賈豐華，章 峰，鄧寶平

(國(guó)能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719315)

0 引言

寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司部分礦井綜采工作面安裝回撤通道坡道達(dá)到±20°及以上，長(zhǎng)度約300 m，由于坡度太大且工況復(fù)雜，支架的安裝回撤無(wú)法使用鉸接式支架搬運(yùn)車來(lái)運(yùn)輸，以往采用先在坡道前后使用搬運(yùn)車來(lái)搬運(yùn)支架，坡道上使用礦用絞車將支架逐臺(tái)拖運(yùn)，由于支架周轉(zhuǎn)流程和周轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)，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(yán)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(yùn)車在20°坡道運(yùn)輸難題以提高寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司綜采工作面運(yùn)輸效率及運(yùn)輸安全性迫在眉睫。

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

1 60 t支架搬運(yùn)車方案簡(jiǎn)介

60 t支架搬運(yùn)車采用整體框架式設(shè)計(jì)，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(jī)作為動(dòng)力源，閉式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)泵、馬達(dá)和減速機(jī)配合提供驅(qū)動(dòng)力，機(jī)械與液壓復(fù)合聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)前后軸八字轉(zhuǎn)向，整車采用了整體框架結(jié)構(gòu)、液壓獨(dú)立懸架、前后軸八字轉(zhuǎn)向、防爆動(dòng)力和防發(fā)動(dòng)機(jī)超速等關(guān)鍵技術(shù)，并在車架內(nèi)檔的前部預(yù)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(yùn)車整車空載質(zhì)量設(shè)計(jì)32.5 t，額定載重60 t，整車技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 60 t支架搬運(yùn)車整車主要技術(shù)參數(shù)

2 大坡度支架搬運(yùn)車設(shè)計(jì)問(wèn)題

2.1 滿載最大爬坡計(jì)算

車輛在馬達(dá)與液壓泵選定的情況下進(jìn)行車輛最大爬坡度計(jì)算，由液壓馬達(dá)扭矩計(jì)算公式

(1)

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

由計(jì)算可知，單個(gè)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)扭矩Mg=32 477 N·m，6個(gè)車輪總驅(qū)動(dòng)扭矩為194 861.3 N·m。車輛最大爬坡時(shí)，車輛最大驅(qū)動(dòng)力應(yīng)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(jì)算

WC60Y(B)支架搬運(yùn)車在滿載爬坡過(guò)程中，由于采用的是鏈條提升液壓支架方式，上坡過(guò)程中存在支架后擺現(xiàn)象，造成整車質(zhì)心改變，加之坡道重心轉(zhuǎn)移，會(huì)導(dǎo)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(duì)整車坡道運(yùn)行軸核進(jìn)行計(jì)算。

2.2.1 滿載坡道軸核分布

WC60Y(B)支架搬運(yùn)車空載質(zhì)量32.49 t，滿載質(zhì)量為92.49 t，滿載爬坡各軸軸載見(jiàn)表2。

表2 不同工況軸載值

2.2.2 滿載實(shí)際軸核爬坡打滑校核

單個(gè)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)扭矩Mg=913.4 N·m，單個(gè)車輪驅(qū)動(dòng)力計(jì)算可知，為59 794 N，單個(gè)車輪的輪載為11.016 t，單輪附著力為對(duì)輪載荷驅(qū)動(dòng)扭矩進(jìn)行計(jì)算，可知，在20°坡道上，單輪附著力為53 978.4 N<59 794 N(單輪驅(qū)動(dòng)力)，輪胎打滑，因此需對(duì)重心位置進(jìn)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(qū)動(dòng)力進(jìn)行校核，整車驅(qū)動(dòng)力為323 870.4 N，通過(guò)計(jì)算，整車爬坡度19.5°，無(wú)法滿足整車爬坡20°要求。

2.2.3 下坡制動(dòng)穩(wěn)定性校核

60 t支架搬運(yùn)車下坡過(guò)程中，由于坡度較大，具有后輪翹起風(fēng)險(xiǎn)，空載質(zhì)量32.49 t，滿載質(zhì)量為92.49 t，下坡制動(dòng)計(jì)算見(jiàn)表3。

