[JP3]2.2m～3m遙控地下鏟運(yùn)機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

任娜??

摘要：遙控地下鏟運(yùn)機(jī)是采礦所應(yīng)用的主要設(shè)備，其性能是決定采礦效率的主要因素。本文在介紹了遙控地下鏟運(yùn)機(jī)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，從機(jī)械動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩個(gè)角度，對(duì)2.2m～3m遙控地下鏟運(yùn)機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期能夠達(dá)到提高機(jī)械工作效率及質(zhì)量的目的。

關(guān)鍵詞：2.2m～3m遙控地下鏟運(yùn)機(jī)；動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)

遙控地下鏟運(yùn)機(jī)構(gòu)成較為復(fù)雜，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)械的主要組成部分。兩者發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器以及變速箱是否能夠匹配，與機(jī)械的性能存在顯著聯(lián)系。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案下，機(jī)械使用壽命短、出現(xiàn)故障的幾率高，性能較低。對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，是解決上述問(wèn)題的主要途徑。

1 遙控地下鏟運(yùn)機(jī)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)要求

遙控地下鏟運(yùn)機(jī)由車(chē)架、發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)軸、變速箱及液力變矩器等部分構(gòu)成（如下圖）[1]。不同部分的功能不同。為確保機(jī)械能夠正常運(yùn)行，應(yīng)將遙控操作、視頻監(jiān)控以及車(chē)載控制系統(tǒng)作為重點(diǎn)，對(duì)鏟運(yùn)機(jī)加以設(shè)計(jì)。遙控操作設(shè)計(jì)目標(biāo)在于：確保200m之內(nèi)能夠遠(yuǎn)程控制機(jī)械的運(yùn)作。視頻遙控的設(shè)計(jì)目標(biāo)在于：確保工作人員能夠通過(guò)視頻監(jiān)控機(jī)械的運(yùn)行情況，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常。車(chē)載控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)在于：提高動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平，提高機(jī)械運(yùn)行的可靠性與安全性。

遙控地下鏟運(yùn)機(jī)的構(gòu)成圖

2 2.2m～3m遙控地下鏟運(yùn)機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案

2.1 2.2m～3m遙控地下鏟運(yùn)機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

2.1.1 傳動(dòng)原理及設(shè)計(jì)方案

（1）傳動(dòng)原理：利用發(fā)動(dòng)機(jī)所帶來(lái)的動(dòng)力，以外界阻力為適應(yīng)指標(biāo)，保持機(jī)械傳動(dòng)平衡。當(dāng)外界阻力增大時(shí)，可通過(guò)無(wú)級(jí)調(diào)速，避免發(fā)動(dòng)機(jī)或其他器件受損[2]。（2）共設(shè)計(jì)了如下三種方案：采用電子控制單元以及齒輪變速箱等，設(shè)計(jì)AT自動(dòng)變速器。以確保能夠在無(wú)離合器的情況下?lián)Q擋，提高機(jī)械運(yùn)行效率；設(shè)計(jì)AMT自動(dòng)變速器，確保鏟運(yùn)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)變速，提高其傳動(dòng)效率；設(shè)計(jì)CVT無(wú)極變速傳動(dòng)，采用傳動(dòng)帶以及可變槽帶，改變變速原理，提高變速的便捷性。對(duì)比上述三種方案的優(yōu)勢(shì)與缺陷，決定采用方案一設(shè)計(jì)。

2.1.2 動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)形式：按照不同標(biāo)準(zhǔn)劃分，鏟運(yùn)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)形式同樣不同。以燃料為劃分依據(jù)，可將其分為汽油機(jī)與柴油機(jī)兩種。本文所設(shè)計(jì)的鏟運(yùn)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)形式以柴油機(jī)為主。（2）對(duì)比不同型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)，決定采用D914L5設(shè)計(jì)。發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸數(shù)5個(gè)、排量5.4L、壓縮比21、額定功率72.3、轉(zhuǎn)速15002300r/pm，冷卻方式以風(fēng)冷為主。

2.1.3 液力變矩器設(shè)計(jì)

