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        變軸距礦用突水應(yīng)急排水車設(shè)計(jì)與研究

        2023-03-24 08:14:10楊文強(qiáng)高貴軍王唯博
        煤炭工程 2023年2期
        關(guān)鍵詞:軸距突水支腿

        楊文強(qiáng), 高貴軍 ,鄭 杰 ,王唯博

        (1.太原理工大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院,山西 太原 030024;2.礦山流體控制國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030024;3.山西省礦山流體控制工程技術(shù)研究中心,山西 太原 030024)

        煤礦生產(chǎn)中會(huì)有一些安全事故的發(fā)生,礦井突水就是其中常見的突發(fā)性強(qiáng)烈安全事故之一[1-3]。礦井突水事故帶來(lái)的不只是經(jīng)濟(jì)損失,更嚴(yán)重的是造成井下人員傷亡[4-6]。當(dāng)前已經(jīng)建立了全面可靠的預(yù)防體系,礦井突水事故發(fā)生率已經(jīng)有所下降,但突水事故仍時(shí)有發(fā)生。為了避免或減少水害事故的發(fā)生頻率,或者在重大水害事故發(fā)生后能及時(shí)予以控制以免災(zāi)害蔓延,能有效地組織搶險(xiǎn)救助,就應(yīng)居安思危[7],研發(fā)完備的應(yīng)急救援設(shè)施。

        目前煤礦突水救援現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)狀:排水所需水泵搬運(yùn)方式落后,在軌道交通失效的巷道內(nèi),需多人通過(guò)肩抗手抬的方式將潛水泵運(yùn)送到排灌點(diǎn),這種搬運(yùn)方式不僅效率低,費(fèi)時(shí)費(fèi)力且易發(fā)生危險(xiǎn);傾斜巷道追排水困難,傾斜巷道排水過(guò)程中水泵要隨著水位的下降而下降,這個(gè)過(guò)程仍需要人力移動(dòng)水泵來(lái)實(shí)現(xiàn)追排水,且傾斜巷道易發(fā)生淤積物的滑坡,在救援過(guò)程中造成次生災(zāi)害,嚴(yán)重威脅救援人員的生命安全。

        為了提高災(zāi)后救援的安全性和效率,設(shè)計(jì)了一種變軸距礦用突水應(yīng)急排水車。對(duì)該車不同軸距坡路上行和下行兩種工況進(jìn)行仿真,為實(shí)車安全的功能實(shí)現(xiàn)和穩(wěn)定運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。

        1 系統(tǒng)組成

        1.1 礦用突水應(yīng)急車設(shè)計(jì)要求

        煤礦巷道空間狹小[8,9],部分巷道傾斜度大,礦井內(nèi)部因載重的差異有600mm和900mm不同軌距的軌道運(yùn)輸系統(tǒng)[10],且突水事故后,部分巷道泥石沉積,通行條件差,此外為了減輕勞動(dòng)強(qiáng)度,排水車需集成排水系統(tǒng),且排水系統(tǒng)具有升降能力,基于以上考量,因此排水車需滿足體積小、通過(guò)性好、行走裝置軸距可調(diào)、搭載能力強(qiáng)且具備起吊能力的特點(diǎn)?;谝陨显O(shè)計(jì)需求,變軸距礦用突水履帶排水車基本參數(shù)見表1。

        表1 礦用突水排水車基本參數(shù)

        1.2 礦用突水應(yīng)急車組成

        本研究結(jié)合礦用突水應(yīng)急排水車的設(shè)計(jì)要求,設(shè)計(jì)了一種變軸距礦用突水履帶應(yīng)急排水車。該排水車組成如圖1所示,排水車由傳動(dòng)系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、起吊系統(tǒng)、車架、輔助支腿和行走履帶構(gòu)成??紤]履帶移動(dòng)式底盤具有接地比壓小、附著性能好、轉(zhuǎn)彎半徑小、越障能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),在坡地、粘著及潮濕地使用時(shí)性能顯著[11-13]。

