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1、一、绪 论（一）立项背景：地下自卸汽车是实现无轨开采技术的主要运输设备，它具有机动灵活和经济的优越性，广泛用语条件适宜的地下矿山。随着无轨采矿技术的发展，对地下自卸汽车的需求量也愈来愈大，对它的经济性、生产能力与可靠性的要求也愈来愈高，生产地下自卸汽车的厂家也愈来愈多。除了专门生产地下自卸汽车的厂家之外，生产露天自卸汽车的厂家也纷纷将露天自卸汽车改造后用于地下，企业之间的竞争愈来愈激烈。各企业为了适应市场的变化，提高市场的竞争力，不断推出新技术、新品种、新结构和新材料，促进了无轨采矿技术与设备的发展。国内研制地下自卸汽车始于20世纪70年代中期，由于各种原因，至今发展不快，只有几个生产厂，技术
2、水平只相当于国外20世纪80年代末的水平，数量与质量也远远满足不了国内矿山发展的需要。我们加入了WTO之后，地下自卸汽车行业面临着极大的压力和挑战，为了对付这严峻的形势一方面要引进更多更好的国外产品与相关技术，另一方面必须迅速发展民族工业。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
3、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
4、价格的23倍，而易损件、备件的价格却是610倍。因此，发展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，南华大学与衡阳有色
5、冶金机械总厂衡阳力达铲运机有限责任公司将进行合作，充分利用各自的优势，提出研究20t地下矿山自卸汽车的项目。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
6、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。由此可见，该公司制造地下矿山自卸汽车的技术已经成熟。这也是本项目立项的背景之一。核工业第六研究所并入南华大学之后，南华大学在地下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。这是本项目的另一立项的背景。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(Detr
7、oit)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多种能够用于地下矿山的铲运机，而铲运机的制造技术比地下矿山自卸汽车的难度还要大。因此，开发20t地下矿山自卸汽车的条件已经成熟。这是本项目的又一立项的背景。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。（二）国内外研究现状与发展趋
8、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。从1976年以来，各国制造商提供了
9、各种载重能力的地下用自卸汽车，使地下矿山的无轨运输得到发展。在瑞典一些地下开采矿山，日产量从500t到50000t的阶段运输都采用自卸汽车运输。自卸汽车装载量从15t到50t，最大已达70t，可适应各种生产规模的矿山和不同的运输线路的要求，单程运距达20003000m。地下运输采用无轨设备的显著特点是：设备购置费较低，无需安装；对大块物料适应性较强；机动灵活，有利于缩短矿山基建时间加速投产。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，各种地下车辆(如地下矿山自卸汽车、地下矿山
10、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，
11、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
12、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
13、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。2002年，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，在山东某矿进行了近一年的工业试验获得了成功，并再次赢得了4台订货。这次成功的工业试验表明我国地下矿山自卸汽车的技术已经成熟，可以在地下矿山推广应用。同时，也为本项目赢得了宝贵的试制经验。CA-20地下矿山自卸汽车，正是在CA-8t试验成功的基础上进行的一次产品升级的研究。因此，本项目具有较好的研究基础。（三）项目实施的主要内容、技术关键与创新点、预期目标1、本项目实施的主要技术内容：(1
14、)、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：本项目的一个重要内容是进行重要零部件的数字化设计。(4)、总装图与零件图的计算机绘制：本项目的所有图纸均采用电子文本，部分重要零部件采用三维图，并在计算机上进行模拟装配，以求减少设计失误。本项目的这个研究内容也是该产品的数字化设计重要内容之一，这项研究可以提升我国在这类产品设计中的设计水平。使我国的地下矿山设备设计水平上一个新的台阶。(5)、本项目的制造工艺研究：解决大型焊接件的焊接工艺
15、；解决CA-20地下矿山自卸汽车制造工艺问题。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。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
16、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。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。5、本项目的技术来源、合作单位情况与知识产权的归属：(1)、本项目的技术来源：本项目是现有国内成熟技术(如CA-8地下矿山自卸汽车、KZC-5地下矿山自卸汽车和CY-2柴油铲运机)的组合；国外成熟技术(如底特律公司的发动机、约翰克拉克生产的液力变矩器、变速箱和驱动桥)的组合。因此，研究的成功概率较高。(2)、本项目的合作单位情况：衡阳有色冶金机械总厂衡阳力达铲
