陳思遠(yuǎn)

（國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司， 寧夏 銀川 750000）

引言

框架式支架搬運(yùn)車是一種以防爆柴油機(jī)為動(dòng)力，通過(guò)靜液壓驅(qū)動(dòng)的大型輔助運(yùn)輸車輛，主要用于煤礦綜采工作面液壓支架安裝、倒面和撤除工作。框架式支架搬運(yùn)車相對(duì)于鏟板式支架搬運(yùn)車，由于采用U型框架式搬運(yùn)方式，無(wú)需額外配重，載荷自重比大；由于采用靜液壓驅(qū)動(dòng)，其低速時(shí)傳動(dòng)效率遠(yuǎn)高于液力驅(qū)動(dòng)。隨著煤炭開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展，部分大礦工作面綜采設(shè)備總重量已過(guò)萬(wàn)噸，單個(gè)液壓支架重量超過(guò)50 t。為了適應(yīng)煤層走向，巷道設(shè)計(jì)坡度也呈逐漸增大的趨勢(shì)，比如黃玉川礦局部坡度超過(guò)16°，因此對(duì)支架搬運(yùn)車運(yùn)載重量和爬坡能力都提出更高的要求。本文對(duì)額定載重55 t，爬坡度為16°的框架式支架搬運(yùn)車行走液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法展開(kāi)分析。

1 行走系統(tǒng)方案的選擇

框架式支架搬運(yùn)車運(yùn)輸過(guò)程屬于低速重載工況，尤其是爬大坡時(shí)，需要足夠的牽引力輸出，要求行走系統(tǒng)不僅吸收功率足夠大，還要有足夠高的總傳動(dòng)效率。靜液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠有效低吸收柴油機(jī)功率，將其轉(zhuǎn)換成行走馬達(dá)的扭矩輸出，低速時(shí)轉(zhuǎn)換效率仍處于較高水平。

靜液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，按照行走馬達(dá)工作轉(zhuǎn)速和扭矩的不同可以分為兩種，一種是采用高速小扭矩馬達(dá)的高速方案，另外一種是采用低速大扭矩馬達(dá)的低速方案。高速方案由于采用HA控制的高速變量馬達(dá)，其排量隨閉式回路高壓自動(dòng)調(diào)節(jié)，配合DA控制的變量泵可以實(shí)現(xiàn)行走液壓系統(tǒng)的無(wú)級(jí)變速。高速方案的不足是，對(duì)于重載下坡的工況，基于HA控制的馬達(dá)變?yōu)楸霉r時(shí)不能提供足夠的液壓反式制動(dòng)，必須用工作制動(dòng)控制車速，嚴(yán)重影響了制動(dòng)器的可靠性和使用壽命。低速方案采用雙排量低速大扭矩馬達(dá)，車速調(diào)節(jié)是通過(guò)切換馬達(dá)的排量和改變自由輪數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。低速方案的不足在于其馬達(dá)效率略低于高速馬達(dá)，其優(yōu)勢(shì)在于重載下坡通過(guò)切換至大排量全輪驅(qū)動(dòng)能夠有效地實(shí)現(xiàn)液壓反式制動(dòng)，因此國(guó)外廠家均采用低速方案。

本系統(tǒng)采用低速方案，兩個(gè)閉式泵通過(guò)柔性連接盤(pán)直接串在柴油機(jī)上，行走馬達(dá)采用4個(gè)雙排量馬達(dá)和2個(gè)單排量馬達(dá)，均為低速大扭矩馬達(dá)。閉式回路左右側(cè)完全一樣，其左側(cè)回路原理如圖1所示[1-2]。

圖1 左側(cè)行走液壓系統(tǒng)原理圖

2 柴油機(jī)動(dòng)力的匹配

柴油機(jī)選型時(shí)，可以根據(jù)車輛行駛的牽引特性需求進(jìn)行初選?？蚣苁街Ъ馨徇\(yùn)車作為輔助運(yùn)輸車輛，車輛滿載爬坡時(shí)消耗柴油機(jī)功率最大，可按照此時(shí)的功率消耗選擇柴油機(jī)功率。通常行走時(shí)消耗功率的元件包括柱塞泵、補(bǔ)油泵、負(fù)荷傳感泵、冷卻泵、發(fā)電機(jī)、空壓機(jī)。