對(duì)比C271、C272、C273三種變矩器的參數(shù)，決定將C271作為主要變矩器，對(duì)鏟運(yùn)機(jī)加以設(shè)計(jì)。C271液力變矩器參數(shù)如下：（1）當(dāng)轉(zhuǎn)速比為0時(shí)，變矩系數(shù)為3.12k、能力系數(shù)218k；轉(zhuǎn)速比為0.5時(shí)，變矩系數(shù)為889。（2）該變矩器失速比為3.10、最大輸入轉(zhuǎn)矩343Nm、功率6385kW。

2.1.4 變速箱的設(shè)計(jì)

（1）變速箱運(yùn)行原理應(yīng)符合以下公式：i=n1/n2=D2/D1=Z2/Z1。（2）對(duì)比不同變速箱不同檔位的傳動(dòng)比，決定采用RT32421變速箱對(duì)鏟運(yùn)機(jī)加以設(shè)計(jì)。該變速箱不同檔位的傳動(dòng)比分別如下：一檔4.643、二擋2.235、三檔1.290。

2.1.5 電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（1）傳感器輸入單元：功能在于確定尺條位置，將機(jī)油等壓力指數(shù)傳入到電控單元當(dāng)中。（2）設(shè)置點(diǎn)：功能在于確定油門(mén)位置。（3）接口：功能在于連接電源及CAN總線(xiàn)。（4）執(zhí)行器：功能在于對(duì)停機(jī)電磁閥加以控制。（5）顯示：功能在于顯示轉(zhuǎn)速，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，可亮燈報(bào)警。

2.2 2.2m～3m遙控地下鏟運(yùn)機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案

2.2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理及設(shè)計(jì)方案

（1）鏟運(yùn)機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的原理在于，根據(jù)工況的不同，對(duì)鏟斗的平衡性進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)放平。插入、鏟裝、運(yùn)輸以及卸載，屬于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不同工況。以插入為例：機(jī)械運(yùn)行后，動(dòng)壁逐漸放下，鏟斗翻轉(zhuǎn)，與地面銜接，將物料插入到鏟斗內(nèi)部。（2）設(shè)計(jì)方案：通過(guò)目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)的工作流程。從主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)等角度出發(fā)，提高執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平，提高鏟運(yùn)機(jī)的運(yùn)行效率。

2.2.2 系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）以鏟裝為例，該工況下，鏟運(yùn)機(jī)的掘取力計(jì)算公式為：Fz=Fbc×Cf。其中Cf代表倍力系數(shù)、Fbc代表翻轉(zhuǎn)油缸作用力、Fz代表掘取力的反力。（2）確定約束條件。采用內(nèi)點(diǎn)懲罰函數(shù)法、反點(diǎn)懲罰函數(shù)法作為優(yōu)化方法。（3）優(yōu)化流程：獲得維數(shù)n及精度Jd，創(chuàng)建數(shù)組，確定數(shù)組中的任意初始值。根據(jù)初始值，求出最小解。將最小解與其他數(shù)值相對(duì)比，最終完成優(yōu)化過(guò)程。

2.2.3 主控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

CPU可采用嵌入式系統(tǒng)以及PLC可編程邏輯器件設(shè)計(jì)。嵌入式系統(tǒng)核心為微控制器，優(yōu)勢(shì)在于接口豐富，擴(kuò)展性強(qiáng)。缺陷在于可靠性差。為解決上述問(wèn)題，決定采用PAC設(shè)計(jì)主控系統(tǒng)，采用梯形圖編程方法實(shí)現(xiàn)邏輯控制，提高擴(kuò)展性以及可靠性，提高數(shù)據(jù)處理效率。

2.3 設(shè)計(jì)效果

通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)比了原有系統(tǒng)與優(yōu)化設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)的工作效率，發(fā)現(xiàn)，與優(yōu)化前相比，優(yōu)化后，鏟運(yùn)機(jī)的工作效率顯著提高。表明設(shè)計(jì)效果較好。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)2.2m～3m遙控地下鏟運(yùn)機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)，應(yīng)以D914L5為發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)、以C271作為液力變矩器、以柴油機(jī)作為主要發(fā)動(dòng)機(jī)形式，通過(guò)對(duì)目標(biāo)函數(shù)的計(jì)算，獲取執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的最優(yōu)解，以提高鏟運(yùn)機(jī)的運(yùn)行效率。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：任娜（1976），女，山東壽光人，本科，工程師，地下裝載機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)。