, 　(太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 山西 太原　030024)

引言

由于礦井作業(yè)工況環(huán)境特殊，隨著礦井開(kāi)采量的不斷增加，礦山企業(yè)面臨的水患威脅也越來(lái)越嚴(yán)重，水害已成為煤礦開(kāi)采的五大災(zāi)害之一[1]。目前礦山救援排水一般都是采用大流量、高揚(yáng)程的水泵，但重量較重、體積較大的水泵在運(yùn)往排水現(xiàn)場(chǎng)和管路連接等存在諸多不便，因此影響了礦井搶險(xiǎn)排水的速度，如在山西某礦重大透水事故處理過(guò)程中，在發(fā)生事故后近50 h 無(wú)法實(shí)現(xiàn)正常排水。礦井巷道工況復(fù)雜，巷道高度和寬度都有一定的限制，現(xiàn)行的排水車(chē)大多體積龐大，裝載的排水設(shè)備移動(dòng)不靈活，操控不方便，這不能滿足應(yīng)急搶險(xiǎn)排水的要求。因此，使用具有集成度高、緊急排水響應(yīng)迅速、排水設(shè)備流量大、現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備時(shí)間短、井下復(fù)雜路面通過(guò)性好、可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連續(xù)排水、保障井下工作人員的生命及物資安全等特點(diǎn)的軌道地面兩用移動(dòng)排水車(chē)顯得越來(lái)越重要[2]。

1　應(yīng)急移動(dòng)排水車(chē)的總體構(gòu)成

應(yīng)急移動(dòng)排水車(chē)主要用于煤礦傾斜井透水事故后攜帶排水設(shè)備快速到達(dá)指定排水工作地點(diǎn)，車(chē)上集成的排水設(shè)備可以縮短排水現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備時(shí)間盡快投入到排水工作中。應(yīng)急移動(dòng)排水車(chē)主要構(gòu)成部分有履帶行走系統(tǒng)、軌道行走系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和液壓泵站。應(yīng)急移動(dòng)排水車(chē)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

針對(duì)礦井巷道的特殊工況，該車(chē)設(shè)計(jì)了軌道行走系統(tǒng)和履帶行走系統(tǒng)兩種行走方式。在傾斜井巷道中鋪設(shè)有礦車(chē)行走軌道，排水車(chē)可以通過(guò)軌道行走系統(tǒng)支撐在軌道上通過(guò)絞車(chē)牽引行進(jìn)。若礦井巷道透水后路面通過(guò)性變差，依靠軌道行走系統(tǒng)前行困難時(shí)，則可以切換至履帶行走機(jī)構(gòu)。軌陸行走系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提高了排水車(chē)對(duì)礦井巷道工況的適應(yīng)性，可以更高效地開(kāi)展排水救援工作。

1.排水系統(tǒng)　2.履帶行走系統(tǒng)　3.軌道行走系統(tǒng)　4.車(chē)架 5.液壓泵站　6.控制系統(tǒng)

2　應(yīng)急移動(dòng)排水車(chē)軌陸切換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1　軌陸切換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軌陸切換裝置在排水車(chē)的兩端分別安裝兩組，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.下鉸接座　2.驅(qū)動(dòng)油缸　3.限位釘　4.上鉸接座　5.上自鎖連桿 6.下自鎖連桿　7.上連桿　8.支撐桿　9.軌道輪　10.下連桿

軌陸切換裝置通過(guò)上下鉸接座安裝在排水車(chē)兩端，驅(qū)動(dòng)油缸通過(guò)驅(qū)動(dòng)自鎖連桿帶動(dòng)四連桿結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)從而帶動(dòng)軌道輪的上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)軌陸切換作用。

2.2　軌陸切換系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

軌陸切換系統(tǒng)的采用了雙鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，如圖3所示。上自鎖連桿BC、下自鎖連桿BE、下連桿AE和鉸接座構(gòu)成一組驅(qū)動(dòng)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)；下連桿、支撐桿、上連桿和鉸接座構(gòu)成一組支鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。油缸驅(qū)動(dòng)力作用于B點(diǎn)，以上自鎖連桿BC為主動(dòng)件，當(dāng)油缸收縮時(shí)驅(qū)動(dòng)連桿BC逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，并連桿BE驅(qū)動(dòng)連桿AE逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)支撐輪向下運(yùn)動(dòng)軌道上，從而完成排水車(chē)軌道行走的切換。當(dāng)主動(dòng)連桿BC與連桿BE共線時(shí)，在限位釘?shù)淖钃跸逻B桿BC停止動(dòng)作，此時(shí)機(jī)構(gòu)處于死點(diǎn)位置，軌陸切換裝置不會(huì)反轉(zhuǎn)(折回)，這可使軌道行走系統(tǒng)更加可靠[3]。

1.軌道輪　2.下連桿　3.下鉸接座　4.下自鎖連桿 5.上自鎖連桿　6.上鉸接座　7.上連桿　8.支撐桿

2.3　軌陸切換系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

應(yīng)急移動(dòng)排水車(chē)的履帶行走裝置采用液壓傳動(dòng)，每條履帶有各自的驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)及減速裝置，軌道行走依靠礦井中的絞車(chē)牽引行進(jìn)，軌道行走和履帶行走根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行切換。軌陸切換機(jī)構(gòu)的液壓回路采用了自鎖回路設(shè)計(jì)，從而保證系統(tǒng)的可靠性，如圖4所示。

1.油箱　2.液壓泵　3.溢流閥　4.三位四通換向閥 5.液控單向閥　6.液壓缸

以液壓缸為研究對(duì)象，對(duì)其輸出作用力進(jìn)行計(jì)算，如圖5所示。

圖5　雙作用單桿液壓缸分析簡(jiǎn)圖

設(shè)液壓油進(jìn)入有桿腔的流量為q1,活塞的收縮速度為v1，油缸桿的輸出力為F1[4]。

(1)

