應急移動排水車軌陸切換系統設計

　, 　(太原理工大學 機械工程學院， 山西 太原　030024)

引言

由于礦井作業工況環境特殊，隨著礦井開采量的不斷增加，礦山企業面臨的水患威脅也越來越嚴重，水害已成為煤礦開采的五大災害之一[1]。目前礦山救援排水一般都是采用大流量、高揚程的水泵，但重量較重、體積較大的水泵在運往排水現場和管路連接等存在諸多不便，因此影響了礦井搶險排水的速度，如在山西某礦重大透水事故處理過程中，在發生事故后近50 h 無法實現正常排水。礦井巷道工況復雜，巷道高度和寬度都有一定的限制，現行的排水車大多體積龐大，裝載的排水設備移動不靈活，操控不方便，這不能滿足應急搶險排水的要求。因此，使用具有集成度高、緊急排水響應迅速、排水設備流量大、現場準備時間短、井下復雜路面通過性好、可實現自動連續排水、保障井下工作人員的生命及物資安全等特點的軌道地面兩用移動排水車顯得越來越重要[2]。

1　應急移動排水車的總體構成

應急移動排水車主要用于煤礦傾斜井透水事故后攜帶排水設備快速到達指定排水工作地點，車上集成的排水設備可以縮短排水現場準備時間盡快投入到排水工作中。應急移動排水車主要構成部分有履帶行走系統、軌道行走系統、排水系統、控制系統和液壓泵站。應急移動排水車的整體結構如圖1所示。

針對礦井巷道的特殊工況，該車設計了軌道行走系統和履帶行走系統兩種行走方式。在傾斜井巷道中鋪設有礦車行走軌道，排水車可以通過軌道行走系統支撐在軌道上通過絞車牽引行進。若礦井巷道透水后路面通過性變差，依靠軌道行走系統前行困難時，則可以切換至履帶行走機構。軌陸行走系統的設計提高了排水車對礦井巷道工況的適應性，可以更高效地開展排水救援工作。

1.排水系統　2.履帶行走系統　3.軌道行走系統　4.車架 5.液壓泵站　6.控制系統

2　應急移動排水車軌陸切換系統的設計

2.1　軌陸切換系統的結構設計

軌陸切換裝置在排水車的兩端分別安裝兩組，其結構如圖2所示。

1.下鉸接座　2.驅動油缸　3.限位釘　4.上鉸接座　5.上自鎖連桿 6.下自鎖連桿　7.上連桿　8.支撐桿　9.軌道輪　10.下連桿

軌陸切換裝置通過上下鉸接座安裝在排水車兩端，驅動油缸通過驅動自鎖連桿帶動四連桿結構運動從而帶動軌道輪的上下移動，實現軌陸切換作用。

2.2　軌陸切換系統的運動學分析

軌陸切換系統的采用了雙鉸鏈四桿機構的設計，如圖3所示。上自鎖連桿BC、下自鎖連桿BE、下連桿AE和鉸接座構成一組驅動鉸鏈四桿機構；下連桿、支撐桿、上連桿和鉸接座構成一組支鉸鏈四桿機構。油缸驅動力作用于B點，以上自鎖連桿BC為主動件，當油缸收縮時驅動連桿BC逆時針轉動，并連桿BE驅動連桿AE逆時針轉動，此時支撐輪向下運動軌道上，從而完成排水車軌道行走的切換。當主動連桿BC與連桿BE共線時，在限位釘的阻擋下連桿BC停止動作，此時機構處于死點位置，軌陸切換裝置不會反轉(折回)，這可使軌道行走系統更加可靠[3]。

1.軌道輪　2.下連桿　3.下鉸接座　4.下自鎖連桿 5.上自鎖連桿　6.上鉸接座　7.上連桿　8.支撐桿

2.3　軌陸切換系統的液壓系統設計

應急移動排水車的履帶行走裝置采用液壓傳動，每條履帶有各自的驅動液壓馬達及減速裝置，軌道行走依靠礦井中的絞車牽引行進，軌道行走和履帶行走根據實際工況進行切換。軌陸切換機構的液壓回路采用了自鎖回路設計，從而保證系統的可靠性，如圖4所示。

1.油箱　2.液壓泵　3.溢流閥　4.三位四通換向閥 5.液控單向閥　6.液壓缸

以液壓缸為研究對象，對其輸出作用力進行計算，如圖5所示。

圖5　雙作用單桿液壓缸分析簡圖

設液壓油進入有桿腔的流量為q1,活塞的收縮速度為v1，油缸桿的輸出力為F1[4]。

(1)

當液壓油進入有桿腔的流量為q2，活塞的外伸速度為v2，油缸桿的輸出力為F2。

(3)

