WC55Y框架式支架搬運(yùn)車行走系統(tǒng)的設(shè)計

陳思遠(yuǎn)

（國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司， 寧夏 銀川 750000）

引言

框架式支架搬運(yùn)車是一種以防爆柴油機(jī)為動力，通過靜液壓驅(qū)動的大型輔助運(yùn)輸車輛，主要用于煤礦綜采工作面液壓支架安裝、倒面和撤除工作?？蚣苁街Ъ馨徇\(yùn)車相對于鏟板式支架搬運(yùn)車，由于采用U型框架式搬運(yùn)方式，無需額外配重，載荷自重比大；由于采用靜液壓驅(qū)動，其低速時傳動效率遠(yuǎn)高于液力驅(qū)動。隨著煤炭開采技術(shù)的發(fā)展，部分大礦工作面綜采設(shè)備總重量已過萬噸，單個液壓支架重量超過50 t。為了適應(yīng)煤層走向，巷道設(shè)計坡度也呈逐漸增大的趨勢，比如黃玉川礦局部坡度超過16°，因此對支架搬運(yùn)車運(yùn)載重量和爬坡能力都提出更高的要求。本文對額定載重55 t，爬坡度為16°的框架式支架搬運(yùn)車行走液壓系統(tǒng)的設(shè)計方法展開分析。

1 行走系統(tǒng)方案的選擇

框架式支架搬運(yùn)車運(yùn)輸過程屬于低速重載工況，尤其是爬大坡時，需要足夠的牽引力輸出，要求行走系統(tǒng)不僅吸收功率足夠大，還要有足夠高的總傳動效率。靜液壓驅(qū)動系統(tǒng)能夠有效低吸收柴油機(jī)功率，將其轉(zhuǎn)換成行走馬達(dá)的扭矩輸出，低速時轉(zhuǎn)換效率仍處于較高水平。

靜液壓驅(qū)動系統(tǒng)的實現(xiàn)，按照行走馬達(dá)工作轉(zhuǎn)速和扭矩的不同可以分為兩種，一種是采用高速小扭矩馬達(dá)的高速方案，另外一種是采用低速大扭矩馬達(dá)的低速方案。高速方案由于采用HA控制的高速變量馬達(dá)，其排量隨閉式回路高壓自動調(diào)節(jié)，配合DA控制的變量泵可以實現(xiàn)行走液壓系統(tǒng)的無級變速。高速方案的不足是，對于重載下坡的工況，基于HA控制的馬達(dá)變?yōu)楸霉r時不能提供足夠的液壓反式制動，必須用工作制動控制車速，嚴(yán)重影響了制動器的可靠性和使用壽命。低速方案采用雙排量低速大扭矩馬達(dá)，車速調(diào)節(jié)是通過切換馬達(dá)的排量和改變自由輪數(shù)量來實現(xiàn)的。低速方案的不足在于其馬達(dá)效率略低于高速馬達(dá)，其優(yōu)勢在于重載下坡通過切換至大排量全輪驅(qū)動能夠有效地實現(xiàn)液壓反式制動，因此國外廠家均采用低速方案。

本系統(tǒng)采用低速方案，兩個閉式泵通過柔性連接盤直接串在柴油機(jī)上，行走馬達(dá)采用4個雙排量馬達(dá)和2個單排量馬達(dá)，均為低速大扭矩馬達(dá)。閉式回路左右側(cè)完全一樣，其左側(cè)回路原理如圖1所示[1-2]。

圖1 左側(cè)行走液壓系統(tǒng)原理圖

2 柴油機(jī)動力的匹配

柴油機(jī)選型時，可以根據(jù)車輛行駛的牽引特性需求進(jìn)行初選?？蚣苁街Ъ馨徇\(yùn)車作為輔助運(yùn)輸車輛，車輛滿載爬坡時消耗柴油機(jī)功率最大，可按照此時的功率消耗選擇柴油機(jī)功率。通常行走時消耗功率的元件包括柱塞泵、補(bǔ)油泵、負(fù)荷傳感泵、冷卻泵、發(fā)電機(jī)、空壓機(jī)。