由表3計(jì)算可知，空載20°下坡0.3 g制動(dòng)，后輪軸載1.66 t，單輪輪載0.83 t，大于三軸簧下質(zhì)量1.24 t，后輪存在翹起風(fēng)險(xiǎn)，而非制動(dòng)狀態(tài)，后輪單輪承載1.9 t>簧下質(zhì)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(dòng)，后輪軸載5.9 t，單輪輪載2.9 t，而前輪單胎承載達(dá)到40.4 t，超過(guò)輪胎的靜態(tài)承載35 t。

表3 下坡制動(dòng)軸載計(jì)算

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

2.3 試驗(yàn)小結(jié)

通過(guò)最大爬坡度計(jì)算可知，WC60Y(B)支架搬運(yùn)車具有20°坡道運(yùn)行的能力，最大爬坡度可達(dá)到22.1°；通過(guò)整車坡道軸核及打滑校核計(jì)算可知，整車大坡度運(yùn)行，單輪輪載降低導(dǎo)致附著力不足，會(huì)出現(xiàn)打滑或驅(qū)動(dòng)力不足現(xiàn)象，最大爬坡度僅為19.5°，無(wú)法滿足整車爬坡20°要求，且下坡過(guò)程中載荷轉(zhuǎn)移大，支架晃動(dòng)會(huì)導(dǎo)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(guān)技術(shù)難題，重工公司項(xiàng)目研發(fā)團(tuán)隊(duì)銳意進(jìn)取、大膽創(chuàng)新，進(jìn)行智能化重心轉(zhuǎn)移裝置方案、智能控制方案、無(wú)線遙控方案等一系列技術(shù)攻關(guān)。

3.1 智能化重心轉(zhuǎn)移裝置方案

智能化重心轉(zhuǎn)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(guò)調(diào)整液壓支架質(zhì)心來(lái)改變整車滿載質(zhì)心位置，達(dá)到整車滿載爬坡過(guò)程中6輪承載均衡，避免輪胎打滑和驅(qū)動(dòng)力不足。

將液壓絞車安裝在車架前側(cè)底部，將設(shè)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(guò)液壓絞車牽引，迫使液壓支架與車架產(chǎn)生相對(duì)位移，從而改變整車滿載質(zhì)心位置，下坡時(shí)使用后牽引鏈限制支架擺動(dòng)，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(shí)心輪胎，抓地力足夠強(qiáng)。為確保支架搬運(yùn)車滿載大坡度工況可靠運(yùn)行，整車在上坡過(guò)程中不打滑，選用MH型深溝槽寬體防滑實(shí)心輪胎，根據(jù)輪胎的車速及承載能力，輪胎型號(hào)為：45×20.5-25，輪輞型號(hào)：17-25，如圖4所示，參數(shù)見(jiàn)表4。

圖4 后牽引鏈限位示意

表4 實(shí)心胎參數(shù)

同時(shí)，改善坡道路面條件，增大附著系數(shù)，通過(guò)技術(shù)溝通，寧夏煤業(yè)有限責(zé)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(jìn)行粗糙化處理，例如增加橫向溝壑路紋等，確保整車上坡過(guò)程中輪胎不打滑。

3.2 智能控制方案

支架搬運(yùn)車液壓絞車牽引支架，改變滿載質(zhì)心位置，從而達(dá)到整車上坡過(guò)程中6輪承載均衡，而整車運(yùn)行坡道角度不同，支架牽引距離有一定差異，且整車運(yùn)行環(huán)境惡劣，無(wú)法采取手動(dòng)模式進(jìn)行設(shè)置，因此，特提出基于懸架油缸壓力的整車質(zhì)心判斷方法，并且通過(guò)控制液壓絞車等執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)調(diào)整支架質(zhì)心位置，達(dá)到整車在不同坡度工況，6輪適中承載均衡。

整車質(zhì)心判斷系統(tǒng)由整車控制系統(tǒng)來(lái)完成，由整車控制系統(tǒng)的信號(hào)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(gè)懸架油缸壓力值可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整車前后車輪載重狀態(tài)的判斷，車輛傾斜角度可以實(shí)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(guān)信號(hào)后，由信號(hào)處理模塊通過(guò)質(zhì)心判斷算法模型進(jìn)行整車質(zhì)心位置計(jì)算。該算法主要通過(guò)各懸掛油缸的壓力差值作為判斷條件。

