履帶式液壓鉆車(chē)爬坡試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

史安然， 荊建寬， 尚志有

（煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司檢測(cè)分院， 北京 100013）

引言

目前，履帶式液壓鉆車(chē)在煤礦支護(hù)及開(kāi)采過(guò)程中廣泛應(yīng)用，液壓鉆車(chē)施工效率高，成孔質(zhì)量好，作業(yè)環(huán)境舒適和安全，尤其是在錨桿孔鉆進(jìn)過(guò)程中，多臂錨桿鉆車(chē)的應(yīng)用在部分礦井中有逐步取代傳統(tǒng)錨桿孔鉆進(jìn)設(shè)備的趨勢(shì)，隨著井下智能化的推進(jìn)，鉆進(jìn)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用，自行走設(shè)備必將取代傳統(tǒng)施工工藝。而井下環(huán)境巷道起伏，履帶式鉆車(chē)的行走通過(guò)能力及坡道行走穩(wěn)定性是安全考核的重要一環(huán)，本實(shí)驗(yàn)裝置正是基于鉆車(chē)爬坡角度及行走穩(wěn)定性的考核要求設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)節(jié)不同坡道角度，實(shí)際測(cè)試鉆車(chē)通過(guò)能力。

1 試驗(yàn)裝置概述

履帶式液壓鉆車(chē)爬坡試驗(yàn)裝置主要依據(jù)MT/T 199—1996《煤礦用液壓鉆車(chē)通用技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)，用于模擬履帶式液壓鉆車(chē)在井下的作業(yè)工況，通過(guò)對(duì)履帶式鉆車(chē)不同通過(guò)角度穩(wěn)定性考核，判斷鉆車(chē)是否滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)及使用要求，其主要測(cè)試原理如圖1 所示。該試驗(yàn)臺(tái)能實(shí)現(xiàn)履帶式液壓鉆車(chē)爬坡穩(wěn)定性參數(shù)全項(xiàng)目測(cè)量，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)爬坡角度、行走噪聲、系統(tǒng)壓力、流量、溫度等性能參數(shù)，并通過(guò)PLC 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟件控制及參數(shù)、報(bào)告輸出。首次采用高精度激光位移傳感器配合計(jì)時(shí)器，實(shí)現(xiàn)行走速度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)量，最大程度避免人為測(cè)量誤差。實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)控系統(tǒng)將電控系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)集中于一個(gè)控制臺(tái)和操作界面，其中電控系統(tǒng)包括控制臺(tái)、電控元件等，能對(duì)試驗(yàn)臺(tái)輔助系統(tǒng)及被試件的工況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制，控制室電腦界面控制；在緊急情況下，現(xiàn)場(chǎng)控制優(yōu)先于電腦界面控制，并可在空壓機(jī)、試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)、控制室對(duì)氣動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行急停；測(cè)試系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)液壓鉆車(chē)爬坡角度、液體壓力、液體流量、推進(jìn)力、溫度、噪聲、行走速度等指標(biāo)的自動(dòng)采集，并自動(dòng)生成原始記錄；在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)、控制室均可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，遠(yuǎn)端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)界面可監(jiān)測(cè)到測(cè)試界面，測(cè)控系統(tǒng)示意圖如圖2 所示。

圖1 液壓鉆車(chē)爬坡試驗(yàn)裝置測(cè)試原理圖

圖2 試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)

履帶式液壓鉆車(chē)爬坡試驗(yàn)裝置由坡道臺(tái)面、鉸接升降機(jī)構(gòu)、升降油缸及輔助泵站組成，裝置主要參數(shù)：

1）角度調(diào)節(jié)范圍0°～30°，全行程調(diào)節(jié)時(shí)間2 min；

2）最大承載能力30 t，可帶負(fù)載起升；負(fù)載重心處理B 點(diǎn)位置；

3）臺(tái)面長(zhǎng)寬7 000 mm×2 500 mm，允許誤差±50 mm。

2 裝置主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程

本臺(tái)架設(shè)計(jì)計(jì)算分三部分，分別是：

1）舉升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；包括擴(kuò)臺(tái)架舉升力，舉升鉸點(diǎn)，舉升油缸設(shè)計(jì)計(jì)算。該部分計(jì)算決定了臺(tái)架的主要結(jié)構(gòu)、油缸直徑、系統(tǒng)壓力等關(guān)鍵參數(shù)。

2）液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算；通過(guò)此部分的設(shè)計(jì)計(jì)算，設(shè)定系統(tǒng)的齒輪泵、電機(jī)、油箱等液壓系統(tǒng)相關(guān)零件。

3）強(qiáng)度校核，包括臺(tái)架各銷(xiāo)軸；臺(tái)架的強(qiáng)度計(jì)算，包括經(jīng)典力學(xué)計(jì)算和有限元分析。

2.1 舉升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

履帶式液壓鉆車(chē)爬坡試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖如下圖3 所示。通過(guò)理論力學(xué)，建立平面力學(xué)模型，進(jìn)行平衡計(jì)算簡(jiǎn)化力學(xué)模型，得到圖4 所示力學(xué)簡(jiǎn)圖。

圖3 履帶式液壓鉆車(chē)爬坡試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖4 力學(xué)簡(jiǎn)圖

在進(jìn)行計(jì)算之前，首先確定 O 點(diǎn)、O2點(diǎn)、O3點(diǎn)坐標(biāo)已確定。AO2長(zhǎng)度、AC 長(zhǎng)度、AB 長(zhǎng)度、BC 長(zhǎng)度已確定。設(shè)定負(fù)載重心在與平臺(tái)中心重合，都在G 點(diǎn)。則：下翻力矩為上翻力矩為 M上=其中 M 為負(fù)載重力。

