高臺階電纜收放裝置關(guān)鍵技術(shù)及性能分析

秦 園，郭北軍，趙鈞鐸，李占龍

（1.太原科技大學(xué) 交通與物流學(xué)院，山西 太原 030024，2.山西佳誠液壓有限公司，山西 忻州 034100；3.太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

露天煤礦大型用電采礦設(shè)備處于不同作業(yè)平臺，采用人工敷設(shè)跨臺階電纜供電，作業(yè)強(qiáng)度大且安全風(fēng)險高，存在高空墜落、塌方等重大安全隱患，并易導(dǎo)致電纜外絕緣層和電纜頭損壞，使維養(yǎng)成本增多。高臺階電纜收放裝置常于非路面上移動和作業(yè)，路面地形往往較復(fù)雜（如土壤松散、高低不平、泥濘土地等）、環(huán)境不確定性高且極端環(huán)境（高溫、高熱等）出現(xiàn)率高，對電纜收放裝置的行走機(jī)構(gòu)提出了更高的要求，即電纜收放裝置需同時滿足行走平順性和作業(yè)穩(wěn)定性。本文以高臺階電纜收放車為研究對象，從電纜卷盤的收放裝置、控制系統(tǒng)、保護(hù)及預(yù)警系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)方面進(jìn)行分析，并對其大跨度伸縮裝置的載荷分析、抗傾覆性能、配重分析等開展研究。

1 高臺階電纜收放裝置

高臺階收放裝置由底盤、電纜卷放裝置和伸縮裝置等組成，可在平地和高臺階上實現(xiàn)電纜鋪設(shè)和電纜回收兩大功能，如圖1所示，參數(shù)見表1。

表1 高臺階收放裝置參數(shù)表

圖1 高臺階收放裝置布局

1.底盤部分

初選汽車起重機(jī)專用底盤作為高臺階收放裝置的底盤，該底盤適合露天礦的作業(yè)環(huán)境，適應(yīng)性強(qiáng)，并且耐用性好，其最小離地間隙為400 mm（要求≥300 mm），越過障礙能力強(qiáng)。

2.電纜收放裝置

電纜卷放裝置位于車輛底盤前部，包含集成盒體、電纜回轉(zhuǎn)裝置、電纜卷筒支架、卷筒及驅(qū)動單元、電纜導(dǎo)向架、機(jī)械手等部件。

3.伸縮裝置

伸縮裝置位于車輛底盤的后部，包含液壓裝置、拉索裝置、剪叉式伸縮臂三大部分，依靠三者共同作業(yè)以完成電纜運送任務(wù)。

2 高臺階收放裝置工作性能

高臺階收放裝置適用于平地和高臺階兩種收放工況。在平地收放工況下，行走和駐車均可進(jìn)行電纜收放工作。電纜收放裝置可以 360°回轉(zhuǎn)，便于沿著電纜的放置方向順利收放。500 m電纜的收放時間，一般在20 min～25 min。收放電纜時，通過電纜導(dǎo)向架與機(jī)械抓手進(jìn)行收放，可控制電纜的方向性，亦可保護(hù)電纜不被磨損。抓手的左右角度及高度，可根據(jù)實際需要左右擺動和調(diào)高調(diào)低。在高臺階收放工況下，收放電纜在駐車支腿支撐情況下進(jìn)行，依靠電纜卷放裝置和伸縮裝置協(xié)同工作將電纜鋪設(shè)至斜坡或者從斜坡上收回。電纜運送過程中，機(jī)械手處于縮回位置；在伸縮裝置收起后可起到引導(dǎo)電纜方向。

在電纜卷筒平臺后部裝有電纜可伸縮機(jī)械手系統(tǒng)，通過變幅油缸、擺動油缸、伸縮油缸、開合油缸的伸縮控制機(jī)械手臂實現(xiàn)上下、左右擺動及前后伸縮，全方位控制并引導(dǎo)電纜進(jìn)行卷放。機(jī)械手伸縮行程為3 000 mm，可滿足作業(yè)時將電纜頭安放在伸縮裝置的頭部，不用時可以將其收回并鎖定。

伸縮裝置安裝在汽車底盤的后部，由滑軌、液壓裝置、剪叉式伸縮臂、索架、斜拉索、拉索拉緊裝置、主動夾緊裝置等組成，其作業(yè)范圍為0 m～50 m。液壓裝置作用于剪叉式伸縮臂，可實現(xiàn)臂的伸縮。斜拉索、索架和斜索拉緊裝置可使伸縮臂保持水平，受力合理穩(wěn)定。當(dāng)伸縮裝置作業(yè)半徑為45 m時其伸縮時間一般為300 s～360 s。