式中，A1—— 液壓缸有桿腔作用面積

A2—— 液壓缸無桿腔作用面積

p1—— 進油工作壓力

p2—— 出油工作壓力

3　應急移動排水車軌陸切換液壓系統的仿真

本研究利用動力學分析軟件ADAMS提供的Controls模塊，將機械系統仿真分析同液壓系統設計仿真軟件AMESim連接起來，將液壓控制添加到機械機構模型運動中，然后對系統進行聯合仿真分析[5]。

3.1　ADAMS模型構建

利用SolidWorks建立軌陸切換機構三維實體模型，并將模型導入ADAMS中，對零件進行約束，并考慮系統重力和材質，建立軌陸切換機構動力學仿真模型，如圖6所示。

圖6　軌陸切換機構的動力學仿真模型

應急移動排水車重約3.5 t，四個軌道行走機構承受均載，為了采集軌陸切換過程中軌道輪的受力情況，在機構運動5 s后對其施加了10000 N的阻力來模擬承載工作。驅動油缸收縮，機構向下運動，將油缸的驅動力作為Plant Input，軌道輪的運動速度和受力為Plant Onput。在ADAMS中建立動力學模型后，再利用ADAMS/Controls建立AMESim和ADAMS之間的接口，實現兩者間的數據傳輸[6]。

3.2　AMESim模型建立

根據液壓原理圖，在AMESim中選擇相應的元件和ADAMS接口建立起軌陸切換系統的液壓系統模型，如圖7所示。

圖7　液壓系統仿真模型

液壓系統模型的主要參數進行設置，三位四通電磁換向閥的額定電流為40 mA、頻率為20 Hz、阻尼比為0.8、相對開啟流速為15 L/min、相對壓降為1 MPa、由層流轉為湍流系數為2260；溢流閥的開啟壓力為7 MPa；液壓油的密度為850 kg/m3、體積模量為1700 MPa、絕對黏度為51 cP；液壓泵排量為86 mL/r，轉速為1300 r/min； 電動機轉速為1300 r/min；液控單向閥的開啟壓力為1 MPa；液壓缸初始壓力為0、活塞直徑為90 mm、活塞桿直徑為50 mm、行程為280 mm。

3.3　仿真結果分析

在ADAMS中設定系統仿真時間為13 s，時間步長為0.01 s，AMESim與ADAMS的數據交換時間間隔為0.001 s，進行機械液壓耦合仿真結果如圖8所示。

在模型剛剛進入運行的時候，油缸驅動力為3000 N， 此時運動速度出現了較大的震動，后來趨于平穩。在5 s時給輪子施加了阻力，10 s時阻力達到10000 N，從而模擬軌道輪接觸軌道后輪子受力情況，動力學系統中軌道輪的運動速度趨向于0，但有一定波動。隨著油缸驅動力的增大，當軌道輪的支撐力大于承載時，排水車開始被支撐于軌道之上。仿真結果顯示，軌道輪接觸軌道并支撐起車輛的過程中，速度出現突變，說明該運動過程中有沖擊存在，在排水車的研制過程中要進一步結合實驗分析并進行處理。

圖8　聯合仿真結果曲線

4　結論

通過軌陸切換系統仿真模型的分析， 可以直觀地觀察到系統運行過程中主要特性參數和變化規律，驗證了系統的可行性。仿真結果的分析說明該系統可以完成軌陸切換過程并進行軌道行走，但在運行過程中存在一定的沖擊和震動情況，為應急移動排水車的研究提供了參考，在進一步的設計中要對機構進一步優化并對液壓系統的運行和控制方式進行實驗，盡量減小系統運行中的沖擊和震動，提高系統運行的平穩性。運用AMESim與ADAMS的聯合仿真，可以實現系統機械液壓的聯合仿真分析，也初步驗證了軌陸切換系統的可行性，為排水車的研制提供了參照。

參考文獻：

[1]孫保敬,孟國營.礦山排水搶險應急救援系統設計[J].煤炭科學技術,2009,(6):90-91.

[2]袁英.井下應急排水車行走機構的設計研究[D].太原:太原理工大學,2012.

[3]孫桓,陳作模,葛文杰.機械原理[M].北京:高等教育出版社,2006.

[4]劉延俊.液壓與氣壓傳動[M].北京:機械工業出版社,2006.

[5]劉威,孟祥金,等.液壓支腿機械液壓聯合仿真分析[J].農機化研究,2012,(8):12-17.

[6]王松峰,趙虎,等.大型挖掘機閉式回轉系統聯合仿真研究[J].液壓與氣動,2013,(6):93-98.