變軸距礦用突水應(yīng)急排水車設(shè)計(jì)與研究

楊文強(qiáng)， 高貴軍 ，鄭 杰 ，王唯博

(1.太原理工大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.礦山流體控制國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024；3.山西省礦山流體控制工程技術(shù)研究中心，山西 太原 030024)

煤礦生產(chǎn)中會(huì)有一些安全事故的發(fā)生，礦井突水就是其中常見的突發(fā)性強(qiáng)烈安全事故之一[1-3]。礦井突水事故帶來的不只是經(jīng)濟(jì)損失，更嚴(yán)重的是造成井下人員傷亡[4-6]。當(dāng)前已經(jīng)建立了全面可靠的預(yù)防體系，礦井突水事故發(fā)生率已經(jīng)有所下降，但突水事故仍時(shí)有發(fā)生。為了避免或減少水害事故的發(fā)生頻率，或者在重大水害事故發(fā)生后能及時(shí)予以控制以免災(zāi)害蔓延，能有效地組織搶險(xiǎn)救助，就應(yīng)居安思危[7]，研發(fā)完備的應(yīng)急救援設(shè)施。

目前煤礦突水救援現(xiàn)場現(xiàn)狀：排水所需水泵搬運(yùn)方式落后，在軌道交通失效的巷道內(nèi)，需多人通過肩抗手抬的方式將潛水泵運(yùn)送到排灌點(diǎn)，這種搬運(yùn)方式不僅效率低，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且易發(fā)生危險(xiǎn)；傾斜巷道追排水困難，傾斜巷道排水過程中水泵要隨著水位的下降而下降，這個(gè)過程仍需要人力移動(dòng)水泵來實(shí)現(xiàn)追排水，且傾斜巷道易發(fā)生淤積物的滑坡，在救援過程中造成次生災(zāi)害，嚴(yán)重威脅救援人員的生命安全。

為了提高災(zāi)后救援的安全性和效率，設(shè)計(jì)了一種變軸距礦用突水應(yīng)急排水車。對該車不同軸距坡路上行和下行兩種工況進(jìn)行仿真，為實(shí)車安全的功能實(shí)現(xiàn)和穩(wěn)定運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。

1 系統(tǒng)組成

1.1 礦用突水應(yīng)急車設(shè)計(jì)要求

煤礦巷道空間狹小[8，9]，部分巷道傾斜度大，礦井內(nèi)部因載重的差異有600mm和900mm不同軌距的軌道運(yùn)輸系統(tǒng)[10]，且突水事故后，部分巷道泥石沉積，通行條件差，此外為了減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，排水車需集成排水系統(tǒng)，且排水系統(tǒng)具有升降能力，基于以上考量，因此排水車需滿足體積小、通過性好、行走裝置軸距可調(diào)、搭載能力強(qiáng)且具備起吊能力的特點(diǎn)?；谝陨显O(shè)計(jì)需求，變軸距礦用突水履帶排水車基本參數(shù)見表1。

表1 礦用突水排水車基本參數(shù)

1.2 礦用突水應(yīng)急車組成

本研究結(jié)合礦用突水應(yīng)急排水車的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了一種變軸距礦用突水履帶應(yīng)急排水車。該排水車組成如圖1所示，排水車由傳動(dòng)系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、起吊系統(tǒng)、車架、輔助支腿和行走履帶構(gòu)成。考慮履帶移動(dòng)式底盤具有接地比壓小、附著性能好、轉(zhuǎn)彎半徑小、越障能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在坡地、粘著及潮濕地使用時(shí)性能顯著[11-13]。

圖1 礦用突水應(yīng)急排水車組成

更加適合在煤礦突水后巷道內(nèi)部泥石堆積，通過性較差的環(huán)境下工作，因此選用履帶作為礦用突水應(yīng)急排水車的行走機(jī)構(gòu)。液壓元件體積小、重量輕、方便布置[14，15]，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)器的自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，且履帶由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，因此采用液壓傳動(dòng)作為排水車的傳動(dòng)系統(tǒng)。

2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 液壓輔助支腿設(shè)計(jì)

液壓輔助支腿裝置，其作用是支撐車架，為實(shí)現(xiàn)排水車變軸距做準(zhǔn)備。該支腿由支腿箱、垂直液壓缸，缸筒固定銷和支腿筒座組成。支腿箱通過螺栓固定在車架前后端的立柱上；垂直液壓缸的安裝形式為中部銷軸連接；垂直液壓缸行程300mm，可將礦用突水排水車抬離地面100mm。垂直液壓缸的伸縮驅(qū)動(dòng)支腿筒座在支腿箱中垂直移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)車架的支起和回落。液壓輔助支腿如圖2所示。

