地下電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化分析

石軍輝

【摘?要】經(jīng)濟(jì)在快速的發(fā)展，社會(huì)在不斷的進(jìn)步，我國(guó)的綜合國(guó)力在不斷的增強(qiáng)，地下無(wú)軌設(shè)備是衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)化程度的重要標(biāo)志，而鏟運(yùn)機(jī)作為地下無(wú)軌設(shè)備的代表，在工程作業(yè)中發(fā)揮著不可或缺的作用。我國(guó)現(xiàn)階段的鏟運(yùn)機(jī)設(shè)計(jì)水平，尤其是電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)設(shè)計(jì)水平較之國(guó)外水平有較大的差距。其中系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)效率低，主要靠經(jīng)驗(yàn)選型，不易獲得各項(xiàng)指標(biāo)都較滿意的設(shè)計(jì)方案動(dòng)力傳動(dòng)，不僅設(shè)而且對(duì)于樣機(jī)的依賴性較強(qiáng)，難于創(chuàng)新。將計(jì)算機(jī)模擬法引入鏟運(yùn)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中可以有效提高動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配。本文以鏟運(yùn)機(jī)動(dòng)力、經(jīng)濟(jì)性為核心，采用線性加權(quán)法，引入模糊優(yōu)化算法，研究動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配問(wèn)題，并對(duì)優(yōu)化前后結(jié)果進(jìn)行討論。

【關(guān)鍵詞】電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī);動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng);模糊優(yōu)化

引言

20世紀(jì)60年代以來(lái)，世界采礦業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)口益加劇，各發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛將先進(jìn)的露天礦開采技術(shù)運(yùn)用到地下礦生產(chǎn)中，使地下礦勞動(dòng)生產(chǎn)率成倍甚至十幾倍地提高，礦石成本大幅度下降。從而出現(xiàn)了所謂“地下露天礦”。其特點(diǎn)主要表現(xiàn)在：地下開拓運(yùn)輸為地下公路;地下采礦方法為大孔和深孔鑿巖;地下采掘設(shè)備為無(wú)軌化、液壓化、節(jié)能化和自動(dòng)化。鏟運(yùn)機(jī)就是在這種背景下，由露天式前端式裝載機(jī)演變發(fā)展起來(lái)的一種高效地下無(wú)軌裝運(yùn)設(shè)備。在地下礦山的茍刻作業(yè)環(huán)境中，由于鏟運(yùn)機(jī)具有高效、靈活、機(jī)動(dòng)、多用和生產(chǎn)費(fèi)用低等突出優(yōu)點(diǎn)，隨著無(wú)軌化采礦技術(shù)的推廣，得到了廣泛的應(yīng)用。但是當(dāng)時(shí)的鏟運(yùn)機(jī)幾乎都是柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的內(nèi)燃鏟運(yùn)機(jī)，與以往的有軌或輪胎式裝運(yùn)機(jī)械相比，雖然具有了無(wú)可置疑的優(yōu)越性，但柴油機(jī)所排出的廢氣、煙霧、熱輻射以及噪聲卻嚴(yán)重的污染了地下礦山的作業(yè)環(huán)境。為此，需要采用低污染柴油機(jī)并在發(fā)動(dòng)機(jī)上設(shè)置安裝柴油機(jī)尾氣凈化裝置，采用貴金屬催化器、洗滌水箱來(lái)減少?gòu)U氣排放，但同時(shí)增加了設(shè)備投資和維護(hù)費(fèi)用;另外，還需增加通風(fēng)設(shè)施，加大地下通風(fēng)量來(lái)稀釋發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣，并將其排出坑外，使其作業(yè)環(huán)境達(dá)到合乎衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的作業(yè)條件，從而使礦山通風(fēng)費(fèi)用幾乎成倍增加。計(jì)算表明，如果采用電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)取代所用的全部?jī)?nèi)燃機(jī)，則所需通風(fēng)量可減少一半以上。

