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非公路自卸车车厢的优化提升整车性能

2013-11-14 20:57| 发布者: 巨车网| 查看: 2096| 评论: 0|原作者: 章崇任|来自: 中国工程机械品牌网

摘要: 矿用车车斗  1、车厢的作用非公路自卸车(以下简称自卸车)是传统自卸车与工程机械相结合而产生的机种,其主要的机械总成有发动机、传动装置、底盘、车厢等。车厢是自卸车的作业装置,其质量占自卸车总质量的1/3左 ...

矿用车车斗

  1、车厢的作用

非公路自卸车(以下简称自卸车)是传统自卸车与工程机械相结合而产生的机种,其主要的机械总成有发动机、传动装置、底盘、车厢等。车厢是自卸车的作业装置,其质量占自卸车总质量的 1/3 左右,其结构、断面形状、强度和刚度直接影响自卸车的生产率、经济性、节能减排性和安全性,是自卸车整车系统一个重要的子系统。 


  2、车厢的作业工况及力学分析

  2.1 车厢作业工况分析

  自卸车用途广泛,在建筑施工、采矿、水利、水电建设、农田基础建设等方面是主要的运输车辆。由于作业对象不同,所以在不同的作业场合进行装、运、卸的自卸车车厢,有不同的作业工况。按自卸车装、卸物料的物理性能,自卸车车厢的作业工况可分为岩石(矿石)工况、泥土(土方)工况、砂石工况和其他工况。这些工况的特点是:

  (1)岩石工况:岩石的硬度高、密度大、块度大,在装车、卸料时对车厢冲击载荷大。有的含硫矿石(如煤),遇水会形成腐蚀车厢的酸性水,对车厢还有腐蚀性;

  (2)泥土工况:粘土(泥土)的主要矿物成分是粉状或细粒状高岭土、伊利石、蒙脱石,粘土的天然含水率为 24%~41%,土体内空隙水压与孔隙气压压力之差为基质压力,在外载荷(如挖掘机挖掘等)和水的作用下,基质压力会转化为粘聚力(物理吸附力),另外粘土中的水分也会和粘土中的矿物质发生化学反应,产生化学吸附力,这两种力叠加在一起会形成粘着力。在自卸车装、卸泥土时,贴近车厢底板和侧板的泥土,往往会形成粘结土层粘结在车厢底板和侧板上(特别是车厢断面为方形(矩形)的车厢角落处容易粘结)。据俄罗斯沃罗涅日建筑大学的研究报告,自卸车车厢的粘结土层厚可达车厢额定容积的 13%~20%,减少了自卸车的有效载重量,缓延了卸料速度,增加了清箱时间和人工,会降低自卸车的作业效率20%左右;

  (3)砂石工况:装、卸砂石(小粒石块)是自卸车车厢较好的作业工况,一般没有粘箱现象,装、卸时对车厢的冲击载荷也比较小。

  (4)其他工况:在寒冷地区的寒冷季节,自卸车装运含水物料(含水、岩石、泥土等)和流态青混凝土时,会因物料冻结而难以卸料。在农、牧区和工地,自卸车需装、运轻质泡料(轻质、大体积的牧草、农作物或泡沫类建筑材料),必须有大体积(大尺寸)车厢以提高装载量,但给装、卸作业带来困难。

  按自卸车作业地点的地形、地貌,可分为开阔场地和受限场地。

  (1)开阔场地:自卸车顶升卸料空间和转弯、行驶场地开阔不受空间和场地限制;

  (2)受限场地:有的作业场地自卸车顶升卸料空间受限(如在低空间的隧道、仓库、立交桥下作业)有的作业场地转弯、行驶受限(如在山区小道、狭窄地带、管沟施工作业)。

  2.2 车厢力学状况分析

  由于路况和作业工况不同,自卸车力学状况复杂多变,车厢作为自卸车的作业装置,在自卸车作业时,其承受的主要载荷(作用力)如下:(1)重力:装载物料的重量产生;(2)冲击力:装料时物料落下时冲击车厢产生;(3)路面的反作用力自卸车行驶在非公路(起伏不平)路面上产生的反作用力(主要是振动力),也会通过底盘传递到车厢;(4)摩擦力物料在装、卸时与车厢壁板、底板接触、滑动时产生的摩擦力。(5)腐蚀作用力:含酸性物质的物料与车厢接触时产生的化学应力;(6)车厢顶升卸料物料移动时,特别是多向卸料时产生的扭转力和弯曲力、倾覆力;(7)其他作用力:自卸车在起动、制动、转弯等运行过程中产生的附加惯性力等。

