白雪 楊小軍

摘要：詳細(xì)介紹了低煤層快速裝卸輔助運輸防爆車的設(shè)計理念和技術(shù)特點，以及與同類產(chǎn)品優(yōu)缺點分析、存在問題和改進(jìn)意見，并分析了其經(jīng)濟效益和社會效益。

關(guān)鍵詞：薄煤層；輔助運輸防爆車

中圖分類號：U469? 收稿日期：2024-03-19

DOI：1019999/jcnki1004-0226202405016

1 前言

我國薄煤層和極薄煤層資源豐富，分布廣泛，且煤質(zhì)較好，這種煤層的儲量占我國全部可采儲量的20%左右。然而我國薄煤層機械化開采程度較低，薄煤層產(chǎn)量也低。主要原因是目前輔助運輸設(shè)備普遍較高，裝配功率太大，無法滿足采煤機、液壓支架等設(shè)備的運輸。因此采用先進(jìn)的低矮型大噸位快速裝卸的輔助運輸車來滿足機械化設(shè)備的運輸安裝，以實現(xiàn)薄煤層的安全高效生產(chǎn)。本文著重對低煤層快速裝卸輔助運輸防爆車的研制進(jìn)行分析。

2 產(chǎn)品設(shè)計理念

低煤層快速裝卸輔助運輸防爆車項目是針對巷道斷面（寬×高）27 m×21 m以下，坡度±14°，鏟運≤35 t重物。

該車輛的使用功能是為了快速裝卸低煤層工作面的支護(hù)設(shè)備，主要優(yōu)勢是提高車輛承載能力、增加工作的穩(wěn)定性、可靠性和作業(yè)速度，擴大其使用范圍，以保證該車輛具有高效節(jié)能特點。

液壓系統(tǒng)設(shè)計理念采用更換控制閥，利用AMESIM軟件進(jìn)行動力匹配仿真，建立虛擬樣機，調(diào)節(jié)閥的壓力實現(xiàn)動力合理分配，使液壓系統(tǒng)性能增大25%。鏟運裝載機構(gòu)采用三維模型進(jìn)行動力學(xué)分析，使結(jié)構(gòu)更加合理，優(yōu)化結(jié)構(gòu)件增強機械強度。發(fā)動機和傳動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)的匹配，采用動力學(xué)進(jìn)行分析，并對防爆發(fā)動機進(jìn)行試驗，液壓關(guān)鍵元件也進(jìn)行了動態(tài)試驗。在此基礎(chǔ)上建立虛擬樣機，實現(xiàn)仿真動力學(xué)分析，優(yōu)化整機性能。以計算機虛擬車型為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了整車建模、動力學(xué)分析、機械強度分析、傳動效率分析、動力匹配、鏟板機械結(jié)構(gòu)演示等功能［1］。通過建立整機虛擬模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計車型，對防爆發(fā)動機、關(guān)鍵液壓元件、傳動元件進(jìn)行動態(tài)試驗，使虛擬模型更接近車輛真實工況。

3 主要設(shè)計內(nèi)容

31 鏟運裝載機構(gòu)與傾翻液壓油缸動力的匹配

鏟運裝載機構(gòu)是一種新型高效平穩(wěn)的裝載機構(gòu)，對車輛的外形尺寸、技術(shù)參數(shù)進(jìn)行綜合模擬仿真分析，對油缸平衡閥進(jìn)行壓力重新調(diào)定，油缸耳子、軸承等重新設(shè)計和選型，使其達(dá)到性能要求［2］。在AMESIM軟件系統(tǒng)中建立了液壓系統(tǒng)模型，對其油缸工作過程動態(tài)特性進(jìn)行分析。

圖1所示為在AMESI中搭建的電液比例流量閥的仿真模型，該模型由液壓源、主閥、先導(dǎo)泵/馬達(dá)、負(fù)載等部分組成，先導(dǎo)泵/馬達(dá)的額定排量為6 mL/r，主閥為彈簧阻尼系統(tǒng)，使用元件庫中的元件分別表示主閥上腔C、入口腔A、出口腔B，先導(dǎo)泵/馬達(dá)的流量由伺服電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)進(jìn)行控制，負(fù)載為溢流閥。

