探索影響防爆膠輪車爬坡性能的主要因素

梁志武

摘 要：本文主要從防爆膠輪車的傳動系統和井下路面附著力兩個方面來分析影響四驅防爆膠輪車爬坡性能爬坡能力的重要因素，結合某款輕卡車改裝后的防爆膠輪車為案例進行分析計算，驗證了上述兩方面的因素影響防爆膠輪車的爬坡性能。

關鍵詞：驅動力;防爆膠輪車;防爆柴油機;最大爬坡度;附著力;附著系數

1 引言

爬坡性能是衡量防爆膠輪車動力性能的主要指標之一，通常用滿載時防爆膠輪車在硬化水泥路面上的最大爬坡度來表示。按照煤礦井下實際情況，坡度能達到14度，甚至達到18度，因此各煤區單位在采購防爆膠輪車時，將爬坡能力作為一項做重要的動力性能。但是輕卡進行改裝后，其整車整備質量發生變化，嚴重影響到了整車質心分布，改裝后的防爆膠輪車的爬坡能力與原輕卡車相比，存在一定的差距。

本位以某款防敗膠輪車作為分析對象，從汽車理論上進行分析、計算，探討影響四驅防爆膠輪車爬坡性能的主要因素。

2 防爆膠輪車爬坡受力分析

根據汽車行駛方程式，防爆膠輪車在最大爬坡時，不做加速性能要求，因此驅動力僅需要克服滾動阻力、空氣阻力和坡道阻力。

防爆膠輪車爬坡行駛方程式為

式中，Ft為驅動力;Ff為滾動阻力;Fw為空氣阻力;Fi為坡度阻力。

2.1防爆膠輪車驅動力Ft

當輪胎與硬化水泥路面之間有足夠的附著力確保驅動輪與路面不打滑。防爆柴油機輸出的最大扭矩經變速箱、驅動橋等傳統裝置傳遞到驅動輪，由力學知識，驅動輪的扭矩T產生對路面的切向作用力Ft，路面對驅動輪的方作用力即為防爆膠輪車爬坡行駛時的切向推力，其計算公式為：

2.2滾動阻力Ff

防爆膠輪車在坡道上行駛，計算公式為：

式中，G為防爆膠輪車滿載重量，α為坡道角度，f為路面對輪胎的滾動阻力系數，本文取0.014，M為防爆膠輪車滿載質量。

2.3空氣阻力Fw

防爆膠輪車運行于井下特殊環境中，其空氣阻力受到通風系統的影響，一致存在順風和逆風的情況，因此在動力性能參數匹配計算中應考慮巷道風速帶來的影響，因此防爆膠輪車坡道阻力計算公式為：

式中，Cd為空氣阻力系數，A為迎風面積，Vmax為坡道最高行駛車速，Vf為巷道風速，本文風速取值設定為14km/h。

2.4 坡度阻力Fi

防爆膠輪車坡度阻力計算公式為：

3 案例分析

按照防爆膠輪車爬坡受力分析，對某款防爆膠輪車滿載爬坡時進行分析，該車型的動力系統配置及主要計算參數如下：

3.1整車基本參數

防爆膠輪車大部分是在輕型卡車底盤基礎上，增加防爆柴油機系統、中央制動器、濕式制動器等部分，以達到煤礦井下使用條件而成，其性能參數均有所變化。某款防爆膠輪車性能參數，如表1所示。

3.2傳動系統性能參數

3.2.1防爆柴油機性能參數

防爆柴油機作為防爆膠輪車的動力源，主要參數如表2所示。

3.2.2變速箱速比參數

防爆膠輪車受到煤礦井下環境要求，一般采用五擋變速箱，本文分析的防爆膠輪車采用變速箱性能參數如表3所示。

通過Matlab編程計算，得該款防爆膠輪車采用Ⅰ檔爬坡，完全可以實現45%的爬坡能力。但實際上由于路面附著力的影響，當驅動輪對路面的切向作用力大于路面對驅動輪切向反作用力的極限值時，驅動輪將會出現打滑現象，因此防爆柴油機的最大輸出扭矩并不能完全通過路面轉化為汽車行駛的切向作用力，也就會出現防爆膠輪車在大坡度行駛是車輪打滑，無法達到預期的爬坡能力。

4路面附著力對爬坡能力的影響

防爆膠輪車在煤礦井下爬陡坡時，路面對前、后輪的支撐力隨著坡度的增加而減小，造成輪胎附著力減小。當防爆膠輪車在大于某一坡度爬坡時，驅動輪的驅動力將達到路面最大附著力而打滑。

按照上述公式得：

但處于臨界狀態時，路面最大附著力F附與車輛所需的驅動力相等時，即可確定最大爬坡度。

路面最大附著力F附計算公式為：

式中，φ為路面附著系數，煤礦井下多采用混凝土路面，且由于井下環境路面比較濕滑，因此本文取0.4。

計算得：α≈14°

按照圖1 查得最大爬坡能力為imax=25%。

因此，實際最大爬坡能力為25%，對坡度大、長度長的巷道，無法保證其動力適應性能。

5總結

綜上分析計算，防爆膠輪車的傳動系統和井下路面附著力是影響其爬坡能力的主要因素。

防爆柴油機的最大輸出扭矩越大、傳動系統的速比越大，相對驅動力越大，相對爬坡儲備能力越大。但是，路面對驅動輪的法向支撐力會隨著坡度的增加而減小，造成輪胎附著力減小，從而使車輛驅動力大于路面附著力而打滑，進而影響到防爆膠輪車的實際爬坡能力。為確保防爆膠輪車的爬坡能力，井下環境無法改變的情況下，只能選用拔地能力強的輪胎，增加路面的附著力。

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