提高限制運(yùn)行速度對礦用卡車性能的影響

李福平，鄭群飛

（1.神華準(zhǔn)能集團(tuán)有限責(zé)任公司科學(xué)技術(shù)研究院，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010399；2.中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710000）

0 引言

露天礦山工程需要對大量的礦巖進(jìn)行運(yùn)輸作業(yè)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，露天煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)的投資約占礦山基建總投資的60%，運(yùn)輸作業(yè)成本占礦山開采總成本的40%～50%，運(yùn)輸作業(yè)的勞動量占露天開采總勞動量的一半以上。與其他開采工序相比，卡車運(yùn)輸過程中需要消耗大量的燃油和輪胎，運(yùn)輸成本高。目前，有關(guān)降低卡車運(yùn)輸成本、提高卡車運(yùn)行效率可從提高卡車運(yùn)行速度方面入手。大型礦用卡車在我國露天煤礦使用經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)超過20 a，一直延續(xù)至今的限速為30 km/h，這是基于當(dāng)時(shí)卡車本身的技術(shù)性能、人員素質(zhì)和生產(chǎn)安全所致［1-2］。隨著采礦業(yè)的發(fā)展，卡車大型化后其技術(shù)性能得到升級，設(shè)計(jì)技術(shù)速度已從40 km/h提升到64 km/h，為卡車提高限制運(yùn)行速度提供了可能。

1 準(zhǔn)能公司礦用卡車運(yùn)行現(xiàn)狀

神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司（以下簡稱“準(zhǔn)能公司”）黑岱溝露天煤礦核準(zhǔn)生產(chǎn)能力34 Mt/a，年采剝總量1.4×108m3左右，擁有154～326 t級重型卡車80多臺，日剝離量0.4×106m3。近年來，黑岱溝露天煤礦卡車平均運(yùn)距達(dá)到3.5 km左右，卡車運(yùn)行效率偏低，道路車流密度已飽和。提高卡車生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本、相對減少卡車數(shù)量已成為黑岱溝露天煤礦重點(diǎn)研究的方向和目標(biāo)。為此，準(zhǔn)能公司于2018年3月將礦山卡車最高限制運(yùn)行速度從30 km/h提高到了40 km/h，提速后卡車是否仍然滿足行駛要求將直接制約卡車的運(yùn)行效果，因此，對提速后卡車性能進(jìn)行研究可為提速提供理論支撐和技術(shù)指導(dǎo)。

2 礦用卡車提速后性能測試

2.1 卡車性能測試目的

礦用卡車性能情況關(guān)系著車輛的正常運(yùn)行，對卡車疲勞強(qiáng)度［3-5］進(jìn)行研究有助于指導(dǎo)露天煤礦合理安排卡車運(yùn)輸。礦用卡車疲勞強(qiáng)度受到車速、路面情況［6］、載重量等多種因素的影響，卡車提高限制運(yùn)行速度后，其車架性能將出現(xiàn)一定的微觀變化，該變化不易被發(fā)現(xiàn)，隨著變化的深入，可能表現(xiàn)出車架開裂、脫焊、變形損壞等，從而影響卡車的正常運(yùn)行。因此，為準(zhǔn)確獲取卡車性能數(shù)據(jù)，在研究過程中對卡車性能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，通過加速度傳感器和應(yīng)力應(yīng)變傳感器等裝置，感知車架等關(guān)鍵部位的微小變化，對卡車提速前后的疲勞情況進(jìn)行分析，推斷卡車提速后性能的變化趨勢，測試流程如圖1所示。

結(jié)合準(zhǔn)能公司黑岱溝露天煤礦的具體條件及監(jiān)測內(nèi)容要求，選定監(jiān)測車型為930E，試驗(yàn)樣車為露天煤礦正常使用的自卸卡車，樣車各項(xiàng)性能指標(biāo)符合國家相關(guān)規(guī)定和礦方安全生產(chǎn)要求，每種車型選擇3輛進(jìn)行測試，確定車型后對卡車進(jìn)行隨機(jī)抽取，測試過程中每車各測試4個(gè)作業(yè)循環(huán)，共測試12個(gè)作業(yè)循環(huán)，以減少測試數(shù)據(jù)的隨機(jī)性。

圖1 卡車性能測試流程示意圖

2.2 測試內(nèi)容

卡車疲勞強(qiáng)度測試主要是通過應(yīng)力應(yīng)變傳感裝置和加速度傳感器監(jiān)測卡車在運(yùn)輸過程中的主要部位應(yīng)變和振動情況，以此對卡車的性能進(jìn)行分析，布點(diǎn)位置見表1。

表1 應(yīng)變和振動布點(diǎn)位置

駕駛員座椅舒適性［7］測試過程主要是通過在司機(jī)座椅上安裝加速度傳感器，如圖2所示，加速度傳感器與電腦相連，通過軟件DEWESoft記錄座椅上下、前后、左右的振動情況。依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，并結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［8］，對人體評價(jià)的要求和指標(biāo)，分析礦用卡車提高限制運(yùn)行速度后卡車駕駛舒適性情況。

3 提速后卡車性能分析

3.1 黑岱溝露天煤礦930E卡車受力分析

由于卡車應(yīng)變主要是在重載行駛時(shí)發(fā)生變化，所以只需對整車在重載40 km/h和30 km/h布點(diǎn)位置的應(yīng)變情況進(jìn)行分析，只要重載條件下滿足材料的屈服極限就可以使用，見表2；各測試點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)變變化，如圖3所示；不同車速行駛時(shí)應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)，見表3。

