大坡度支架搬運車的技術研究與試驗

賈豐華，章 峰，鄧寶平

(國能神東煤炭集團有限責任公司，陜西 榆林 719315)

0 引言

寧夏煤業(yè)有限責任公司部分礦井綜采工作面安裝回撤通道坡道達到±20°及以上，長度約300 m，由于坡度太大且工況復雜，支架的安裝回撤無法使用鉸接式支架搬運車來運輸，以往采用先在坡道前后使用搬運車來搬運支架，坡道上使用礦用絞車將支架逐臺拖運，由于支架周轉流程和周轉時間長，支架的安裝回撤管理環(huán)節(jié)繁瑣、工作效率較低，且存在較大安全隱患，嚴重制約綜采工作面安裝回撤的安全高效發(fā)展，因此，解決60 t支架搬運車在20°坡道運輸難題以提高寧夏煤業(yè)有限責任公司綜采工作面運輸效率及運輸安全性迫在眉睫。

針對上述寧夏煤業(yè)有限責任公司煤礦井下±20°坡道支架運輸?shù)募夹g難題，本項目結合大坡度液壓支架的運輸和整體框架式支架搬運車的技術特點，以安全、高效為目標，以航天重工研制的60 t支架搬運車為研究對象，通過加裝智能化重心轉移裝置，并加裝MH型深溝槽寬體輪胎，達到整車在20°爬坡工況6輪承載均衡，上坡具有足夠的驅動力矩，并加裝無線遙控模塊，提升整車性能，可有效解決寧夏煤業(yè)有限責任公司煤礦井下±20°坡道支架運輸?shù)募夹g難題。

1 60 t支架搬運車方案簡介

60 t支架搬運車采用整體框架式設計，二維布置圖如圖1所示，三維效果如圖2所示。以防爆柴油機作為動力源，閉式驅動系統(tǒng)泵、馬達和減速機配合提供驅動力，機械與液壓復合聯(lián)動實現(xiàn)前后軸八字轉向，整車采用了整體框架結構、液壓獨立懸架、前后軸八字轉向、防爆動力和防發(fā)動機超速等關鍵技術，并在車架內(nèi)檔的前部預留加裝液壓絞車安裝位。

圖1 二維布置

圖2 三維效果

60 t支架搬運車整車空載質量設計32.5 t，額定載重60 t，整車技術參數(shù)見表1。

表1 60 t支架搬運車整車主要技術參數(shù)

2 大坡度支架搬運車設計問題

2.1 滿載最大爬坡計算

車輛在馬達與液壓泵選定的情況下進行車輛最大爬坡度計算，由液壓馬達扭矩計算公式

(1)

式中，Mg為馬達扭矩，N·m；ηmh為馬達機械效率×減速機機械效率，94%×96%=90.24%；ΔP為工作壓差，37 MPa；Vg為馬達等效排量，170×35.4=6 108.48 mL/r。

由計算可知，單個液壓馬達驅動扭矩Mg=32 477 N·m，6個車輪總驅動扭矩為194 861.3 N·m。車輛最大爬坡時，車輛最大驅動力應該等于行駛阻力，在坡度α上的行駛阻力Fa=Gsinα+μGcosα，由公式6Mg/R=Fa，可以得到：α=22.1°。

2.2 滿載坡道軸核計算

WC60Y(B)支架搬運車在滿載爬坡過程中，由于采用的是鏈條提升液壓支架方式，上坡過程中存在支架后擺現(xiàn)象，造成整車質心改變，加之坡道重心轉移，會導致前后軸輪胎承載不均衡，整車上坡輪胎附著力不足而打滑，因此需對整車坡道運行軸核進行計算。

2.2.1 滿載坡道軸核分布

WC60Y(B)支架搬運車空載質量32.49 t，滿載質量為92.49 t，滿載爬坡各軸軸載見表2。

表2 不同工況軸載值

2.2.2 滿載實際軸核爬坡打滑校核

單個液壓馬達驅動扭矩Mg=913.4 N·m，單個車輪驅動力計算可知，為59 794 N，單個車輪的輪載為11.016 t，單輪附著力為對輪載荷驅動扭矩進行計算，可知，在20°坡道上，單輪附著力為53 978.4 N<59 794 N(單輪驅動力)，輪胎打滑，因此需對重心位置進行調(diào)整，以避免輪胎打滑。

