（毕业论文）-地下自卸车设计

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1、湖南工学院机械工程系毕业设计 1 第 1 章 前 言 1.1 立项背景 进入 21 世纪以来，我国的矿业形势发生了很大的变化。无轨采矿技术近 40 多年来得到了飞速的发展。许多露天矿山，由于开采深度不断增加，为了降 低开采成本、保护环境，这些矿山必须由露天开采转入地下开采。据有关协会 统计，我国的铁矿山在 5 年后，露天开采与地下开采的比将由目前的 73 转变 成 37，由此可见，地下矿山设备在我国的应用前景十分广阔。据有关资料分 析，我国今后地下矿山自卸汽车的需求量将呈逐年上升的趋势。目前的年需求 量约 30 台左右，5 年后年需求量约 120 台左右。 由于历史的原因，我国在地下矿山运输设

2、备领域装备十分落后，尽管经过 太原重型机械厂、北京矿冶研究总院、核工业第六研究所、衡阳有色冶金机械 厂、金川有色公司、长沙矿山研究院等单位的努力，分别对 5t、8t、10t、12t、18t、20t、25t 等机型进行了一些研究，取得了一些成功， 但这些探索性的研究显然还很不够，而且有些探索显然没有达到预期的目的。 因此，直到目前我国可供矿山选用的地下矿山自卸汽车比较少，远远不能满足 我国地下矿山运输设备需要。 国外的地下矿山自卸汽车应用得比较好，技术也比较先进，但价格比较高。 一般情况是：国外的地下矿山自卸汽车整机的价格是国内价格的 23 倍，而易 损件、备件的价格却是 610 倍。因此，发展

3、我国的地下矿山自卸汽车是非常 必要的。 20t 地下矿山自卸汽车是我国矿山应用较多的一种机型，它比较适合中型 规模的地下矿山。我国的有些公司对它有过探索，但没有达到预期的目的，至 今没有该产品通过鉴定的报道。因此，我国的 20t 地下矿山自卸汽车目前还停 留在研制阶段。而我国的用户对该产品有比较迫切的需求，有些客户已经向衡 阳力达铲运机有限责任公司提出了订购的意向。由此可见，研究该机型不仅非 常迫切，而且非常必要。因此，为了满足我国地下矿山运输设备的需要，使我 国在地下矿山设备的设计、制造上一个新的台阶，促进我国地下矿山运输设备 的产业升级。 我国通过 20 年引进、消化和吸收国外先进技术，已

4、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。 湖南工学院机械工程系毕业设计 2 由于国际工业技术大融合，国外的一些先进技术能够为我国的产品升级提 供支持。例如：我国可以选用德国道依茨(Deutz)公司、卡特(Cater)公司、底 特律(Detroit)公司的发动机，可以选用美国约翰克拉克(JCJ)公司的液力变矩 器、变速箱和驱动桥。力达铲运机制造有限公司经过 20 多年的努力，在引进、 消化和吸收克拉克公司技术的基础上已经开发成功

5、多种能够用于地下矿山的铲 运机，而地下矿山自卸汽车的制造技术比铲运机的难度还要大。因此，开发 20t 地下矿山自卸汽车的条件已经成熟。这是本项目的立项的背景。 20t 地下矿山自卸汽车是地下矿山无轨运输的一个重要机型，它的研究开 发对我国地下矿山自卸汽车的产品升级、建立我国地下矿山无轨采矿配套设备 体系、促进我国地下矿山无轨采矿的发展都具有十分重大的意义，同时，开发 它的经济效益和社会效益都很显著。 1.2 国内外研究现状与发展趋势 1963 年瓦格纳(wagner)公司生产了世界上第一台柴油铲运机，从此开创了 地下采矿应用无轨运输的时代。首先在美国及瑞典等国的地下采场中，采用了 一种胶轮柴油

6、驱动，兼有装、运、卸功能的铲运机(简称 lHD)。这种设备具有 机动灵活，高效率，改善劳动强度，节省劳动力的性能，简化了矿岩装运工艺， 适用于采场运搬和阶段运输。这种设备很快在欧美矿山中被广泛采用，逐渐替 代着多年来沿用的电耙、气动装载机和轨道运输车辆。实践证明铲运机在中、 短距离内使用是经济的，但当铲运机运距超过其经济运距时，运输能力将显著 下降，运输费用则急剧上升。因此，在较长距离和大运量时就宜采用矿用自卸 汽车。无轨采矿技术的应用使世界地下采矿业发展发生了革命性的变化。40 多 年来，无轨采矿技术在发达国家的普及率已经超过 85%。无轨设备的种类，除 了主采设备铲运机和凿岩台车外，各种地

