無軌膠輪車自動(dòng)打掩系統(tǒng)研發(fā)

劉超華，郭慶華，齊賀鵬，衛(wèi)中寬，李志強(qiáng)，張 舉

（1.中煤平朔發(fā)展集團(tuán)有限公司，山西朔州 036002；2.中煤天津設(shè)計(jì)工程有限公司，天津 300120）

0 引言

隨著工業(yè)化進(jìn)程的快速發(fā)展，人們對(duì)煤礦資源的需求逐年增加。為了滿足人們對(duì)能源的需求，煤礦企業(yè)需要不斷擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模、提高產(chǎn)量，這使煤礦物料的運(yùn)輸搬運(yùn)面臨巨大的挑戰(zhàn)。在煤礦生產(chǎn)過程中，無軌膠輪車作為一種重要的輔助運(yùn)輸工具，具有線路簡便、系統(tǒng)簡單、轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)少、效率高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在礦用輔助運(yùn)輸中占據(jù)越來越重要的地位[1-2]。

然而，隨著煤礦安全標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，煤礦運(yùn)輸車輛的安全性和穩(wěn)定性成為企業(yè)亟需解決的問題。傳統(tǒng)無軌膠輪車制動(dòng)系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)緊急情況或行駛在車況復(fù)雜的路面時(shí)存在安全隱患，例如制動(dòng)不及時(shí)、制動(dòng)失效、溜車等[3-4]。此外，人工操作的無軌膠輪車在高負(fù)荷工作下，易造成人員疲勞和操作事故，增加了事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)[5]。為解決上述安全隱患，提高無軌膠輪車運(yùn)輸?shù)陌踩院托剩S多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)已經(jīng)開始探索自動(dòng)化技術(shù)在無軌膠輪車上的應(yīng)用。自動(dòng)化技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)無人操作和智能控制，有效降低事故風(fēng)險(xiǎn)，并提高運(yùn)輸效率[6]。其中，自動(dòng)打掩系統(tǒng)作為無軌膠輪車的重要組成部分，具有廣闊的應(yīng)用前景和研究價(jià)值。

本文采用實(shí)驗(yàn)室試裝和試驗(yàn)場(chǎng)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，針對(duì)在役WC5XE 防爆柴油機(jī)無軌膠輪車進(jìn)行性能升級(jí)，開發(fā)自動(dòng)打掩系統(tǒng)，為煤礦企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)營提供科學(xué)先進(jìn)的技術(shù)支持，探索無軌膠輪車自動(dòng)化運(yùn)輸?shù)奈磥矸较颍龠M(jìn)煤礦產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，為我國煤礦行業(yè)的安全生產(chǎn)和可持續(xù)化發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

1 設(shè)計(jì)方案

本文研究設(shè)計(jì)的自動(dòng)打掩系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無軌膠輪車停車時(shí)自動(dòng)阻車、車輛啟動(dòng)時(shí)輪擋自動(dòng)升起功能。在阻車裝置中，利用增設(shè)的機(jī)械機(jī)構(gòu)、液壓機(jī)構(gòu)及電氣機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)無軌膠輪車的停車自動(dòng)打掩。

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過對(duì)目標(biāo)無軌膠輪車車型尺寸的計(jì)算分析，對(duì)車輛的打掩系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)、液壓回路設(shè)計(jì)與控制策略設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型。自動(dòng)打掩系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成主要包括液壓系統(tǒng)、輪擋單元和輔助機(jī)構(gòu)，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)三維建模如圖1 所示。

圖1 打掩裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)三維建模

1.2 裝置技術(shù)原理

自動(dòng)收落的打掩裝置利用門檔桿控制電磁換向閥，釋放液壓油缸的壓力。液壓缸內(nèi)置有彈性元件，用于推動(dòng)輪擋單元自動(dòng)落下，從而實(shí)現(xiàn)車輛的自動(dòng)輪擋駐車功能。

1.2.1 輪擋收起的行車狀態(tài)

液壓機(jī)構(gòu)通過控制液壓桿運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)輪擋單元的收回，確保輪擋單元可靠地完成收啟動(dòng)作，并且在需要時(shí)能夠迅速響應(yīng)（圖2）。

圖2 打掩裝置完全收起狀態(tài)

1.2.2 輪擋落下的駐車狀態(tài)

