WC5R煤矿用防爆柴油机无轨胶轮指挥车设计

因WC5R指挥车的前轴负荷较原SUV车有所增加，因此需要 对转向系统进行设计匹配。
３．４．１ 原地转向阻力矩计算
转向时，驾驶员作用到转向盘上的力矩与转向轮在地面上回
转时产生的转向阻力矩有关。影响转向阻力矩的主要因素有转向
轴的负荷、轮胎与地面之间的滑动摩擦系数和轮胎气压。
WC5R指 挥 车 转 向 节 臂 长 度 a=141.8 mm， 垂 臂 长 度 b=129
３ ＷＣ５Ｒ指挥车主要系统设计计算 ３．１ 防爆柴油机动力性计算
因矿用无轨胶轮车要求其最高速度不超过25 km/h，因此 需将发动机的转速与传动比进行重新匹配设计。经系统计算 及多次演算校核，对防爆柴油机的功率及扭矩要求如图6所 示。
图６ 防爆柴油机动力性计算数据
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３．５ 传动轴设计计算
３．５．１ 轴管校核
传 动 轴 临 界 转 速 nk? ? 1.2×*108 D2 ? d 2 / L2 =8 640 r／min， 临 界转速安全系数d=n? / n传max=1.63，而安全系数一般取1.2～2.0。因 此该状态能满足工况使用要求。
传动轴轴管最大扭应力t =16DT /[p（D4－d 4)]=51.13 MPa，而实际
?s i ?
Fz 2ib ? Fz2i?f ?i W?
=65.1 MPa
?s o ?
Fz2ob ? Fz 2o?f ??? Wv?
=33.3 MPa
３．３．３ 车辆通过不平路面
弯曲应力为 ?s ? G2 kb =70.5 MPa。 2W?v
通过上述3种计算可知，桥壳弯曲应力均不大于300 MPa，扭 转应力均不大于150 MPa，故能够满足设计要求。 ３．４ 转向系统设计计算
许用应力[t]=125 MPa。因此该传动轴轴管可以满足工况使用要求。
３．５．２ 万向节校核
十
字
轴
轴
颈
根
部
的
弯
曲
应
力：s
=32dFS/[p（
d1
4
－d
4 2
)
]
=
2
4
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3
.
4
N/ mm2，不大于250～350 N/ mm2[1]，符合使用要求。
十字轴轴颈上平均单位压力P =F/(2d1L)=28.76 N/ mm2，对于
其机械性能为s
b＝530
N/
mm2，s
＝
s
315
N/
mm2，许用剪切应力通
常取(0.2～0.3)s
，故能够满足使用要求。
s
法兰面的挤压应力t =M/(nrpdd)=21.01 N/ mm2，后桥与传动轴
后法兰面的材料均为45#钢，ss＝355 N/ mm2，安全系数取0.2～ 0.3，而[t]=71～106.5 N/ mm2，故该螺栓能够满足使用要求。
为便于原柴油机机舱布置，故采用体积较小、效率高的空 滤，并在原增压器基础上重新开发出水冷增压器，在水冷增压器 与进气歧管之间设计了进气阻火栅栏，可有效阻止柴油机气缸内 火焰外泄。在进气阻火栅栏与水冷增压器之间装有隔爆型空气关 断阀，该阀可在车辆出现故障或紧急情况之下自动关闭柴油机进
图１ ＷＣ５Ｒ防爆柴油机无轨胶轮指挥车总体结构图
mm， 转 向 器 需 要 的 输 出 力 矩 Ms=Mr×b/a=758×129/141.8=689 N·m，其中Mr为车辆需求扭矩，Mr=758 N·m。而实际转向器最大 输出扭矩可达1 040 N·m，所以可以满足使用要求。
３．４．２ 转向油泵流量计算
油泵工作流量的选取是根据转向盘最大瞬时转速计算的，先
滚针轴承，单位压力P的许用值小于40 N/ mm2，故能够满足使用
要求。
滚针轴承的接触应力[2]：?s ? 272
1 (
?