7、下车辆(如地下矿山自卸汽车、地下矿 山工程服务车、装药车、维修车、加油车、运人车等)都已广泛应用，并按照工 艺的要求形成配套装备，组成各种机械化作业线，从而最大限度地提高了地下 矿山的生产效率，使矿山的生产迅速由体力加经验的劳动密集型向技术密集的 集约化方向发展。 在中型吨位地下矿山自卸汽车方面，阿特拉斯-瓦格纳(Atlas Copco Wagner Inc)、约翰克拉克(JCI)公司、格特曼(Getman)公司、偌麦特(Normet) 公司和塔姆罗克(Tamrock，也就是 EJC)公司等，在世界上处于领先地位。他们 生产的中型吨位地下矿山自卸汽车，性能良好、结构合理、质量可靠，基本上 占领

8、了这一领域的国际市场。这些公司生产的地下矿山自卸汽车，一般采用德 国道依茨(Deutz)公司、卡特(Cater)公司、底特律(Detroit)公司的发动机，美 国约翰克拉克(JCJ)公司的液力变矩器和带有弹簧制动、液压松闸的多盘湿式制 湖南工学院机械工程系毕业设计 3 动器，装有轮边行星减速装置的桥。这种桥的特点是承载能力大，制动性能好， 具有合适的传动比。 但是，这些公司生产的地下矿山自卸汽车价格昂贵，一般情况是：国外的 地下矿山自卸汽车整机的价格是国内价格的 23 倍，而易损件、备件的价格却 是 610 倍，而且，这些公司的备件供应周期一般要几个月，必然会严重影响 矿山的采矿生产，所以其备

9、品备件的供应时间较难满足我国工业生产的需要。 因此，研究开发适合我国国情的地下矿山自卸汽车，形成具有自主只是产权的 产品，对满足我国地下矿山无轨采矿的需要、促进我国地下矿山无轨采矿工艺 的发展是非常必要的。 我国的地下矿山自卸汽车的开发比较晚，直到 1995 年才出现 KU-12 型地下 矿山自卸汽车。由于，它采用了露天机械设备的桥，这种桥显然不能满足地下 矿山苛刻的工作条件。尤其要提到的是露天机械设备的桥的制动性能难以满足 地下矿山的要求。因此，这种机型并没有得到推广应用。1996 年，JZC-10 型地 下矿山自卸汽车在凡口铅锌矿进行了工业试验及鉴定，但由于种种原因，这种 机型也没有推广应

10、用。1998 年，KZC-5 型地下矿山自卸汽车在东北某铀矿进行 了工业试验，也是由于种种原因没有推广应用。在世纪之交我国的有些研究院、 公司、工厂和矿山还进行了 18t、25t 的地下矿山自卸汽车的探索，尽管取得了 一些成功，但地下矿山自卸汽车的整体水平还是停留在研究阶段。 1.3 项目实施的主要内容、技术关键与创新点、预期目标 1.3.1 本项目实施的主要技术内容： (1)、整体机电液参数的计算：主要解决本项目功率匹配问题。 (2)、重要零部件选型设计：遴选各国能用于本项目的零部件，进行性能价 格比较。在保证产品质量的前提下，达到性能价格比较好。 (3)、重要零部件的强度校核与优化：本项目

11、的一个重要内容是进行重要零 部件的数字化设计。 1.3.2 本项目解决的关键技术： (1)、本项目柴油机与液力变矩器的功率匹配。 (2)、本项目重要零部件的强度校核与优化设计，该关键技术的实施能够提 升我国的研究设计水平；并能达到在保证产品质量的前提下，性能价格比较好。 (3)、CA-20 地下矿山自卸汽车整车性能的优化设计。 1.3.3 本项目的技术路线： 为了保证产品质量，本项目将采用目前世界上先进的地下矿山用的发动机 (底特律公司生产)，液力变矩器、变速箱和驱动桥(约翰克拉克生产)，采用进 湖南工学院机械工程系毕业设计 4 口液压制动阀及其他液压元件。这样，本项目的关键部件的性能与国外同

