楊文強， 高貴軍 ，鄭 杰 ，王唯博

(1.太原理工大學 機械與運載工程學院，山西 太原 030024；2.礦山流體控制國家地方聯(lián)合工程實驗室，山西 太原 030024；3.山西省礦山流體控制工程技術研究中心，山西 太原 030024)

煤礦生產(chǎn)中會有一些安全事故的發(fā)生，礦井突水就是其中常見的突發(fā)性強烈安全事故之一[1-3]。礦井突水事故帶來的不只是經(jīng)濟損失，更嚴重的是造成井下人員傷亡[4-6]。當前已經(jīng)建立了全面可靠的預防體系，礦井突水事故發(fā)生率已經(jīng)有所下降，但突水事故仍時有發(fā)生。為了避免或減少水害事故的發(fā)生頻率，或者在重大水害事故發(fā)生后能及時予以控制以免災害蔓延，能有效地組織搶險救助，就應居安思危[7]，研發(fā)完備的應急救援設施。

目前煤礦突水救援現(xiàn)場現(xiàn)狀：排水所需水泵搬運方式落后，在軌道交通失效的巷道內(nèi)，需多人通過肩抗手抬的方式將潛水泵運送到排灌點，這種搬運方式不僅效率低，費時費力且易發(fā)生危險；傾斜巷道追排水困難，傾斜巷道排水過程中水泵要隨著水位的下降而下降，這個過程仍需要人力移動水泵來實現(xiàn)追排水，且傾斜巷道易發(fā)生淤積物的滑坡，在救援過程中造成次生災害，嚴重威脅救援人員的生命安全。

為了提高災后救援的安全性和效率，設計了一種變軸距礦用突水應急排水車。對該車不同軸距坡路上行和下行兩種工況進行仿真，為實車安全的功能實現(xiàn)和穩(wěn)定運行提供科學依據(jù)。

1 系統(tǒng)組成

1.1 礦用突水應急車設計要求

煤礦巷道空間狹小[8，9]，部分巷道傾斜度大，礦井內(nèi)部因載重的差異有600mm和900mm不同軌距的軌道運輸系統(tǒng)[10]，且突水事故后，部分巷道泥石沉積，通行條件差，此外為了減輕勞動強度，排水車需集成排水系統(tǒng)，且排水系統(tǒng)具有升降能力，基于以上考量，因此排水車需滿足體積小、通過性好、行走裝置軸距可調(diào)、搭載能力強且具備起吊能力的特點。基于以上設計需求，變軸距礦用突水履帶排水車基本參數(shù)見表1。

表1 礦用突水排水車基本參數(shù)

1.2 礦用突水應急車組成

本研究結合礦用突水應急排水車的設計要求，設計了一種變軸距礦用突水履帶應急排水車。該排水車組成如圖1所示，排水車由傳動系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、起吊系統(tǒng)、車架、輔助支腿和行走履帶構成?？紤]履帶移動式底盤具有接地比壓小、附著性能好、轉(zhuǎn)彎半徑小、越障能力強等優(yōu)點，在坡地、粘著及潮濕地使用時性能顯著[11-13]。

圖1 礦用突水應急排水車組成

更加適合在煤礦突水后巷道內(nèi)部泥石堆積，通過性較差的環(huán)境下工作，因此選用履帶作為礦用突水應急排水車的行走機構。液壓元件體積小、重量輕、方便布置[14，15]，容易實現(xiàn)機器的自動化等優(yōu)點，且履帶由液壓馬達驅(qū)動，因此采用液壓傳動作為排水車的傳動系統(tǒng)。

2 主要結構設計

2.1 液壓輔助支腿設計

液壓輔助支腿裝置，其作用是支撐車架，為實現(xiàn)排水車變軸距做準備。該支腿由支腿箱、垂直液壓缸，缸筒固定銷和支腿筒座組成。支腿箱通過螺栓固定在車架前后端的立柱上；垂直液壓缸的安裝形式為中部銷軸連接；垂直液壓缸行程300mm，可將礦用突水排水車抬離地面100mm。垂直液壓缸的伸縮驅(qū)動支腿筒座在支腿箱中垂直移動，實現(xiàn)車架的支起和回落。液壓輔助支腿如圖2所示。

