一種低煤層快速裝卸輔助運輸防爆車的研制

白雪 楊小軍

摘要：詳細介紹了低煤層快速裝卸輔助運輸防爆車的設計理念和技術特點，以及與同類產品優缺點分析、存在問題和改進意見，并分析了其經濟效益和社會效益。

關鍵詞：薄煤層；輔助運輸防爆車

中圖分類號：U469? 收稿日期：2024-03-19

DOI：1019999/jcnki1004-0226202405016

1 前言

我國薄煤層和極薄煤層資源豐富，分布廣泛，且煤質較好，這種煤層的儲量占我國全部可采儲量的20%左右。然而我國薄煤層機械化開采程度較低，薄煤層產量也低。主要原因是目前輔助運輸設備普遍較高，裝配功率太大，無法滿足采煤機、液壓支架等設備的運輸。因此采用先進的低矮型大噸位快速裝卸的輔助運輸車來滿足機械化設備的運輸安裝，以實現薄煤層的安全高效生產。本文著重對低煤層快速裝卸輔助運輸防爆車的研制進行分析。

2 產品設計理念

低煤層快速裝卸輔助運輸防爆車項目是針對巷道斷面（寬×高）27 m×21 m以下，坡度±14°，鏟運≤35 t重物。

該車輛的使用功能是為了快速裝卸低煤層工作面的支護設備，主要優勢是提高車輛承載能力、增加工作的穩定性、可靠性和作業速度，擴大其使用范圍，以保證該車輛具有高效節能特點。

液壓系統設計理念采用更換控制閥，利用AMESIM軟件進行動力匹配仿真，建立虛擬樣機，調節閥的壓力實現動力合理分配，使液壓系統性能增大25%。鏟運裝載機構采用三維模型進行動力學分析，使結構更加合理，優化結構件增強機械強度。發動機和傳動系統、液壓系統的匹配，采用動力學進行分析，并對防爆發動機進行試驗，液壓關鍵元件也進行了動態試驗。在此基礎上建立虛擬樣機，實現仿真動力學分析，優化整機性能。以計算機虛擬車型為基礎，實現了整車建模、動力學分析、機械強度分析、傳動效率分析、動力匹配、鏟板機械結構演示等功能［1］。通過建立整機虛擬模型進行優化設計車型，對防爆發動機、關鍵液壓元件、傳動元件進行動態試驗，使虛擬模型更接近車輛真實工況。

3 主要設計內容

31 鏟運裝載機構與傾翻液壓油缸動力的匹配

鏟運裝載機構是一種新型高效平穩的裝載機構，對車輛的外形尺寸、技術參數進行綜合模擬仿真分析，對油缸平衡閥進行壓力重新調定，油缸耳子、軸承等重新設計和選型，使其達到性能要求［2］。在AMESIM軟件系統中建立了液壓系統模型，對其油缸工作過程動態特性進行分析。

圖1所示為在AMESI中搭建的電液比例流量閥的仿真模型，該模型由液壓源、主閥、先導泵/馬達、負載等部分組成，先導泵/馬達的額定排量為6 mL/r，主閥為彈簧阻尼系統，使用元件庫中的元件分別表示主閥上腔C、入口腔A、出口腔B，先導泵/馬達的流量由伺服電機轉速閉環進行控制，負載為溢流閥。

如圖2所示，在不同系統壓力下，主閥所受到的力不同，壓力越大，所受到的力也越大。

32 主要結構的可靠性

a.建立結構件三維模型，利用ANSYS進行強度校核，對其關鍵可靠性進行分析。優化機械結構，在此基礎上優化虛擬樣車。

b.采取ANSYS軟件有限元分析，生成零件應力、應變、形變圖，并檢驗所設計產品是否性能穩定，是否能夠投入到具體工況應用。

321 有限元分析的前期準備

在Geometry 模塊中導入各零件模型，設置零件材料的所有參數，大缸筒、大活塞桿、小缸筒均使用45鋼制成，設置密度為785 g/cm3，泊松比0269，彈性模量210 GPa，抗拉強度600 MPa，屈服強度355 Pa，然后施加約束力就可以求解分析。

322 有限元分析的網格化

在有限元分析時，系統會默認劃分網格。因不同網格劃分對后續仿真存在影響，這里選取默認的網格。

323 添加約束力

小活塞桿右側用鎖緊螺母連接在端蓋上，施加固定約束；左側套著小活塞，固定在小缸筒內，添加固定約束。活塞桿內表面承受液壓油的壓力為23 MPa。大活塞桿即小缸筒Z方向施加0位移約束，套活塞桿的一側施加固定，另一側為130 kN。大缸筒左右兩側安裝著法蘭盤和缸蓋，直接施加固定約束。內表面還是承受液壓力23 MPa。整體液壓缸和大活塞桿施加約束一樣，X、Y方向固定，前耳環處鉸接，添加130 kN的外力，后缸蓋處固定，內部液壓油壓力為23 MPa。應力應變見圖4和圖5。

