一種低煤層快速裝卸輔助運(yùn)輸防爆車的研制

白雪 楊小軍

摘要：詳細(xì)介紹了低煤層快速裝卸輔助運(yùn)輸防爆車的設(shè)計(jì)理念和技術(shù)特點(diǎn)，以及與同類產(chǎn)品優(yōu)缺點(diǎn)分析、存在問題和改進(jìn)意見，并分析了其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：薄煤層；輔助運(yùn)輸防爆車

中圖分類號(hào)：U469? 收稿日期：2024-03-19

DOI：1019999/jcnki1004-0226202405016

1 前言

我國(guó)薄煤層和極薄煤層資源豐富，分布廣泛，且煤質(zhì)較好，這種煤層的儲(chǔ)量占我國(guó)全部可采儲(chǔ)量的20%左右。然而我國(guó)薄煤層機(jī)械化開采程度較低，薄煤層產(chǎn)量也低。主要原因是目前輔助運(yùn)輸設(shè)備普遍較高，裝配功率太大，無法滿足采煤機(jī)、液壓支架等設(shè)備的運(yùn)輸。因此采用先進(jìn)的低矮型大噸位快速裝卸的輔助運(yùn)輸車來滿足機(jī)械化設(shè)備的運(yùn)輸安裝，以實(shí)現(xiàn)薄煤層的安全高效生產(chǎn)。本文著重對(duì)低煤層快速裝卸輔助運(yùn)輸防爆車的研制進(jìn)行分析。

2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念

低煤層快速裝卸輔助運(yùn)輸防爆車項(xiàng)目是針對(duì)巷道斷面（寬×高）27 m×21 m以下，坡度±14°，鏟運(yùn)≤35 t重物。

該車輛的使用功能是為了快速裝卸低煤層工作面的支護(hù)設(shè)備，主要優(yōu)勢(shì)是提高車輛承載能力、增加工作的穩(wěn)定性、可靠性和作業(yè)速度，擴(kuò)大其使用范圍，以保證該車輛具有高效節(jié)能特點(diǎn)。

液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念采用更換控制閥，利用AMESIM軟件進(jìn)行動(dòng)力匹配仿真，建立虛擬樣機(jī)，調(diào)節(jié)閥的壓力實(shí)現(xiàn)動(dòng)力合理分配，使液壓系統(tǒng)性能增大25%。鏟運(yùn)裝載機(jī)構(gòu)采用三維模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，使結(jié)構(gòu)更加合理，優(yōu)化結(jié)構(gòu)件增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度。發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)的匹配，采用動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析，并對(duì)防爆發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，液壓關(guān)鍵元件也進(jìn)行了動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上建立虛擬樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)仿真動(dòng)力學(xué)分析，優(yōu)化整機(jī)性能。以計(jì)算機(jī)虛擬車型為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了整車建模、動(dòng)力學(xué)分析、機(jī)械強(qiáng)度分析、傳動(dòng)效率分析、動(dòng)力匹配、鏟板機(jī)械結(jié)構(gòu)演示等功能［1］。通過建立整機(jī)虛擬模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)車型，對(duì)防爆發(fā)動(dòng)機(jī)、關(guān)鍵液壓元件、傳動(dòng)元件進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，使虛擬模型更接近車輛真實(shí)工況。

3 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容

31 鏟運(yùn)裝載機(jī)構(gòu)與傾翻液壓油缸動(dòng)力的匹配

鏟運(yùn)裝載機(jī)構(gòu)是一種新型高效平穩(wěn)的裝載機(jī)構(gòu)，對(duì)車輛的外形尺寸、技術(shù)參數(shù)進(jìn)行綜合模擬仿真分析，對(duì)油缸平衡閥進(jìn)行壓力重新調(diào)定，油缸耳子、軸承等重新設(shè)計(jì)和選型，使其達(dá)到性能要求［2］。在AMESIM軟件系統(tǒng)中建立了液壓系統(tǒng)模型，對(duì)其油缸工作過程動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析。

圖1所示為在AMESI中搭建的電液比例流量閥的仿真模型，該模型由液壓源、主閥、先導(dǎo)泵/馬達(dá)、負(fù)載等部分組成，先導(dǎo)泵/馬達(dá)的額定排量為6 mL/r，主閥為彈簧阻尼系統(tǒng)，使用元件庫中的元件分別表示主閥上腔C、入口腔A、出口腔B，先導(dǎo)泵/馬達(dá)的流量由伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)進(jìn)行控制，負(fù)載為溢流閥。

