史安然， 荊建寬， 尚志有

（煤炭科學技術(shù)研究院有限公司檢測分院， 北京 100013）

引言

目前，履帶式液壓鉆車在煤礦支護及開采過程中廣泛應(yīng)用，液壓鉆車施工效率高，成孔質(zhì)量好，作業(yè)環(huán)境舒適和安全，尤其是在錨桿孔鉆進過程中，多臂錨桿鉆車的應(yīng)用在部分礦井中有逐步取代傳統(tǒng)錨桿孔鉆進設(shè)備的趨勢，隨著井下智能化的推進，鉆進機器人的廣泛應(yīng)用，自行走設(shè)備必將取代傳統(tǒng)施工工藝。而井下環(huán)境巷道起伏，履帶式鉆車的行走通過能力及坡道行走穩(wěn)定性是安全考核的重要一環(huán)，本實驗裝置正是基于鉆車爬坡角度及行走穩(wěn)定性的考核要求設(shè)計，通過調(diào)節(jié)不同坡道角度，實際測試鉆車通過能力。

1 試驗裝置概述

履帶式液壓鉆車爬坡試驗裝置主要依據(jù)MT/T 199—1996《煤礦用液壓鉆車通用技術(shù)條件》標準，用于模擬履帶式液壓鉆車在井下的作業(yè)工況，通過對履帶式鉆車不同通過角度穩(wěn)定性考核，判斷鉆車是否滿足標準及使用要求，其主要測試原理如圖1 所示。該試驗臺能實現(xiàn)履帶式液壓鉆車爬坡穩(wěn)定性參數(shù)全項目測量，實時監(jiān)測爬坡角度、行走噪聲、系統(tǒng)壓力、流量、溫度等性能參數(shù)，并通過PLC 系統(tǒng)實現(xiàn)軟件控制及參數(shù)、報告輸出。首次采用高精度激光位移傳感器配合計時器，實現(xiàn)行走速度實時監(jiān)測測量，最大程度避免人為測量誤差。實驗裝置測控系統(tǒng)將電控系統(tǒng)和測試系統(tǒng)集中于一個控制臺和操作界面，其中電控系統(tǒng)包括控制臺、電控元件等，能對試驗臺輔助系統(tǒng)及被試件的工況進行現(xiàn)場控制，控制室電腦界面控制；在緊急情況下，現(xiàn)場控制優(yōu)先于電腦界面控制，并可在空壓機、試驗現(xiàn)場、控制室對氣動系統(tǒng)進行急停；測試系統(tǒng)可實現(xiàn)液壓鉆車爬坡角度、液體壓力、液體流量、推進力、溫度、噪聲、行走速度等指標的自動采集，并自動生成原始記錄；在試驗現(xiàn)場、控制室均可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，遠端通過網(wǎng)絡(luò)界面可監(jiān)測到測試界面，測控系統(tǒng)示意圖如圖2 所示。

圖1 液壓鉆車爬坡試驗裝置測試原理圖

圖2 試驗臺測控系統(tǒng)

履帶式液壓鉆車爬坡試驗裝置由坡道臺面、鉸接升降機構(gòu)、升降油缸及輔助泵站組成，裝置主要參數(shù)：

1）角度調(diào)節(jié)范圍0°～30°，全行程調(diào)節(jié)時間2 min；

2）最大承載能力30 t，可帶負載起升；負載重心處理B 點位置；

3）臺面長寬7 000 mm×2 500 mm，允許誤差±50 mm。

2 裝置主要結(jié)構(gòu)設(shè)計過程

本臺架設(shè)計計算分三部分，分別是：

1）舉升結(jié)構(gòu)設(shè)計；包括擴臺架舉升力，舉升鉸點，舉升油缸設(shè)計計算。該部分計算決定了臺架的主要結(jié)構(gòu)、油缸直徑、系統(tǒng)壓力等關(guān)鍵參數(shù)。

2）液壓系統(tǒng)設(shè)計計算；通過此部分的設(shè)計計算，設(shè)定系統(tǒng)的齒輪泵、電機、油箱等液壓系統(tǒng)相關(guān)零件。

3）強度校核，包括臺架各銷軸；臺架的強度計算，包括經(jīng)典力學計算和有限元分析。

2.1 舉升結(jié)構(gòu)設(shè)計

履帶式液壓鉆車爬坡試驗裝置簡圖如下圖3 所示。通過理論力學，建立平面力學模型，進行平衡計算簡化力學模型，得到圖4 所示力學簡圖。

圖3 履帶式液壓鉆車爬坡試驗裝置結(jié)構(gòu)簡圖

圖4 力學簡圖

在進行計算之前，首先確定 O 點、O2點、O3點坐標已確定。AO2長度、AC 長度、AB 長度、BC 長度已確定。設(shè)定負載重心在與平臺中心重合，都在G 點。則：下翻力矩為上翻力矩為 M上=其中 M 為負載重力。