1地下鏟運(yùn)機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

WJ—2E型地下鏟運(yùn)機(jī)采用液力機(jī)械傳動(dòng)，其主要組成是發(fā)動(dòng)機(jī)、液力變矩器、手動(dòng)變速箱，傳動(dòng)軸、驅(qū)動(dòng)橋等。發(fā)動(dòng)機(jī)和雙變（液力變矩器和變速箱）是液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的核心部分。要實(shí)現(xiàn)地下鏟運(yùn)機(jī)的遙控化，首先要實(shí)現(xiàn)地下鏟運(yùn)機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的電控化，要實(shí)現(xiàn)地下鏟運(yùn)機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的電控化主要是實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的電控化和變速系統(tǒng)的自動(dòng)化，常見的自動(dòng)變速系統(tǒng)主要有AT，AMT，CVT三種形式。AT（automatictransmission）自動(dòng)變速器，又稱自動(dòng)換檔器。該變速器由液力變矩器、齒輪變速箱、電子控制單元組成，它仍然分多檔，實(shí)際上是能實(shí)現(xiàn)局部無(wú)級(jí)變速的有級(jí)變速器。AT自動(dòng)變速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)很明顯，由于其不用離合器換檔，免除了手動(dòng)變速器繁雜的換檔和腳踩離合器踏板的頻繁操作;通過(guò)腳踩油門踏板，便可巧妙地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速，使開車變得簡(jiǎn)單、省力;這種自動(dòng)變速器的電子控制單元使得自動(dòng)切換速度柔和、平穩(wěn)，所以乘坐與駕駛都感覺(jué)很舒適。但缺點(diǎn)也比較明顯，由于采用了液力機(jī)械傳動(dòng)，對(duì)速度變化反應(yīng)較慢，靈敏度較低。AMT（AutomatedMechanicalTransmission）機(jī)械式自動(dòng)變速器，AMT自動(dòng)變速系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的齒輪變速箱和干式離合器的基礎(chǔ)上，配以電子控制單元（ECU），通過(guò)電動(dòng)、液壓或氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)換檔機(jī)構(gòu)、離合器、節(jié)氣門進(jìn)行操縱，來(lái)實(shí)現(xiàn)起步和換檔的自動(dòng)操作。由于齒輪傳動(dòng)具有的傳動(dòng)效率高、機(jī)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)采用電子控制單元使控制精度大大提高，因此有較強(qiáng)的可靠性和適應(yīng)性，但這種控制方式有一定的頓挫感。

2電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)合理匹配研究

2.1車輛的最高車速

我國(guó)所指的最高車速是指在良好的路面（混凝土或?yàn)r青）上車輛能達(dá)到的最高行駛車速。而裝有液力變矩器的電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)的動(dòng)力性則與液力變矩器的有效直徑D的大小有密切的關(guān)系。當(dāng)有效直徑D值減小時(shí)，泵輪的轉(zhuǎn)矩曲線將變的更平緩一些。因此，可以由泵輪轉(zhuǎn)矩曲線與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線的交點(diǎn)決定它們的共同工作點(diǎn)。雖然最高車速是衡量車輛動(dòng)力性的指標(biāo)之一，但它僅能反映車輛在極限狀態(tài)時(shí)的能力，并不反映實(shí)際行駛的平均速度，只有與其他指標(biāo)相結(jié)合才能更好的表現(xiàn)車輛的動(dòng)力性能。目前，我國(guó)重載車輛的最高車速為80}-120km/h。而由于鏟運(yùn)機(jī)等工程車輛對(duì)車輛的最高車速要求并不是很高，因此，目前對(duì)鏟運(yùn)機(jī)的最高車速并沒(méi)有明確的規(guī)定。

2.2發(fā)動(dòng)機(jī)的電控化

電控單元（ECU）通過(guò)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)端的各種傳感器監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的相關(guān)參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)，電控單元通過(guò)控制一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的電磁線圈來(lái)控制尺條，從而達(dá)到根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況來(lái)調(diào)整供油量的目的。通過(guò)尺條位置傳感器測(cè)量尺條實(shí)際行程并反饋給電控單元，電磁線圈與尺條位置傳感器共同組成了“尺條控制器”。當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)關(guān)閉時(shí)，電控單元也同時(shí)斷電。斷電以后尺條被尺條控制器中的彈簧壓回到停車位置，同時(shí)停機(jī)電磁閥（單獨(dú)安裝）在斷電后也能將尺條壓回停車位置，起安全保護(hù)作用。

