支架搬運車的設計分析與改進

1、支架搬運車的設計分析與改進摘要：隨著高產(chǎn)高效礦井綜采技術的快速發(fā)展，支架搬運車作為綜采工作面搬 家倒面設備，可以在較短的時間內(nèi)將液壓支架搬到新的連采工作面或地面上，不 僅節(jié)省了大量的人力、物力、財力，而且大大縮短了設備搬家停產(chǎn)的時間，滿足 了高產(chǎn)高效現(xiàn)代化礦井的使用要求。關鍵詞：支架搬運車；行走液壓系統(tǒng)；緩沖裝置；重載下坡；支架搬運車液壓驅(qū)動系統(tǒng)的工作原理，通過分析該車的閉式靜液壓驅(qū)動系統(tǒng)， 結合使用中出現(xiàn)的問題，應用液驅(qū)混合動力技術對液壓驅(qū)動系統(tǒng)進行改進的設計 研究，解決了車輛控制系統(tǒng)發(fā)熱量大、輪胎磨損嚴重的問題，整車的使用性能和 安全性得到進一步提高。一、液壓驅(qū)動系統(tǒng)存在問題支架搬運車自身

2、重量和負載大，煤礦井下工況惡劣，車輛速度變化頻繁，在 煤礦井下巷道行駛時，車輛需要頻繁加速與減速制動，系統(tǒng)壓力變化大，對各個 液壓元件沖擊也大，影響了液壓元件使用壽命，某型支架搬運車在惡劣工況下使 用引起液壓閉式泵的損壞，其補油泵為內(nèi)粘合齒輪泵，齒輪出現(xiàn)斷裂。補油泵損 壞直接導致系統(tǒng)壓力不夠，影響車輛正常使用。另外，車輛在重載下坡時，車輛 中心前移，后機架后面兩個車輪附著力減小，前兩個車輪由于慣性驅(qū)動馬達轉(zhuǎn)動， 使液壓馬達轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤罕霉r工作，此時，車輛處在減速制動工況，發(fā)動機停止 工作，液壓泵停止供能，轉(zhuǎn)變?yōu)楸霉r的液壓馬達驅(qū)動后面兩個變量馬達向相反 方向轉(zhuǎn)動，造成后面兩個輪胎倒轉(zhuǎn)，引起輪胎

3、磨損。輪胎倒轉(zhuǎn)加劇了輪胎的磨損， 影響了輪胎的使用壽命。二、支架搬運車重載下坡車速不穩(wěn)定原因分析支架搬運車負載特性。支架搬運車的液壓驅(qū)動系統(tǒng)采用液控DA變量泵一 HA變量馬達的容積調(diào)速回路，液壓泵輸出的流量驅(qū)動馬達旋轉(zhuǎn)運動，經(jīng)由減速 器變矩后，驅(qū)動輪胎行走。支架搬運車行駛過程中所受的阻力有滾動摩擦阻力、 加速阻力和爬坡時的坡道阻力，行走液壓系統(tǒng)利用馬達提供的牽引力克服這些阻 力后，為支架搬運車提供行駛驅(qū)動力。支架搬運車行駛時的受力方程為：Ft=Ff+Fp+Fm (1)式中，F(xiàn)t、Ff、Fp、Fm分別為支架搬運車驅(qū)動力、行駛摩擦阻力、坡道阻力 和加速阻力，N。支架搬運車負載特性包括馬達的轉(zhuǎn)矩特性

4、和轉(zhuǎn)速特性。馬達的 轉(zhuǎn)矩特性可以表示為：(2)式中，Mm為馬達輸出轉(zhuǎn)矩，Nm； rd為輪胎承載半徑，m； n為驅(qū)動輪胎數(shù) 量；id為減速機傳動比；Apm為馬達進出口壓差，105Pa； qm為馬達的排量， m3/r； qmm為減速機機械效率。馬達的轉(zhuǎn)速特性可以表示為：(3)式中，Nm為馬達轉(zhuǎn)速，r/min； Qam為馬達流量，m3/min； nvm為馬達的容 積效率；Qap為泵的流量，m3/min； qp為泵的排量，m3/r； n p為發(fā)動機的轉(zhuǎn)速， r/min； qvp為泵的容積效率。支架搬運車速度不穩(wěn)定原因分析。車輛在重載下坡時，車輛處在減速制動 工況，發(fā)動機停止工作，液壓泵停止供能，由于車

5、輛的慣性，此時雙向變量馬達 的旋轉(zhuǎn)方向不變，負載力矩驅(qū)動變量馬達，使液壓馬達轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤罕霉r工作， 將車輛的慣性能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤河偷膲毫δ?，這部分高壓油反作用到液壓泵，液壓泵 轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤厚R達工況，最后將這部分能量加載到發(fā)動機上，如果系統(tǒng)壓力足夠大 超過了發(fā)動機的制動扭矩，發(fā)動機轉(zhuǎn)速會加快，導致車輛在重載下坡時出現(xiàn)速度 不穩(wěn)定的問題。由支架搬運車負載特性可以得出：（1）車輛下坡時出現(xiàn)忽快忽 慢速度不穩(wěn)定問題，與車輛轉(zhuǎn)速特性有關，車速的變化主要由np和qm決定，馬 達控制方式是與高壓有關的自動控制方式，排量的設定值隨工作壓力的變化而自 動控制，在下坡時負載是基本不變，即系統(tǒng)工作壓力保持穩(wěn)定不變，排量不