剪叉式伸縮臂采用強(qiáng)度鋁合金材料，在臂內(nèi)部適當(dāng)?shù)奈恢冒惭b液壓油缸輔助伸縮臂作業(yè)，并安裝阻尼器以改善伸縮臂的振動情況。剪叉式伸縮裝置的頭部尾部均安裝主動夾緊裝置來輔助電纜的輸送作業(yè)，同時安裝監(jiān)視傳感器和應(yīng)急燈等輔助功能設(shè)施。索架采用Q345低合金焊接高強(qiáng)度錳鋼制造，底部設(shè)有伸縮支腿使得鉸接處受力更為合理，兩側(cè)分別設(shè)有折疊式支腿。索架上方安裝有風(fēng)速傳感器和警示燈，以保證整體作業(yè)的安全性。另外，索架一側(cè)安裝防護(hù)欄，在其收回狀態(tài)時，可為檢修操作人員提供安全防護(hù)。拉索裝置位于專用底盤的中部，由液壓馬達(dá)配合減速器驅(qū)動。它與剪叉式伸縮臂協(xié)同作業(yè)，可保證剪叉式伸縮臂水平工作，受力良好。液壓控制系統(tǒng)實現(xiàn)油壓機(jī)主工作缸及其輔助機(jī)構(gòu)液壓缸的各種動作，滿足行程及動作的速度要求，保證主工作缸和輔助機(jī)構(gòu)的動作協(xié)調(diào)，并安裝聯(lián)鎖裝置。電纜驅(qū)動裝置為液壓馬達(dá)-齒輪驅(qū)動，結(jié)合性好，傳動平穩(wěn)，無噪聲。

輔助系統(tǒng)包括故障顯示、照明與警示系統(tǒng)等。在伸縮臂頭上安有高清攝像頭、警示燈、高度傳感器、重量傳感器、幅度傳感器、方位傳感器等。在索架上裝有風(fēng)速傳感器、警示燈等以使得作業(yè)更加便捷、安全。在駕駛室配備有警示燈，電纜卷放操作室裝有兩個工作探照燈，照明與警示燈的位置合理，亮度滿足各種天氣環(huán)境下作業(yè)時的照明與警示要求。

3 剪叉式伸縮臂力學(xué)性能分析

3.1 風(fēng)載荷

考慮高臺階收放裝置的作業(yè)環(huán)境，極易受到風(fēng)力對裝置的影響，有時還會由于大風(fēng)而造成裝置的傾翻的可能，因此在分析載荷時必須對風(fēng)載荷進(jìn)行計算。裝置中不同結(jié)構(gòu)的擋風(fēng)結(jié)構(gòu)是不相同的，當(dāng)風(fēng)施加到各結(jié)構(gòu)件時所產(chǎn)生的風(fēng)壓實際上與計算出來的理論值是不相同的，實際風(fēng)壓與理論風(fēng)壓之間的差別主要由于結(jié)構(gòu)輪廓形狀和表面情況，初步計算在側(cè)風(fēng)作用下，取風(fēng)力系數(shù)為1.3，額定重量的3%進(jìn)行風(fēng)載荷的計算。

3.2 載荷分析

在分析伸縮臂時所受到的載荷包括斜拉索的拉力、風(fēng)載荷、吊重、伸縮臂自重等。其中伸縮臂的自重根據(jù)材料密度和設(shè)計機(jī)構(gòu)所用體積伸縮臂預(yù)估為8 t；結(jié)構(gòu)分析時，在伸縮臂上加載臂架自重時按均布載荷處理；在伸縮臂頭部的每根斜拉索拉力為127 400 N；在伸縮臂中部的斜拉索拉力為36 750 N；預(yù)估伸縮臂的迎風(fēng)面積為15 m，吊重的迎風(fēng)面積為8 m，風(fēng)壓值取為70 Pa，得出風(fēng)載荷為2 093 N，吊重取為2.5 t。

3.3 有限元分析

建立電纜收放裝置的有限元模型，依據(jù)極端工況進(jìn)行受力分析，其位移云圖和應(yīng)力云圖分別見圖2和圖3。計算得到伸縮臂最大應(yīng)力位于最近端，其值為 149 MPa，小于材料許用應(yīng)力，符合設(shè)計要求。

圖2 位移云圖

圖3 應(yīng)力云圖

3.4 傾覆力矩與配重分析

考慮臂長伸展50 m作業(yè)時刻作為最大傾覆力矩，根據(jù)吊重及伸縮臂自重來計算得到裝置的傾覆力矩為 3 307 500 Nm，初選汽車的質(zhì)心到支點的距離為7 m，計算得到的配重為48.2 t。整車預(yù)估質(zhì)量為50 t，所選用的底盤總質(zhì)量可達(dá)70.2 t。依據(jù)起重機(jī)的設(shè)計準(zhǔn)則故選擇 10 t的配重作為整機(jī)常載配重。

4 結(jié)語

高臺階收放裝置主要由底盤、索架、電纜回轉(zhuǎn)裝置、電纜卷筒、機(jī)械臂和剪叉式伸縮臂組成。剪叉式伸縮臂采用強(qiáng)度鋁合金材料；臂內(nèi)部安裝液壓油缸來輔助伸縮臂作業(yè)，且安裝阻尼器來改善伸縮臂的振動情況；頭部尾部均安裝主動夾緊裝置以輔助輸送電纜，同時安裝監(jiān)視傳感器和應(yīng)急燈等輔助功能設(shè)施。通過有限元分析，伸縮臂的最大應(yīng)力為149 MPa，符合設(shè)計要求?？紤]臂長伸展50 m作業(yè)時刻作為最大傾覆力矩，選擇10 t的配重作為整機(jī)常載配重。