圖2 液壓輔助支腿

2.2 排水車變軸距裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)《煤礦礦井設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定：井下標(biāo)準(zhǔn)軌距為600mm和900mm[16]，為了實(shí)現(xiàn)履帶應(yīng)急排水車在不同軌距下都具有跨行能力，設(shè)計(jì)了排水車變軸距裝置。該裝置通過單側(cè)履帶橫向移動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)排水車軸距的調(diào)整。變軸距裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示，該裝置由車架、水平油缸、L型支腿和行走履帶構(gòu)成。L型支腿的水平段和水平液壓缸位于車架橫梁方鋼內(nèi)部，液壓缸的缸體端和活塞端的安裝結(jié)構(gòu)都采用耳環(huán)式，缸體端和車架通過銷軸連接，活塞桿一端和L型支腿水平段末端的耳座通過銷軸連接。

圖3 排水車變軸距裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

排水車軸距改變時(shí)，四個(gè)液壓輔助支腿伸出將車架抬起，通過水平液壓缸的伸縮驅(qū)動(dòng)L 型支腿在橫梁中左右移動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)履帶橫向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)履帶軸距的調(diào)整。

3 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

3.1 履帶排水車行駛力學(xué)

排水系統(tǒng)作為履帶底盤的主要負(fù)載位于車架中部，當(dāng)應(yīng)急排水車通過單側(cè)履帶伸縮改變軸距時(shí)，會(huì)導(dǎo)致雙邊履帶受力不均進(jìn)而影響排水車的動(dòng)力學(xué)性能，這種影響在坡路上行和下行的復(fù)雜工況下更為明顯。

變軸距礦用突水排水車在行駛過程中遵循能量守恒定律[17]：

Wf=Ff·S

(2)

假定法向壓力分布均勻，對于接觸壓強(qiáng)分布均勻的一條履帶，通過Bekker提出的壓強(qiáng)-沉陷量式(3)來表征[18]：

式中，P為壓強(qiáng)，Pa；b為接地面履帶的寬度，即矩形接觸面的寬度，mm；Z為沉陷量，mm；而n、kφ和kc為描述壓強(qiáng)-沉陷量關(guān)系的參數(shù)。

式中，G為履帶的發(fā)向壓力；L為接地面長度。行駛阻力公式為：

在軸距為1130mm的工況時(shí)，左右履帶相對于排水系統(tǒng)呈對稱布置，左右履帶受到的壓力均等，對地面造成的沉陷量也相同，因此受到的阻力近乎相等；在軸距1470mm的工況時(shí)，由于單側(cè)履帶的伸縮移動(dòng)，導(dǎo)致雙邊履帶相對于排水系統(tǒng)呈非對稱布置，造成雙邊履帶承受壓力不均，兩履帶的沉陷量Z不同，履帶需要的驅(qū)動(dòng)扭矩也將不同。因此有必要對排水車不同軸距在坡路上行和下行的工況下進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，驗(yàn)證排水車的動(dòng)力學(xué)性能，減少實(shí)車試驗(yàn)，為變軸距礦用突水履帶應(yīng)急排水車實(shí)際安全運(yùn)行提供可靠的依據(jù)。

3.2 礦用突水排水車履帶底盤拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

對排水車行走履帶進(jìn)行建模時(shí)，在確保各部件運(yùn)動(dòng)關(guān)系與實(shí)際相符合的前提下，需要對底盤行走系統(tǒng)各部件做相應(yīng)的簡化[19]。張緊裝置與履帶架通過阻尼彈簧和平移副相互約束，驅(qū)動(dòng)輪等輪系部件與其對應(yīng)的連接部件通過旋轉(zhuǎn)副相互約束，以確保履帶底盤各部件具有確定的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。同時(shí)為了提高模型求解速度以及計(jì)算效率，將履帶底盤的其余部件與車體合并為一個(gè)剛體系統(tǒng)模型[20]。

根據(jù)簡化后的各部件之間的約束模型，建立排水車行走履帶模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示，各部件及具體約束情況見表2。

表2 排水車履帶底盤各部件之間的約束情況

圖4 排水車履帶底盤模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.3 礦用突水排水車多體動(dòng)力學(xué)模型

首先借助三維建模軟件UG，建立礦用排水車車架和潛水泵等部件的三維模型，并將模型導(dǎo)入多體動(dòng)力學(xué)軟件RecurDyn中并設(shè)置為母體；其次在RecurDyn/Track(LM)子系統(tǒng)中根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對履帶、驅(qū)動(dòng)輪、托帶輪等履帶部件進(jìn)行參數(shù)化建模和裝配，并定義部件材料設(shè)置履帶和其余部件間的接觸參數(shù)，建立初步的履帶底盤多體動(dòng)力學(xué)模型；再者結(jié)合排水車履帶底盤的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)定義各部件間的約束關(guān)系，并增加鏈輪的運(yùn)動(dòng)屬性；最后根據(jù)計(jì)算所得履帶張緊力大小定義模型中履帶的預(yù)緊力，進(jìn)而完成履帶底盤多體動(dòng)力學(xué)建模，所建立履帶底盤多體動(dòng)力學(xué)模型如圖5所示。該車左右履帶中心距B=1130～1470mm；履帶板寬度b=300mm；履帶接地長度2420mm。排水車整機(jī)虛擬樣機(jī)模型如圖6所示。

圖5 排水車單邊履帶模型

圖6 排水車整車虛擬樣機(jī)

