礦用矮型混凝土攪拌車的動力性分析

摘 要：以某礦用矮型混凝土攪拌車為例，對傳動系統(tǒng)進(jìn)行合理匹配，并進(jìn)行詳細(xì)的動力性計(jì)算分析。為使煤礦井下矮型攪拌車在惡劣工況下，能夠提供良好的動力性能，搭建試驗(yàn)臺架對發(fā)動機(jī)和液力變矩器測試得到輸入輸出特性數(shù)據(jù)，并利用matlab軟件對發(fā)動機(jī)和液力變矩器進(jìn)行合理匹配，對未裝液力變矩器和裝有液力變矩器的車輛進(jìn)行動力性分析對比，分析兩者性能優(yōu)劣，得出裝有液力變矩器的礦用攪拌車低檔驅(qū)動力大、加速性能強(qiáng)、爬坡性能優(yōu)的結(jié)論，通過比對結(jié)果對車輛合理配置，使其達(dá)到最佳性能。該方法在礦用矮型混凝土攪拌車上的應(yīng)用，可為今后煤礦井下輔助運(yùn)輸車輛的傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：矮型攪拌車；匹配；液力變矩器；動力性

引言

目前，在現(xiàn)代化煤礦井下，無軌輔助運(yùn)輸系統(tǒng)的快速發(fā)展，推動了混凝土在井下的廣泛使用，如鋪路、噴射、泵送等工作。低矮型混凝土攪拌運(yùn)輸車作為必不可少的設(shè)備之一，可解決煤礦井下施工混凝土運(yùn)輸問題，提高煤礦井下路面鋪設(shè)質(zhì)量，改善煤礦井下混凝土運(yùn)輸和供料的半機(jī)械化或人工供料的落后狀況。該類車輛的低矮型結(jié)構(gòu)以及在煤礦井下防爆處理使得其動力性大打折扣，為使其在井下惡劣環(huán)境下能夠具備良好的動力特性，對未裝液力變矩器和裝有液力變矩器的車輛進(jìn)行動力性分析對比，通過計(jì)算結(jié)果對車輛合理配置，使其達(dá)到最佳性能。此方法的成功應(yīng)用，對于其煤礦特種車輛的設(shè)計(jì)和改造，甚至對煤礦車輛的更新?lián)Q代都有著極大的指導(dǎo)作用。

1 研究背景

1.1 國內(nèi)外研究動態(tài)

目前國內(nèi)對一般的車輛動力性能分析很多，但對混凝土攪拌運(yùn)輸車的分析還不多見，對煤礦井下防爆柴油機(jī)矮型混凝土攪拌運(yùn)輸車的動力分析還未有類似研究。

國內(nèi)外礦用車輛行業(yè)對其動力性能匹配研究十分重視，其中美國DANA公司針對煤礦井下膠輪車輛的匹配研究開發(fā)了一套軟件，可從其產(chǎn)品庫中選擇對應(yīng)的液力變矩器、變速箱、驅(qū)動橋與不同型號的柴油機(jī)進(jìn)行動力匹配。國內(nèi)有安琪生公司也開發(fā)了一款類似的匹配軟件，但并未推廣。因此在礦用車輛動力匹配研究領(lǐng)域能夠做一些基礎(chǔ)研究對今后國內(nèi)相對落后的煤礦機(jī)械行業(yè)有重要意義。

1.2 礦用攪拌車應(yīng)用

國外在發(fā)展混凝土噴錨支護(hù)技術(shù)的同時，相繼研制出了用于非煤井下運(yùn)送混凝土料的多種混凝土輸送車，目前主要的國外生產(chǎn)廠家有芬蘭Normet公司、意大利FIORI公司、加拿大DUX公司。國內(nèi)在該領(lǐng)域發(fā)展較慢，目前暫無該類產(chǎn)品應(yīng)用于煤礦井下。

該礦用矮型攪拌車采用中央鉸接式結(jié)構(gòu)，水平攪拌罐布置，防爆柴油發(fā)動機(jī)，液力換擋變速箱，濕式制動驅(qū)動橋等，是國內(nèi)首臺煤礦井下防爆柴油機(jī)混凝土攪拌運(yùn)輸車輛，可解決我國煤礦半機(jī)械化和人工供料的落后狀況。如圖1所示。

2 發(fā)動機(jī)特性

發(fā)動機(jī)的性能參數(shù)即發(fā)動機(jī)的速度特性，指發(fā)動機(jī)的功率、轉(zhuǎn)矩和燃油消耗率三者隨曲軸轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律。