若基于整車防滑控制，以單輪最小附著力為驅動力進行校核，整車驅動力為323 870.4 N，通過計算，整車爬坡度19.5°，無法滿足整車爬坡20°要求。

2.2.3 下坡制動穩(wěn)定性校核

60 t支架搬運車下坡過程中，由于坡度較大，具有后輪翹起風險，空載質量32.49 t，滿載質量為92.49 t，下坡制動計算見表3。

由表3計算可知，空載20°下坡0.3 g制動，后輪軸載1.66 t，單輪輪載0.83 t，大于三軸簧下質量1.24 t，后輪存在翹起風險，而非制動狀態(tài)，后輪單輪承載1.9 t>簧下質量1.24 t，因此空載20°下坡需采取緩慢勻速行駛；滿載下坡0.3 g制動，后輪軸載5.9 t，單輪輪載2.9 t，而前輪單胎承載達到40.4 t，超過輪胎的靜態(tài)承載35 t。

表3 下坡制動軸載計算

同時，整車滿載下坡制動瞬間，載運的支架出現(xiàn)晃動，影響整車下坡制動的穩(wěn)定性。

2.3 試驗小結

通過最大爬坡度計算可知，WC60Y(B)支架搬運車具有20°坡道運行的能力，最大爬坡度可達到22.1°；通過整車坡道軸核及打滑校核計算可知，整車大坡度運行，單輪輪載降低導致附著力不足，會出現(xiàn)打滑或驅動力不足現(xiàn)象，最大爬坡度僅為19.5°，無法滿足整車爬坡20°要求，且下坡過程中載荷轉移大，支架晃動會導致下坡穩(wěn)定性較差。

3 解決方案

為了解決大坡度支架車相關技術難題，重工公司項目研發(fā)團隊銳意進取、大膽創(chuàng)新，進行智能化重心轉移裝置方案、智能控制方案、無線遙控方案等一系列技術攻關。

3.1 智能化重心轉移裝置方案

智能化重心轉移裝置主要由液壓絞車(附帶鋼絲繩和鉤子)、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)組成，主要作用是通過調(diào)整液壓支架質心來改變整車滿載質心位置，達到整車滿載爬坡過程中6輪承載均衡，避免輪胎打滑和驅動力不足。

將液壓絞車安裝在車架前側底部，將設置在液壓絞車上的鋼絲繩和鉤子掛在液壓支架的推移桿軸銷上，通過液壓絞車牽引，迫使液壓支架與車架產(chǎn)生相對位移，從而改變整車滿載質心位置，下坡時使用后牽引鏈限制支架擺動，使?jié)M載下坡具有較好的穩(wěn)定性，如圖3所示。

圖3 液壓絞車安裝

選擇越野實心輪胎，抓地力足夠強。為確保支架搬運車滿載大坡度工況可靠運行，整車在上坡過程中不打滑，選用MH型深溝槽寬體防滑實心輪胎，根據(jù)輪胎的車速及承載能力，輪胎型號為：45×20.5-25，輪輞型號：17-25，如圖4所示，參數(shù)見表4。

圖4 后牽引鏈限位示意

表4 實心胎參數(shù)

同時，改善坡道路面條件，增大附著系數(shù)，通過技術溝通，寧夏煤業(yè)有限責任公司井下±20°坡路面為水泥路面或巖層，為了增大輪胎與路面的摩擦力，需在上坡路面進行粗糙化處理，例如增加橫向溝壑路紋等，確保整車上坡過程中輪胎不打滑。

3.2 智能控制方案

支架搬運車液壓絞車牽引支架，改變滿載質心位置，從而達到整車上坡過程中6輪承載均衡，而整車運行坡道角度不同，支架牽引距離有一定差異，且整車運行環(huán)境惡劣，無法采取手動模式進行設置，因此，特提出基于懸架油缸壓力的整車質心判斷方法，并且通過控制液壓絞車等執(zhí)行機構自動調(diào)整支架質心位置，達到整車在不同坡度工況，6輪適中承載均衡。

整車質心判斷系統(tǒng)由整車控制系統(tǒng)來完成，由整車控制系統(tǒng)的信號采集模塊采集左前、右前、左后、右后懸架油缸壓力值以及車輛X軸和Y軸傾斜角度值，4個懸架油缸壓力值可以實現(xiàn)對整車前后車輪載重狀態(tài)的判斷，車輛傾斜角度可以實現(xiàn)車輛路面上下坡和平路狀態(tài)的判斷。