        圖1 礦用突水應(yīng)急排水車組成

        更加適合在煤礦突水后巷道內(nèi)部泥石堆積,通過(guò)性較差的環(huán)境下工作,因此選用履帶作為礦用突水應(yīng)急排水車的行走機(jī)構(gòu)。液壓元件體積小、重量輕、方便布置[14,15],容易實(shí)現(xiàn)機(jī)器的自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn),且履帶由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng),因此采用液壓傳動(dòng)作為排水車的傳動(dòng)系統(tǒng)。

        2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        2.1 液壓輔助支腿設(shè)計(jì)

        液壓輔助支腿裝置,其作用是支撐車架,為實(shí)現(xiàn)排水車變軸距做準(zhǔn)備。該支腿由支腿箱、垂直液壓缸,缸筒固定銷和支腿筒座組成。支腿箱通過(guò)螺栓固定在車架前后端的立柱上;垂直液壓缸的安裝形式為中部銷軸連接;垂直液壓缸行程300mm,可將礦用突水排水車抬離地面100mm。垂直液壓缸的伸縮驅(qū)動(dòng)支腿筒座在支腿箱中垂直移動(dòng),實(shí)現(xiàn)車架的支起和回落。液壓輔助支腿如圖2所示。

        圖2 液壓輔助支腿

        2.2 排水車變軸距裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        根據(jù)《煤礦礦井設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定:井下標(biāo)準(zhǔn)軌距為600mm和900mm[16],為了實(shí)現(xiàn)履帶應(yīng)急排水車在不同軌距下都具有跨行能力,設(shè)計(jì)了排水車變軸距裝置。該裝置通過(guò)單側(cè)履帶橫向移動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)排水車軸距的調(diào)整。變軸距裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示,該裝置由車架、水平油缸、L型支腿和行走履帶構(gòu)成。L型支腿的水平段和水平液壓缸位于車架橫梁方鋼內(nèi)部,液壓缸的缸體端和活塞端的安裝結(jié)構(gòu)都采用耳環(huán)式,缸體端和車架通過(guò)銷軸連接,活塞桿一端和L型支腿水平段末端的耳座通過(guò)銷軸連接。

        圖3 排水車變軸距裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        排水車軸距改變時(shí),四個(gè)液壓輔助支腿伸出將車架抬起,通過(guò)水平液壓缸的伸縮驅(qū)動(dòng)L 型支腿在橫梁中左右移動(dòng),進(jìn)而帶動(dòng)履帶橫向移動(dòng),實(shí)現(xiàn)履帶軸距的調(diào)整。

        3 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

        3.1 履帶排水車行駛力學(xué)

        排水系統(tǒng)作為履帶底盤的主要負(fù)載位于車架中部,當(dāng)應(yīng)急排水車通過(guò)單側(cè)履帶伸縮改變軸距時(shí),會(huì)導(dǎo)致雙邊履帶受力不均進(jìn)而影響排水車的動(dòng)力學(xué)性能,這種影響在坡路上行和下行的復(fù)雜工況下更為明顯。

        變軸距礦用突水排水車在行駛過(guò)程中遵循能量守恒定律[17]:

        Wf=Ff·S

        (2)

        假定法向壓力分布均勻,對(duì)于接觸壓強(qiáng)分布均勻的一條履帶,通過(guò)Bekker提出的壓強(qiáng)-沉陷量式(3)來(lái)表征[18]:

        式中,P為壓強(qiáng),Pa;b為接地面履帶的寬度,即矩形接觸面的寬度,mm;Z為沉陷量,mm;而n、kφ和kc為描述壓強(qiáng)-沉陷量關(guān)系的參數(shù)。

        式中,G為履帶的發(fā)向壓力;L為接地面長(zhǎng)度。行駛阻力公式為:

        在軸距為1130mm的工況時(shí),左右履帶相對(duì)于排水系統(tǒng)呈對(duì)稱布置,左右履帶受到的壓力均等,對(duì)地面造成的沉陷量也相同,因此受到的阻力近乎相等;在軸距1470mm的工況時(shí),由于單側(cè)履帶的伸縮移動(dòng),導(dǎo)致雙邊履帶相對(duì)于排水系統(tǒng)呈非對(duì)稱布置,造成雙邊履帶承受壓力不均,兩履帶的沉陷量Z不同,履帶需要的驅(qū)動(dòng)扭矩也將不同。因此有必要對(duì)排水車不同軸距在坡路上行和下行的工況下進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真,驗(yàn)證排水車的動(dòng)力學(xué)性能,減少實(shí)車試驗(yàn),為變軸距礦用突水履帶應(yīng)急排水車實(shí)際安全運(yùn)行提供可靠的依據(jù)。