最大坡度爬坡時(shí)的速度一般在0.5～0.6 m/s，此時(shí)空氣阻力和加速阻力可忽略，其行駛方程可以用下式表示：

式中：Ft為整車牽引力；m為整車滿載質(zhì)量，79 000 kg；g為重力加速度，取9.81 m/s2；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，實(shí)心輪胎硬化路面，取0.04；α為爬坡度，不得小于14°，此處取16°。

整車坡道阻力表圖1所示[3]：

表1 整車坡道阻力表

柱塞泵的輸入功率可用下式表示：

式中：λ為柴油機(jī)功率儲(chǔ)備系數(shù)，取1.1；η為整車傳動(dòng)總效率，使用低速馬達(dá)，取0.75；v為最大坡度時(shí)的車速，取 0.55 m/s。

柴油機(jī)總功率需求可以用下式表示：

發(fā)電機(jī)和空壓機(jī)按制造商提供的輸入功率直接帶入上式即可，補(bǔ)油泵、負(fù)荷傳感泵和冷卻泵的輸入功率可用下式計(jì)算：

式中：Vp為泵的排量，mL，；n為柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速，一般為2 200 r/min；Δp為工作壓差，開(kāi)式系統(tǒng)即工作壓力，MPa，負(fù)荷傳感泵按其設(shè)定的待命壓力計(jì)算，冷卻泵的工作壓力與散熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，可按0.5 MPa估算；η為泵的總效率，補(bǔ)油泵取0.85，負(fù)荷敏感泵取0.9，冷卻泵取0.8。

經(jīng)計(jì)算柴油機(jī)總功率需求為P=219.6 kW，所以初選防爆后凈功率為240 kW的CKS6114型柴油機(jī)，這樣，除去輔助功率消耗后，用于行走系統(tǒng)的功率為210 kW。

3 閉式泵和行走馬達(dá)以及行走的分流控制

目前波克蘭公司生產(chǎn)的MS系列馬達(dá)和力士樂(lè)公司生產(chǎn)的A4VG新系列閉式泵工作壓力均達(dá)到了45 MPa，系統(tǒng)壓差最高可以做到42 MPa，而且其排量型譜都比較齊全，這給選型帶來(lái)了方便。

在采用靜液壓傳動(dòng)容積調(diào)速行走系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，可以先根據(jù)整車牽引力要求選擇合適排量的馬達(dá)。馬達(dá)的輸出扭矩取決于馬達(dá)的排量和工作壓差，行走馬達(dá)的總排量可用下式表示：

式中：ηm為馬達(dá)的機(jī)械效率；rd為輪胎運(yùn)動(dòng)半徑；Ft為整車牽引力；Δp為馬達(dá)工作壓差，即系統(tǒng)壓差。

通常，馬達(dá)牽引力的選擇可通過(guò)表2進(jìn)行粗選，然后按照產(chǎn)品樣本選擇就近排量型譜的馬達(dá)[4]。

表2 馬達(dá)排量-牽引力對(duì)照簡(jiǎn)表

對(duì)于具有重載低速爬坡工況的車輛，系統(tǒng)中必須設(shè)置馬達(dá)流量分配閥，當(dāng)遇到個(gè)別車輪打滑無(wú)法行走時(shí)，切換至強(qiáng)制分流狀態(tài)將打滑的車輪對(duì)應(yīng)的馬達(dá)進(jìn)行差速鎖定。所以，馬達(dá)的總排量確定后，需根據(jù)6個(gè)驅(qū)動(dòng)輪選定的馬達(dá)排量和輪胎運(yùn)動(dòng)半徑選擇流量分配閥的分流比，使得每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的線速度保持一致。分流閥原理簡(jiǎn)圖如下頁(yè)圖2所示：

圖2 分流閥液壓原理簡(jiǎn)圖

4 結(jié)語(yǔ)

WC55Y框架式支架搬運(yùn)車裝配落地后，通過(guò)廠內(nèi)基本參數(shù)測(cè)試，行走系統(tǒng)參數(shù)均達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，型式試驗(yàn)可靠，其爬坡能力大、速度快、傳動(dòng)效率高，特別適宜大型液壓支架大坡道搬家倒面作業(yè)，是目前國(guó)內(nèi)框架式搬運(yùn)車行走系統(tǒng)非常有效的解決方案。