三腳架受力分析：

f1方向沿拉桿 AO2方向，f2方向沿油缸 CO3方向。根據(jù)平面力學(xué)原理可知,f3方向如圖所示，在B點(diǎn)與D 點(diǎn)連線(xiàn)上。

當(dāng) O 點(diǎn)、O2點(diǎn)、O3點(diǎn)坐標(biāo)已確定，AO2長(zhǎng)度、AC長(zhǎng)度、AB 長(zhǎng)度、BC 長(zhǎng)度已確定時(shí)，通過(guò)復(fù)雜數(shù)學(xué)計(jì)算可以確定 β、θ、δ 角度大小。

穩(wěn)定狀態(tài)下上下翻轉(zhuǎn)力矩平衡，當(dāng)β 確定后，即可根據(jù)確定 f1、f2、f3大小。

由于目前三維軟件已實(shí)現(xiàn)尺寸對(duì)圖形的驅(qū)動(dòng)，故此將上述簡(jiǎn)圖輸入SW 內(nèi)進(jìn)行模擬，α=0°時(shí)的模擬圖如圖5 所示。

圖5 α=0°時(shí)模擬圖（單位：mm）

根據(jù)計(jì)算，此時(shí)所需油缸舉升力為868 kN。此時(shí)油缸的安裝距L=1 765 mm。

按照上述方法，在0°～30°之間，每隔5°取一次點(diǎn)，進(jìn)行油缸舉升力分析如下表1 所示。

表1 油缸升力分析表

由上表1 分析，當(dāng)機(jī)構(gòu)在0°～30°之間運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，油缸所需舉升力先見(jiàn)小，后增大。當(dāng)在0°時(shí)所需力最大，即：若負(fù)載中心在4 900 mm 位置，負(fù)載為40 000 kg，則單根油缸最大舉升力為868 kN。選取缸徑Φ180 mm，桿徑Φ120 mm 的油缸，設(shè)定此時(shí)壓力為17.5 MPa，則：此時(shí)油缸舉升力為1 346 kN，滿(mǎn)足使用要求。

油缸長(zhǎng)度參數(shù)：0°時(shí)油缸長(zhǎng)度為1 765 mm，30°時(shí)油缸長(zhǎng)度為3 024 mm。

選取油缸：缸徑為Φ180 mm，桿徑Φ120 mm，安裝距為1 760 mm，行程為1 270 mm。

2.2 液壓系統(tǒng)計(jì)算

通過(guò)上述計(jì)算和設(shè)計(jì)要求，得出如下參數(shù)：

缸徑D=Φ180mm，桿徑d=Φ120mm，油缸行程L=1270mm。

油缸安裝距S=1 760 mm，壓力P=16 MPa，舉升時(shí)間180 s。

單根油缸有桿腔容積 V無(wú)≈32.5 L，V有≈18 L。

設(shè)定：選用齒輪泵額定流量Vg=32 mL/r，電機(jī)轉(zhuǎn)速n=1 450 r/min。

容積效率ηv=0.9，機(jī)械效率ηmh=0.95。

則：泵輸出流量為 V泵=Vgnηv=41 760 mL/min≈41.7 L/min。

油泵同時(shí)給兩根油缸無(wú)桿腔供油，全行程時(shí)間t1=94 s。

油泵同時(shí)給兩根油缸有桿腔供油，全行程時(shí)間為t2=52 s。

初步計(jì)算所需電機(jī)功率為：設(shè)定此時(shí)泵壓力為18MPa，則 P≈14.67 kW。

選取電機(jī)功率P=15 kW。

結(jié)論：選取電機(jī)功率15 kW，選取泵排量32 mL/r，使用時(shí)候系統(tǒng)最大壓力為18 MPa。

2.3 強(qiáng)度校核

1）油缸銷(xiāo)軸強(qiáng)度校核。計(jì)算得到油缸最大推力1 346 kN，選取直徑為Φ90 mm 銷(xiāo)軸，則剪切力τ1=32.3 MPa，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

2）臺(tái)面彎曲強(qiáng)度校核。建立簡(jiǎn)支梁模型，設(shè)定負(fù)載質(zhì)量F'=40 000 kg（包括30 000 kg 負(fù)載和10 000 kg 臺(tái)面自重），長(zhǎng)度 L=4 900 m。則：當(dāng) F'處于中心時(shí)候，彎矩M 最大為480 200 N·m。平臺(tái)橫截面，經(jīng)簡(jiǎn)化后如下圖6 所示。

圖6 簡(jiǎn)化后的簡(jiǎn)支梁模型（單位：mm）

經(jīng)過(guò)計(jì)算，該截面抗彎為63 MPa，最大彎曲應(yīng)力為63 MPa，滿(mǎn)使用需求。

3 結(jié)語(yǔ)

采用液壓鉆車(chē)是提高掘進(jìn)速度、工作效率和巖巷掘進(jìn)機(jī)械化水平，改善勞動(dòng)條件，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的重要途徑，鉆車(chē)通過(guò)能力測(cè)試是安標(biāo)檢測(cè)重要檢測(cè)項(xiàng)目，影響到鉆車(chē)井下行進(jìn)速度、爬坡能力，因此，該試驗(yàn)裝置的研制，改善原有固定角度坡道試驗(yàn)的現(xiàn)狀，能夠考核鉆車(chē)極限通過(guò)角度，為鉆車(chē)性能檢驗(yàn)提供硬件支撐。