如圖2所示，在不同系統(tǒng)壓力下，主閥所受到的力不同，壓力越大，所受到的力也越大。

32 主要結(jié)構(gòu)的可靠性

a.建立結(jié)構(gòu)件三維模型，利用ANSYS進(jìn)行強度校核，對其關(guān)鍵可靠性進(jìn)行分析。優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化虛擬樣車。

b.采取ANSYS軟件有限元分析，生成零件應(yīng)力、應(yīng)變、形變圖，并檢驗所設(shè)計產(chǎn)品是否性能穩(wěn)定，是否能夠投入到具體工況應(yīng)用。

321 有限元分析的前期準(zhǔn)備

在Geometry 模塊中導(dǎo)入各零件模型，設(shè)置零件材料的所有參數(shù)，大缸筒、大活塞桿、小缸筒均使用45鋼制成，設(shè)置密度為785 g/cm3，泊松比0269，彈性模量210 GPa，抗拉強度600 MPa，屈服強度355 Pa，然后施加約束力就可以求解分析。

322 有限元分析的網(wǎng)格化

在有限元分析時，系統(tǒng)會默認(rèn)劃分網(wǎng)格。因不同網(wǎng)格劃分對后續(xù)仿真存在影響，這里選取默認(rèn)的網(wǎng)格。

323 添加約束力

小活塞桿右側(cè)用鎖緊螺母連接在端蓋上，施加固定約束；左側(cè)套著小活塞，固定在小缸筒內(nèi)，添加固定約束?；钊麠U內(nèi)表面承受液壓油的壓力為23 MPa。大活塞桿即小缸筒Z方向施加0位移約束，套活塞桿的一側(cè)施加固定，另一側(cè)為130 kN。大缸筒左右兩側(cè)安裝著法蘭盤和缸蓋，直接施加固定約束。內(nèi)表面還是承受液壓力23 MPa。整體液壓缸和大活塞桿施加約束一樣，X、Y方向固定，前耳環(huán)處鉸接，添加130 kN的外力，后缸蓋處固定，內(nèi)部液壓油壓力為23 MPa。應(yīng)力應(yīng)變見圖4和圖5。

324 液壓缸的仿真結(jié)果分析

從以上結(jié)果可知，缸筒和活塞桿的最大應(yīng)變?yōu)?018，位于大活塞桿與前耳環(huán)螺紋連接的位置，最大應(yīng)力5896 MPa。整體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力404 MPa，小于抗拉強度。相比較缸筒500 mm的尺寸而言，形變幾乎可以忽略不計。這也就表明液壓缸整體結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，不易產(chǎn)生大的變形，符合安全要求。

33 液壓系統(tǒng)優(yōu)化

利用AMESIM軟件，對整車液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模分析，輸入負(fù)載模擬量，對其系統(tǒng)元件和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

34 建立整機虛擬模型

以計算機虛擬車型為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了整車建模、動力學(xué)分析、機械強度分析、傳動效率分析、動力匹配、鏟板機械結(jié)構(gòu)演示等功能。通過建立整機虛擬模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計車型，如圖6所示。

4 主要技術(shù)參數(shù)

適用巷道最小寬度27 m，適用最小高度21 m，允許道路最大坡度14°，最大載質(zhì)量35 t，滿載行走速度0～19 km/h，防爆后發(fā)動機功率225 kW；轉(zhuǎn)彎半徑：≤5 000 mm（內(nèi)），≤7 800 mm（外）；排放指標(biāo)：滿足GB 20891—2014《非道路國三排放標(biāo)準(zhǔn)》［3］。

