露天礦用車襯套裝配機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

段景飛，張建功，田 峰，卜恩濤

（內(nèi)蒙古北方重型汽車股份有限公司，內(nèi)蒙古 包頭014030）

礦用自卸車是露天礦山的主要運(yùn)輸工具，作業(yè)環(huán)境惡劣，前軸作為礦用自卸車行走機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵重要部件，在車輛使用過程承受著主要的載荷，前軸上部件的安裝是否可靠安全，直接影響著車輛在露天礦山的運(yùn)行效率。在維修和裝配前軸過程中，前軸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，襯套的裝配精度高，勞動(dòng)強(qiáng)度大。通常先使用導(dǎo)向套將襯套固定到相應(yīng)的孔內(nèi)，再手動(dòng)借助銅錘或尼龍錘進(jìn)行敲擊到位，勞動(dòng)強(qiáng)度大，裝配效率低下，裝配合格率低，使用前軸加工面定位無法進(jìn)行有效保護(hù)，導(dǎo)致礦用自卸車前軸在襯套裝配過程中時(shí)有報(bào)廢情況發(fā)生，給露天礦山造成經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)維修裝配過程中操作者的安全得不到有效保障，存在不安全生產(chǎn)隱患，基于數(shù)模計(jì)算和機(jī)電一體化技術(shù)研究和設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)裝配機(jī)[1]，從而提升礦用自卸車前軸村套的裝配效率，減少裝配維修時(shí)的勞動(dòng)強(qiáng)度，為大型露天礦山創(chuàng)造可觀的效益。

1 技術(shù)方案和途徑

1.1 技術(shù)方案

分析礦用自卸車前軸裝配和維修的現(xiàn)狀，依據(jù)大型礦用自卸車某型號(hào)前輪襯套裝配的技術(shù)要求，準(zhǔn)確識(shí)別裝配過程中不安全因素，基于方便、快捷、安全等方面重點(diǎn)考慮，技術(shù)方案分為裝配工作臺(tái)，控制系統(tǒng)，定位夾具及安全保護(hù)措施等。

1）裝配工作臺(tái)。分析大型礦用自卸車前軸的結(jié)構(gòu)，利用軟件繪制結(jié)構(gòu)虛擬模型，設(shè)計(jì)裝配工作臺(tái)，保證結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠。

2）控制系統(tǒng)。分析裝配維修過程，記錄每一步驟的動(dòng)作要素，依據(jù)這些動(dòng)作要素設(shè)計(jì)研制電氣液壓控制系統(tǒng)，控制機(jī)械動(dòng)作機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體半自動(dòng)化裝配。

3）定位夾具。根據(jù)不同車型前軸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將夾具和工作臺(tái)分開設(shè)計(jì)，研制可快速換型的定位夾具，實(shí)現(xiàn)多車型通用，方便快捷，在刀具和導(dǎo)向桿的作用下保證裝配精度，提高裝配維修效率。

4）安全。研制過程中，安全的保障作為重中之重，設(shè)計(jì)電氣互鎖控制、機(jī)械旋鈕鎖止機(jī)構(gòu)[1]保證了裝配安全，在裝配臺(tái)架定位套、定位塊的作用下，將礦用自卸車前軸安裝孔精準(zhǔn)的定位在液壓缸下，保證裝配維修時(shí)安全可靠。

1.2 技術(shù)途徑

1）分體裝配臺(tái)架。按照人機(jī)功能學(xué)的原理，設(shè)計(jì)1 套通用的臺(tái)架，分為上下2 部分，下半部分利用定位裝置和夾具來固定礦用自卸車前軸，上半部分臺(tái)架來支撐液壓缸，保證裝配安全。

2）控制系統(tǒng)。依據(jù)裝配襯套的作用力等參數(shù)，運(yùn)用理論計(jì)算法和經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算出壓裝力，設(shè)計(jì)機(jī)電液裝置，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裝配。