本例使用上柴6114防爆柴油機(jī)，通過發(fā)動機(jī)在試驗(yàn)臺架上進(jìn)行試驗(yàn)求得其速度特性。試驗(yàn)時，先保持一定的發(fā)動機(jī)節(jié)氣門開度，同時用測功器對發(fā)動機(jī)曲軸施加一定的阻力矩，當(dāng)發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，即阻力矩與發(fā)動機(jī)發(fā)出的有效轉(zhuǎn)矩相等時，用轉(zhuǎn)速表測出此時的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，同時在測功器上測出該轉(zhuǎn)速下發(fā)動機(jī)有效轉(zhuǎn)矩，根據(jù)下式計(jì)算出有效功率：

Pe=Te·n/9550

式中，

Te-有效轉(zhuǎn)矩（N/m），

n-曲軸轉(zhuǎn)速（r/min）。

發(fā)動機(jī)最小燃油消耗率的相應(yīng)轉(zhuǎn)速一般是介于最大轉(zhuǎn)矩時轉(zhuǎn)速和最大功率時轉(zhuǎn)速之間。

從圖2中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1400時，發(fā)動機(jī)曲軸輸出扭矩最大，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速低于1400時，燃油燃燒不良，轉(zhuǎn)速降低，每個工作循環(huán)的時間增長，燃燒氣體與氣缸壁接觸時間也增長，因而，轉(zhuǎn)矩變小。轉(zhuǎn)速高于1400轉(zhuǎn)增加時，由于工作循環(huán)時間縮短，進(jìn)氣時間變短，氣流速度增高，阻力加大，充氣量減小，而且摩擦損失也增大，故輸出扭矩也減小。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到2100時，有效功率達(dá)到最大值。功率是轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積。在怠速和最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，Te和n都是逐漸增加，其乘積也增加，故在此范圍內(nèi)，Pe也隨n增加而增加；在最大轉(zhuǎn)矩和最大功率轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速n增加，功率Pe雖然增大，但Te卻逐漸降低，不過降低較緩慢，Pe增加也緩慢。超過最大功率轉(zhuǎn)速時，n增加，Te下降較快，Pe也逐漸下降。

3 發(fā)動機(jī)與液力變矩器的匹配

液力變矩器可以滿足煤礦井下車輛經(jīng)常過載與載荷頻繁變化的要求；具有自動適應(yīng)性，可根據(jù)外載荷的大小調(diào)整牽引力；同時液力變矩器相當(dāng)于一個無極變速器，使得車輛操作大大簡化。但是加裝液力變矩器也有其弊端：成本高，傳動效率低[1]-[8]。

液力變矩器與柴油機(jī)共同工作時，需正確匹配，才能充分發(fā)揮其性能，圖3所示為發(fā)動機(jī)與變矩器共同工作輸入特性曲線，列出三個匹配點(diǎn)。

發(fā)動機(jī)凈扭矩特性與泵輪負(fù)載拋物線的交點(diǎn)A1、A2、A3為泵輪轉(zhuǎn)速對應(yīng)的泵輪扭矩。當(dāng)發(fā)動機(jī)與液力變矩器共同工作時，充分利用發(fā)動機(jī)最大有效功率，燃油消耗量最低，低速比的負(fù)載拋物線通過最大扭矩。

通過變矩器測試試驗(yàn)臺得到變矩器的外特性數(shù)據(jù)。

根據(jù)圖3所求得的共同工作點(diǎn)計(jì)算得到發(fā)動機(jī)和變矩器聯(lián)合工作特性曲線上各點(diǎn)的數(shù)值，包括變矩器渦輪輸出扭矩、轉(zhuǎn)速、功率，得到圖4聯(lián)合工作輸出特性曲線。

發(fā)動機(jī)和液力變矩器聯(lián)合工作輸出特性是車輛牽引性能計(jì)算的基礎(chǔ)，為使車輛獲得良好的牽引性能和經(jīng)濟(jì)性能，高效范圍內(nèi)獲得最大平均輸出功率，較低平均耗油量，較大轉(zhuǎn)速范圍，在啟動工況下，起動扭矩越大越好。

