王毅穎，顧 英，李俊慶，張宏財(cái)，史艷楠，4，王瀚秋

(1.河北工程大學(xué) 機(jī)械與裝備工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.冀凱河北機(jī)電科技有限公司，河北 石家莊 050000；3.河北省煤炭生態(tài)保護(hù)開采產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河北 邯鄲 056038；4.邯鄲市智能車輛重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 邯鄲 056038)

近年來，我國(guó)煤礦現(xiàn)代化建設(shè)高速發(fā)展，礦井建設(shè)及生產(chǎn)規(guī)模逐漸增加，機(jī)械化程度高、低危險(xiǎn)性的綜合機(jī)械化采煤成為發(fā)展方向。在煤礦井下安全高效輔助運(yùn)輸方面，單軌吊輔助運(yùn)輸系統(tǒng)因其運(yùn)輸效率高、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，成為煤礦井下運(yùn)送材料、設(shè)備和人員的重要輔助運(yùn)輸設(shè)備[1-3]。

目前，煤礦單軌吊車主要包括防爆柴油機(jī)單軌吊車、防爆蓄電池單軌吊車、固定氣源壓縮空氣單軌吊車。防爆柴油機(jī)、防爆蓄電池單軌吊車對(duì)井下通風(fēng)有嚴(yán)格要求，在高瓦斯礦井應(yīng)用及礦井救援時(shí)，都需要進(jìn)一步解決煤礦井下防爆安全問題，存在安全隱患。另外，防爆柴油機(jī)單軌吊車還會(huì)產(chǎn)生污染、CO有害尾氣等問題，危害工人身心健康。固定氣源壓縮空氣單軌吊適用于通風(fēng)較差的工況環(huán)境，但必須拖拽笨重的風(fēng)管才能運(yùn)行，作業(yè)距離受到制約，且操作不便，增加工人勞動(dòng)強(qiáng)度，影響作業(yè)效率[4-7]。

針對(duì)以上問題，論文研究了可脫離風(fēng)管獨(dú)立工作的自攜帶空氣動(dòng)力的空氣動(dòng)力單軌吊車，核心動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置為兩級(jí)膨脹氣動(dòng)機(jī)，完全由壓縮空氣驅(qū)動(dòng)，無電子電路存在，依靠壓縮空氣在馬達(dá)中膨脹做功實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸出，整個(gè)工作過程無任何火花，安全可靠性高，具有優(yōu)良的防爆特性，且排放出的尾氣為潔凈、低溫空氣，不會(huì)對(duì)巷道內(nèi)有限的空間產(chǎn)生任何污染，而且在一定程度上會(huì)凈化巷道內(nèi)空氣，降低環(huán)境溫度，為工人提供一個(gè)良好的工作環(huán)境?？諝鈩?dòng)力單軌吊適用于空間狹小切通風(fēng)較差的工況環(huán)境，為高瓦斯礦井輔助運(yùn)輸?shù)氖走x設(shè)備。

1 空氣動(dòng)力單軌吊結(jié)構(gòu)

空氣動(dòng)力單軌吊車主要由驅(qū)動(dòng)裝置、制動(dòng)裝置、儲(chǔ)能裝置、起吊裝置構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 空氣單軌吊系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 驅(qū)動(dòng)裝置

驅(qū)動(dòng)裝置由動(dòng)力系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)輪、驅(qū)動(dòng)臂等構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)裝置是煤礦井下空氣動(dòng)力單軌吊工作動(dòng)力來源，核心為空氣動(dòng)力氣動(dòng)機(jī)。傳統(tǒng)的單級(jí)膨脹空氣動(dòng)力氣動(dòng)機(jī)膨脹率不高，排氣時(shí)氣體壓力偏高，損失能量大，效率較低。為了提高煤礦井下空氣動(dòng)力氣動(dòng)機(jī)的性能，增加煤礦井下空氣動(dòng)力單軌吊的續(xù)航里程和輸出扭矩，可以采用兩級(jí)膨脹工作方式，將兩個(gè)氣缸的氣路以串聯(lián)形式連接。串聯(lián)形式下，第一級(jí)氣缸中排出的較高壓力的廢氣可以進(jìn)入到下一級(jí)氣缸繼續(xù)膨脹釋放能量，然后以較低的壓力排放到大氣，實(shí)現(xiàn)能量的再次利用，提高氣動(dòng)機(jī)的效率[8-12]。