液壓系統(tǒng)采用內(nèi)置的彈性元件來推動(dòng)液壓桿伸出。通過自動(dòng)輪擋打掩設(shè)計(jì)，車輛可以在停車時(shí)實(shí)現(xiàn)方便、安全的操作，為車輛停車提供可靠的保障（圖3）。

1.2.3 液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4 所示。其中，液壓泵用于把液壓油泵入液壓回路；液壓油箱用于存儲(chǔ)液壓油；蓄能器用于儲(chǔ)存能量，使液壓泵不工作時(shí)液壓回路仍可保持油壓，以驅(qū)動(dòng)液壓油缸伸縮；電控系統(tǒng)通過控制三位四通電磁換向閥的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)液壓油缸的伸縮，控制輪擋單元的收落；液壓鎖用于為雙作用液壓油缸保壓，避免因液壓回路失壓而導(dǎo)致液壓油缸不能正常伸縮；雙作用液壓油缸用于實(shí)現(xiàn)輪擋單元的收落。電控系統(tǒng)中，蓄電池用于供給電能；主令開關(guān)是車輛的電路總開關(guān)；門擋開關(guān)布置在駕駛室車門中間，用于控制輪擋單元起落；輪擋指示燈在輪擋單元落下阻車時(shí)指示燈亮，輪擋單元收起時(shí)熄滅。

圖4 液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.3 自動(dòng)打掩系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

（1）自動(dòng)化功能：該系統(tǒng)利用門擋開關(guān)采集信息，判斷駕駛員意圖，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化打掩功能，無需駕駛員手動(dòng)干預(yù)，提高了操作的便利性和安全性。

（2）結(jié)構(gòu)緊湊：打掩系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊，輪擋單元在車廂底部連接的外置彈簧和內(nèi)置彈性元件，在車輛行車狀態(tài)下可有效收起和落下，且不需占用過多空間，有利于保證車輛的正常行駛和停車過程。

（3）快速響應(yīng)：系統(tǒng)采用液壓機(jī)構(gòu)配合電磁換向閥控制輪擋單元快速升起和落下，提高了車輛的停車安全性和行車效率。

（4）安全可靠：自動(dòng)打掩系統(tǒng)需要駕駛員拉開門擋開關(guān)才能下車，并在駕駛員拉開門擋開關(guān)時(shí)車輛自動(dòng)進(jìn)行打掩。這一過程能夠有效防止車輛在無駕駛員的情況下滑行或碰撞，保障了車輛與人員的安全。

2 實(shí)車運(yùn)行驗(yàn)證

自動(dòng)打掩系統(tǒng)在試驗(yàn)場(chǎng)中分別進(jìn)行平地和14°上、下坡面實(shí)驗(yàn)，以測(cè)試不同路況下打掩機(jī)構(gòu)的落下效果，確保其完美配合無軌膠輪車的運(yùn)行，準(zhǔn)確無誤地實(shí)現(xiàn)打掩功能。在實(shí)驗(yàn)過程中，嚴(yán)格遵循相關(guān)安全規(guī)程和操作規(guī)范，確保試驗(yàn)的順利進(jìn)行和人員的安全。

車輛在平地或坡面停止，駕駛員不拉手閥，直接拉開門擋下車，車輛實(shí)現(xiàn)自動(dòng)打掩功能。自動(dòng)打掩系統(tǒng)作用時(shí)制動(dòng)油壓的變化曲線如圖5 所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，自動(dòng)打掩系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了打掩機(jī)構(gòu)的快速落下和收啟動(dòng)作分別在2 s 內(nèi)完成，均符合預(yù)期，自動(dòng)打掩系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能，且車輛未發(fā)生溜車現(xiàn)象。

圖5 制動(dòng)油壓變化曲線

3 結(jié)束語

本文基于煤礦輔助運(yùn)輸現(xiàn)狀，為解決在運(yùn)輸作業(yè)中可能出現(xiàn)的安全隱患，在無軌膠輪車上加裝自動(dòng)打掩系統(tǒng)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是提高無軌膠輪車運(yùn)輸?shù)陌踩院托剩档褪鹿拾l(fā)生的可能性，為現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)提供更加可靠的物料搬運(yùn)工具。實(shí)際應(yīng)用效果表明，該系統(tǒng)具有自動(dòng)化水平高、結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)迅速、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，并且可以廣泛適用于不同型號(hào)和規(guī)格的無軌膠輪車，滿足復(fù)雜工況的需求，為煤礦輔助運(yùn)輸和其他相關(guān)行業(yè)提供更加安全、高效的物料搬運(yùn)解決方案。