閆 偉

（山西潞陽煤炭投資經(jīng)營管理有限公司， 山西 長治 045400）

引言

最近幾年國外在運(yùn)輸或者是挪動(dòng)采煤機(jī)時(shí)使用了一種新型裝備，該裝備沒有專用軌道，使用靈活，在井下工作面搬運(yùn)設(shè)備中起到了舉足輕重的作用，能夠大大地提升工作面搬遷速度，提高礦井的開采效率。。由于其搬運(yùn)車搬運(yùn)過程具有復(fù)雜性和高科技性，所以我國目前還沒有相關(guān)的產(chǎn)品，這便是本研究的立項(xiàng)基礎(chǔ)，為我國同類型產(chǎn)品的研發(fā)升級提供技術(shù)支持[1-2]。

1 相關(guān)三維模型的建立

1.1 采煤機(jī)搬運(yùn)車基本結(jié)構(gòu)

如圖1所示為采煤機(jī)搬運(yùn)車的基本結(jié)構(gòu)示意圖。從圖中我們可以看出采煤機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式是四驅(qū)，主要結(jié)構(gòu)包括電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、用于行走的部分、動(dòng)力部分、排氣系統(tǒng)以及將這些系統(tǒng)聯(lián)系起來的整體機(jī)架等。左右相當(dāng)于輪胎的行走部是由鏈輪來完成動(dòng)力傳輸?shù)?。搬運(yùn)車行走的動(dòng)力傳輸路線是先由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力以驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)，通過馬達(dá)來輸出驅(qū)動(dòng)減速器的轉(zhuǎn)矩，減速器將合適的動(dòng)力輸出到鏈輪，最后通過鏈輪來驅(qū)動(dòng)履帶完成運(yùn)行[3]。

1.2 建立相應(yīng)的三維模型

本設(shè)計(jì)采用RecurDyn軟件來對采煤機(jī)搬運(yùn)車進(jìn)行三維模型的建立和仿真。該軟件的計(jì)算原理是利用遞歸算法進(jìn)行的，它采用的科學(xué)依據(jù)是相對坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)方程的理論，適合對多體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)情況下進(jìn)行仿真，同時(shí)，比較適用大規(guī)模的或者比較復(fù)雜系統(tǒng)的力學(xué)問題[4-5]。典型的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)算處理的速度很快、穩(wěn)定性好不容易發(fā)生崩潰現(xiàn)象，還對機(jī)械結(jié)構(gòu)的碰撞也能進(jìn)行有效的仿真模擬，是一款非常經(jīng)典的軟件。

圖1 采煤機(jī)整體搬運(yùn)車結(jié)構(gòu)示意圖

如圖2所示為建立的相關(guān)三維模型，其中2-1圖為搬運(yùn)車右側(cè)行走部的模型，2-2圖為搬運(yùn)車整體的三維模型。由于建模軟件中自帶兩種履帶模塊，而本系統(tǒng)屬于低速系統(tǒng)，所以選用軟件中的低速履帶對行走部進(jìn)行建模。模型中包括了履帶機(jī)構(gòu)幾乎所有的部件，通過設(shè)置參數(shù)來進(jìn)行具體的繪圖。

圖2 右側(cè)行走機(jī)構(gòu)總圖和搬運(yùn)車的三維模型

2 虛擬機(jī)的建立以及動(dòng)力學(xué)仿真分析

2.1 虛擬樣機(jī)的建立

在建模軟件建立好三維模型后根據(jù)實(shí)際運(yùn)輸車的情況設(shè)定各部件的材料以及質(zhì)量等條件，同時(shí)利用約束將每個(gè)部件連接起來，再添加上相應(yīng)的接觸副，這些接觸副包括移動(dòng)部位的移動(dòng)副、用于固定的固定副和用于旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)副。它們的個(gè)數(shù)分別是30、2、2，由于本設(shè)計(jì)中的搬運(yùn)車是四驅(qū)的，所以要在四個(gè)驅(qū)動(dòng)部位分別添加相同的轉(zhuǎn)速參數(shù)。

2.2 計(jì)算仿真

本系統(tǒng)在進(jìn)行力學(xué)仿真時(shí)首先要考慮到阻力的因素，在物理學(xué)分析中車輛在行進(jìn)過程中會受到來自地面、空氣等各方面的阻力。由于本系統(tǒng)是履帶式，在行進(jìn)過程中速度相對較低，所以空氣阻力對其造成的影響幾乎可以忽略不計(jì)，這樣便能夠減少變量在一定程度上簡化運(yùn)算[6]。通過特定的公式能夠計(jì)算出搬運(yùn)車在特定路面下行駛時(shí)各種工況的阻力。

