許海龍

1煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司檢測分院 北京 100013

2煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100013

為適應(yīng)煤礦井下地質(zhì)條件的復(fù)雜性，礦用履帶式鉆孔設(shè)備在使用中應(yīng)具備一定的爬坡能力。爬坡能力作為一項(xiàng)重要的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能，用于表征設(shè)備的極限運(yùn)動(dòng)能力，可用最大爬坡度來表述。最大爬坡度指的是礦用履帶式鉆孔設(shè)備滿載時(shí)以額定低速擋在良好路面上正常行駛狀態(tài)下所能克服的最大坡度[1]。在實(shí)際應(yīng)用中，影響設(shè)備爬坡能力的因素較多，行駛阻力包括坡度阻力、滾動(dòng)阻力、加速阻力和空氣阻力，根據(jù)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)力及平衡關(guān)系，可以建立起平衡行駛方程式[2]。爬坡能力與整車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、前后橋載荷分配、動(dòng)力配置、傳動(dòng)系統(tǒng)速比以及整車作業(yè)性能等方面的合理性有很大關(guān)系[3]。爬坡性能主要表現(xiàn)為爬坡的穩(wěn)定性和動(dòng)力性。穩(wěn)定性由機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式?jīng)Q定，動(dòng)力性則由設(shè)備傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩和整機(jī)功率決定[4]。最大爬坡度對(duì)設(shè)備整體性能有著至關(guān)重要的影響，因此，爬坡能力試驗(yàn)是型式檢驗(yàn)和出廠檢驗(yàn)必不可少的項(xiàng)目?，F(xiàn)場試驗(yàn)中，按企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的坡度值設(shè)置坡道角度，以額定低速擋進(jìn)行爬坡試驗(yàn)，若能夠正常通過即為爬坡試驗(yàn)合格。由于不同企業(yè)、不同設(shè)備的坡度設(shè)計(jì)值不同，因此有必要設(shè)計(jì)一套可調(diào)節(jié)坡度的爬坡能力試驗(yàn)臺(tái)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

礦用履帶式鉆孔設(shè)備爬坡能力測試過程中，在規(guī)定坡度坡道爬坡行走時(shí)應(yīng)運(yùn)行平穩(wěn)、靈活，剎車后不應(yīng)產(chǎn)生自動(dòng)下滑、卡滯及異常聲響等現(xiàn)象。試驗(yàn)中首先將可調(diào)角度坡道平臺(tái)調(diào)節(jié)至規(guī)定坡度，礦用履帶式鉆孔設(shè)備以額定低速擋行駛速度爬行，觀察行駛過程中及剎車后是否有異常情況。爬坡能力試驗(yàn)臺(tái)采用坡度可調(diào)式設(shè)計(jì)，根據(jù)目前產(chǎn)品狀況及未來發(fā)展趨勢，角度在 0°～30°范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)，全行程調(diào)節(jié)時(shí)間不超過 2 min。試驗(yàn)臺(tái)最大承載能力不低于 30 t，坡道臺(tái)面長寬尺寸為 7 000 mm×2 500 mm，設(shè)定起升時(shí)重心在臺(tái)面中心處。整個(gè)設(shè)備主要分為可調(diào)節(jié)坡度舉升平臺(tái)和液壓泵站 2 部分，通過液壓管路將二者連接起來。舉升角度通過傾角傳感器測量并實(shí)時(shí)顯示，傾角角度顯示儀表安裝在液壓泵站上側(cè)臺(tái)面[5]?？傮w方案如圖 1 所示，三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型如圖 2 所示。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 總體設(shè)計(jì)方案Fig.1 Overall design scheme

圖2 三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型Fig.2 Model of 3D structural design

舉升平臺(tái)主要由平臺(tái)、舉升液壓缸、鉸座、三角架、拉桿等部分組成，平臺(tái)一端通過銷軸與固定在地面上的鉸座 A 連接，另一端通過舉升液壓缸伸縮及三角架和拉桿的受力傳遞作用，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)與地面的坡度調(diào)節(jié)功能。其中鉸座 A 和鉸座 B 固定在地面上，試驗(yàn)臺(tái)坡度調(diào)節(jié)時(shí)，通過控制舉升液壓缸活塞桿伸縮，從而達(dá)到 0°～30°坡度可調(diào)的要求[6]。傾角傳感器通過螺栓安裝在舉升平臺(tái)下側(cè)，型號(hào)為 CQ-300，角度分辨率為 0.05°～0.10°。在舉升平臺(tái)安裝時(shí)，安裝區(qū)域開設(shè)基坑，通過地錨器將鉸座、底座與基坑內(nèi)底面固定，當(dāng)坡度降為 0°時(shí)，保證舉升平臺(tái)上表面與地面在同一平面。當(dāng)坡度逐步升高時(shí)，被試設(shè)備可通過鉸座 A 側(cè)駛?cè)肫碌肋M(jìn)行試驗(yàn)。舉升平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

試驗(yàn)臺(tái)液壓泵站與操作臺(tái)集成一體，其中液壓泵站由三相異步電動(dòng)機(jī)、齒輪泵、油箱、液壓管路、液壓換向閥等組成，為試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)提供液壓動(dòng)力。泵站上側(cè)設(shè)置操縱臺(tái)，操作臺(tái)面板安設(shè)有手動(dòng)液壓換向閥、電動(dòng)機(jī)啟停按鈕、平臺(tái)傾角顯示屏、液壓系統(tǒng)壓力表等，能夠在平臺(tái)傾角調(diào)節(jié)過程中實(shí)時(shí)顯示角度和液壓系統(tǒng)壓力。