3.4 仿真設(shè)置及其分析

為了使動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果更加準(zhǔn)確，根據(jù)煤礦突水事故發(fā)生后巷道內(nèi)路面的屬性，在recurdyn軟件中分別建立坡度為30°的上坡和下坡模擬路面，并以設(shè)計(jì)時(shí)最大速度2.4km/h驅(qū)動(dòng)排水車，讓排水車以不同軸距勻速通過路面。

3.4.1 不同軸距坡面上行仿真及其分析

變軸距礦用突水應(yīng)急排水車分別以1130mm和1470mm不同軸距通過30°上坡路面，過程中以雙邊履帶的驅(qū)動(dòng)力矩作為行駛特性的主要分析參數(shù)，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 排水車整車虛擬樣機(jī)

由圖7可得排水車在不同軸距30°坡面上行過程中固定履帶和伸縮履帶驅(qū)動(dòng)輪扭矩的最大值和穩(wěn)態(tài)值，詳值見表3。

表3 不同軸距30°坡面上行扭矩?cái)?shù)值

仿真分析：通過圖7中履帶俯仰角曲線可知排水車的行駛過程如下：2～6s處于水平路面，排水車克服行駛阻力做功，因此扭矩較小；6～9s排水車通過水平路面和坡面的過渡段，排水車克服行駛阻力和服重力做功，此時(shí)履帶接地段減少，導(dǎo)致扭矩非線性增加；9～26s排水車處于上坡路面，排數(shù)車克服重力和行駛阻力做功，扭矩保持穩(wěn)定。

通過圖7和表3可知，當(dāng)軸距是1470mm時(shí)，排水車固定履帶的穩(wěn)態(tài)扭矩值比伸縮履帶高2078N·m，而軸距1130mm時(shí)兩單邊履帶的穩(wěn)態(tài)扭矩值近似相等，約為5000N·m，是因?yàn)檩S距變寬時(shí)，伸縮履帶距離排水系統(tǒng)安裝位置相對于固定履帶變大，導(dǎo)致伸縮履帶受到的壓力減小，相應(yīng)的地面沉陷量變小，地面給伸縮履帶的阻力變小，驅(qū)動(dòng)扭矩也相應(yīng)變小，反之對于固定履帶驅(qū)動(dòng)扭矩變大。

3.4.2 不同軸距坡面下行仿真及其分析

變軸距礦用突水應(yīng)急排水車分別以1130mm和1470mm不同軸距通過30°下坡路面，過程中以雙邊履帶的驅(qū)動(dòng)力矩作為行駛特性的主要分析參數(shù)。排水車在不同軸距30°坡面下行過程中固定履帶和伸縮履帶驅(qū)動(dòng)輪扭矩的最大值和穩(wěn)態(tài)值，見表4。

表4 不同軸距30°坡面下行扭矩?cái)?shù)值

仿真分析：通過履帶俯仰角曲線可知排水車的行駛過程如下：2～6s處于水平路面，排水車克服行駛阻力做功，因此扭矩較??；6～9s排水車通過水平路面和坡面的過渡段，此時(shí)履帶和地面線接觸，導(dǎo)致扭矩非線性增加；9～26s排水車處于下坡路面，重力做正功，行駛阻力做負(fù)功，為保持排水車速度恒定，輸出扭矩反向并保持穩(wěn)定。

通過表4可知，當(dāng)軸距是1470mm時(shí)，排水車固定履帶的穩(wěn)態(tài)扭矩值比伸縮履帶高1100N·m，而軸距1130mm時(shí)兩單邊履帶的穩(wěn)態(tài)扭矩值近似相等約為3000N·m。

4 結(jié) 語

根據(jù)目前煤礦突水排水救援中存在的問題設(shè)計(jì)了一種變軸距礦用突水應(yīng)急排水車，解決了現(xiàn)場救援中水泵運(yùn)輸、傾斜巷道排水和對不同軌距軌道通行能力差的問題，提高了排水救援的效率。

通過仿真結(jié)果可知，當(dāng)軸距為1130mm時(shí)，排水車在30°坡路上行和下行過程中左右驅(qū)動(dòng)輪穩(wěn)態(tài)扭矩大致相同；當(dāng)軸距為1470mm時(shí)，排水車在30°坡路上行過程和下行過程左右履帶驅(qū)動(dòng)輪扭矩差值分別為2078N·m和1100N·m，是排水車最大輸出扭矩11500N·m的18%；同時(shí)在水平路面和坡面的過度路段，驅(qū)動(dòng)輪扭矩會(huì)非線性增加，最大為8673N·m，小于排水車?yán)碚撟畲筝敵雠ぞ?。針對雙邊履帶存在扭矩差的問題，在設(shè)計(jì)履帶液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)采用相互獨(dú)立的設(shè)計(jì)方式，同時(shí)在坡度較大路面上爬行時(shí)可以將載荷偏置以減小左右履帶扭矩差值以保證排水車的平穩(wěn)正常運(yùn)行。通對虛擬樣機(jī)的動(dòng)力學(xué)分析，為實(shí)車的功能實(shí)現(xiàn)和穩(wěn)定運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。