兩級(jí)膨脹氣動(dòng)機(jī)缸內(nèi)高壓氣體膨脹做功最終通過曲軸轉(zhuǎn)化為扭矩輸出，是一個(gè)非常復(fù)雜的熱力學(xué)過程。兩級(jí)膨脹氣動(dòng)機(jī)的兩個(gè)氣缸被第一級(jí)氣缸排氣門隔離，因此，在數(shù)學(xué)模型分析建立時(shí)，可以將每一級(jí)氣缸視為一個(gè)單級(jí)膨脹氣動(dòng)機(jī)，可分別以單缸為研究對(duì)象進(jìn)行熱力學(xué)和受力分析，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)子模型后聯(lián)立獲得兩級(jí)膨脹氣動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型[13]。以第一級(jí)氣缸作為一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行分析，可以得到第一級(jí)氣缸內(nèi)氣體溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的微分方程：

(1)

式中，T1為氣缸內(nèi)溫度；Q1為系統(tǒng)交換的熱量；Cv為氣體等容比熱；W1為對(duì)外膨脹做功；m為缸內(nèi)氣體瞬時(shí)質(zhì)量；m0和m1為進(jìn)排氣氣體質(zhì)量；h0和h1為進(jìn)排氣氣體比焓；φ為曲軸轉(zhuǎn)角；u1為高壓氣體的比內(nèi)能。

以活塞和曲軸作為研究對(duì)象進(jìn)行受力分析，可以得到第一級(jí)氣缸的輸出扭矩公式為：

sin(φ1+β1)r

(2)

式中，p1為氣缸內(nèi)的瞬時(shí)壓力；p0為大氣壓力；Ap為活塞頂面積；mi為缸內(nèi)氣體瞬時(shí)質(zhì)量；r為曲柄半徑；w為曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；λs為連桿曲柄比；β連桿為與氣缸軸線夾角。

第二級(jí)氣缸的數(shù)學(xué)模型和扭矩輸出和第一級(jí)氣缸的數(shù)學(xué)模型建立過程相同，聯(lián)立兩級(jí)數(shù)學(xué)模型，可以得到兩級(jí)膨脹氣動(dòng)機(jī)工作過程整體數(shù)學(xué)模型，為一個(gè)包含多個(gè)基本方程的常微分方程組。最終，空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩為：

Mp=Mp1+Mp2

(3)

式中，Mp為空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩，N·m；Mp2為第二級(jí)氣缸的輸出扭矩，N·m。

在數(shù)學(xué)模型的建立過程中，可以發(fā)現(xiàn)氣動(dòng)機(jī)的性能與氣缸直徑、進(jìn)氣提前角、排氣提前角、持續(xù)角等眾多因素有關(guān)，多個(gè)因素相互耦合，且都對(duì)兩級(jí)膨脹氣動(dòng)機(jī)的性能有著不同的影響，是一個(gè)多參數(shù)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)。為了提高空氣動(dòng)力氣動(dòng)機(jī)性能，有必要選擇影響氣動(dòng)機(jī)性能的重要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[14]。綜合以上分析，選取氣動(dòng)機(jī)輸出的平均扭矩作為優(yōu)化的目標(biāo)，兩級(jí)膨脹氣動(dòng)機(jī)多參數(shù)耦合優(yōu)化模型為：

maxf=MP

(4)

約束條件為：

s.t.θ1min<θ1<θ1max

……

1

(5)

式中，θ1為一級(jí)氣缸進(jìn)氣提前角；θ1max和θ1min為一級(jí)氣缸進(jìn)氣提前角的最大值最小值，在具體應(yīng)用的時(shí)候設(shè)定；n為缸徑比，nmax為缸徑比的最大值；省略號(hào)表示優(yōu)化參數(shù)可以選擇兩級(jí)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)中的多個(gè)參數(shù)，具體參數(shù)依據(jù)實(shí)際需求選擇。

優(yōu)化模型建立后，可以選擇粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行求解[15-17]。為了有效提高粒子群算法尋優(yōu)的效率，保證得到最優(yōu)解，首先根據(jù)建立的兩級(jí)膨脹氣動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型建立仿真模型，按照單一因素分析法得到多個(gè)優(yōu)化參數(shù)對(duì)氣動(dòng)機(jī)性能的影響曲線，并得到參數(shù)的最優(yōu)值將其作為粒子群的初始解，然后再繼續(xù)求解氣動(dòng)機(jī)多參數(shù)耦合優(yōu)化模型。通過粒子群算法得到優(yōu)化的參數(shù)后，進(jìn)行兩級(jí)膨脹氣動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 氣動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

