礦用履帶式鉆孔設備爬坡能力試驗臺的設計

許海龍

1煤炭科學技術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實驗室 北京 100013

為適應煤礦井下地質條件的復雜性，礦用履帶式鉆孔設備在使用中應具備一定的爬坡能力。爬坡能力作為一項重要的運動學性能，用于表征設備的極限運動能力，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備滿載時以額定低速擋在良好路面上正常行駛狀態下所能克服的最大坡度[1]。在實際應用中，影響設備爬坡能力的因素較多，行駛阻力包括坡度阻力、滾動阻力、加速阻力和空氣阻力，根據設備的驅動力及平衡關系，可以建立起平衡行駛方程式[2]。爬坡能力與整車結構設計、前后橋載荷分配、動力配置、傳動系統速比以及整車作業性能等方面的合理性有很大關系[3]。爬坡性能主要表現為爬坡的穩定性和動力性。穩定性由機械結構設計形式決定，動力性則由設備傳動轉矩和整機功率決定[4]。最大爬坡度對設備整體性能有著至關重要的影響，因此，爬坡能力試驗是型式檢驗和出廠檢驗必不可少的項目。現場試驗中，按企業標準規定的坡度值設置坡道角度，以額定低速擋進行爬坡試驗，若能夠正常通過即為爬坡試驗合格。由于不同企業、不同設備的坡度設計值不同，因此有必要設計一套可調節坡度的爬坡能力試驗臺。

1 總體方案設計

礦用履帶式鉆孔設備爬坡能力測試過程中，在規定坡度坡道爬坡行走時應運行平穩、靈活，剎車后不應產生自動下滑、卡滯及異常聲響等現象。試驗中首先將可調角度坡道平臺調節至規定坡度，礦用履帶式鉆孔設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。爬坡能力試驗臺采用坡度可調式設計，根據目前產品狀況及未來發展趨勢，角度在 0°～30°范圍內可調節，全行程調節時間不超過 2 min。試驗臺最大承載能力不低于 30 t，坡道臺面長寬尺寸為 7 000 mm×2 500 mm，設定起升時重心在臺面中心處。整個設備主要分為可調節坡度舉升平臺和液壓泵站 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時顯示，傾角角度顯示儀表安裝在液壓泵站上側臺面[5]。總體方案如圖 1 所示，三維結構設計模型如圖 2 所示。

2 機械結構設計

圖1 總體設計方案Fig.1 Overall design scheme

圖2 三維結構設計模型Fig.2 Model of 3D structural design

舉升平臺主要由平臺、舉升液壓缸、鉸座、三角架、拉桿等部分組成，平臺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，實現平臺與地面的坡度調節功能。其中鉸座 A 和鉸座 B 固定在地面上，試驗臺坡度調節時，通過控制舉升液壓缸活塞桿伸縮，從而達到 0°～30°坡度可調的要求[6]。傾角傳感器通過螺栓安裝在舉升平臺下側，型號為 CQ-300，角度分辨率為 0.05°～0.10°。在舉升平臺安裝時，安裝區域開設基坑，通過地錨器將鉸座、底座與基坑內底面固定，當坡度降為 0°時，保證舉升平臺上表面與地面在同一平面。當坡度逐步升高時，被試設備可通過鉸座 A 側駛入坡道進行試驗。舉升平臺結構如圖 3 所示。

試驗臺液壓泵站與操作臺集成一體，其中液壓泵站由三相異步電動機、齒輪泵、油箱、液壓管路、液壓換向閥等組成，為試驗臺液壓系統提供液壓動力。泵站上側設置操縱臺，操作臺面板安設有手動液壓換向閥、電動機啟停按鈕、平臺傾角顯示屏、液壓系統壓力表等，能夠在平臺傾角調節過程中實時顯示角度和液壓系統壓力。

圖3 舉升平臺結構Fig.3 Structure of lifting platform

3 受力計算

根據舉升平臺結構進行各元件的力學分析。首先建立力學模型，如圖 4 所示。以O1點為坐標原點建立坐標系，則O2和O3點坐標可以確定。根據平面力學原理可知，液壓缸推力為F2，沿O3C方向；拉桿拉力為F1，沿AO2方向；B點受力為FB，沿DB方向，FB為F1和F2的合力。

圖4 舉升平臺力學模型Fig.4 Mechanical model of lifting platform

設定當平臺傾角為α時，負載與平臺總質量m=40 000 kg。由于此時臺面靜止，處于受力平衡狀態，平臺下翻力矩M1與上翻力矩M2相等，

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

4 關鍵零件強度分析

升降平臺中拉桿及三角架受力較為集中，為關鍵受力零部件。其中拉桿材質選用 16Mn，按照拉桿最大承受拉力F1max=380 kN 進行受力分析。分析結果如圖 5 所示，拉桿最大應力約為 34 MPa，遠低于 16Mn材料的屈服極限，強度滿足使用要求。

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

三角架材質選用 16Mn，整體為焊接結構。根據受力情況計算，當平臺與水平面之間傾角為 1°時，液壓缸推力最大，F2max=635 kN。按F2max=635 kN 進行受力分析，三角架最大應力基本在 100 MPa 以內，強度滿足使用要求。三角架網格化模型如圖 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 液壓系統計算

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，據此初步選取液壓缸直徑。設缸徑D=180 mm，桿徑d=120 mm，液壓系統最大設計壓力為 16 MPa。當無桿腔壓力為 16 MPa，有桿腔回油背壓為 1 MPa 時，液壓缸推力F2=393 kN >317.5 kN，從而確定液壓缸缸徑規格[7]。

如圖 8 所示，當平臺傾角α=0°時，液壓缸長度為 1 773 mm；當平臺傾角α=30°時，液壓缸長度為3 023 mm。由此可知，坡道在 0°～30°范圍調節過程中，液壓缸行程L=1 250 mm。

圖8 平臺傾角與液壓缸長度關系Fig.8 Relationship between platform obliquity and hydraulic cylinder length

平臺從 0°～30°舉升過程中，液壓缸總計需要液壓系統供油量

計算得V=65.6 L。

初步選用齒輪泵排量q=32 mL/r，電動機轉速n=1 450 r/min，容積效率ηv=0.9，機械效率ηm=0.95，則泵輸出流量

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

液壓泵站設計額定壓力p=18 MPa，所需電動機功率

選取電動機功率P=15 kW。

6 結語

通過總體方案設計、機械機構設計及受力計算、關鍵零部件受力分析、液壓系統計算選型等，研制了礦用履帶式鉆孔設備爬坡能力試驗臺。該試驗臺具備傾角調節及角度值實時顯示功能，能夠滿足 30 t 重履帶式鉆孔設備的爬坡能力測試。實踐證明，試驗臺功能及結構強度均滿足使用要求。