5 主要優(yōu)缺點分析

對比國內(nèi)外30 t、35 t鏟板式搬運車：

a.整車高度低，能適應(yīng)低巷道高度在21 m以下。

b.工作機構(gòu)為大小臂油缸機構(gòu)，舉升高度可調(diào)，可實現(xiàn)低巷道像破碎機機頭等大件的快速運輸。大小臂油缸機構(gòu)舉升快速，鏟運靈活。

c.駕駛室設(shè)置在后機架位置，更加安全，防止支架前端對駕駛員造成機械傷害。

d.設(shè)置獨立叉子和鏟板，拆卸鏟板后，利用叉子可以快速對接皮帶機溜槽。

6 存在問題、改進(jìn)意見及分析

車輛在井下工業(yè)化試驗中共暴露出以下幾大問題：

a.國三發(fā)動機出現(xiàn)高溫，尾氣排放差等問題，特別在重載上坡時，溫度直接達(dá)到100°以上。改進(jìn)方案：提高了散熱器散熱面積，增大了發(fā)動機風(fēng)扇從780 mm調(diào)到直徑910 mm，葉片厚度達(dá)到5 z，有效地解決了發(fā)動機高溫問題，將水溫控制在85°～90°之間。

b.車輛出現(xiàn)轉(zhuǎn)向慢的問題，特別是在重載情況下。改進(jìn)方案：將液壓系統(tǒng)中主泵排量73 mL/r·min增至80 mL/r·min，提高了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的流量，使轉(zhuǎn)向速度明顯加快。

c.車輛后機架發(fā)動機倉開裂，后脫鉤為螺栓結(jié)構(gòu)容易變形，容易造成機械傷人事故。改進(jìn)方案：底板厚度從20 mm改為40 mm，兩端配重從190 mm改為170 mm。

d.將整車重量重新分配，對發(fā)動機艙機械結(jié)構(gòu)重新設(shè)計，減少應(yīng)力集中，后期沒有出現(xiàn)開焊問題，后脫鉤從螺栓連接改為整板切割成型，增加了結(jié)構(gòu)強度，防止脫開，避免造成機械傷人事故。

e.產(chǎn)品開發(fā)方面：由于車輛國三防爆發(fā)動機、變速箱（進(jìn)口）、車橋（進(jìn)口）成本較高，后期配件維修成本也較高，采購零部件周期長，因此現(xiàn)正在開發(fā)國三防爆發(fā)動機，加快變速箱、車橋這些元器件的國內(nèi)技術(shù)攻關(guān)進(jìn)程［4］。

7 經(jīng)濟和社會效益

71 經(jīng)濟效益

2022年，開始小批量試制4臺樣車，后開始進(jìn)行井下工業(yè)化試驗，最終確定樣車技術(shù)狀態(tài)，完成了該車型的所有工況整車實驗，準(zhǔn)備批量生產(chǎn)。2023年預(yù)計生產(chǎn)10臺，2024年50臺，2025年80～100臺。

低煤層中噸位搬運車市場需求大，單臺鏟板式搬運車售價為260萬元左右，按每年生產(chǎn)80～100臺計算，每年可為公司新增產(chǎn)值2億元～26億元，凈利潤可達(dá)3 000～4 000萬元。新增稅收3 100～4 000萬元，有利于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展［5］。

72 社會效益

低煤層快速裝卸輔助運輸防爆車的研制填補了我國低煤層中噸位輔助運輸防爆車的技術(shù)空白，帶動了煤炭行業(yè)整體技術(shù)水平，提升了我國煤礦液壓支架搬家倒面的機械化水平、工作速度、安全性和煤礦企業(yè)的綜合經(jīng)濟效益。低煤層快速裝卸輔助運輸防爆車具有自主知識產(chǎn)權(quán)，填補了國內(nèi)空白，可完全替代進(jìn)口，對提高我國煤礦井下輔助運輸效率具有重要的現(xiàn)實意義。

參考文獻(xiàn)：

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[3]竇博，馮輝榮，張凌瀅，等山區(qū)道路車輛轉(zhuǎn)彎行駛穩(wěn)定性分析與控制[J]海峽科學(xué)，2020（2）：43-46

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[5]蘇云輝，馬如飛，王利智，等我國現(xiàn)階段薄煤層的開采難點及解決思路[J]煤礦機電，2013（2）：49-52

作者簡介：

白雪，男，1990年生，工程師，研究方向為汽車運用工程。