[JP3]2.2m～3m遙控地下鏟運機動力傳動系統及執行機構設計

任娜??

摘要：遙控地下鏟運機是采礦所應用的主要設備，其性能是決定采礦效率的主要因素。本文在介紹了遙控地下鏟運機結構與設計要求的基礎上，從機械動力傳動系統以及執行機構兩個角度，對2.2m～3m遙控地下鏟運機進行了優化設計，以期能夠達到提高機械工作效率及質量的目的。

關鍵詞：2.2m～3m遙控地下鏟運機；動力傳動系統；執行機構

遙控地下鏟運機構成較為復雜，動力傳動系統與執行機構是機械的主要組成部分。兩者發動機與液力變矩器以及變速箱是否能夠匹配，與機械的性能存在顯著聯系。傳統的設計方案下，機械使用壽命短、出現故障的幾率高，性能較低。對其進行優化設計，是解決上述問題的主要途徑。

1 遙控地下鏟運機結構與設計要求

遙控地下鏟運機由車架、發動機、傳動軸、變速箱及液力變矩器等部分構成（如下圖）[1]。不同部分的功能不同。為確保機械能夠正常運行，應將遙控操作、視頻監控以及車載控制系統作為重點，對鏟運機加以設計。遙控操作設計目標在于：確保200m之內能夠遠程控制機械的運作。視頻遙控的設計目標在于：確保工作人員能夠通過視頻監控機械的運行情況，以及時發現異常。車載控制系統的設計目標在于：提高動力傳動系統及執行機構的設計水平，提高機械運行的可靠性與安全性。

遙控地下鏟運機的構成圖

2 2.2m～3m遙控地下鏟運機動力傳動系統與執行機構的設計方案

2.1 2.2m～3m遙控地下鏟運機動力傳動系統的設計方案

2.1.1 傳動原理及設計方案

（1）傳動原理：利用發動機所帶來的動力，以外界阻力為適應指標，保持機械傳動平衡。當外界阻力增大時，可通過無級調速，避免發動機或其他器件受損[2]。（2）共設計了如下三種方案：采用電子控制單元以及齒輪變速箱等，設計AT自動變速器。以確保能夠在無離合器的情況下換擋，提高機械運行效率；設計AMT自動變速器，確保鏟運機能夠實現自動變速，提高其傳動效率；設計CVT無極變速傳動，采用傳動帶以及可變槽帶，改變變速原理，提高變速的便捷性。對比上述三種方案的優勢與缺陷，決定采用方案一設計。

2.1.2 動力裝置設計

（1）發動機形式：按照不同標準劃分，鏟運機發動機形式同樣不同。以燃料為劃分依據，可將其分為汽油機與柴油機兩種。本文所設計的鏟運機，發動機形式以柴油機為主。（2）對比不同型號發動機的優勢，決定采用D914L5設計。發動機氣缸數5個、排量5.4L、壓縮比21、額定功率72.3、轉速15002300r/pm，冷卻方式以風冷為主。

2.1.3 液力變矩器設計

對比C271、C272、C273三種變矩器的參數，決定將C271作為主要變矩器，對鏟運機加以設計。C271液力變矩器參數如下：（1）當轉速比為0時，變矩系數為3.12k、能力系數218k；轉速比為0.5時，變矩系數為889。（2）該變矩器失速比為3.10、最大輸入轉矩343Nm、功率6385kW。

2.1.4 變速箱的設計

（1）變速箱運行原理應符合以下公式：i=n1/n2=D2/D1=Z2/Z1。（2）對比不同變速箱不同檔位的傳動比，決定采用RT32421變速箱對鏟運機加以設計。該變速箱不同檔位的傳動比分別如下：一檔4.643、二擋2.235、三檔1.290。

2.1.5 電控系統的設計

（1）傳感器輸入單元：功能在于確定尺條位置，將機油等壓力指數傳入到電控單元當中。（2）設置點：功能在于確定油門位置。（3）接口：功能在于連接電源及CAN總線。（4）執行器：功能在于對停機電磁閥加以控制。（5）顯示：功能在于顯示轉速，當出現故障時，可亮燈報警。

2.2 2.2m～3m遙控地下鏟運機執行機構的設計方案

2.2.1 執行機構原理及設計方案

（1）鏟運機執行機構的原理在于，根據工況的不同，對鏟斗的平衡性進行控制，實現自動放平。插入、鏟裝、運輸以及卸載，屬于執行機構的不同工況。以插入為例：機械運行后，動壁逐漸放下，鏟斗翻轉，與地面銜接，將物料插入到鏟斗內部。（2）設計方案：通過目標函數，優化系統的工作流程。從主控系統設計等角度出發，提高執行機構的設計水平，提高鏟運機的運行效率。

2.2.2 系統的優化設計

（1）以鏟裝為例，該工況下，鏟運機的掘取力計算公式為：Fz=Fbc×Cf。其中Cf代表倍力系數、Fbc代表翻轉油缸作用力、Fz代表掘取力的反力。（2）確定約束條件。采用內點懲罰函數法、反點懲罰函數法作為優化方法。（3）優化流程：獲得維數n及精度Jd，創建數組，確定數組中的任意初始值。根據初始值，求出最小解。將最小解與其他數值相對比，最終完成優化過程。

2.2.3 主控系統的設計

CPU可采用嵌入式系統以及PLC可編程邏輯器件設計。嵌入式系統核心為微控制器，優勢在于接口豐富，擴展性強。缺陷在于可靠性差。為解決上述問題，決定采用PAC設計主控系統，采用梯形圖編程方法實現邏輯控制，提高擴展性以及可靠性，提高數據處理效率。

2.3 設計效果

通過實驗的方法對比了原有系統與優化設計后的系統的工作效率，發現，與優化前相比，優化后，鏟運機的工作效率顯著提高。表明設計效果較好。

3 結論

通過對2.2m～3m遙控地下鏟運機動力傳動系統及執行機構的優化設計發現，應以D914L5為發動機型號、以C271作為液力變矩器、以柴油機作為主要發動機形式，通過對目標函數的計算，獲取執行機構設計的最優解，以提高鏟運機的運行效率。

參考文獻：

[1]方鍵，陳芳.礦用地下鏟運機駕駛室ROPS的試驗及有限元分析[J].礦山機械，2016，44（09）：3034.

[2]張楠，韓飛.基于Automation Studio地下鏟運機制動液壓系統建模分析[J].液壓氣動與密封，2016，36（04）：3842.

作者簡介：任娜（1976），女，山東壽光人，本科，工程師，地下裝載機動力傳動系統。