324 液壓缸的仿真結果分析

從以上結果可知，缸筒和活塞桿的最大應變為0018，位于大活塞桿與前耳環螺紋連接的位置，最大應力5896 MPa。整體結構最大應力404 MPa，小于抗拉強度。相比較缸筒500 mm的尺寸而言，形變幾乎可以忽略不計。這也就表明液壓缸整體結構相對穩定，不易產生大的變形，符合安全要求。

33 液壓系統優化

利用AMESIM軟件，對整車液壓系統進行建模分析，輸入負載模擬量，對其系統元件和參數進行優化設計。

34 建立整機虛擬模型

以計算機虛擬車型為基礎，實現了整車建模、動力學分析、機械強度分析、傳動效率分析、動力匹配、鏟板機械結構演示等功能。通過建立整機虛擬模型進行優化設計車型，如圖6所示。

4 主要技術參數

適用巷道最小寬度27 m，適用最小高度21 m，允許道路最大坡度14°，最大載質量35 t，滿載行走速度0～19 km/h，防爆后發動機功率225 kW；轉彎半徑：≤5 000 mm（內），≤7 800 mm（外）；排放指標：滿足GB 20891—2014《非道路國三排放標準》［3］。

5 主要優缺點分析

對比國內外30 t、35 t鏟板式搬運車：

a.整車高度低，能適應低巷道高度在21 m以下。

b.工作機構為大小臂油缸機構，舉升高度可調，可實現低巷道像破碎機機頭等大件的快速運輸。大小臂油缸機構舉升快速，鏟運靈活。

c.駕駛室設置在后機架位置，更加安全，防止支架前端對駕駛員造成機械傷害。

d.設置獨立叉子和鏟板，拆卸鏟板后，利用叉子可以快速對接皮帶機溜槽。

6 存在問題、改進意見及分析

車輛在井下工業化試驗中共暴露出以下幾大問題：

a.國三發動機出現高溫，尾氣排放差等問題，特別在重載上坡時，溫度直接達到100°以上。改進方案：提高了散熱器散熱面積，增大了發動機風扇從780 mm調到直徑910 mm，葉片厚度達到5 z，有效地解決了發動機高溫問題，將水溫控制在85°～90°之間。

b.車輛出現轉向慢的問題，特別是在重載情況下。改進方案：將液壓系統中主泵排量73 mL/r·min增至80 mL/r·min，提高了轉向系統的流量，使轉向速度明顯加快。

c.車輛后機架發動機倉開裂，后脫鉤為螺栓結構容易變形，容易造成機械傷人事故。改進方案：底板厚度從20 mm改為40 mm，兩端配重從190 mm改為170 mm。

d.將整車重量重新分配，對發動機艙機械結構重新設計，減少應力集中，后期沒有出現開焊問題，后脫鉤從螺栓連接改為整板切割成型，增加了結構強度，防止脫開，避免造成機械傷人事故。

e.產品開發方面：由于車輛國三防爆發動機、變速箱（進口）、車橋（進口）成本較高，后期配件維修成本也較高，采購零部件周期長，因此現正在開發國三防爆發動機，加快變速箱、車橋這些元器件的國內技術攻關進程［4］。

7 經濟和社會效益

71 經濟效益

2022年，開始小批量試制4臺樣車，后開始進行井下工業化試驗，最終確定樣車技術狀態，完成了該車型的所有工況整車實驗，準備批量生產。2023年預計生產10臺，2024年50臺，2025年80～100臺。

低煤層中噸位搬運車市場需求大，單臺鏟板式搬運車售價為260萬元左右，按每年生產80～100臺計算，每年可為公司新增產值2億元～26億元，凈利潤可達3 000～4 000萬元。新增稅收3 100～4 000萬元，有利于內蒙古自治區鄂爾多斯市地區經濟發展［5］。

72 社會效益

低煤層快速裝卸輔助運輸防爆車的研制填補了我國低煤層中噸位輔助運輸防爆車的技術空白，帶動了煤炭行業整體技術水平，提升了我國煤礦液壓支架搬家倒面的機械化水平、工作速度、安全性和煤礦企業的綜合經濟效益。低煤層快速裝卸輔助運輸防爆車具有自主知識產權，填補了國內空白，可完全替代進口，對提高我國煤礦井下輔助運輸效率具有重要的現實意義。

參考文獻：

[1]賈清華WC55Y型支架搬運車的研制及工業性試驗[J]煤炭科學技術，2013（7）：95-97

[2]李杰，張運康，王偉杰WC25E型鏟板式搬運車[J]工程機械，2020，51（8）：1-8

[3]竇博，馮輝榮，張凌瀅，等山區道路車輛轉彎行駛穩定性分析與控制[J]海峽科學，2020（2）：43-46

[4]侯廣志當前國內薄煤層開采難點及解決辦法剖析[J]企業導報，2013（9）：12-15

[5]蘇云輝，馬如飛，王利智，等我國現階段薄煤層的開采難點及解決思路[J]煤礦機電，2013（2）：49-52

作者簡介：

白雪，男，1990年生，工程師，研究方向為汽車運用工程。