3）夾具。礦用自卸車前軸是一種異型結(jié)構(gòu)，安裝方向與前軸的軸向垂直，安裝角受到限制，設(shè)計(jì)一套夾具來定位前軸的非安裝面，實(shí)現(xiàn)前軸襯套的安裝孔垂直于定位，從而讓刀具方便快速的通過安裝孔。

4）模擬仿真。采用Pro E 和ANSYS 軟件繪制裝配模型和仿真結(jié)構(gòu)特性，在全三維環(huán)境下進(jìn)行設(shè)計(jì)模擬裝配[2]，確保設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理準(zhǔn)確。

2 礦用自卸車前軸襯套裝配機(jī)壓裝過程

當(dāng)擠光刀壓入到工件的軸孔并通過時(shí)，承受的主要是軸向壓力F，這時(shí)外部的壓力即作用力F 應(yīng)大于擠光刀外圓周面與軸孔作用面所產(chǎn)生的軸向摩擦阻力F′，產(chǎn)生的軸向其他滑動(dòng)力可以忽略不計(jì)[3]。2.1 相關(guān)參數(shù)

1）外部載荷軸向力F。

式中：F 為外部載荷軸向力，N；F′為軸孔作用面上產(chǎn)生的軸向摩擦力，N；d 為軸孔的公稱直徑，mm；l 為軸孔的長度，mm；p 為接觸壓力，MPa；η為靜摩擦系數(shù)。

2）刀與軸孔接觸壓力p。根據(jù)材料力學(xué)相關(guān)厚壁圓孔的計(jì)算方法，p 為徑向壓力時(shí)，過盈量δ 為：

式中：δ 為過盈量，mm；C1為壓入件的剛性系數(shù)；E1為壓入件材料的彈性模量，MPa，C2為圓孔件的剛性系數(shù)；E2為圓孔件材料的彈性模量。

3）壓入件的剛性系數(shù)C1。

式中：d1為壓入件的內(nèi)徑，mm；μ1為壓入件材料的泊松比。

4）圓孔件的剛性系數(shù)C2。

式中：d2為圓孔件的內(nèi)徑，mm；μ2為圓孔件材料的泊松比。

2.2 結(jié)果分析

對(duì)于擠光刀，其材料為鋼；而對(duì)于襯套，其材料為青銅。在壓裝過程中，擠光刀與襯套內(nèi)孔的配合形式為過盈配合，其靜摩擦系數(shù)η 可以查表對(duì)應(yīng)系數(shù)為0.07。而擠光刀為壓入件[4]，襯套為圓孔件，2 件的配合公稱直徑為d=38.15 mm。

擠光刀為實(shí)體鋼件，其內(nèi)徑d1=0，查表得泊松比μ1=0.3，根據(jù)式（3）得出剛性系數(shù)C1=0.7。

對(duì)于礦用自卸車前軸襯套孔最大直徑d2=114.3 mm。由于其為青銅，可查表泊松比μ2=0.35，根據(jù)式（4）得出剛性系數(shù)C2=1.55。

查表可以確定E1=2.15×105MPa，E2=0.85×105MPa，擠光刀與襯套內(nèi)孔的配合最大過盈量為Smax=0.05 mm，可以根據(jù)式（2）可得出其接觸壓力pmax=617.28 MPa。所以根據(jù)式（1）可計(jì)算需要的外部實(shí)施的加載力數(shù)值≥Fmin=9 982.52 N。