當(dāng)液壓油進(jìn)入有桿腔的流量為q2，活塞的外伸速度為v2，油缸桿的輸出力為F2。

(3)

式中，A1—— 液壓缸有桿腔作用面積

A2—— 液壓缸無(wú)桿腔作用面積

p1—— 進(jìn)油工作壓力

p2—— 出油工作壓力

3　應(yīng)急移動(dòng)排水車(chē)軌陸切換液壓系統(tǒng)的仿真

本研究利用動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS提供的Controls模塊，將機(jī)械系統(tǒng)仿真分析同液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真軟件AMESim連接起來(lái)，將液壓控制添加到機(jī)械機(jī)構(gòu)模型運(yùn)動(dòng)中，然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合仿真分析[5]。

3.1　ADAMS模型構(gòu)建

利用SolidWorks建立軌陸切換機(jī)構(gòu)三維實(shí)體模型，并將模型導(dǎo)入ADAMS中，對(duì)零件進(jìn)行約束，并考慮系統(tǒng)重力和材質(zhì)，建立軌陸切換機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真模型，如圖6所示。

圖6　軌陸切換機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真模型

應(yīng)急移動(dòng)排水車(chē)重約3.5 t，四個(gè)軌道行走機(jī)構(gòu)承受均載，為了采集軌陸切換過(guò)程中軌道輪的受力情況，在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)5 s后對(duì)其施加了10000 N的阻力來(lái)模擬承載工作。驅(qū)動(dòng)油缸收縮，機(jī)構(gòu)向下運(yùn)動(dòng)，將油缸的驅(qū)動(dòng)力作為Plant Input，軌道輪的運(yùn)動(dòng)速度和受力為Plant Onput。在ADAMS中建立動(dòng)力學(xué)模型后，再利用ADAMS/Controls建立AMESim和ADAMS之間的接口，實(shí)現(xiàn)兩者間的數(shù)據(jù)傳輸[6]。

3.2　AMESim模型建立

根據(jù)液壓原理圖，在AMESim中選擇相應(yīng)的元件和ADAMS接口建立起軌陸切換系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)模型，如圖7所示。

圖7　液壓系統(tǒng)仿真模型

液壓系統(tǒng)模型的主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，三位四通電磁換向閥的額定電流為40 mA、頻率為20 Hz、阻尼比為0.8、相對(duì)開(kāi)啟流速為15 L/min、相對(duì)壓降為1 MPa、由層流轉(zhuǎn)為湍流系數(shù)為2260；溢流閥的開(kāi)啟壓力為7 MPa；液壓油的密度為850 kg/m3、體積模量為1700 MPa、絕對(duì)黏度為51 cP；液壓泵排量為86 mL/r，轉(zhuǎn)速為1300 r/min； 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1300 r/min；液控單向閥的開(kāi)啟壓力為1 MPa；液壓缸初始?jí)毫?、活塞直徑為90 mm、活塞桿直徑為50 mm、行程為280 mm。

3.3　仿真結(jié)果分析

在ADAMS中設(shè)定系統(tǒng)仿真時(shí)間為13 s，時(shí)間步長(zhǎng)為0.01 s，AMESim與ADAMS的數(shù)據(jù)交換時(shí)間間隔為0.001 s，進(jìn)行機(jī)械液壓耦合仿真結(jié)果如圖8所示。

在模型剛剛進(jìn)入運(yùn)行的時(shí)候，油缸驅(qū)動(dòng)力為3000 N， 此時(shí)運(yùn)動(dòng)速度出現(xiàn)了較大的震動(dòng)，后來(lái)趨于平穩(wěn)。在5 s時(shí)給輪子施加了阻力，10 s時(shí)阻力達(dá)到10000 N，從而模擬軌道輪接觸軌道后輪子受力情況，動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中軌道輪的運(yùn)動(dòng)速度趨向于0，但有一定波動(dòng)。隨著油缸驅(qū)動(dòng)力的增大，當(dāng)軌道輪的支撐力大于承載時(shí)，排水車(chē)開(kāi)始被支撐于軌道之上。仿真結(jié)果顯示，軌道輪接觸軌道并支撐起車(chē)輛的過(guò)程中，速度出現(xiàn)突變，說(shuō)明該運(yùn)動(dòng)過(guò)程中有沖擊存在，在排水車(chē)的研制過(guò)程中要進(jìn)一步結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析并進(jìn)行處理。

圖8　聯(lián)合仿真結(jié)果曲線

4　結(jié)論

通過(guò)軌陸切換系統(tǒng)仿真模型的分析， 可以直觀地觀察到系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中主要特性參數(shù)和變化規(guī)律，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。仿真結(jié)果的分析說(shuō)明該系統(tǒng)可以完成軌陸切換過(guò)程并進(jìn)行軌道行走，但在運(yùn)行過(guò)程中存在一定的沖擊和震動(dòng)情況，為應(yīng)急移動(dòng)排水車(chē)的研究提供了參考，在進(jìn)一步的設(shè)計(jì)中要對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化并對(duì)液壓系統(tǒng)的運(yùn)行和控制方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，盡量減小系統(tǒng)運(yùn)行中的沖擊和震動(dòng)，提高系統(tǒng)運(yùn)行的平穩(wěn)性。運(yùn)用AMESim與ADAMS的聯(lián)合仿真，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)機(jī)械液壓的聯(lián)合仿真分析，也初步驗(yàn)證了軌陸切換系統(tǒng)的可行性，為排水車(chē)的研制提供了參照。

參考文獻(xiàn)：

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