2.3鏟運(yùn)機(jī)各工況對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)要求

以上總結(jié)了傳統(tǒng)車輛的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)。但是由于鏟運(yùn)機(jī)的工作環(huán)境大大有別與傳統(tǒng)車輛的工況，因此，對(duì)傳統(tǒng)車輛的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)已經(jīng)不能適合作為鏟運(yùn)機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。鏟運(yùn)機(jī)的工作過(guò)程主要有以下幾個(gè)工況組成：1）插入工況：動(dòng)臂下放，鏟斗放置于地面，斗尖觸地，斗底板與地面呈3一5傾角，開動(dòng)地下鏟運(yùn)機(jī)，鏟斗借助機(jī)器的牽引力插入料堆。2）鏟裝工況：鏟斗插入料堆后，轉(zhuǎn)動(dòng)鏟斗鏟取物料，待鏟斗口翻至近似水平位置為止。3）重載運(yùn)輸工況：鏟斗鏟裝滿物料后舉升動(dòng)臂，將鏟斗舉升至運(yùn)輸位置，然后驅(qū)動(dòng)機(jī)器駛向卸載點(diǎn)。4）卸載工況：在卸載點(diǎn)，舉升動(dòng)臂至卸載位置翻轉(zhuǎn)鏟斗傾斜物料。5）空載運(yùn)輸工況：卸載結(jié)束后，鏟運(yùn)機(jī)由卸載位置返回裝載點(diǎn)。地下鏟運(yùn)機(jī)就是在這幾種工況下往復(fù)循環(huán)作業(yè)。其中，最為重要的就是鏟裝工況和重載運(yùn)輸工況。從實(shí)際工況需要出發(fā)，鏟運(yùn)機(jī)更為關(guān)注的是動(dòng)力源發(fā)出的鏟因能量有多少轉(zhuǎn)化為鏟運(yùn)機(jī)的有用功，從而提高鏟運(yùn)機(jī)的工作效率。相對(duì)而言，運(yùn)機(jī)對(duì)于其它一些指標(biāo)，如最大車速、最短加速時(shí)間等參數(shù)要求并不是很高。此，正是由于鏟運(yùn)機(jī)的工況要求決定了傳統(tǒng)車輛的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不適合于地下鏟運(yùn)機(jī)。為此，必須尋找適合于地下鏟運(yùn)機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配評(píng)價(jià)指標(biāo)。

結(jié)語(yǔ)

在總結(jié)前面工作的基礎(chǔ)上，采用線性加權(quán)法，以電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性能的平衡作為建立動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配模型的目標(biāo)，建立起了電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)合理匹配的目標(biāo)函數(shù)。然后根據(jù)鏟運(yùn)機(jī)行駛的邊界條件和性能條件建立了鏟運(yùn)機(jī)的常規(guī)約束條件，以保證鏟運(yùn)機(jī)的性能要求。然而，考慮到常規(guī)約束只是對(duì)車輛的極限條件下進(jìn)行了約束，不能準(zhǔn)確反映實(shí)際運(yùn)行工況，因此建立了鏟運(yùn)機(jī)的模糊約束條件。為準(zhǔn)確的求得優(yōu)化解打下了基礎(chǔ)。最后，文章借助MATLAB軟件的遺傳算法工具箱對(duì)前面建立的鏟運(yùn)機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配模型進(jìn)行優(yōu)化求解，最終找到了電動(dòng)模式下傳動(dòng)系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張棟林.電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)的研制及問(wèn)題探討[[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，1996，16（10）：154一157.

[2]陳清泉，孫逢春，祝嘉光.現(xiàn)代電動(dòng)汽車技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2002.

[3]周新衡.鏟運(yùn)機(jī)工作裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真[[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2004，2-4.

（作者單位：五礦邯邢礦業(yè)有限公司北洺河鐵礦）