采煤機搬運車行走機構的建模以及仿真研究

閆 偉

（山西潞陽煤炭投資經營管理有限公司， 山西 長治 045400）

引言

最近幾年國外在運輸或者是挪動采煤機時使用了一種新型裝備，該裝備沒有專用軌道，使用靈活，在井下工作面搬運設備中起到了舉足輕重的作用，能夠大大地提升工作面搬遷速度，提高礦井的開采效率。。由于其搬運車搬運過程具有復雜性和高科技性，所以我國目前還沒有相關的產品，這便是本研究的立項基礎，為我國同類型產品的研發升級提供技術支持[1-2]。

1 相關三維模型的建立

1.1 采煤機搬運車基本結構

如圖1所示為采煤機搬運車的基本結構示意圖。從圖中我們可以看出采煤機的驅動方式是四驅，主要結構包括電氣系統、液壓系統、用于行走的部分、動力部分、排氣系統以及將這些系統聯系起來的整體機架等。左右相當于輪胎的行走部是由鏈輪來完成動力傳輸的。搬運車行走的動力傳輸路線是先由柴油發動機提供動力以驅動液壓馬達，通過馬達來輸出驅動減速器的轉矩，減速器將合適的動力輸出到鏈輪，最后通過鏈輪來驅動履帶完成運行[3]。

1.2 建立相應的三維模型

本設計采用RecurDyn軟件來對采煤機搬運車進行三維模型的建立和仿真。該軟件的計算原理是利用遞歸算法進行的，它采用的科學依據是相對坐標系運動方程的理論，適合對多體系統的動力學情況下進行仿真，同時，比較適用大規模的或者比較復雜系統的力學問題[4-5]。典型的優點是運算處理的速度很快、穩定性好不容易發生崩潰現象，還對機械結構的碰撞也能進行有效的仿真模擬，是一款非常經典的軟件。

圖1 采煤機整體搬運車結構示意圖

如圖2所示為建立的相關三維模型，其中2-1圖為搬運車右側行走部的模型，2-2圖為搬運車整體的三維模型。由于建模軟件中自帶兩種履帶模塊，而本系統屬于低速系統，所以選用軟件中的低速履帶對行走部進行建模。模型中包括了履帶機構幾乎所有的部件，通過設置參數來進行具體的繪圖。

圖2 右側行走機構總圖和搬運車的三維模型

2 虛擬機的建立以及動力學仿真分析

2.1 虛擬樣機的建立

在建模軟件建立好三維模型后根據實際運輸車的情況設定各部件的材料以及質量等條件，同時利用約束將每個部件連接起來，再添加上相應的接觸副，這些接觸副包括移動部位的移動副、用于固定的固定副和用于旋轉的旋轉副。它們的個數分別是30、2、2，由于本設計中的搬運車是四驅的，所以要在四個驅動部位分別添加相同的轉速參數。

2.2 計算仿真

本系統在進行力學仿真時首先要考慮到阻力的因素，在物理學分析中車輛在行進過程中會受到來自地面、空氣等各方面的阻力。由于本系統是履帶式，在行進過程中速度相對較低，所以空氣阻力對其造成的影響幾乎可以忽略不計，這樣便能夠減少變量在一定程度上簡化運算[6]。通過特定的公式能夠計算出搬運車在特定路面下行駛時各種工況的阻力。

1）用Ff來表示運輸車在平坦的路面上行駛時的阻力，當其在平路上行駛時履帶的滾動阻力便是運輸車受到的主要阻力，能夠影響該阻力的因素比較多，實際計算時用Ff表示阻力，計算公式如下：式中：f為地面的摩擦系數；G為搬運車的重力。

2）用Fi表示搬運車上坡時的地面阻力，上坡阻力是地面產生的阻力與重力的分力組成的合力，即Fi=Fr+Fg。具體的坡道阻力Fg計算方法如下：

式中，α為坡度的傾斜角。

3）用Fs來表示車輛轉彎時的地面對其形成的阻力，由于運輸車是履帶式的所以車輛轉彎時需要一邊履帶處于自動狀態，另一邊履帶繼續運動，這樣便會在運動一側的履帶上產生很大的牽引力，這時行走部件受到的形式阻力為Fs具體的計算公式如下[7]：

式中：μ為地面的阻力系數；L為一邊履帶的行走機構在行走時與地面接觸的長度；B為兩條履帶中心之間的距離；n為搬運車重心與所接觸地面的偏心距。

4）Mk為運輸車驅動時的轉矩，具體的計算方法如下：

式中：Fk為驅動力；rk為搬運車驅動履帶的驅動半徑，rk=ltZk/（2π），lt為履帶每節之間的距離，Zk為驅動鏈輪上的齒數。

將表1中的參數帶入到上面的四個公式中，然后經過計算便可以得到搬運車在各種路況下的運行參數，在仿真軟件中輸入砂石土路的路面參數，如表2所示：

表1 采煤機搬運車的參數

表2 沙石土路路面參數

將參數輸入到軟件后便根據實際情況設置運動參數，本設計中一共設置了三種工作狀況。分別是勻速滿載行駛在水平路面；滿載勻速行駛在上坡狀態；滿載勻速轉彎狀態。如圖3所示為搬運車在上述各種路況下行駛時前后驅動輪的轉矩情況。

圖3 采煤機搬運車在各種路況下行駛時的鏈輪轉矩

從圖3中可以看出車輛剛起步的前幾秒時速度為零，等車輛平穩后轉矩便上下波動呈現一定的周期性。經過分析后發現造成波動的主要原因是運輸車的驅動部件不是規則的圓形，而是不規則的多邊形，當驅動部件轉動時其驅動的履帶呈現出周期性的速度變化，這就是俗稱的多邊形效應[8]。

對上述三種情況井下仿真，首先要將相關的轉矩曲線數據進行結合分析，如表3所示為各種路況下的仿真情況：

表3 各種路況下的仿真曲線直線擬合平均值

過將仿真和理論之間的數據進行分析后得到兩者時間的誤差不超過5%，這三種情況中，原地轉彎時履帶受到的阻力最大，這和實際情況比較符合。從圖3中分析出在車輛啟動時出現的轉矩是最大的，并且前后的驅動鏈輪轉矩是不相等的。形成這個現象的原因是在行駛時由于地面比較軟，履帶會下陷一部分，由于履帶和地面之間不是完全平行的，導致車輛向后傾斜，履帶后面受到的力比前面受到的力大，這便是導致前后轉矩不一樣的主要原因。

3 結論

1）對運輸車在三種不同的路況下行駛時的阻力和轉矩的理論計算結果和仿真結果，發現理論與仿真的結果誤差很小。

2）以上對比結果證明了本理論的正確性，為后續零部件的有限元仿真提供了參考，同時，為以后同類型的研究提供了借鑒意義。