煤礦無軌輔助運輸車輛模塊化設計方法研究

王治偉

(中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

無軌輔助運輸車輛具有機動靈活、運行速度快、物料裝卸方便，可遠距離連續運輸等特點，作為煤礦輔助運輸設備以安全性高、用工少、效率高、運行成本低等諸多優點，得到了廣泛的應用。目前無軌輔運車輛產品已全面服務于煤礦生產作業的各個方面，包括煤礦井下人員、生產物料的運輸，綜采設備的轉載搬運，巷道工程作業等，其產品種類不同、結構特點各異[1-3]。

另一方面，我國煤炭賦存分布范圍廣，不同地區的礦井由于開拓方式、巷道斷面條件、產品使用習慣等差異，對無軌輔助運輸車輛的結構形式，功能構造都有著不同的個性需求，從而導致定制化產品不斷增加[4]。

模塊化設計是降低產品制造成本，縮短研發周期，提高設計質量，解決用戶多種定制化需求，減少產品零部件種類的一種有效的途徑，對于復雜的自行式機械產品尤其適用。

2015年國家標委會發布國家標準《機械產品模塊化設計規范》(GB/T 31982—2015)，以此引導推廣機械類產品進行模塊化設計。無軌輔助運輸裝備屬于復雜的機電液集成產品，推廣應用模塊化設計理念，來解決因需求差異帶來的產品種類多，零部件集聚增加的問題是行之有效的方法[5]。

1 無軌輔運車輛分類及模塊化設計構想

無軌輔運車輛是在煤礦井下運行的自行式無軌膠輪車輛，按結構形式可分為鉸接式車輛和整體式車輛(如圖1所示)。鉸接式車輛，前、后車架鉸接，采用液壓油缸折腰轉向，轉彎半徑小，巷道適應性好；整體式車輛為整體結構的底盤，可采用偏轉前輪轉向或原地滑移轉向。

圖1 鉸接式結構車輛和整體式底盤車輛

井下無軌運輸設備采用的動力源也不同，主要有礦用防爆柴油機車輛和礦用防爆蓄電池車輛兩大類。防爆柴油機裝機功率最小的僅為40kW，最大可達300kW。

無軌輔運車輛的傳動方式也各有不同，機械傳動、液力機械傳動、靜液壓傳動等傳動方式都能見到。傳動方式不同，傳動系統組成和結構差異也很大。液力機械傳動和靜液壓傳動的傳動路線示意圖如圖2所示，液力機械傳動路線一般為動力源→液力變矩器→動力換擋變速箱→傳動軸→前、后驅動橋；靜液壓車輛傳動路線一般為動力源→液壓泵→液壓馬達→減速器→車輪。

圖2 液力機械傳動和靜液壓傳動

無軌輔運車輛的用途也不盡相同，有運人車、運料車、防爆鏟運機、支架搬運車以及特殊用途類車輛等，設備用途不同，其工作機構也就完全不同。此外車輛的載重能力差別更大，從0.5t的輕型皮卡車到100噸級的重型支架搬運車都可在煤礦井下看到，由此帶來的產品設計思路也就完成不同。

從上面所列出的各種輔運車輛產品可以看出，其在載重能力、結構特征和性能參數的差別非常巨大，造成產品規格系列繁多。此外，即便是同一規格的車型產品因需求不同也產生出很多衍生車型。以載重5t的材料運輸車來說，在結構形式上有整體式，也有鉸接式；驅動方式有四輪前驅、四輪后驅和四輪全驅；工作裝置上分為后翻自卸式、平推自卸式；配置上還有吊裝車型、運管車型。載重5t的鉸接式帶吊機材料運輸車如圖3所示。

圖3 載重5t的鉸接式帶吊機材料運輸車

如此繁雜的產品種類，設想在較大范圍實現全系產品的模塊化設計是異常困難的，切實可行的做法是：在相近的產品系列中規劃若干產品平臺，以此為基礎進行針對性的模塊化設計[6-8]。

2 無軌輔運車輛模塊化設計思路

根據無軌輔運車輛產品特點，無軌輔運車輛模塊化設計的總體思路是：

1)整車平臺劃分。綜合考量整機產品的用途、結構形式、載重噸位、發動機功率范圍、驅動方式等因素，總體劃分出若干產品平臺，將性能特點和技術參數相近的整車產品劃分為一個平臺，在此基礎上再進行產品衍生車型的開發。

2)分系統模塊化。根據各平臺整車產品的結構特點和系統組成，進行各系統的功能模塊組合、配置選型。

3)各機構裝置模塊化?；诟飨到y模塊下的各個組成結構裝置的功能相似性、結構通用化原則，建立各獨立功能子模塊。

4)零部件通用化?；诮Y構模塊化、接口標準化、尺寸通用化，進行零部件的設計。

模塊化設計分解的總體原則是：先整體后局部，先主要后次要，先劃分對整車功能有重大意義的核心模塊，再在核心模塊之下劃分若干功能模塊，以此類推。此外，對于一些無法做到通用的非標準模塊也應優化，使非標零件的安裝盡量后延，從而使得元部件組裝過程的前期為標準化過程，后期再為非標部分，如圖4所示。

圖4 非標準模塊的非標零件后延安裝示意圖

面對浩瀚雜亂的整車零部件系統，需要有規劃、有步驟的逐步實施模塊化設計工作，通過不斷優化改進最終實現全面模塊化設計目標。

3 無軌輔運車輛模塊化設計方法

輔運車輛由車身底盤、動力系統、傳動系統、工作機構、車身底盤、駕駛操縱裝置、液壓系統、氣動系統、電氣系統等系統構成，整車可規劃為四級模塊：產品平臺為A0級、系統模塊為A級、功能模塊為B級、功能子模塊或結構模塊為C級，各級模塊再根據結構特點進行逐層分解，見表1。