1Q )
=2
888.4
N/
mm2， 接
d1 d L
触应力应小于3 000 ～3 200 N/ mm2[3]，故可以满足使用要求。
３．５．３ 凸缘叉连接螺栓应力计算
剪切应力t =4M/(nrpd 2m)=44.6 N/ mm2，螺栓材料为35#钢，
东风汽车股份有限公司特种车事业部 湖北武汉 ４３００５６
摘 要：为积极响应国家政策，保障煤矿高产高效、安全生产，设计开发了WC5R煤矿用防爆柴油 机无轨胶轮指挥车，介绍了其设计原理及总体结构。 关键词：煤矿 辅助运输设备 防爆柴油机 WC5R指挥车
Abstract In order to meet our coal mining subsidirary transportation equipment development needs, WC5R coal mine flameproof locomotive trackless rubber wheel command vehicle was designed and developed, and the design principle and the overall structure were introduced. Key words coal mining; auxiliary transport equipment; flameproof locomotive; WC5R command vehicle
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图３ 排气系统布置图
２．３ 冷却系统 为有效降低柴油机排气温度，不破坏原柴油机冷却系统，在
柴油机上另行设计了一个水泵，同时增加了一个散热器，该冷却 系统仅对排气歧管、增压器废气涡壳、排气总管、冷凝器进行冷 却，可有效降低废气温度。该系统的设计，使柴油机的冷却系统 在环境温度高达40℃时也可趋于热平衡，而不影响柴油机的正常 使用。其布置示意图如图4所示。
图４ 冷却系统布置示意图
２．４ 电气系统 传统矿用防爆柴油机无轨胶轮车因电器元件的隔爆局限性，
大多采用最简单的方式，即仅仅实现隔爆电起动、前后照明及电 保护功能。为打破传统设计思想，WC5R设计之初就考虑了其整 车电器系统要实现陆用车辆的一切功能，即除现有前后照明灯及 信号灯之外，还增加了远近光切换、左右转向灯、刹车灯、倒车 指示灯、驻车危险报警灯，同时还设计了隔爆暖风除霜装置，可 有效解决冬季矿井下与井上温差过大造成的车辆挡风玻璃积霜之 困。不仅如此，还设计了隔爆雨刮电机、隔爆淋水装置，并且全 部采取一键操作，十分便捷。同时，所有电器元件均采用本安或 隔爆型，符合GB 3836爆炸性气体环境用电气设备技术要求，并取 得煤炭行业安全标志证书。电器系统原理如图5所示。
气，从而实现停机。进气阻火栅栏与进气歧管之间靠进气弯管连 接。经全新设计开发的进气系统，不仅可在原有柴油机机舱进行 合理的布置，同时还满足了矿用防爆柴油机的严格要求。进气系 统布置如图2所示。
图２ 进气系统布置图
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２．２ 排气系统 为能满足矿用防爆柴油机的技术条件要求，使柴油机排气系
统 各 部 件 表 面 温 度 均 降 低 至 150℃ 以 下 ， 排 气 温 度 降 低 至 70℃ 以 下，在原排气歧管基础上开发了水冷排气歧管，在原增压器废气 涡壳上增加了水套，采用双层水冷排气总管，不仅靠冷却水进行 冷却降温，同时增大的零件表面可进行辐射散热，水冷排气总管 后端设计了冷凝器，可有效降低排气温度。在废气出口端设计开 发了废气处理箱，可将废气温度降低至70℃以下。在废气处理箱 末端设计了排气阻火栅栏，可有效将碳粒夹带的火星熄灭，因此 亦称消焰器。排气系统布置图如图3所示。
３．３．１ 纵向力最大，侧向力为零
板簧座处弯曲应力和扭转应力分别为 ?s ? M?v ? Mh ，?t ? T??
桥管为圆管端面，合成应力为：
W?vv Wh
WT
?s h ?
M?v 2 ?
M
2 h
?
T?t 2
W
=40.6 MPa.
３．３．２ 侧向力最大，纵向力为零 桥壳内、外板簧座处端面的弯曲应力分别为：
３．２ 前桥转向节应力计算校核 WC5R指挥车前桥总成采用断开式转向桥，主要是计算转向
节在制动、侧滑和通过不平路面等3种工况下的工作应力。忽略车 轮的定位角，即认为主销内倾角、主销后倾角、车轮外倾角均为 零，而左右转向节轴线重合且与主销轴线位于同一侧向垂直平面 内。
转向节采用40Cr中碳合金钢制造，心部硬度HRC241～285， 高频淬火后表面硬度HRC57～65，硬化层深1.5～2.0 µm。轮轴根 部的圆角液压处理，并且许用弯曲应力［s ? ］=550 MPa。
经过计算校核可知，该传动轴系统的强度完全符合要求。
通过系统设计开发的WC5R矿用指挥车，在东风试车场模拟 煤矿井下的泥泞、潮湿、凹凸路面进行了15 000 km路试，并在山
区模拟矿区路面进行了3 500 km山路试验，经测试，其动力性、 表面温度、排气温度均能够满足煤炭行业标准要求，其综合性能
转向节在制动工况下：s? ? ?