如圖2所示，在不同系統(tǒng)壓力下，主閥所受到的力不同，壓力越大，所受到的力也越大。

32 主要結(jié)構(gòu)的可靠性

a.建立結(jié)構(gòu)件三維模型，利用ANSYS進(jìn)行強(qiáng)度校核，對(duì)其關(guān)鍵可靠性進(jìn)行分析。優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化虛擬樣車。

b.采取ANSYS軟件有限元分析，生成零件應(yīng)力、應(yīng)變、形變圖，并檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品是否性能穩(wěn)定，是否能夠投入到具體工況應(yīng)用。

321 有限元分析的前期準(zhǔn)備

在Geometry 模塊中導(dǎo)入各零件模型，設(shè)置零件材料的所有參數(shù)，大缸筒、大活塞桿、小缸筒均使用45鋼制成，設(shè)置密度為785 g/cm3，泊松比0269，彈性模量210 GPa，抗拉強(qiáng)度600 MPa，屈服強(qiáng)度355 Pa，然后施加約束力就可以求解分析。

322 有限元分析的網(wǎng)格化

在有限元分析時(shí)，系統(tǒng)會(huì)默認(rèn)劃分網(wǎng)格。因不同網(wǎng)格劃分對(duì)后續(xù)仿真存在影響，這里選取默認(rèn)的網(wǎng)格。

323 添加約束力

小活塞桿右側(cè)用鎖緊螺母連接在端蓋上，施加固定約束；左側(cè)套著小活塞，固定在小缸筒內(nèi)，添加固定約束?；钊麠U內(nèi)表面承受液壓油的壓力為23 MPa。大活塞桿即小缸筒Z方向施加0位移約束，套活塞桿的一側(cè)施加固定，另一側(cè)為130 kN。大缸筒左右兩側(cè)安裝著法蘭盤和缸蓋，直接施加固定約束。內(nèi)表面還是承受液壓力23 MPa。整體液壓缸和大活塞桿施加約束一樣，X、Y方向固定，前耳環(huán)處鉸接，添加130 kN的外力，后缸蓋處固定，內(nèi)部液壓油壓力為23 MPa。應(yīng)力應(yīng)變見圖4和圖5。

324 液壓缸的仿真結(jié)果分析

從以上結(jié)果可知，缸筒和活塞桿的最大應(yīng)變?yōu)?018，位于大活塞桿與前耳環(huán)螺紋連接的位置，最大應(yīng)力5896 MPa。整體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力404 MPa，小于抗拉強(qiáng)度。相比較缸筒500 mm的尺寸而言，形變幾乎可以忽略不計(jì)。這也就表明液壓缸整體結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，不易產(chǎn)生大的變形，符合安全要求。

33 液壓系統(tǒng)優(yōu)化

利用AMESIM軟件，對(duì)整車液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模分析，輸入負(fù)載模擬量，對(duì)其系統(tǒng)元件和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

34 建立整機(jī)虛擬模型

以計(jì)算機(jī)虛擬車型為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了整車建模、動(dòng)力學(xué)分析、機(jī)械強(qiáng)度分析、傳動(dòng)效率分析、動(dòng)力匹配、鏟板機(jī)械結(jié)構(gòu)演示等功能。通過建立整機(jī)虛擬模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)車型，如圖6所示。

4 主要技術(shù)參數(shù)

適用巷道最小寬度27 m，適用最小高度21 m，允許道路最大坡度14°，最大載質(zhì)量35 t，滿載行走速度0～19 km/h，防爆后發(fā)動(dòng)機(jī)功率225 kW；轉(zhuǎn)彎半徑：≤5 000 mm（內(nèi)），≤7 800 mm（外）；排放指標(biāo)：滿足GB 20891—2014《非道路國(guó)三排放標(biāo)準(zhǔn)》［3］。