4 動力性分析

4.1 牽引特性分析

V為車速，n根據(jù)情況選定發(fā)動機(jī)或液力變矩器渦輪輸出轉(zhuǎn)速，ik為k檔速比，io為驅(qū)動橋主傳動比，r為輪胎滾動半徑。

F為驅(qū)動力，M根據(jù)情況選定發(fā)動機(jī)或液力變矩器渦輪輸出扭矩，ε為傳動系統(tǒng)總效率。

滾動阻力：

Ff=G·f

G為車輛總重，f為滾動阻力系數(shù)。

空氣阻力：

CD為空氣阻力系數(shù)，A為迎風(fēng)面積。

圖5和圖6分別為未裝液力變矩器和裝有液力變矩器車輛的牽引曲線[9]。

牽引曲線與阻力曲線的交點(diǎn)所對應(yīng)的速度就是車輛在該檔位，在水平路面上，等速行駛所能達(dá)到的最大速度。阻力曲線有兩條，一是空載，二是重載。因此空載與重載的速度有差別。圖6中AB線段為在指定行駛條件下的剩余驅(qū)動力，即車輛牽引力。當(dāng)車輛爬坡行駛時，用來克服上坡阻力；當(dāng)車輛加速時，用來克服慣性阻力，當(dāng)車輛爬坡加速時，牽引力克服上坡阻力后剩余牽引力克服加速慣性阻力。曲線與縱軸的交點(diǎn)為驅(qū)動力。最大驅(qū)動力受附著力的限制，圖中所示的驅(qū)動力在實(shí)際中不可能完全發(fā)揮。圖6中車輛阻力隨車速呈拋物線變化，因此高速檔的車速理論值與實(shí)測值有較大變化。本例采用帶有閉鎖功能的液力變矩器，變矩器閉鎖是將變矩器的泵輪和渦輪通過鎖死機(jī)構(gòu)剛性連接在一起，從而使得發(fā)動機(jī)的扭矩直接傳遞給變速箱。變矩器閉鎖所用的液力離合器結(jié)合時要求發(fā)動機(jī)扭矩與渦輪扭矩相同[10]。

由圖可看出裝有液力變矩器的車輛在驅(qū)動力較大，由于加裝可自動閉鎖功能的液力變矩器，在高速狀態(tài)下泵輪和渦輪剛性連接，因此最大速度和未裝液力變矩器車輛的最大速度基本一致。

4.2 加速特性分析

由圖可看出裝有液力變矩器的車輛在1檔和2檔加速度要比未裝液力變矩器的車輛加速能力高，3檔和4檔兩者相當(dāng)。

4.3 爬坡性能分析

a為相對坡度傾斜角，M為發(fā)動機(jī)或液力變矩器渦輪輸出扭矩。

根據(jù)tana=i可求出車輛最大爬坡度。

爬坡性能曲線并不是車輛實(shí)際可以爬得坡度，指示比較動力性而設(shè)的相對指標(biāo)，便于比較不同車輛的動力性能。

由上圖可看出裝有液力變矩器的車輛四個檔位的爬坡能力均比未裝液力變矩器的車輛要稍強(qiáng)。

4.4 制動性能分析

煤礦井下膠輪車輛制動系統(tǒng)一般采用全封閉多盤濕式彈簧制動器，該系統(tǒng)最大反應(yīng)時間為0.35s，圖11為該車輛的制動能力曲線，在不考慮駕駛員反應(yīng)時間的情況下實(shí)施制動，在干燥路面上制動距離小于8m，符合我國礦用防爆柴油機(jī)無軌膠輪車通用技術(shù)條件[11][12]。表1為不同路面的附著系數(shù)。

5 結(jié)束語

文章結(jié)合煤礦井下無軌輔助運(yùn)輸車輛工作環(huán)境和工作狀況，針對某煤礦井下矮型攪拌運(yùn)輸車進(jìn)行動力性分析，通過未裝液力變矩器和裝有液力變矩器的車輛性能進(jìn)行對比，通過對比研究得出以下結(jié)論：

（1）該矮型攪拌車配備液力變矩器后，其起動性能較好，即在零速度便可連續(xù)提供驅(qū)動力；檔位銜接較好，可實(shí)現(xiàn)無極變檔；低檔車輛驅(qū)動力較大。

（2）該矮型攪拌車配備液力變矩器后，其最高速度基本相當(dāng)，原因是該液力變矩器采用高速閉鎖功能，在最高速時，效率不會有任何降低，從而保證車輛速度性能。

（3）由于裝有液力變矩器的攪拌車隨外載荷的增大，變矩器渦輪輸出扭矩也增大，因此低檔位時加速能力比未裝液力變矩器的攪拌車較強(qiáng)，高檔位相當(dāng)。裝有液力變矩器的攪拌車在低檔位時爬坡能力比未裝液力變矩器的攪拌車也較強(qiáng)。

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作者簡介：王永（1962-），山西大同人，研究生，中國礦業(yè)大學(xué)采礦工程專業(yè)，現(xiàn)在山西焦煤華晉焦煤有限責(zé)任公司從事煤礦管理工作。