兩級(jí)膨脹氣動(dòng)機(jī)的正時(shí)配氣核心在于各缸進(jìn)排氣氣體質(zhì)量的合理分配、氣門開啟時(shí)間、氣門截面積、氣門行程、氣門之間的相位角以及氣門與活塞的相對(duì)位置[18]，根據(jù)優(yōu)化后的正時(shí)配氣參數(shù)，設(shè)計(jì)的凸輪軸如圖4所示。

圖4 凸輪軸結(jié)構(gòu)

1.2 氣體行車制動(dòng)裝置

氣體行車制動(dòng)用于空氣動(dòng)力單軌吊車正常運(yùn)行時(shí)的速度控制和停車制動(dòng)。行車制動(dòng)裝置通過氣動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)行車制動(dòng)，通入壓縮空氣推移行車制動(dòng)裝置內(nèi)的壓盤，通過增大摩擦力降低馬達(dá)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)整車速度的控制。其原理如圖5所示。

圖5 氣體行車制動(dòng)

依靠彈簧制動(dòng)，氣缸通氣解除制動(dòng)。常規(guī)狀態(tài)時(shí)候彈簧撐開，上面的制動(dòng)閘快將軌道夾緊，氣缸通氣回收，將閘塊打開，與軌道分開。制動(dòng)裝置為失效型制動(dòng)保護(hù)裝置，正常為抱死狀態(tài)，只有當(dāng)倍力氣缸中通入0.5MPa壓力的空氣后將制動(dòng)彈簧壓縮，制動(dòng)滑靴才能打開，所以當(dāng)供氣管路出現(xiàn)故障或發(fā)生意外時(shí)，該設(shè)備能自動(dòng)進(jìn)行剎車從而保證設(shè)備的運(yùn)行安全。制動(dòng)滑靴為銅基材料，與導(dǎo)軌摩擦不會(huì)產(chǎn)生火花，又能提供足夠的制動(dòng)力，增加了整車的防爆性和安全性。

1.3 氣體儲(chǔ)能裝置

氣體儲(chǔ)能裝置是整車的能量來源，為了適用煤礦井下復(fù)雜的環(huán)境，碳纖維復(fù)合纏繞氣瓶安裝在高剛性籠式箱體內(nèi)，由高強(qiáng)度鋼梁為支撐，鋼板包覆。氣瓶與箱體通過尼龍底座、鋼瓶束帶連接，具有良好的緩沖作用，避免了箱體承受撞擊時(shí)對(duì)氣瓶造成影響。箱體上開有透氣孔，保證了氣體的流通，加速氣瓶、管路與空氣的熱傳導(dǎo)，避免了氣瓶及管路中氣體壓力變化，帶來的溫度劇烈的升高或降低。儲(chǔ)能裝置具有籠式箱體抗沖擊能力強(qiáng)等特點(diǎn)，氣瓶臥式安裝配有減震，碳纖維全纏繞氣瓶，單個(gè)質(zhì)量?jī)H82kg，通透式護(hù)罩增強(qiáng)熱交換能力，氣瓶公稱壓力20MPa，爆破壓力47MPa，安全系數(shù)高，儲(chǔ)能裝置如圖6所示。

圖6 氣體儲(chǔ)能裝置

2 空氣動(dòng)力單軌吊氣動(dòng)控制原理

空氣動(dòng)力單軌吊車的運(yùn)行、重物的起吊、整機(jī)的控制都是通過氣動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。氣動(dòng)系統(tǒng)由儲(chǔ)氣瓶、接頭、減壓閥、安全閥、邏輯控制閥、壓力表等通過鋼性管、PU軟管、高壓空氣膠管連接，組成了一套安全穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)便的空氣動(dòng)力單軌吊車氣路系統(tǒng)。氣動(dòng)控制系統(tǒng)原理如圖7所示。輸送到礦井下的壓縮空氣經(jīng)氣動(dòng)增壓控制柜二次增壓后存儲(chǔ)在氣瓶?jī)?nèi)。單軌吊車工作時(shí)，壓縮空氣經(jīng)過減壓將壓力降低至空氣動(dòng)力氣動(dòng)機(jī)所需要的壓力，一部分通過控制系統(tǒng)供給空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)，另一部分經(jīng)減壓閥減壓存儲(chǔ)在緩沖罐內(nèi)，供邏輯控制回路控制整機(jī)的動(dòng)作。