在各种力的综合作用下,车厢结构会产生变形、裂纹、弯曲、磨损等损伤,但是不同材质和断面形状、结构的车厢,其受损程度不一。 


  3、车厢结构和性能的优化方法

  从对车厢作用、作业工况和力学分析可知,车厢具有用途多样性、作业工况差异性、力学状况复杂性等特点,为了适应上述特点,国外不少工程机械厂商,加强了对车厢结构和性能优化的研发,充分发挥车厢这一重要总成(子系统)的优化作用,提高了自卸车的生产率、节能减排性、安全性,增强了产品的市场竞争力。其主要的优化方法如下:

  (1)车厢容积多样化:国外厂商按市场需求,对同一功率的自卸车,可提供适应岩石工况的容积不大的岩石车厢(结构相应加强)、容积较大的土方车厢(宽体车厢)、容积适中的通用车厢,以利在装载密度不同的物料时能提高有效载重量,供客户选订;

  (2)附加功能车厢:为了适应特殊性能装载,在车厢上加装功能装置;保暖车厢:白俄罗斯明斯克轮式牵引车厂生产的防冻自卸车,在车厢底部装有利用发动机排气的暖气管,可为车厢内的物料保温,防止物料冻结,便于卸料;振动车厢:俄罗斯红色灯塔工厂生产的振动卸料自卸车,其车厢装有振动器,卸料时振动器振动使车厢底板与物料、物料与物料之间的静摩擦转变为滚动摩擦,降低了它们之间的阻力,减少了物料粘箱,使有效装载量加大,加快了卸料速度,作业效率可提高20%左右;防粘车厢:国立莫斯科建筑大学研发的减粘脱土工程塑料衬板,该衬板具有良好的疏水性、润滑性,减摩(摩擦)性(与土的摩擦系数为钢板与土的摩擦系数的1/20)耐冲击性、耐腐蚀性、耐候性(可适应-50~100℃环境温度)将衬板(厚10~20mm,可按需选用)用埋头螺栓安装在车厢板上,可提高作业效率 20% 左右;

  (3)轻量化车厢:欧洲铝协指出,汽车重量每降低100kg,百公里油耗可降低 0.6L,车厢重量约占自卸车总重的1/3,所以是自卸车轻量化的重点目标,国外厂商在保障车厢强度、刚度的前提下,研发了一些轻量化的车厢,以提高自卸车节能减排性能,如采用铝合金板材制作车厢,铝合金板材与等强度的钢板相比,质量可减轻1/2schmiz cargobll公司生产的SKI自卸车,采用铝合金板材制造车厢,比等强度的钢质车厢轻,提高了自卸车的有效载重量,降低了油耗。VOLVO公司生产的420FMX自卸车用高强质轻的碳纤维复合材料制作车厢,比相同载重量的钢质车厢质量轻40%,节油12%。另外,国外有的自卸车还采用耐磨、薄壁钢板作面层,用普通的钢板作底层制作复合板材车厢,可减轻车厢质量10%,既节油又耐磨损;

  (4)优化车厢断面形状:车厢的断面形状(矩形、椭圆形、U形等)不同,其力学状况、有效载重量、抗粘性(抵抗粘性物料粘厢的性能)等均不同,研究表明,在外力作用下,U形断面车厢比矩形(方形)断面车厢的受力工况好,不易产生变形,举升时车厢物料容易集中,圆角处不易粘料,有效载重量大,所以,VOLVO 公司的A35 自卸车、白俄罗斯汽车公司的 MOA3-75034 自卸车等国外自卸车车厢,都采用 U 形断面,这是当前欧洲自卸车流行的车厢断面形状;

  (5)车厢卸料方式多样化:为了适应不同作业工况的自卸车作业需要,缩短卸料时间,提高自卸车生产率,国外自卸车除了采用传统的车厢后卸式外,还有车厢一面或两面侧卸、底卸、顶推式平卸、全方位(360°)卸料等多种卸料方式,如白俄罗斯明斯克轮式牵引车厂生产的 M3KT-651552 型自卸车车厢可以左侧面、右侧面、后面三方位卸料;日本日立公司生产的EG70R 自卸车车厢可以360°全方位卸料;卡特彼勒公司生产一种车厢底部卸料自卸车,由于车厢卸料时不顶升,所以卸料高度矮,可在低空场所(低空隧道、立交桥下)和铺筑路基、坝体时方便、快速卸料;俄罗斯生产的玛斯农用自卸车,车厢大而长,容积 40m3 ,用于装运谷物、草类、轻质泡料物料,其车厢卸料方式为液压缸平推式;