圖2 液壓輔助支腿

2.2 排水車變軸距裝置結構設計

根據(jù)《煤礦礦井設計規(guī)范》中規(guī)定：井下標準軌距為600mm和900mm[16]，為了實現(xiàn)履帶應急排水車在不同軌距下都具有跨行能力，設計了排水車變軸距裝置。該裝置通過單側履帶橫向移動的方式實現(xiàn)排水車軸距的調(diào)整。變軸距裝置結構設計如圖3所示，該裝置由車架、水平油缸、L型支腿和行走履帶構成。L型支腿的水平段和水平液壓缸位于車架橫梁方鋼內(nèi)部，液壓缸的缸體端和活塞端的安裝結構都采用耳環(huán)式，缸體端和車架通過銷軸連接，活塞桿一端和L型支腿水平段末端的耳座通過銷軸連接。

圖3 排水車變軸距裝置結構設計

排水車軸距改變時，四個液壓輔助支腿伸出將車架抬起，通過水平液壓缸的伸縮驅(qū)動L 型支腿在橫梁中左右移動，進而帶動履帶橫向移動，實現(xiàn)履帶軸距的調(diào)整。

3 運動學仿真

3.1 履帶排水車行駛力學

排水系統(tǒng)作為履帶底盤的主要負載位于車架中部，當應急排水車通過單側履帶伸縮改變軸距時，會導致雙邊履帶受力不均進而影響排水車的動力學性能，這種影響在坡路上行和下行的復雜工況下更為明顯。

變軸距礦用突水排水車在行駛過程中遵循能量守恒定律[17]：

Wf=Ff·S

(2)

假定法向壓力分布均勻，對于接觸壓強分布均勻的一條履帶，通過Bekker提出的壓強-沉陷量式(3)來表征[18]：

式中，P為壓強，Pa；b為接地面履帶的寬度，即矩形接觸面的寬度，mm；Z為沉陷量，mm；而n、kφ和kc為描述壓強-沉陷量關系的參數(shù)。

式中，G為履帶的發(fā)向壓力；L為接地面長度。行駛阻力公式為：

在軸距為1130mm的工況時，左右履帶相對于排水系統(tǒng)呈對稱布置，左右履帶受到的壓力均等，對地面造成的沉陷量也相同，因此受到的阻力近乎相等；在軸距1470mm的工況時，由于單側履帶的伸縮移動，導致雙邊履帶相對于排水系統(tǒng)呈非對稱布置，造成雙邊履帶承受壓力不均，兩履帶的沉陷量Z不同，履帶需要的驅(qū)動扭矩也將不同。因此有必要對排水車不同軸距在坡路上行和下行的工況下進行動力學仿真，驗證排水車的動力學性能，減少實車試驗，為變軸距礦用突水履帶應急排水車實際安全運行提供可靠的依據(jù)。

3.2 礦用突水排水車履帶底盤拓撲結構分析

對排水車行走履帶進行建模時，在確保各部件運動關系與實際相符合的前提下，需要對底盤行走系統(tǒng)各部件做相應的簡化[19]。張緊裝置與履帶架通過阻尼彈簧和平移副相互約束，驅(qū)動輪等輪系部件與其對應的連接部件通過旋轉(zhuǎn)副相互約束，以確保履帶底盤各部件具有確定的運動關系。同時為了提高模型求解速度以及計算效率，將履帶底盤的其余部件與車體合并為一個剛體系統(tǒng)模型[20]。

根據(jù)簡化后的各部件之間的約束模型，建立排水車行走履帶模型的拓撲結構如圖4所示，各部件及具體約束情況見表2。

表2 排水車履帶底盤各部件之間的約束情況

圖4 排水車履帶底盤模型的拓撲結構

3.3 礦用突水排水車多體動力學模型

首先借助三維建模軟件UG，建立礦用排水車車架和潛水泵等部件的三維模型，并將模型導入多體動力學軟件RecurDyn中并設置為母體；其次在RecurDyn/Track(LM)子系統(tǒng)中根據(jù)設計數(shù)據(jù)對履帶、驅(qū)動輪、托帶輪等履帶部件進行參數(shù)化建模和裝配，并定義部件材料設置履帶和其余部件間的接觸參數(shù)，建立初步的履帶底盤多體動力學模型；再者結合排水車履帶底盤的拓撲結構定義各部件間的約束關系，并增加鏈輪的運動屬性；最后根據(jù)計算所得履帶張緊力大小定義模型中履帶的預緊力，進而完成履帶底盤多體動力學建模，所建立履帶底盤多體動力學模型如圖5所示。該車左右履帶中心距B=1130～1470mm；履帶板寬度b=300mm；履帶接地長度2420mm。排水車整機虛擬樣機模型如圖6所示。