整車控制系統(tǒng)采集相關信號后，由信號處理模塊通過質心判斷算法模型進行整車質心位置計算。該算法主要通過各懸掛油缸的壓力差值作為判斷條件。

首先進行車輛橫向方向的壓力差值判斷，左前懸掛油缸壓力和右前懸掛油缸壓力值差反映車輛前端懸掛油缸的橫向偏載狀態(tài)；左后懸掛油缸壓力和右后懸掛油缸壓力之差反映車輛后端兩懸掛油缸之間橫向偏載狀態(tài)；然后進行車輛縱向方向的壓力差值判斷，左前和左后懸掛油缸壓力值差反映車輛左側懸掛油缸縱向偏載狀態(tài)，右前和右后懸掛油缸壓力值差反映車輛右側懸掛油缸縱向偏載狀態(tài)。通過2組對比后，根據(jù)車輛的橫向縱向偏載狀態(tài)可以確定車輛質心位置。而通過車輛的橫向縱向傾斜角度可以對質心位置進行一個系數(shù)修正。質心判斷結果如圖5所示。

圖5 質心判斷

當判斷出車輛的質心位置狀態(tài)后，通過電磁閥控制液壓絞車來調(diào)整支架質心，讓車輛質心盡量處于圖5的第8個菱形區(qū)域內(nèi)。調(diào)整方法是當車輛爬坡角度增大時，電磁閥控制絞車動作，將液壓支架向前牽引，迫使整車質心前移，車輛爬坡角度較小時，電磁閥控制絞車動作，液壓支架在重力分力的作用下向后移動，整車質心后移。運行過程中實時調(diào)整液壓校核狀態(tài)，通過調(diào)整支架重心促使整車的質心位于整車的菱形安全區(qū)域，從而確保整車在不同坡道工況下，整車6輪承載均衡。

3.3 無線遙控方案

支架搬運車在大坡度運行過程中，由于煤礦井下工況復雜，且大坡度運行具有一定的風險，因此，本項目擬增設整車無線遙控模塊，整車在大坡度運行過程中，確保人員和設備的安全，同時滿足市場個性化需求，提升產(chǎn)品性能。

無線遙控系統(tǒng)采用模塊化設計，無線遙控模塊獨立于整車控制系統(tǒng)，與整車控制系統(tǒng)之間通過CAN總線通訊方式進行數(shù)據(jù)交互，與WC60Y(B)支架搬運車中預留的通訊接口對接通信。

該系統(tǒng)由無線遙控發(fā)送器和接收器2部分組成。發(fā)送器主要負責采集無線遙控器駕駛人員控制指令，并通過無線傳輸模式實時傳至接收器。接收器在接收控制指令后通過CAN總線發(fā)送至整車控制器VCU。由VCU輸出控制相應的執(zhí)行部件，完成整車動作。

支架搬運車配置無線遙控系統(tǒng)后，通過控制權開關可以選擇有人駕駛模式和無人駕駛模式。選擇有人駕駛模式時，整車控制系統(tǒng)不響應無線遙控發(fā)送機發(fā)出的控制指令，整車操作由操作人員在駕駛室完成；選擇無人駕駛模式時，可以通過無線遙控發(fā)送器發(fā)送控制指令，可以實現(xiàn)車輛的前進/后退行走制動，左右轉向、駐車、急停以及手動重心調(diào)整等。無線遙控系統(tǒng)組成框圖如圖6所示。

圖6 無線遙控系統(tǒng)組成框圖

4 試驗驗證

為了驗證航天重工公司研發(fā)的大坡度支架搬運車在滿載狀態(tài)下能否順利進行大坡度行駛，2021年7月27日上午，應國家能源集團寧夏煤業(yè)集團要求，重工公司自主研發(fā)的大坡度60 t整體框架式支架搬運車(簡稱支架車)滿載53 t支架，通過遠程遙控無人駕駛技術，一次成功爬上40%坡道(21.8°坡)，打破由自己創(chuàng)造的30%坡道(16.7°坡道)國內(nèi)行業(yè)最高坡道爬坡能力記錄。不僅如此，該車輛還從40%坡道頂端一次成功開回山底，開創(chuàng)了國內(nèi)這項技術的先河。圖7為大坡度試驗過程中的現(xiàn)場圖片。

圖7 大坡度試驗現(xiàn)場

5 結論

以航天重工研制的60 t支架搬運車為試驗對象，分析其爬大坡度坡所遇到的問題，最終運用多技術手段，解決大坡度工況下車輛行駛穩(wěn)定性不足、人員駕駛安全性難以保障等問題，成功實現(xiàn)上坡下坡，試驗相關技術手段對行業(yè)內(nèi)大坡度車輛設計具有指導作用。