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单元支架搬运车行走驱动设计分析

2025-04-03 42 上传者：管理员

摘要：基于散体力学的基础理论原理，对单元支架搬运车的驱动阻力和最大牵引力进行了分析。考虑滑转率对单元支架搬运车最大牵引力的影响，得出其正常行驶的必要条件及驱动力要求。结合设备的实际应用情况，认为当前设计能够满足设计要求，并为单元支架搬运车的行走驱动设计提供了理论依据。

关键词：
单元支架搬运车
履带
散体力学
煤矿开采
驱动阻力
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随着煤矿井下快速掘进技术的飞速发展,巷道掘进效率不足成为制约煤矿开采效率的主要因素之一｡为减少巷道掘进工作量,井下普遍采用了沿空留巷工艺,其传统支护方式以单体支柱支护为主｡近年来,单元支架支护方式在沿空留巷工艺中的应用越来越广泛,单元支架的搬运问题日益凸显｡

1、单元支架搬运车

单元支架搬运车结构如图1所示｡通过叉装机构将单元支架抬升至一定高度后叉出,借助履带行走机构将其运输至新的装架位置,实现单元支架快速､安全､高效的搬运｡由于单元支架搬运车主要工况是在未铺装的巷道内重载行驶,其行驶稳定性､通过性直接影响整机的使用性能｡分析单元支架搬运车的驱动阻力､可产生的最大牵引力､设备正常行驶的驱动力限制条件,结合实际测试参数,为单元支架搬运车的履带行走驱动设计提供理论依据,以便选择合适的履带布置方式及驱动装置｡

图1单元支架搬运车结构示意图

2、单元支架搬运车的驱动阻力

(1)履带行走机构的内阻力

履带行走机构的内阻力主要包括机构内部支重轮､引导轮､履带销轴等零件间产生的摩擦力｡一般可以按照经验公式计算[1],履带行走机构内阻力(n)

(2)履带行走机构的压实阻力

履带行走机构在底板上行走时,机身重量使其将底板压实产生密度变形需消耗部分能量｡履带行走机构对底板的压实和下陷产生压实阻力｡基于贝克压力-沉陷理论关系式[2-3],可推导得出履带压实阻力

由式(2)可知,压实阻力与底板物理机械性能有关,干燥､密实的地面压实阻力较小;增加履带接地面积,可减小压实阻力｡变形指数､内聚力变形模量KC､内摩擦变形模量KΦ等参数可通过实验使用贝氏仪测定获得｡

(3)履带行走机构推土阻力

履带行走机构在行驶时,履带的垂直载荷和滑转使其产生沉陷,在履带前端出现底板物料隆起,形成推土阻力｡松软底板工况下车辆沉陷较大时,推土阻力将占行驶阻力的相当部分｡履带推土阻力

由式(3)可知,推土阻力的大小与底板的黏性和行走装置尺寸有关,履带接地面积一定时,长而窄的履带推土阻力较小｡当井下底板松散､破碎泥化严重时,推土阻力的影响将更为突出｡

(4)单元支架搬运车的坡道阻力

单元支架搬运车在一定角度的坡道上行驶时,设备自身重力沿坡道斜面的分力形成单元支架搬运车的坡道阻力

(5)障碍阻力

单元支架搬运车行驶过程中,因地面不平或驶过障碍物造成其障碍阻力,与实际行驶工况有关｡

3、单元支架搬运车的牵引力

单元支架搬运车行走时,驱动链轮在驱动扭矩的作用下带动履带转动,地面阻止其运动时产生反作用力,即切向牵引力,驱动设备前进[4]｡

(1)单元支架搬运车的牵引力计算

单元支架搬运车在松软底板行驶时,底板的抗剪强度决定了其最大牵引力,根据库伦方程,车辆最大牵引力

由式(7)可知,底板的抗剪强度由其内聚力､内摩擦角和法向载荷共同决定｡对于干燥的破碎煤底板,其抗剪强度主要取决于内摩擦力,而内聚力可忽略不计｡只有当破碎煤的颗粒很细､含水量很大造成底板泥化时,内聚力才会起到较大的作用｡