        3.2 礦用突水排水車履帶底盤拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

        對(duì)排水車行走履帶進(jìn)行建模時(shí),在確保各部件運(yùn)動(dòng)關(guān)系與實(shí)際相符合的前提下,需要對(duì)底盤行走系統(tǒng)各部件做相應(yīng)的簡(jiǎn)化[19]。張緊裝置與履帶架通過(guò)阻尼彈簧和平移副相互約束,驅(qū)動(dòng)輪等輪系部件與其對(duì)應(yīng)的連接部件通過(guò)旋轉(zhuǎn)副相互約束,以確保履帶底盤各部件具有確定的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。同時(shí)為了提高模型求解速度以及計(jì)算效率,將履帶底盤的其余部件與車體合并為一個(gè)剛體系統(tǒng)模型[20]。

        根據(jù)簡(jiǎn)化后的各部件之間的約束模型,建立排水車行走履帶模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示,各部件及具體約束情況見表2。

        表2 排水車履帶底盤各部件之間的約束情況

        圖4 排水車履帶底盤模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

        3.3 礦用突水排水車多體動(dòng)力學(xué)模型

        首先借助三維建模軟件UG,建立礦用排水車車架和潛水泵等部件的三維模型,并將模型導(dǎo)入多體動(dòng)力學(xué)軟件RecurDyn中并設(shè)置為母體;其次在RecurDyn/Track(LM)子系統(tǒng)中根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)履帶、驅(qū)動(dòng)輪、托帶輪等履帶部件進(jìn)行參數(shù)化建模和裝配,并定義部件材料設(shè)置履帶和其余部件間的接觸參數(shù),建立初步的履帶底盤多體動(dòng)力學(xué)模型;再者結(jié)合排水車履帶底盤的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)定義各部件間的約束關(guān)系,并增加鏈輪的運(yùn)動(dòng)屬性;最后根據(jù)計(jì)算所得履帶張緊力大小定義模型中履帶的預(yù)緊力,進(jìn)而完成履帶底盤多體動(dòng)力學(xué)建模,所建立履帶底盤多體動(dòng)力學(xué)模型如圖5所示。該車左右履帶中心距B=1130~1470mm;履帶板寬度b=300mm;履帶接地長(zhǎng)度2420mm。排水車整機(jī)虛擬樣機(jī)模型如圖6所示。

        圖5 排水車單邊履帶模型

        圖6 排水車整車虛擬樣機(jī)

        3.4 仿真設(shè)置及其分析

        為了使動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果更加準(zhǔn)確,根據(jù)煤礦突水事故發(fā)生后巷道內(nèi)路面的屬性,在recurdyn軟件中分別建立坡度為30°的上坡和下坡模擬路面,并以設(shè)計(jì)時(shí)最大速度2.4km/h驅(qū)動(dòng)排水車,讓排水車以不同軸距勻速通過(guò)路面。

        3.4.1 不同軸距坡面上行仿真及其分析

        變軸距礦用突水應(yīng)急排水車分別以1130mm和1470mm不同軸距通過(guò)30°上坡路面,過(guò)程中以雙邊履帶的驅(qū)動(dòng)力矩作為行駛特性的主要分析參數(shù),仿真結(jié)果如圖7所示。

        圖7 排水車整車虛擬樣機(jī)

        由圖7可得排水車在不同軸距30°坡面上行過(guò)程中固定履帶和伸縮履帶驅(qū)動(dòng)輪扭矩的最大值和穩(wěn)態(tài)值,詳值見表3。

        表3 不同軸距30°坡面上行扭矩?cái)?shù)值

        仿真分析:通過(guò)圖7中履帶俯仰角曲線可知排水車的行駛過(guò)程如下:2~6s處于水平路面,排水車克服行駛阻力做功,因此扭矩較??;6~9s排水車通過(guò)水平路面和坡面的過(guò)渡段,排水車克服行駛阻力和服重力做功,此時(shí)履帶接地段減少,導(dǎo)致扭矩非線性增加;9~26s排水車處于上坡路面,排數(shù)車克服重力和行駛阻力做功,扭矩保持穩(wěn)定。