12、类产 品性能相同或相当。其它机构的生产，因为有生产 CA-8 地下矿山自卸汽车和 KZC-5 地下矿山自卸汽车的生产经验，也能保证质量。所以，整车的性能处于 国内领先水平、与目前世界水平相当。 1.3.4 本项目的创新点： (1)、本项目主要利用目前世界上先进产品(如发动机、液力变矩器、驱动 桥和进口液压制动阀及其他液压元件)，整机的主要部件与 EJC 公司的一样，组 合生产 CA-20 地下矿山自卸汽车，使本项目处于国内领先水平、达到世界水平。 (2)、因为本项目是我国地下矿山的一个技术升级产品，因此，本项目在设 计上采用数字化设计，提升我国在这类产品设计中的设计水平。 1.4 应用或产业化

13、前景与市场需求 进入 21 世纪以来，我国的矿业形势发生了很大的变化。许多露天矿山，由 于开采深度不断增加，为了降低开采成本、保护环境，这些矿山必须由露天开 采转入地下开采。据有关协会统计，我国的铁矿山在 5 年后，露天开采与地下 开采的比将由目前的 73 转变成 37，由此可见，地下矿山设备在我国的应 用前景十分广阔。据有关资料分析，我国今后地下矿山自卸汽车的需求量将呈 逐年上升的趋势。目前的年需求量约 30 台左右，5 年后年需求量约 120 台左右。 20t 地下矿山自卸汽车是我国中型地下矿山主要运输车辆，其年需求量约 为我国地下矿山自卸汽车的总需求量的 30%左右。因此，其应用或产业化

14、前景 较好。 湖南工学院机械工程系毕业设计 5 第 2 章 发动机跟变矩器的匹配 2.1 地下自卸车用柴油机的选择 近 2530 年，柴油机地下在地下采矿中已得到广泛的应用。柴油机是柴油 地下自卸车的“心脏” ，对整车的性能与可靠性有很大的影响，并对整个矿山的 开采效果、企业的经济效益有直接的影响。 1.地下自卸车工作时，柴油机所受到的冲击振动很大，因此要求柴油机机 体和附件有较高的刚度和强度。 2.发动机扭矩要大，扭矩储备系数一般大于 15%25%。 3.由于地下自卸车经常在速度和负荷急速变化的情况下工作（一般在 80%100%负荷下工作占 40%，在 50%负荷下工作时间占 30%，有时则

15、在超负荷 下工作） ，发动机必须备有性能良好的全程调速器。 4.由于地下自卸车使用范围比较广，有时温差变化比较大，因此要求柴油 机一般能在-30+40 C 的气温下正常工作，特殊情况下能在 5060 C 的高温 环境下工作。因此对燃油和机油的冷却系统、启动系统应作特殊考虑。 5.在井下由于爆破、凿岩等原因，井下空气含尘量很大，大约为 1.52g/m ，因此要求配有效率高、容量很大的空气滤清器。同时还得配有效 3 率高的燃油滤清器和机油滤清器。 6.由于在井下工作，通风条件差，因此要求柴油机有最低的废气排放，同 时应配备效果较好的废气净化装置。 7.地下自卸车往往需要在倾斜的地面上运行与工作，发

16、动机应能保证在前 后、左右倾斜30 的场地上工作（适用于柴油机倾斜角30 的油底壳） 。 8.由于井下通风条件差，散热能力也差，柴油机需要带有容量足够的液压 油散热器。 9.要求有足够的可靠性。 随着科学技术的发展，大量的新材料、新技术、新工艺的采用，特别是电 子控制技术的采用，使水冷柴油机可靠性更高、燃油更节省、废气排放更低、 性能更佳。因此在近几年国外新开发的地下自卸车中广泛采用水冷柴油机。 在煤矿与天然气非非煤矿环境中使用地下自卸车时必须采用防爆设计的水 冷柴油机。 根据经验和类比，收集与要设计的地下自卸车的载重量相近的国内外已有的 先进车型，并通过实践证明性能良好或比较好的地下自卸车作为选择功率。在 这里我们选择底特律公司的 series50 型柴油发动机。 湖南工学院机械工程系毕业设计 6 2.2 液力变矩器的选择 目前在地下自卸车中，大多数采用柴油机和三相交流异步电动机作为动力装 置。由于柴油机的扭矩适应性系数与电动机的过载能力较少，不能满足地下自 卸车经常过载与载荷频率变化的要求，因此，为了解决这个问题，即在柴油机 或电动