圖3 舉升平臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of lifting platform

3 受力計(jì)算

根據(jù)舉升平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行各元件的力學(xué)分析。首先建立力學(xué)模型，如圖 4 所示。以O(shè)1點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，則O2和O3點(diǎn)坐標(biāo)可以確定。根據(jù)平面力學(xué)原理可知，液壓缸推力為F2，沿O3C方向；拉桿拉力為F1，沿AO2方向；B點(diǎn)受力為FB，沿DB方向，F(xiàn)B為F1和F2的合力。

圖4 舉升平臺(tái)力學(xué)模型Fig.4 Mechanical model of lifting platform

設(shè)定當(dāng)平臺(tái)傾角為α?xí)r，負(fù)載與平臺(tái)總質(zhì)量m=40 000 kg。由于此時(shí)臺(tái)面靜止，處于受力平衡狀態(tài)，平臺(tái)下翻力矩M1與上翻力矩M2相等，

可根據(jù)式 (1)～(3)計(jì)算出拉桿拉力F1與液壓缸推力F2最大受力值。傾角α從 0°開始計(jì)算，每間隔1°計(jì)算一次。計(jì)算得液壓缸推力F2max=633.38 kN，此時(shí)平臺(tái)傾角為 1°；拉桿拉力F1max=375.7 kN，此時(shí)平臺(tái)傾角為 30°。

4 關(guān)鍵零件強(qiáng)度分析

升降平臺(tái)中拉桿及三角架受力較為集中，為關(guān)鍵受力零部件。其中拉桿材質(zhì)選用 16Mn，按照拉桿最大承受拉力F1max=380 kN 進(jìn)行受力分析。分析結(jié)果如圖 5 所示，拉桿最大應(yīng)力約為 34 MPa，遠(yuǎn)低于 16Mn材料的屈服極限，強(qiáng)度滿足使用要求。

圖5 拉桿受力情況分析Fig.5 Analysis on force state of pull rod

三角架材質(zhì)選用 16Mn，整體為焊接結(jié)構(gòu)。根據(jù)受力情況計(jì)算，當(dāng)平臺(tái)與水平面之間傾角為 1°時(shí)，液壓缸推力最大，F(xiàn)2max=635 kN。按F2max=635 kN 進(jìn)行受力分析，三角架最大應(yīng)力基本在 100 MPa 以內(nèi)，強(qiáng)度滿足使用要求。三角架網(wǎng)格化模型如圖 6 所示，受力情況分析如圖 7 所示。

圖6 三角架網(wǎng)格化模型Fig.6 Meshed model of tripod

圖7 三角架受力情況分析Fig.7 Analysis on force state of tripod

5 液壓系統(tǒng)計(jì)算

2 根液壓缸最大推力F2max=635 kN，則單根液壓缸提供的推力為 317.5 kN，據(jù)此初步選取液壓缸直徑。設(shè)缸徑D=180 mm，桿徑d=120 mm，液壓系統(tǒng)最大設(shè)計(jì)壓力為 16 MPa。當(dāng)無桿腔壓力為 16 MPa，有桿腔回油背壓為 1 MPa 時(shí)，液壓缸推力F2=393 kN >317.5 kN，從而確定液壓缸缸徑規(guī)格[7]。

如圖 8 所示，當(dāng)平臺(tái)傾角α=0°時(shí)，液壓缸長度為 1 773 mm；當(dāng)平臺(tái)傾角α=30°時(shí)，液壓缸長度為3 023 mm。由此可知，坡道在 0°～30°范圍調(diào)節(jié)過程中，液壓缸行程L=1 250 mm。

圖8 平臺(tái)傾角與液壓缸長度關(guān)系Fig.8 Relationship between platform obliquity and hydraulic cylinder length

平臺(tái)從 0°～30°舉升過程中，液壓缸總計(jì)需要液壓系統(tǒng)供油量

計(jì)算得V=65.6 L。

初步選用齒輪泵排量q=32 mL/r，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n=1 450 r/min，容積效率ηv=0.9，機(jī)械效率ηm=0.95，則泵輸出流量

齒輪泵 2 min 內(nèi)可以提供油量為 83.4 L，>65.6 L。該齒輪泵滿足使用要求。

液壓泵站設(shè)計(jì)額定壓力p=18 MPa，所需電動(dòng)機(jī)功率

選取電動(dòng)機(jī)功率P=15 kW。

6 結(jié)語

通過總體方案設(shè)計(jì)、機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及受力計(jì)算、關(guān)鍵零部件受力分析、液壓系統(tǒng)計(jì)算選型等，研制了礦用履帶式鉆孔設(shè)備爬坡能力試驗(yàn)臺(tái)。該試驗(yàn)臺(tái)具備傾角調(diào)節(jié)及角度值實(shí)時(shí)顯示功能，能夠滿足 30 t 重履帶式鉆孔設(shè)備的爬坡能力測試。實(shí)踐證明，試驗(yàn)臺(tái)功能及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均滿足使用要求。