WC55Y框架式支架搬運車行走系統的設計

陳思遠

（國家能源集團寧夏煤業有限責任公司， 寧夏 銀川 750000）

引言

框架式支架搬運車是一種以防爆柴油機為動力，通過靜液壓驅動的大型輔助運輸車輛，主要用于煤礦綜采工作面液壓支架安裝、倒面和撤除工作。框架式支架搬運車相對于鏟板式支架搬運車，由于采用U型框架式搬運方式，無需額外配重，載荷自重比大；由于采用靜液壓驅動，其低速時傳動效率遠高于液力驅動。隨著煤炭開采技術的發展，部分大礦工作面綜采設備總重量已過萬噸，單個液壓支架重量超過50 t。為了適應煤層走向，巷道設計坡度也呈逐漸增大的趨勢，比如黃玉川礦局部坡度超過16°，因此對支架搬運車運載重量和爬坡能力都提出更高的要求。本文對額定載重55 t，爬坡度為16°的框架式支架搬運車行走液壓系統的設計方法展開分析。

1 行走系統方案的選擇

框架式支架搬運車運輸過程屬于低速重載工況，尤其是爬大坡時，需要足夠的牽引力輸出，要求行走系統不僅吸收功率足夠大，還要有足夠高的總傳動效率。靜液壓驅動系統能夠有效低吸收柴油機功率，將其轉換成行走馬達的扭矩輸出，低速時轉換效率仍處于較高水平。

靜液壓驅動系統的實現，按照行走馬達工作轉速和扭矩的不同可以分為兩種，一種是采用高速小扭矩馬達的高速方案，另外一種是采用低速大扭矩馬達的低速方案。高速方案由于采用HA控制的高速變量馬達，其排量隨閉式回路高壓自動調節，配合DA控制的變量泵可以實現行走液壓系統的無級變速。高速方案的不足是，對于重載下坡的工況，基于HA控制的馬達變為泵工況時不能提供足夠的液壓反式制動，必須用工作制動控制車速，嚴重影響了制動器的可靠性和使用壽命。低速方案采用雙排量低速大扭矩馬達，車速調節是通過切換馬達的排量和改變自由輪數量來實現的。低速方案的不足在于其馬達效率略低于高速馬達，其優勢在于重載下坡通過切換至大排量全輪驅動能夠有效地實現液壓反式制動，因此國外廠家均采用低速方案。

本系統采用低速方案，兩個閉式泵通過柔性連接盤直接串在柴油機上，行走馬達采用4個雙排量馬達和2個單排量馬達，均為低速大扭矩馬達。閉式回路左右側完全一樣，其左側回路原理如圖1所示[1-2]。

圖1 左側行走液壓系統原理圖

2 柴油機動力的匹配

柴油機選型時，可以根據車輛行駛的牽引特性需求進行初選。框架式支架搬運車作為輔助運輸車輛，車輛滿載爬坡時消耗柴油機功率最大，可按照此時的功率消耗選擇柴油機功率。通常行走時消耗功率的元件包括柱塞泵、補油泵、負荷傳感泵、冷卻泵、發電機、空壓機。

最大坡度爬坡時的速度一般在0.5～0.6 m/s，此時空氣阻力和加速阻力可忽略，其行駛方程可以用下式表示：

式中：Ft為整車牽引力；m為整車滿載質量，79 000 kg；g為重力加速度，取9.81 m/s2；f為滾動阻力系數，實心輪胎硬化路面，取0.04；α為爬坡度，不得小于14°，此處取16°。

整車坡道阻力表圖1所示[3]：

表1 整車坡道阻力表

柱塞泵的輸入功率可用下式表示：

式中：λ為柴油機功率儲備系數，取1.1；η為整車傳動總效率，使用低速馬達，取0.75；v為最大坡度時的車速，取 0.55 m/s。

柴油機總功率需求可以用下式表示：

發電機和空壓機按制造商提供的輸入功率直接帶入上式即可，補油泵、負荷傳感泵和冷卻泵的輸入功率可用下式計算：

式中：Vp為泵的排量，mL，；n為柴油機額定轉速，一般為2 200 r/min；Δp為工作壓差，開式系統即工作壓力，MPa，負荷傳感泵按其設定的待命壓力計算，冷卻泵的工作壓力與散熱器內部結構有關，可按0.5 MPa估算；η為泵的總效率，補油泵取0.85，負荷敏感泵取0.9，冷卻泵取0.8。

經計算柴油機總功率需求為P=219.6 kW，所以初選防爆后凈功率為240 kW的CKS6114型柴油機，這樣，除去輔助功率消耗后，用于行走系統的功率為210 kW。

3 閉式泵和行走馬達以及行走的分流控制

目前波克蘭公司生產的MS系列馬達和力士樂公司生產的A4VG新系列閉式泵工作壓力均達到了45 MPa，系統壓差最高可以做到42 MPa，而且其排量型譜都比較齊全，這給選型帶來了方便。

在采用靜液壓傳動容積調速行走系統的設計中，可以先根據整車牽引力要求選擇合適排量的馬達。馬達的輸出扭矩取決于馬達的排量和工作壓差，行走馬達的總排量可用下式表示：

式中：ηm為馬達的機械效率；rd為輪胎運動半徑；Ft為整車牽引力；Δp為馬達工作壓差，即系統壓差。

通常，馬達牽引力的選擇可通過表2進行粗選，然后按照產品樣本選擇就近排量型譜的馬達[4]。

表2 馬達排量-牽引力對照簡表

對于具有重載低速爬坡工況的車輛，系統中必須設置馬達流量分配閥，當遇到個別車輪打滑無法行走時，切換至強制分流狀態將打滑的車輪對應的馬達進行差速鎖定。所以，馬達的總排量確定后，需根據6個驅動輪選定的馬達排量和輪胎運動半徑選擇流量分配閥的分流比，使得每個驅動輪的線速度保持一致。分流閥原理簡圖如下頁圖2所示：

圖2 分流閥液壓原理簡圖

4 結語

WC55Y框架式支架搬運車裝配落地后，通過廠內基本參數測試，行走系統參數均達到設計指標，型式試驗可靠，其爬坡能力大、速度快、傳動效率高，特別適宜大型液壓支架大坡道搬家倒面作業，是目前國內框架式搬運車行走系統非常有效的解決方案。