圖7 氣動(dòng)控制系統(tǒng)原理

空氣動(dòng)力單軌吊車由多只大容積的車用鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合氣瓶?jī)?chǔ)存的壓縮空氣提供動(dòng)力。壓縮空氣經(jīng)過減壓系統(tǒng)后分為兩路，一路壓縮空氣通入空氣發(fā)動(dòng)機(jī)，為單軌吊車的行走提供動(dòng)力；一路壓縮空氣為制動(dòng)小車、空氣發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)馬達(dá)和換擋氣缸等提供動(dòng)力。當(dāng)儲(chǔ)氣瓶壓力低于壓力下限時(shí)需要用自增壓系統(tǒng)向瓶?jī)?nèi)補(bǔ)充壓縮空氣。當(dāng)瓶?jī)?nèi)壓力達(dá)到要求時(shí)，自增壓系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)，卸掉充氣管路后空氣動(dòng)力單軌吊車可繼續(xù)作業(yè)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

選擇一級(jí)氣缸進(jìn)氣持續(xù)角、一級(jí)氣缸排氣角等參數(shù)作為空氣動(dòng)力單軌吊中氣動(dòng)機(jī)的優(yōu)化參數(shù)，將其作為粒子群算法中的初始化參數(shù)，使用多目標(biāo)粒子群算法進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果見表1。

表1 氣動(dòng)機(jī)優(yōu)化后參數(shù)

為了驗(yàn)證空氣動(dòng)力單軌吊的性能，搭建了空氣動(dòng)力氣動(dòng)機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)，并對(duì)優(yōu)化前后的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了對(duì)比分析，如圖8所示，從圖中可以看出，優(yōu)化前后發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩有效增加。為了驗(yàn)證空氣動(dòng)力氣動(dòng)機(jī)排放出的尾氣為潔凈、低溫的空氣，在試驗(yàn)過程中獲取了氣動(dòng)機(jī)的溫度，如圖9所示。

圖8 平均扭矩試驗(yàn)曲線

圖9 空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)溫度測(cè)試

目前，空氣動(dòng)力單軌吊車已經(jīng)研制成功，通過了公司廠內(nèi)性能和安全測(cè)試，并且已經(jīng)在攀枝花煤礦井下安全應(yīng)用。井下具體的工作環(huán)境為：運(yùn)輸角度8°，坡道長(zhǎng)度150m，運(yùn)輸距離單程330m，往返660m?？諝鈩?dòng)力單軌吊的尺寸為7000mm×1060mm×1540mm，自重2.5t，運(yùn)行時(shí)牽引速度0.6m/s，通過能力水平半徑5m，垂直半徑9m，累計(jì)運(yùn)行約為1000km，在煤礦井下應(yīng)用良好。

將空氣動(dòng)力單軌吊與現(xiàn)有的以礦井壓風(fēng)機(jī)提供壓縮空氣為動(dòng)力源的拖風(fēng)管單軌吊對(duì)比見表2。

表2 空氣動(dòng)力單軌吊與拖鳳管單軌吊對(duì)比

4 結(jié) 語

空氣動(dòng)力單軌吊車?yán)脡嚎s空氣為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)雙級(jí)膨脹氣動(dòng)機(jī)做功，整個(gè)工作過程中沒有化學(xué)燃料爆炸，無需引燃裝置，從原理和結(jié)構(gòu)上杜絕了高溫、火花的產(chǎn)生，與防爆柴油機(jī)單軌吊車和蓄電池單軌吊車相比，安全性發(fā)生了本質(zhì)的變化，解決了高瓦斯礦井工作面單軌吊車防爆問題。提出了空氣動(dòng)力氣動(dòng)機(jī)多參數(shù)耦合的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，得到了空氣動(dòng)力氣動(dòng)機(jī)的優(yōu)化參數(shù)，依據(jù)優(yōu)化后的正時(shí)配氣參數(shù)設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)的凸輪軸，有效提高了空氣單軌吊的性能。空氣動(dòng)力單軌吊車給煤礦井下輔助運(yùn)輸設(shè)備提出了一種全新的理念，是高瓦斯礦井及其他高危行業(yè)首選的動(dòng)力輸出設(shè)備。