最大坡度爬坡時的速度一般在0.5～0.6 m/s，此時空氣阻力和加速阻力可忽略，其行駛方程可以用下式表示：

式中：Ft為整車牽引力；m為整車滿載質(zhì)量，79 000 kg；g為重力加速度，取9.81 m/s2；f為滾動阻力系數(shù)，實心輪胎硬化路面，取0.04；α為爬坡度，不得小于14°，此處取16°。

整車坡道阻力表圖1所示[3]：

表1 整車坡道阻力表

柱塞泵的輸入功率可用下式表示：

式中：λ為柴油機(jī)功率儲備系數(shù)，取1.1；η為整車傳動總效率，使用低速馬達(dá)，取0.75；v為最大坡度時的車速，取 0.55 m/s。

柴油機(jī)總功率需求可以用下式表示：

發(fā)電機(jī)和空壓機(jī)按制造商提供的輸入功率直接帶入上式即可，補(bǔ)油泵、負(fù)荷傳感泵和冷卻泵的輸入功率可用下式計算：

式中：Vp為泵的排量，mL，；n為柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速，一般為2 200 r/min；Δp為工作壓差，開式系統(tǒng)即工作壓力，MPa，負(fù)荷傳感泵按其設(shè)定的待命壓力計算，冷卻泵的工作壓力與散熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，可按0.5 MPa估算；η為泵的總效率，補(bǔ)油泵取0.85，負(fù)荷敏感泵取0.9，冷卻泵取0.8。

經(jīng)計算柴油機(jī)總功率需求為P=219.6 kW，所以初選防爆后凈功率為240 kW的CKS6114型柴油機(jī)，這樣，除去輔助功率消耗后，用于行走系統(tǒng)的功率為210 kW。

3 閉式泵和行走馬達(dá)以及行走的分流控制

目前波克蘭公司生產(chǎn)的MS系列馬達(dá)和力士樂公司生產(chǎn)的A4VG新系列閉式泵工作壓力均達(dá)到了45 MPa，系統(tǒng)壓差最高可以做到42 MPa，而且其排量型譜都比較齊全，這給選型帶來了方便。

在采用靜液壓傳動容積調(diào)速行走系統(tǒng)的設(shè)計中，可以先根據(jù)整車牽引力要求選擇合適排量的馬達(dá)。馬達(dá)的輸出扭矩取決于馬達(dá)的排量和工作壓差，行走馬達(dá)的總排量可用下式表示：

式中：ηm為馬達(dá)的機(jī)械效率；rd為輪胎運(yùn)動半徑；Ft為整車牽引力；Δp為馬達(dá)工作壓差，即系統(tǒng)壓差。

通常，馬達(dá)牽引力的選擇可通過表2進(jìn)行粗選，然后按照產(chǎn)品樣本選擇就近排量型譜的馬達(dá)[4]。

表2 馬達(dá)排量-牽引力對照簡表

對于具有重載低速爬坡工況的車輛，系統(tǒng)中必須設(shè)置馬達(dá)流量分配閥，當(dāng)遇到個別車輪打滑無法行走時，切換至強(qiáng)制分流狀態(tài)將打滑的車輪對應(yīng)的馬達(dá)進(jìn)行差速鎖定。所以，馬達(dá)的總排量確定后，需根據(jù)6個驅(qū)動輪選定的馬達(dá)排量和輪胎運(yùn)動半徑選擇流量分配閥的分流比，使得每個驅(qū)動輪的線速度保持一致。分流閥原理簡圖如下頁圖2所示：

圖2 分流閥液壓原理簡圖

4 結(jié)語

WC55Y框架式支架搬運(yùn)車裝配落地后，通過廠內(nèi)基本參數(shù)測試，行走系統(tǒng)參數(shù)均達(dá)到設(shè)計指標(biāo)，型式試驗可靠，其爬坡能力大、速度快、傳動效率高，特別適宜大型液壓支架大坡道搬家倒面作業(yè)，是目前國內(nèi)框架式搬運(yùn)車行走系統(tǒng)非常有效的解決方案。