6、變， 而車輛在下坡時，行走液壓系統(tǒng)中原低壓側變?yōu)楦邏簜?，負載通過液壓系統(tǒng)反饋 給發(fā)動機，引起了發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化，進而導致了泵轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，引起了車速的 不穩(wěn)定。（2）驅(qū)動輪力矩平衡方程為：Mm=FxR，F(xiàn)為車輪牽引力，日為車輪半 徑，車輛后輪出現(xiàn)倒轉(zhuǎn)，結合式（1）、（2），說明馬達輸出扭矩相反，牽引力 向相反的方向輸出，引起了車輪倒轉(zhuǎn)。馬達扭矩反轉(zhuǎn)說明系統(tǒng)輸出壓力方向發(fā)生 反轉(zhuǎn)，由原來的低壓側變成高壓側，導致輸出扭矩發(fā)生變化，加上車輛下坡時重 心前移，后輪附著力不足，相反方向的牽引力大于輪胎附著力，車輪發(fā)生倒轉(zhuǎn)。 為了解決這兩個問題，需要在車輛行走液壓系統(tǒng)中設計并安裝液壓緩沖裝置。三、支架搬運車

7、液壓驅(qū)動系統(tǒng)的改進設計液驅(qū)混合動力技術是基于二次調(diào)節(jié)靜液壓傳動技術而形成的一種新型混合動 力系統(tǒng)。系統(tǒng)運用液壓泵（馬達）可工作在四象限的特點，以液壓蓄能器作為可 逆儲能元件，回收制動時以熱的形式逸散的能量并進行再利用。一般將其用于給 車輛啟動和加速過程中提供輔助功率，從而減小發(fā)動機的裝機功率，降低油耗和 排放，延長制動系統(tǒng)元部件的服務壽命?？傎|(zhì)量為m的支架搬運車制動時，車速 從v1減至v2,其動能變化量AE，可以用下式表示：液驅(qū)混合動力技術具有功率密度大、能量釋放響應快和存儲能力強，結構緊 湊更適合對安裝空間受局限的場合，液壓泵（馬達）的輸出扭矩大很容易實現(xiàn)正 反裝，可以有效防止發(fā)動機超負荷運

8、轉(zhuǎn)，在工程機械和特種車輛的驅(qū)動系統(tǒng)中顯 示出較強的實用性。按照動力連接方式的不同，液驅(qū)混合動力車輛可以分為并聯(lián) 式、串聯(lián)式和混聯(lián)式及輪邊式混合動力車輛四種形式，結合支架搬運車的性能特 點和使用條件，改進后的車輛驅(qū)動系統(tǒng)采用串聯(lián)式液驅(qū)混合動力技術。該系統(tǒng)的 主要組成部分可分為：（1）可逆式液壓馬達液壓泵，產(chǎn)生制動或驅(qū)動轉(zhuǎn)矩用以 驅(qū)動車輛行駛；（2）高壓蓄能器，利用其功率密度大的特點，作為回收儲存能 量裝置用于蓄積制動能量；（3）發(fā)動機，系統(tǒng)的恒壓動力源。車輛在不同的運 行狀態(tài)時，其能量回收系統(tǒng)相應的工作情況可分為：啟動階段：駕駛員進行起 動操作時，開關閥打開，壓力油從蓄能器中輸出，驅(qū)動液壓馬達。

9、即使發(fā)動機節(jié) 氣門開度很小，也可使車輛平穩(wěn)動；加速階段：液壓馬達工作，對發(fā)動機的輸 出轉(zhuǎn)矩起助力作用。即車輛加速時的能源不僅來自發(fā)動機，而且來自液壓馬達； 正常運行階段：此時僅由發(fā)動機提供車輛驅(qū)動力源；制動階段：在非緊急 制動的情況下，踩下制動踏板，起初車輛在慣性的作用下保持液壓馬達的運動方 向不發(fā)生改變，而后很快負載力矩就會驅(qū)動液壓馬達使其工況發(fā)生逆轉(zhuǎn)，由馬達 工況轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤罕脤④囕v巨大的慣性能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗?，這些具有較大壓力能的液 壓油液就會被收集并儲存在高壓蓄能器內(nèi)。此時若蓄能器內(nèi)的壓力油p1與蓄能 器設定的許可最高壓力pmax在支架車停車之前滿足p1pmax，其中最高工作壓 力由溢流閥設定，則意味著減速制動過程結束。反之如果蓄能器內(nèi)的壓力油 p1=pmax而制動過程卻尚未結束，變量馬達仍然處于工作狀態(tài)，此時液壓系統(tǒng)內(nèi) 的主油路壓力會一直處于上升狀態(tài)直到壓力足以打開主回路中溢流閥，依靠溢流 閥的調(diào)定壓力所產(chǎn)生的阻力矩完成減速制動?？傊Ъ馨徇\車液壓驅(qū)動系統(tǒng)的研究，重點分析了支架搬運車下坡時制動 工況下行走系統(tǒng)的能量變化過程及車輛所存在的問題，并提出了具體的改進方案， 即將串聯(lián)式液驅(qū)混合動力技術應用到支架搬運車上，通過理論分析研究和實際應 用驗證相結合的方法，我們得出如下結論：改進后的液壓驅(qū)動系統(tǒng)具有能量回收 功能，其結構簡單相應的控制策略也較為簡便，便于實現(xiàn)能量