  (6)模块式车厢:用于不同作业工况的各种车厢,与自卸车车架为可拆卸式联接,可根据不同作业工况,更换采用不同型号的车厢,使自卸车有最佳生产率,一车多用。如俄罗斯吉尔汽车厂生产的自卸车的车厢,就采用模块式车厢,车上配置了更换车厢的专用吊车(可兼做随车吊用),可快速、方便地更换适应不同作业工况的各型车厢。VOLVO公司设计的铰接式矿用概念车,该概念车由动力模块和作业模块两个模块铰接成车:① 动力模块由驾驶室、发动机、前桥组成;② 作业装置模块由车厢、车架、后桥组成,两模块用可快速装拆的铰接装置铰接。作业装置模块分:a. U形断面自卸车车厢模块;b. 普通货车车厢模块;c. 运管车厢模块,d. 运木材车厢模块;e. 油罐车厢模块等不同用途的作业装置模块,可分别按不同的作业工况与动力模块组成不同用途的自卸车、载重车、运材车、运管车、油罐车等车型,一车多用,特别适合多作业工况的大型施工企业、矿山和租赁公司使用;

  (7)定制车厢:对于生产挖掘机、装载机、自卸车的工程机械厂商,还生产与装载机械斗容最佳匹配的定制车厢自卸车,如日立公司生产的222t级自卸车,其车厢的容积是按该公司生产的EX系列液压挖掘机铲斗容积最佳匹配确定的,该车厢可容纳EX3600-6型液压挖掘机6斗矿石和 EX5500-6液压挖掘机5斗矿石,实现合理装载,防止超载和欠载,提高了挖掘机和自卸车的生产率。为购买成套装、运设备的用户带来好的效益,也提高了成套产品的市场竞争力

8)强化相关联部件:① 强化与车厢直接关联的部件(车架、悬挂装置)等,可以减弱自卸车行驶在崎岖道路和起伏不平场地时传到车厢的振动力、弯曲应力和扭转应力。如捷克太脱拉公司新开发的太脱拉自卸车,采用与世界知名品牌自卸车性能相同的发动机、传动装置,但在车架、悬挂装置、车厢的材质、结构等方向进行了创新开发,如采用支撑式管状底盘,带弹性传动的半轴、车架安装多种悬挂装置(前桥装有机械式挂弹簧钢板、气动悬挂2种装置,后桥装有机械式、气动悬挂、复合悬挂。在与同型号名牌自卸车在煤矿试验场起伏路面行驶时对比,其行驶速度、装卸效率、节油率等指标均好于名牌车,如名牌自卸车厢侧倾角15°,而太脱拉自卸车车厢侧倾角为零,所以承受弯曲和扭矩应力明显小于名牌车;② VOLVO公司新开发的F系列自卸车,优化了与车厢相关联的顶升和控制系统,F系列自卸车车厢两侧配置单级双作用液压顶升油缸,在驾驶室操作台配置车厢卸料参数自动控制装置,司机选定了卸料参数后,可确保车厢卸料时精确定位,有最佳卸料角和卸料高度,快速卸料,缩短作业循环时间。另外,在输电线和立交桥下作业时,可确保货厢不碰撞建筑物和电线,安全性好。 


  4、建议

  (1)从对自卸车车厢的特点及优化方法的分析可以看出,车厢有广阔的优化空间,由于对车厢的优化比较简单、易行,投入成本少,而对自卸车整体性能的提升效果明显,具有投放、产出效益倍增作用。因此建议国内生产厂加强对车厢优化的创新研发,以利提高自卸车整车创新水平和生产差异化的自卸车品种,增强市场竞争力;

  (2)根据国内外厂商优化车厢的设计经验,建议国内生产厂对车厢的优化设计采用“概念设计、参数设计、仿真分析”等相结合的先进设计方式,以降低研发成本,加快研发进度,提高研发质量;

  (3)上述车厢优化方法不仅制造可以采用,在自卸车升级型再制造中也可采用,以提高再制造自卸车车厢及整车的质量。

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