首先進(jìn)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(jìn)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(cè)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(cè)懸掛油缸縱向偏載狀態(tài)。通過(guò)2組對(duì)比后，根據(jù)車輛的橫向縱向偏載狀態(tài)可以確定車輛質(zhì)心位置。而通過(guò)車輛的橫向縱向傾斜角度可以對(duì)質(zhì)心位置進(jìn)行一個(gè)系數(shù)修正。質(zhì)心判斷結(jié)果如圖5所示。

圖5 質(zhì)心判斷

當(dāng)判斷出車輛的質(zhì)心位置狀態(tài)后，通過(guò)電磁閥控制液壓絞車來(lái)調(diào)整支架質(zhì)心，讓車輛質(zhì)心盡量處于圖5的第8個(gè)菱形區(qū)域內(nèi)。調(diào)整方法是當(dāng)車輛爬坡角度增大時(shí)，電磁閥控制絞車動(dòng)作，將液壓支架向前牽引，迫使整車質(zhì)心前移，車輛爬坡角度較小時(shí)，電磁閥控制絞車動(dòng)作，液壓支架在重力分力的作用下向后移動(dòng)，整車質(zhì)心后移。運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)調(diào)整液壓校核狀態(tài)，通過(guò)調(diào)整支架重心促使整車的質(zhì)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(wú)線遙控方案

支架搬運(yùn)車在大坡度運(yùn)行過(guò)程中，由于煤礦井下工況復(fù)雜，且大坡度運(yùn)行具有一定的風(fēng)險(xiǎn)，因此，本項(xiàng)目擬增設(shè)整車無(wú)線遙控模塊，整車在大坡度運(yùn)行過(guò)程中，確保人員和設(shè)備的安全，同時(shí)滿足市場(chǎng)個(gè)性化需求，提升產(chǎn)品性能。

無(wú)線遙控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，無(wú)線遙控模塊獨(dú)立于整車控制系統(tǒng)，與整車控制系統(tǒng)之間通過(guò)CAN總線通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，與WC60Y(B)支架搬運(yùn)車中預(yù)留的通訊接口對(duì)接通信。

該系統(tǒng)由無(wú)線遙控發(fā)送器和接收器2部分組成。發(fā)送器主要負(fù)責(zé)采集無(wú)線遙控器駕駛?cè)藛T控制指令，并通過(guò)無(wú)線傳輸模式實(shí)時(shí)傳至接收器。接收器在接收控制指令后通過(guò)CAN總線發(fā)送至整車控制器VCU。由VCU輸出控制相應(yīng)的執(zhí)行部件，完成整車動(dòng)作。

支架搬運(yùn)車配置無(wú)線遙控系統(tǒng)后，通過(guò)控制權(quán)開(kāi)關(guān)可以選擇有人駕駛模式和無(wú)人駕駛模式。選擇有人駕駛模式時(shí)，整車控制系統(tǒng)不響應(yīng)無(wú)線遙控發(fā)送機(jī)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(wú)人駕駛模式時(shí)，可以通過(guò)無(wú)線遙控發(fā)送器發(fā)送控制指令，可以實(shí)現(xiàn)車輛的前進(jìn)/后退行走制動(dòng)，左右轉(zhuǎn)向、駐車、急停以及手動(dòng)重心調(diào)整等。無(wú)線遙控系統(tǒng)組成框圖如圖6所示。

圖6 無(wú)線遙控系統(tǒng)組成框圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證航天重工公司研發(fā)的大坡度支架搬運(yùn)車在滿載狀態(tài)下能否順利進(jìn)行大坡度行駛，2021年7月27日上午，應(yīng)國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)集團(tuán)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(yùn)車(簡(jiǎn)稱支架車)滿載53 t支架，通過(guò)遠(yuǎn)程遙控?zé)o人駕駛技術(shù)，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(guó)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(kāi)回山底，開(kāi)創(chuàng)了國(guó)內(nèi)這項(xiàng)技術(shù)的先河。圖7為大坡度試驗(yàn)過(guò)程中的現(xiàn)場(chǎng)圖片。

圖7 大坡度試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

5 結(jié)論

以航天重工研制的60 t支架搬運(yùn)車為試驗(yàn)對(duì)象，分析其爬大坡度坡所遇到的問(wèn)題，最終運(yùn)用多技術(shù)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(wèn)題，成功實(shí)現(xiàn)上坡下坡，試驗(yàn)相關(guān)技術(shù)手段對(duì)行業(yè)內(nèi)大坡度車輛設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用。