5 主要優(yōu)缺點(diǎn)分析

對(duì)比國(guó)內(nèi)外30 t、35 t鏟板式搬運(yùn)車：

a.整車高度低，能適應(yīng)低巷道高度在21 m以下。

b.工作機(jī)構(gòu)為大小臂油缸機(jī)構(gòu)，舉升高度可調(diào)，可實(shí)現(xiàn)低巷道像破碎機(jī)機(jī)頭等大件的快速運(yùn)輸。大小臂油缸機(jī)構(gòu)舉升快速，鏟運(yùn)靈活。

c.駕駛室設(shè)置在后機(jī)架位置，更加安全，防止支架前端對(duì)駕駛員造成機(jī)械傷害。

d.設(shè)置獨(dú)立叉子和鏟板，拆卸鏟板后，利用叉子可以快速對(duì)接皮帶機(jī)溜槽。

6 存在問題、改進(jìn)意見及分析

車輛在井下工業(yè)化試驗(yàn)中共暴露出以下幾大問題：

a.國(guó)三發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)高溫，尾氣排放差等問題，特別在重載上坡時(shí)，溫度直接達(dá)到100°以上。改進(jìn)方案：提高了散熱器散熱面積，增大了發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇從780 mm調(diào)到直徑910 mm，葉片厚度達(dá)到5 z，有效地解決了發(fā)動(dòng)機(jī)高溫問題，將水溫控制在85°～90°之間。

b.車輛出現(xiàn)轉(zhuǎn)向慢的問題，特別是在重載情況下。改進(jìn)方案：將液壓系統(tǒng)中主泵排量73 mL/r·min增至80 mL/r·min，提高了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的流量，使轉(zhuǎn)向速度明顯加快。

c.車輛后機(jī)架發(fā)動(dòng)機(jī)倉開裂，后脫鉤為螺栓結(jié)構(gòu)容易變形，容易造成機(jī)械傷人事故。改進(jìn)方案：底板厚度從20 mm改為40 mm，兩端配重從190 mm改為170 mm。

d.將整車重量重新分配，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙機(jī)械結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)，減少應(yīng)力集中，后期沒有出現(xiàn)開焊問題，后脫鉤從螺栓連接改為整板切割成型，增加了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，防止脫開，避免造成機(jī)械傷人事故。

e.產(chǎn)品開發(fā)方面：由于車輛國(guó)三防爆發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱（進(jìn)口）、車橋（進(jìn)口）成本較高，后期配件維修成本也較高，采購零部件周期長(zhǎng)，因此現(xiàn)正在開發(fā)國(guó)三防爆發(fā)動(dòng)機(jī)，加快變速箱、車橋這些元器件的國(guó)內(nèi)技術(shù)攻關(guān)進(jìn)程［4］。

7 經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益

71 經(jīng)濟(jì)效益

2022年，開始小批量試制4臺(tái)樣車，后開始進(jìn)行井下工業(yè)化試驗(yàn)，最終確定樣車技術(shù)狀態(tài)，完成了該車型的所有工況整車實(shí)驗(yàn)，準(zhǔn)備批量生產(chǎn)。2023年預(yù)計(jì)生產(chǎn)10臺(tái)，2024年50臺(tái)，2025年80～100臺(tái)。

低煤層中噸位搬運(yùn)車市場(chǎng)需求大，單臺(tái)鏟板式搬運(yùn)車售價(jià)為260萬元左右，按每年生產(chǎn)80～100臺(tái)計(jì)算，每年可為公司新增產(chǎn)值2億元～26億元，凈利潤(rùn)可達(dá)3 000～4 000萬元。新增稅收3 100～4 000萬元，有利于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展［5］。

72 社會(huì)效益

低煤層快速裝卸輔助運(yùn)輸防爆車的研制填補(bǔ)了我國(guó)低煤層中噸位輔助運(yùn)輸防爆車的技術(shù)空白，帶動(dòng)了煤炭行業(yè)整體技術(shù)水平，提升了我國(guó)煤礦液壓支架搬家倒面的機(jī)械化水平、工作速度、安全性和煤礦企業(yè)的綜合經(jīng)濟(jì)效益。低煤層快速裝卸輔助運(yùn)輸防爆車具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，可完全替代進(jìn)口，對(duì)提高我國(guó)煤礦井下輔助運(yùn)輸效率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

白雪，男，1990年生，工程師，研究方向?yàn)槠囘\(yùn)用工程。