1）用Ff來表示運(yùn)輸車在平坦的路面上行駛時(shí)的阻力，當(dāng)其在平路上行駛時(shí)履帶的滾動(dòng)阻力便是運(yùn)輸車受到的主要阻力，能夠影響該阻力的因素比較多，實(shí)際計(jì)算時(shí)用Ff表示阻力，計(jì)算公式如下：式中：f為地面的摩擦系數(shù)；G為搬運(yùn)車的重力。

2）用Fi表示搬運(yùn)車上坡時(shí)的地面阻力，上坡阻力是地面產(chǎn)生的阻力與重力的分力組成的合力，即Fi=Fr+Fg。具體的坡道阻力Fg計(jì)算方法如下：

式中，α為坡度的傾斜角。

3）用Fs來表示車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)的地面對其形成的阻力，由于運(yùn)輸車是履帶式的所以車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)需要一邊履帶處于自動(dòng)狀態(tài)，另一邊履帶繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，這樣便會在運(yùn)動(dòng)一側(cè)的履帶上產(chǎn)生很大的牽引力，這時(shí)行走部件受到的形式阻力為Fs具體的計(jì)算公式如下[7]：

式中：μ為地面的阻力系數(shù)；L為一邊履帶的行走機(jī)構(gòu)在行走時(shí)與地面接觸的長度；B為兩條履帶中心之間的距離；n為搬運(yùn)車重心與所接觸地面的偏心距。

4）Mk為運(yùn)輸車驅(qū)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩，具體的計(jì)算方法如下：

式中：Fk為驅(qū)動(dòng)力；rk為搬運(yùn)車驅(qū)動(dòng)履帶的驅(qū)動(dòng)半徑，rk=ltZk/（2π），lt為履帶每節(jié)之間的距離，Zk為驅(qū)動(dòng)鏈輪上的齒數(shù)。

將表1中的參數(shù)帶入到上面的四個(gè)公式中，然后經(jīng)過計(jì)算便可以得到搬運(yùn)車在各種路況下的運(yùn)行參數(shù)，在仿真軟件中輸入砂石土路的路面參數(shù)，如表2所示：

表1 采煤機(jī)搬運(yùn)車的參數(shù)

表2 沙石土路路面參數(shù)

將參數(shù)輸入到軟件后便根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置運(yùn)動(dòng)參數(shù)，本設(shè)計(jì)中一共設(shè)置了三種工作狀況。分別是勻速滿載行駛在水平路面；滿載勻速行駛在上坡狀態(tài)；滿載勻速轉(zhuǎn)彎狀態(tài)。如圖3所示為搬運(yùn)車在上述各種路況下行駛時(shí)前后驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)矩情況。

圖3 采煤機(jī)搬運(yùn)車在各種路況下行駛時(shí)的鏈輪轉(zhuǎn)矩

從圖3中可以看出車輛剛起步的前幾秒時(shí)速度為零，等車輛平穩(wěn)后轉(zhuǎn)矩便上下波動(dòng)呈現(xiàn)一定的周期性。經(jīng)過分析后發(fā)現(xiàn)造成波動(dòng)的主要原因是運(yùn)輸車的驅(qū)動(dòng)部件不是規(guī)則的圓形，而是不規(guī)則的多邊形，當(dāng)驅(qū)動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)其驅(qū)動(dòng)的履帶呈現(xiàn)出周期性的速度變化，這就是俗稱的多邊形效應(yīng)[8]。

對上述三種情況井下仿真，首先要將相關(guān)的轉(zhuǎn)矩曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合分析，如表3所示為各種路況下的仿真情況：

表3 各種路況下的仿真曲線直線擬合平均值

過將仿真和理論之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后得到兩者時(shí)間的誤差不超過5%，這三種情況中，原地轉(zhuǎn)彎時(shí)履帶受到的阻力最大，這和實(shí)際情況比較符合。從圖3中分析出在車輛啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的轉(zhuǎn)矩是最大的，并且前后的驅(qū)動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)矩是不相等的。形成這個(gè)現(xiàn)象的原因是在行駛時(shí)由于地面比較軟，履帶會下陷一部分，由于履帶和地面之間不是完全平行的，導(dǎo)致車輛向后傾斜，履帶后面受到的力比前面受到的力大，這便是導(dǎo)致前后轉(zhuǎn)矩不一樣的主要原因。

3 結(jié)論

1）對運(yùn)輸車在三種不同的路況下行駛時(shí)的阻力和轉(zhuǎn)矩的理論計(jì)算結(jié)果和仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)理論與仿真的結(jié)果誤差很小。

2）以上對比結(jié)果證明了本理論的正確性，為后續(xù)零部件的有限元仿真提供了參考，同時(shí)，為以后同類型的研究提供了借鑒意義。