单元支架搬运车在干燥的破碎煤底板行驶时,一般取C=0｡此时有

单元支架搬运车在砂岩底板或硬化底板行驶时,牵引力主要由履带与底板的摩擦力形成,有

(2)履带滑转率对牵引力的影响

履带接地长度上散粒体各点的剪切位移如图2所示｡当履带滑转时,点1､2､3､4､5处的剪切位移J在接地长度l的水平方向上随位移X呈线性递增趋势,在接地长度的末端到达最大值JMAX｡

图2履带下散粒体各点的剪切位移

假设履带的接地压力均匀分布,履带滑转时牵引力

减速器输出的驱动扭矩m作用于驱动链轮,产生一个履带驱动力f｡如图2所示,当f≥fhMAX/2时,履带将在原地滑转,单元支架搬运车无法正常行驶｡

由上述计算分析可知,单元支架搬运车的最大牵引力主要取决于底板的力学特性｡增加单元支架搬运车履带接地面积和整机重量,有利于提升整机牵引力,降低滑转率｡在同等牵引力的情况下,当履带接地面积相同时,长而窄的履带有更低的滑转率和行驶阻力,工作效率更高｡

4、单元支架搬运车正常行驶驱动条件

单元支架搬运车正常行驶时,剪切力保持了地面与履带的相对固定,驱动链轮在履带反作用力的推动下产生驱动力使设备前进｡驱动力的大小取决于驱动链轮直径和减速器的输出扭矩｡当履带驱动力f大于运动阻力时,设备可正常直线行驶,即

结合上述计算分析,单元支架搬运车的最大驱动力取值为f=0.75MGN｡该取值综合考虑了驱动阻力､最大牵引力､减速器选型标准､最大爬坡角度和转向阻力等因素,符合大多数履带设备的设计惯例[5]｡经现场实测,单元支架搬运车在平整钢板路面行走时,f≈0.1MGN;井下未整备路面水平行走时,f=(0.25~0.35)MGN｡实际使用过程中,其驱动力满足设备行走､爬坡､转向的行驶需求｡

5、结语

(1)为减少单元支架搬运车的行驶阻力,设计时应选取较大的履带接地面积,减小接地比压｡当接地面积一定时,长而窄的履带更有利于减小行驶阻力｡

(2)减速器输出扭矩决定了单元支架搬运车的驱动力大小,地面附着力决定了其最大牵引力,当驱动力大于最大牵引力时履带打滑｡最大牵引力与整机重量､接地面积､底板力学特性有关｡(3)单元支架搬运车最大驱动力取值f=0.75MGN｡在实际使用过程中运行良好,满足了整机设计需求｡

参考文献:

[1]黄祖永.地面车辆力学[m].北京:机械工业出版社,1985.

[2]张克健.车辆地面力学[m].北京:国防工业出版社,1985.

[3]李军,周靖凯,李强.基于贝克理论履带沉陷性能研究[j].农业装备与车辆工程,2012(2):14-16.

[4]杨士敏,傅香如.工程机械地面力学与作业理论[m].北京:人民交通出版社,2010.

[5]龚计划,邓斌.小型挖掘机履带行走装置参数的合理确定[j].建筑机械化,2010,31(1):44-47.

基金资助:国家重点研发计划项目(02022YFB4703600);中央引导地方科技发展项目(YDZJSX2022C036);山西省科技成果转化引导项目(202304021301069); 山西省成果转化项目(202204021301071);天地科技股份有限公司创新创业项目(2022-2-TD-ZD014);

文章来源:刘玉波.单元支架搬运车行走驱动设计分析[J].煤矿机械,2025,46(04):36-38.