2.3 經(jīng)驗(yàn)法的分析

對(duì)于實(shí)體擠光刀壓裝入襯套端面安裝孔內(nèi)，設(shè)μ1＝μ2＝μ、E1＝E2＝E、d1＝0。由式（2）～式（4）可得出：

公式中：Emax為過盈配合的擠光刀和襯套的彈性模量的最大值；δmax為最大過盈量，mm；d 為配合件的公稱直徑，mm。

由式（1）和式（6）綜合得出外部實(shí)施的加載力最小值Fmin為：

由式（7）可知，外部實(shí)施的加載力Fmin與配合件的直徑d 無關(guān)，且經(jīng)驗(yàn)值Fmin大于精準(zhǔn)計(jì)算值[5]。在實(shí)際生產(chǎn)制造過程中，有可能會(huì)因制造加工條件所限或其他原因，導(dǎo)致擠光刀或襯套安裝孔的光潔度不好而出現(xiàn)變形仍在公差要求范圍內(nèi)等情況造成配合時(shí)所施加的外部力變大，故所以實(shí)際的外部加載力F 遠(yuǎn)大于精準(zhǔn)計(jì)算值，而經(jīng)驗(yàn)法的優(yōu)點(diǎn)是簡單快速，所以經(jīng)驗(yàn)值Fmin在現(xiàn)實(shí)運(yùn)用過程中有著非常大的參考價(jià)值。

由式（7）得外部加載力最小值≥Fmin=15 050 N。

通過理論計(jì)算確定至少需要的外部加載力，然后選型液壓缸，即可確定裝配機(jī)的工作壓強(qiáng)。

液壓缸體的選型，可以根據(jù)外部加載力Fmin和作用工件的面積計(jì)算得到。

3 礦用自卸車前軸襯套裝配機(jī)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用效果

1）應(yīng)用裝配機(jī)構(gòu)前的礦用自卸車前軸襯套安裝。裝配機(jī)構(gòu)應(yīng)用前，現(xiàn)場維修裝配時(shí)只能利用1 個(gè)千斤頂在支架上面來驅(qū)動(dòng)導(dǎo)桿和刀具來實(shí)現(xiàn)裝配，之前還必須利用銅錘進(jìn)行預(yù)裝，勞動(dòng)強(qiáng)度高，工序復(fù)雜，裝配效率低，裝配安裝和裝配精度無法都保證。

2）應(yīng)用裝配機(jī)構(gòu)后的礦用自卸車前軸襯套安裝。把礦用自卸車的前軸放到裝配臺(tái)架上，用定位裝置將前軸進(jìn)行定位，保障襯套的垂直中心線與裝配中心線同軸，用液壓缸活塞桿行程帶動(dòng)導(dǎo)向桿或刀具壓制襯套，不僅降低勞動(dòng)強(qiáng)度，還提高了生產(chǎn)效率。

3）利用電氣—液壓裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裝配。設(shè)計(jì)電氣控制裝置，結(jié)合機(jī)電一體化技術(shù)，由電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源[6]，帶動(dòng)液壓泵給液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力，液壓系統(tǒng)中利用單向閥防止液壓油逆向流動(dòng)，增加溢流閥實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的調(diào)節(jié)與保護(hù)，利用電磁換向閥實(shí)現(xiàn)電氣控制液壓缸的上下動(dòng)作，另外在控制機(jī)柜中增加了散熱裝置，采用風(fēng)冷模式輔助降溫，以保證高強(qiáng)度連續(xù)作業(yè)可靠安全[7]。

4）裝配機(jī)的實(shí)際應(yīng)用?，F(xiàn)場實(shí)施操作過程共5個(gè)步驟完成：第1 步是裝配機(jī)安裝定位夾具；第2 步事前軸襯套預(yù)裝配；第3 步安裝裝配機(jī)的刀具；第4步是操作裝配機(jī)壓裝襯套；第5 步是檢查前軸襯套裝配是否合格。簡化后的實(shí)施過程有效的消除了安全隱患，實(shí)際應(yīng)用裝配機(jī)裝配的襯套全部達(dá)到質(zhì)量要求[8]。

4 結(jié) 語

針對(duì)露天礦山使用的礦用自卸車前軸襯套裝配，通過建立前軸襯套裝配模型，分析裝配要素，計(jì)算裝配壓入數(shù)據(jù)。開發(fā)并研制了礦用自卸車前軸襯套裝配機(jī)構(gòu)，裝配機(jī)構(gòu)應(yīng)用后，提高礦用車產(chǎn)品的裝配效率。