M?
2 ?
?
M?
2 h
=44.8 MPa＜550 MPa
w
转向节在侧滑工况下：左、右转向节在危险断面处的弯曲应力为：
s? WL
?
M LⅢ－Ⅲ w
=21.27 MPa＜550 MPa
s? WR
?
M RⅢ－Ⅲ w
=80.48 MPa＜550 MPa
转向节通过不平路面时，在此工况下相当于冲击载荷，转向节
计算出满足转向盘最大瞬时转速所需要的理论流量 Q0，然后再计 算 出 实 际 需 要 的 流 量 Q1。 实 际 需 要 的 流 量 Q1 =1.5 Q0+ Q2=6.785 L/min。Q2为动力转向器允许的内泄漏量0.8 L/min，而WC5R转向 泵流量为7.0 L/min，因此转向油泵可以满足使用要求。
第一作者：杨建伟，男， 1979年 生 ， 工 程 师 ， 现 专 业 从 事矿用防爆柴油机及无轨胶轮 车的设计开发工作。
中图分类号：U469.6.02 文献标识码：A 文章编号：1004-0226(2011)03-0060-04
１ 引言
近年来随着我国煤矿综采技术的发展，煤矿开采机械化程度 的不断提高，一些现代化超大型矿井和改扩建矿井在无轨辅助运 输方面进行了积极的实践和推广，初步取得良好效果。体现出无 轨辅助运输高效能、多用途、机动灵活和技术先进的特点，为我 国煤炭无轨运输胶轮车的研制和创新起到有力的推动作用。
受力最为严重：
?s ? M =150.66 MPa＜550 MPa W
车辆沿不平路面行驶时，转向节轴颈是在变载荷情况下工
作，由于金属的疲劳也会导致其失效，为避免应力集中，在轴颈
根部过渡处采用了大半径圆角R = 4 mm，并提高加工精度和增加 表面淬火处理。由此，前桥左右转向节都符合要求。
３．３ 后驱动桥壳强度计算
为积极响应国家政策，设计了WC5R煤矿用防爆柴油机无轨 胶轮指挥车，为煤矿高产高效生产提供了安全的保障。
２ ＷＣ５Ｒ指挥车设计原理及总体结构
WC5R煤矿用防爆柴油机无轨胶轮指挥车系在东风日产SUV车 型基础上，将柴油机进行防爆处理，使其进气系统、排气系统、冷 却系统、电气系统均达到国家煤炭行业要求，同时在原车辆的基础 上将所有电器件进行了隔爆处理，以满足煤矿隔爆电器的要求，将 底盘进行全新改造，并对进排气系统、仪表面板等进行全新布置设 计开发的适合煤矿井下瓦斯、粉尘存在场所的一款全新车辆。该车 为两厢五门，分时四驱方式，可驾乘5人，适合煤矿领导或煤炭安 全生产监督人员下井使用。其总体结构如图1所示。 ２．１ 进气系统
图５ 电器系统原理图
通过系统化的电器系统设计，WC5R防爆柴油机无轨胶轮指 挥车能实现以下自动安全保护功能。具体说明如下：
a. 防爆柴油机机体表面最高温度达到147℃～150℃时； b． 冷却液温度达到98℃时； c． 废气温度达到67～70℃时； d． 机油温度达到116～118℃时； e． 防爆柴油机机油压力≤98 kPa时； f． 废气处理箱水位≤30 mm时； g． 环境瓦斯浓度达到1.0%时； h． 燃油箱油位≤20 mm时； i． 防爆柴油机转速≥2 600 r/min时。 当出现a～g项时，保护系统主机将发出声光报警信号，并确 保在1 min内停机；当出现h、i项时保护系统将发出声光报警信 号，提示驾驶员需要补充燃油或减速。
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ＷＣ５Ｒ煤矿用防爆柴油机无轨胶轮指挥车设计
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＷＣ５Ｒ Ｕｓｅｄ ｉｎ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ Ｆｌａｍｅｐｒｏｏｆ Ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ Ｔｒａｃｋｌｅｓｓ Ｒｕｂｂｅｒ Ｗｈｅｅｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ
杨建伟 黄玉四
ＹＡＮＧ Ｊｉａｎ－ｗｅｉ ｅｔ ａｌ