圖5 排水車單邊履帶模型

圖6 排水車整車虛擬樣機

3.4 仿真設置及其分析

為了使動力學分析結果更加準確，根據(jù)煤礦突水事故發(fā)生后巷道內(nèi)路面的屬性，在recurdyn軟件中分別建立坡度為30°的上坡和下坡模擬路面，并以設計時最大速度2.4km/h驅(qū)動排水車，讓排水車以不同軸距勻速通過路面。

3.4.1 不同軸距坡面上行仿真及其分析

變軸距礦用突水應急排水車分別以1130mm和1470mm不同軸距通過30°上坡路面，過程中以雙邊履帶的驅(qū)動力矩作為行駛特性的主要分析參數(shù)，仿真結果如圖7所示。

圖7 排水車整車虛擬樣機

由圖7可得排水車在不同軸距30°坡面上行過程中固定履帶和伸縮履帶驅(qū)動輪扭矩的最大值和穩(wěn)態(tài)值，詳值見表3。

表3 不同軸距30°坡面上行扭矩數(shù)值

仿真分析：通過圖7中履帶俯仰角曲線可知排水車的行駛過程如下：2～6s處于水平路面，排水車克服行駛阻力做功，因此扭矩較??；6～9s排水車通過水平路面和坡面的過渡段，排水車克服行駛阻力和服重力做功，此時履帶接地段減少，導致扭矩非線性增加；9～26s排水車處于上坡路面，排數(shù)車克服重力和行駛阻力做功，扭矩保持穩(wěn)定。

通過圖7和表3可知，當軸距是1470mm時，排水車固定履帶的穩(wěn)態(tài)扭矩值比伸縮履帶高2078N·m，而軸距1130mm時兩單邊履帶的穩(wěn)態(tài)扭矩值近似相等，約為5000N·m，是因為軸距變寬時，伸縮履帶距離排水系統(tǒng)安裝位置相對于固定履帶變大，導致伸縮履帶受到的壓力減小，相應的地面沉陷量變小，地面給伸縮履帶的阻力變小，驅(qū)動扭矩也相應變小，反之對于固定履帶驅(qū)動扭矩變大。

3.4.2 不同軸距坡面下行仿真及其分析

變軸距礦用突水應急排水車分別以1130mm和1470mm不同軸距通過30°下坡路面，過程中以雙邊履帶的驅(qū)動力矩作為行駛特性的主要分析參數(shù)。排水車在不同軸距30°坡面下行過程中固定履帶和伸縮履帶驅(qū)動輪扭矩的最大值和穩(wěn)態(tài)值，見表4。

表4 不同軸距30°坡面下行扭矩數(shù)值

仿真分析：通過履帶俯仰角曲線可知排水車的行駛過程如下：2～6s處于水平路面，排水車克服行駛阻力做功，因此扭矩較小；6～9s排水車通過水平路面和坡面的過渡段，此時履帶和地面線接觸，導致扭矩非線性增加；9～26s排水車處于下坡路面，重力做正功，行駛阻力做負功，為保持排水車速度恒定，輸出扭矩反向并保持穩(wěn)定。

通過表4可知，當軸距是1470mm時，排水車固定履帶的穩(wěn)態(tài)扭矩值比伸縮履帶高1100N·m，而軸距1130mm時兩單邊履帶的穩(wěn)態(tài)扭矩值近似相等約為3000N·m。

4 結 語

根據(jù)目前煤礦突水排水救援中存在的問題設計了一種變軸距礦用突水應急排水車，解決了現(xiàn)場救援中水泵運輸、傾斜巷道排水和對不同軌距軌道通行能力差的問題，提高了排水救援的效率。

通過仿真結果可知，當軸距為1130mm時，排水車在30°坡路上行和下行過程中左右驅(qū)動輪穩(wěn)態(tài)扭矩大致相同；當軸距為1470mm時，排水車在30°坡路上行過程和下行過程左右履帶驅(qū)動輪扭矩差值分別為2078N·m和1100N·m，是排水車最大輸出扭矩11500N·m的18%；同時在水平路面和坡面的過度路段，驅(qū)動輪扭矩會非線性增加，最大為8673N·m，小于排水車理論最大輸出扭矩。針對雙邊履帶存在扭矩差的問題，在設計履帶液壓驅(qū)動系統(tǒng)時采用相互獨立的設計方式，同時在坡度較大路面上爬行時可以將載荷偏置以減小左右履帶扭矩差值以保證排水車的平穩(wěn)正常運行。通對虛擬樣機的動力學分析，為實車的功能實現(xiàn)和穩(wěn)定運行提供科學依據(jù)。