表1 輔運車輛產品頂層模塊規劃

4 無軌輔運車輛模塊化設計應用舉例—順槽車

防爆無軌膠輪順槽運輸車主要用于礦井綜采工作面巷道生產物料、小型設備及人員的運輸。該車以防爆柴油機為動力，采用靜液壓+機械式傳動方式，實現6×6全輪驅動，車架為整體剛性焊接式車架。為適應綜采工作面巷道斷面寬度狹小，缺少調頭硐室的巷道條件，該車設計了前后獨立駕駛室，可實現雙向駕駛，同時采用全液壓操控，可實原地現滑移轉向，車輛具有車體窄小、靈活方便、適應性強的特點，如圖5所示。

由于不同礦區巷道條件、作業特點和礦工駕駛習慣等差異，不同用戶對該產品提出了不同需求。目前該產品已有五款定制化車型，見表2。

該產品在設計之初未考慮模塊化設計，導致各細分車型車身底盤不通用，各配套功能系統之間都有差異，產品元部件數量多，給企業生產組織帶來很大影響。

圖5 順槽運輸車

細分車型車型特征標準型長4.8m,寬1.6m罐籠車型長4.4m,寬1.6m單駕駛室雙向駕駛長4.8m,寬1.6m窄型車長5.1m,寬1.4m人員運輸車外形尺寸同標準型,貨箱改客廂

4.1 順槽車功能模塊分析和車身模塊劃分

4.1.1 功能分析

順槽車各細分車型的差異主要體現在外形尺寸、駕駛室布置、承載結構等方面；而發動機系統、液壓系統、電氣系統等配套功能系統基本是相同的。因此，模塊化設計的關鍵點首先是把車身底盤結構模塊化。

4.1.2 車體模塊化

根據該車結構特點，將車身分為主駕駛單元模塊、副駕駛操縱模塊、底盤模塊、車廂模塊。如此模塊化設計后，罐籠車型直接去掉副駕駛操縱模塊即可；單駕駛室雙向駕駛車型需將主駕駛單元模塊設計為前后雙向駕駛形式；人員運輸車將貨箱改為客廂即可實現；窄型車因外形尺寸變化、軸距變化，車體不能與其它車型通用。具體模塊劃分見表3。

表3 順槽車車體模塊劃分

4.2 順槽車整車模塊劃分

根據上述平臺車體的結構特點以及模塊劃分要點，該車產品可劃分為車體、動力系統、傳動系統、液壓系統、氣動系統、電氣系統9個A級模塊，如圖6所示。

圖6 順槽車平臺產品模塊規劃圖

每個A級模塊再根據結構特點劃分若干二級子模塊(例如車體模塊劃分為4個二級子模塊)；二級子模塊再劃分出若干子模塊，順槽車產品模塊劃分結構樹圖如7所示。

圖7 順槽運輸車產品模塊劃分結構樹

5 車輛模塊連接方式及安裝接口通用化設計

無軌運輸車輛各模塊和子模塊之間通常采用銷軸、螺栓、法蘭、接頭及焊接等方式連接，為提高各模塊的通用性，必須對模塊之間的連接方式和安裝接口進行通用化和標準化設計。

接口通用化設計應注意以下幾方面問題：

1)車體和大部件連接。車體和大部件通常采用焊接、法蘭螺栓或銷軸連接方式。為提高通用性，焊接連接要統一接口部位尺寸，優化焊接接口形式；連接法蘭應注意不同連接處法蘭螺栓規格形式要盡量統一標準，制定產品系列的螺栓連接標準庫，統一調用選??；銷軸連接尺寸和形式應標準化，制定銷軸材料優選標準，根據銷軸直徑系列和結構形式編制銷軸類庫，并統一命名規則。

2)元部件安裝接口。根據元部件種類和接口形式，建立分類庫，盡可能優選通用化零部件。例如液壓閥組、油缸、各類箱體等元件，應著力編制相應的優選零件庫，同時集成設計零部件的安裝底座，以適應多個元件的安裝需求。

3)連接部膠管接頭。無軌車輛通常液壓氣動系統較為復雜，應最大范圍減少膠管接口種類，提高模塊化程度，特別是模塊接口部位的液壓膠管?？刹捎每觳褰宇^連接工藝，同時通過增加過液閥塊、隔壁接頭，增設管路連接標識等措施(如圖8所示)，改進液壓元件接口位置降低由管路擁擠、操作空間不足等造成的裝配難度，提高模塊組裝效率。

圖8 車輛鉸接連接部管路優化

6 結 語

產品模塊化設計能夠在有效控制生產成本，壓縮元部件種類和數量，提高產品質量，以此為基礎可實現產品的多樣化，滿足不同用戶的定制需求。因此成為實現批量定制和敏捷制造的主要方法。本文對無軌輔助運輸車輛產品的模塊化進行了初步探索，后續在煤機產品的模塊化設計應用方面還需深入研究推廣。產品模塊化設計必須科學合理地規劃，大力推進產品模塊庫的建立，進而完成車體子模塊的標準化、系列化設計。無軌運輸車輛產品的模塊化設計具有十分重要的示范意義，將極大提高煤機產品的設計和制造效率，控制企業成本，增強市場競爭力。