三腳架受力分析：

f1方向沿拉桿 AO2方向，f2方向沿油缸 CO3方向。根據(jù)平面力學原理可知,f3方向如圖所示，在B點與D 點連線上。

當 O 點、O2點、O3點坐標已確定，AO2長度、AC長度、AB 長度、BC 長度已確定時，通過復雜數(shù)學計算可以確定 β、θ、δ 角度大小。

穩(wěn)定狀態(tài)下上下翻轉(zhuǎn)力矩平衡，當β 確定后，即可根據(jù)確定 f1、f2、f3大小。

由于目前三維軟件已實現(xiàn)尺寸對圖形的驅(qū)動，故此將上述簡圖輸入SW 內(nèi)進行模擬，α=0°時的模擬圖如圖5 所示。

圖5 α=0°時模擬圖（單位：mm）

根據(jù)計算，此時所需油缸舉升力為868 kN。此時油缸的安裝距L=1 765 mm。

按照上述方法，在0°～30°之間，每隔5°取一次點，進行油缸舉升力分析如下表1 所示。

表1 油缸升力分析表

由上表1 分析，當機構(gòu)在0°～30°之間運轉(zhuǎn)時，油缸所需舉升力先見小，后增大。當在0°時所需力最大，即：若負載中心在4 900 mm 位置，負載為40 000 kg，則單根油缸最大舉升力為868 kN。選取缸徑Φ180 mm，桿徑Φ120 mm 的油缸，設(shè)定此時壓力為17.5 MPa，則：此時油缸舉升力為1 346 kN，滿足使用要求。

油缸長度參數(shù)：0°時油缸長度為1 765 mm，30°時油缸長度為3 024 mm。

選取油缸：缸徑為Φ180 mm，桿徑Φ120 mm，安裝距為1 760 mm，行程為1 270 mm。

2.2 液壓系統(tǒng)計算

通過上述計算和設(shè)計要求，得出如下參數(shù)：

缸徑D=Φ180mm，桿徑d=Φ120mm，油缸行程L=1270mm。

油缸安裝距S=1 760 mm，壓力P=16 MPa，舉升時間180 s。

單根油缸有桿腔容積 V無≈32.5 L，V有≈18 L。

設(shè)定：選用齒輪泵額定流量Vg=32 mL/r，電機轉(zhuǎn)速n=1 450 r/min。

容積效率ηv=0.9，機械效率ηmh=0.95。

則：泵輸出流量為 V泵=Vgnηv=41 760 mL/min≈41.7 L/min。

油泵同時給兩根油缸無桿腔供油，全行程時間t1=94 s。

油泵同時給兩根油缸有桿腔供油，全行程時間為t2=52 s。

初步計算所需電機功率為：設(shè)定此時泵壓力為18MPa，則 P≈14.67 kW。

選取電機功率P=15 kW。

結(jié)論：選取電機功率15 kW，選取泵排量32 mL/r，使用時候系統(tǒng)最大壓力為18 MPa。

2.3 強度校核

1）油缸銷軸強度校核。計算得到油缸最大推力1 346 kN，選取直徑為Φ90 mm 銷軸，則剪切力τ1=32.3 MPa，滿足強度要求。

2）臺面彎曲強度校核。建立簡支梁模型，設(shè)定負載質(zhì)量F'=40 000 kg（包括30 000 kg 負載和10 000 kg 臺面自重），長度 L=4 900 m。則：當 F'處于中心時候，彎矩M 最大為480 200 N·m。平臺橫截面，經(jīng)簡化后如下圖6 所示。

圖6 簡化后的簡支梁模型（單位：mm）

經(jīng)過計算，該截面抗彎為63 MPa，最大彎曲應(yīng)力為63 MPa，滿使用需求。

3 結(jié)語

采用液壓鉆車是提高掘進速度、工作效率和巖巷掘進機械化水平，改善勞動條件，實現(xiàn)安全生產(chǎn)的重要途徑，鉆車通過能力測試是安標檢測重要檢測項目，影響到鉆車井下行進速度、爬坡能力，因此，該試驗裝置的研制，改善原有固定角度坡道試驗的現(xiàn)狀，能夠考核鉆車極限通過角度，為鉆車性能檢驗提供硬件支撐。