上，焊有安装发动机和变速箱等的支座。后桥则是通过悬架铰接在后车架上。后桥轴相对于后车架垂直摆动一定角度，使装载机在不平路面行驶时同时着地，改善行驶性能。发动机(电动机)是为铲动机提供动力源，使铲动机满足各种作业状况的需要。传动系统是将发动机(电动机)所提供的动力传给变短器，再经主传动轴传递到变速箱，最后经由前、后桥传动轴传给前、后桥驱动车轮转动，完成行走和铲装作业。机械工程学院毕业设计（论文）第 9 页 共 55 页工作机构是由液压系统提供压力能，使举升油缸、翻斗油缸按要求运动，带动大冒、回转架、连杆、铲斗运作，完成装卸物料的需要。各类装载机工作机构的设计都应满足如下基本要求：生产率高；插入和铲取能力大，能耗小；结构和工作尺寸适应条件需要；零部件受力状态良好，强度和寿命合理；结构简单紧凑，制造维修容易，操作使用方便。转向机构是由液压系统提供压力能为转向油缸按要求使前、后机身在中间铰接处相对转动，完成行驶中转向的需要。为了使用井下坑内作业，井下前端机与露天前端机转向系统有所不同，井下前端式装载机设有选择阀，这是为了使用井下前端装载机前后双向运行时使司机对左右转向有相同的反应。制动系统是采用不同形式(气制动、气一液制动、全液压制动)的制动方式和制动器，使行驶中的铲运机停止运行，它是铲运机设备及人身安全的保证。操作机构具有控制机器前进、后退、快、但、转向、制动及装卸矿石等功能，它是铲运机的神经中枢。仪表及电器线路。仪表是为监测整机运行状态而配置的。电器线路是将仪表指示灯、报警信号、照明灯、保护装置、各种开关及按钮按要求用不同导线连接起来，使铲运机处于有序的运行状态。2.2 铲运机的工作方式地下矿铲运机是一种装卸运作业联合一体的自行式设备的工作过程由 5 种工况组成：(1)插入工况动臂下放，铲斗放置地面，斗尖触地斗底板与地面呈 30 度角，开动地下铲运机，铲斗借助机器的牵引插入料避。(2)铲装工况铲斗插入料堆后，转动铲斗铲取物料，待铲斗口降至近似水平为止。(3)重载运输工况铲斗铲装满物料后举升动臂，将铲斗举升至运输位置(即铲斗斗底离地高度不小于机器的最小允许离地间隙)，然后驱动机器驶问卸载点。(4)卸载工况机械工程学院毕业设计（论文）第 10 页 共 55 页在卸裁点，举升动臂使铲斗至卸载位置翻转铲斗，向沼并料仓或运输车辆卸载，铲斗物料卸净后下放动臂，使铲 4 权复至运输位置