        通過(guò)圖7和表3可知,當(dāng)軸距是1470mm時(shí),排水車固定履帶的穩(wěn)態(tài)扭矩值比伸縮履帶高2078N·m,而軸距1130mm時(shí)兩單邊履帶的穩(wěn)態(tài)扭矩值近似相等,約為5000N·m,是因?yàn)檩S距變寬時(shí),伸縮履帶距離排水系統(tǒng)安裝位置相對(duì)于固定履帶變大,導(dǎo)致伸縮履帶受到的壓力減小,相應(yīng)的地面沉陷量變小,地面給伸縮履帶的阻力變小,驅(qū)動(dòng)扭矩也相應(yīng)變小,反之對(duì)于固定履帶驅(qū)動(dòng)扭矩變大。

        3.4.2 不同軸距坡面下行仿真及其分析

        變軸距礦用突水應(yīng)急排水車分別以1130mm和1470mm不同軸距通過(guò)30°下坡路面,過(guò)程中以雙邊履帶的驅(qū)動(dòng)力矩作為行駛特性的主要分析參數(shù)。排水車在不同軸距30°坡面下行過(guò)程中固定履帶和伸縮履帶驅(qū)動(dòng)輪扭矩的最大值和穩(wěn)態(tài)值,見表4。

        表4 不同軸距30°坡面下行扭矩?cái)?shù)值

        仿真分析:通過(guò)履帶俯仰角曲線可知排水車的行駛過(guò)程如下:2~6s處于水平路面,排水車克服行駛阻力做功,因此扭矩較??;6~9s排水車通過(guò)水平路面和坡面的過(guò)渡段,此時(shí)履帶和地面線接觸,導(dǎo)致扭矩非線性增加;9~26s排水車處于下坡路面,重力做正功,行駛阻力做負(fù)功,為保持排水車速度恒定,輸出扭矩反向并保持穩(wěn)定。

        通過(guò)表4可知,當(dāng)軸距是1470mm時(shí),排水車固定履帶的穩(wěn)態(tài)扭矩值比伸縮履帶高1100N·m,而軸距1130mm時(shí)兩單邊履帶的穩(wěn)態(tài)扭矩值近似相等約為3000N·m。

        4 結(jié) 語(yǔ)

        根據(jù)目前煤礦突水排水救援中存在的問(wèn)題設(shè)計(jì)了一種變軸距礦用突水應(yīng)急排水車,解決了現(xiàn)場(chǎng)救援中水泵運(yùn)輸、傾斜巷道排水和對(duì)不同軌距軌道通行能力差的問(wèn)題,提高了排水救援的效率。

        通過(guò)仿真結(jié)果可知,當(dāng)軸距為1130mm時(shí),排水車在30°坡路上行和下行過(guò)程中左右驅(qū)動(dòng)輪穩(wěn)態(tài)扭矩大致相同;當(dāng)軸距為1470mm時(shí),排水車在30°坡路上行過(guò)程和下行過(guò)程左右履帶驅(qū)動(dòng)輪扭矩差值分別為2078N·m和1100N·m,是排水車最大輸出扭矩11500N·m的18%;同時(shí)在水平路面和坡面的過(guò)度路段,驅(qū)動(dòng)輪扭矩會(huì)非線性增加,最大為8673N·m,小于排水車?yán)碚撟畲筝敵雠ぞ?。針?duì)雙邊履帶存在扭矩差的問(wèn)題,在設(shè)計(jì)履帶液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)采用相互獨(dú)立的設(shè)計(jì)方式,同時(shí)在坡度較大路面上爬行時(shí)可以將載荷偏置以減小左右履帶扭矩差值以保證排水車的平穩(wěn)正常運(yùn)行。通對(duì)虛擬樣機(jī)的動(dòng)力學(xué)分析,為實(shí)車的功能實(shí)現(xiàn)和穩(wěn)定運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。

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