圖2 司機(jī)駕駛座椅舒適性測點(diǎn)位置示意圖

表2 930E卡車材料力學(xué)屬性參數(shù)表

表3 930E卡車不同車速行駛時(shí)車架應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)表

圖3 各測試點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)變變化示意圖（“-”號為壓應(yīng)變）

從圖3各測點(diǎn)應(yīng)變范圍和表3分析可知，重載40 km/h行駛時(shí)，應(yīng)變的范圍最大發(fā)生在貨箱鉸座處；重載30 km/h行駛時(shí)，應(yīng)變的范圍最大發(fā)生在貨箱鉸座處。貨箱鉸座出現(xiàn)最大應(yīng)變的情況，可能是卡車行駛過程中遇到急拐彎或深坑時(shí)，瞬時(shí)導(dǎo)致極值的出現(xiàn)，但均在安全使用范圍內(nèi)，所以整車強(qiáng)度設(shè)計(jì)可以滿足提速需求。

以上應(yīng)變數(shù)值均在930E材料屈服極限482.6 MPa以內(nèi)，所以930E卡車重載40 km/h和重載30 km/h行駛不存在問題。

3.2 黑岱溝露天煤礦930E卡車振動分析

礦用卡車在行駛中，來自路面和發(fā)動機(jī)的激勵(lì)是不可避免的，整車道路振動試驗(yàn)表明，就車架的垂直振動而言，拖行狀態(tài)是怠速狀態(tài)的157.81%，行駛狀態(tài)是怠速狀態(tài)的319.7%，這說明發(fā)動機(jī)對車架振動的影響是很明顯的［9］。兩種激勵(lì)共同作用下，車架的振動遠(yuǎn)比其單獨(dú)作用時(shí)大，因此，合理分析提速后礦用卡車在行駛過程中車架的振動情況，將有助于指導(dǎo)卡車合理運(yùn)行，并為發(fā)動機(jī)處減振措施提供必要參考，如圖4所示。

由圖4反映出路面和發(fā)動機(jī)引起的振動，振動頻譜主要集中在0～3 Hz。但經(jīng)過對比振動頻譜后，可以發(fā)現(xiàn)在2～25 Hz范圍內(nèi)，未出現(xiàn)共振現(xiàn)象，但在30 Hz時(shí)出現(xiàn)了發(fā)動機(jī)連續(xù)共振現(xiàn)象，說明發(fā)動機(jī)后懸置處應(yīng)該增加減振措施，以減少共振，又由于振動加速度值都比較小，對系統(tǒng)不會產(chǎn)生較大影響。圖5為經(jīng)過減震系統(tǒng)后振動發(fā)生衰減，傳遞到車架上的振動強(qiáng)度降低，加速度在0.5 g范圍內(nèi)，振動對車輛車架系統(tǒng)和車輛駕駛室影響較小，車輛滿足行駛要求。

圖4 車架與發(fā)動機(jī)頻譜圖

圖5 車架與發(fā)動機(jī)振動衰減圖

經(jīng)圖6、7可以發(fā)現(xiàn)，在2～25 Hz范圍內(nèi)，未出現(xiàn)共振現(xiàn)象，但在30 Hz出現(xiàn)了發(fā)動機(jī)共振現(xiàn)象，而且從振動衰減圖來看，振動衰減較弱，說明發(fā)動機(jī)后懸置處應(yīng)該增加減振措施，以減少共振?？v觀整個(gè)振動加速度，振動加速度都在2 g以下，由于實(shí)際該車前懸置為橡膠減震墊連接，后懸置為鉸接，后懸置與車架為整體振動，所以減震效果不明顯，經(jīng)過隔振衰減較差。因此，建議必要時(shí)增加隔振措施，以提高動力系統(tǒng)的使用壽命。

圖6 發(fā)動機(jī)懸置與發(fā)動機(jī)頻譜圖

圖7 發(fā)動機(jī)懸置對發(fā)動機(jī)振動幅值衰減圖

3.3 黑岱溝露天煤礦930E卡車舒適性分析

加速度是描述人體全身振動環(huán)境強(qiáng)度的基本量，以m/s2為單位。在生理學(xué)中，振動強(qiáng)度常習(xí)慣以g為單位表示加速度。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對有關(guān)人體承受振動情況進(jìn)行了分析和規(guī)定，見表4，文件指出：a表示振動加速度，如無特殊說明，對其值的引用均指均方根值；振動評價(jià)應(yīng)總是包括所定義的加權(quán)均方根加速度的測量，振動幅值的基本量是加速度［10-12］。

表4 加速度總均方根值舒適度評價(jià)指標(biāo)表

在對駕駛員舒適性評價(jià)中，主要從930E卡車駕駛室座椅振動頻率及加權(quán)加速度均方根值進(jìn)行分析，總結(jié)卡車提速前、后駕駛員舒適性情況。

重載40 km/h和重載30 km/h加速度的幅值，如圖8所示，范圍主要分布在0.3～0.4 g以下，局部出現(xiàn)1 g左右的振幅，是由于該處發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)了波動，直接表現(xiàn)是車速出現(xiàn)變化，該變化主要由于道路不平整或會車時(shí)駕駛員采取制動降速，車輛的行駛慣性引起的波動。但整個(gè)運(yùn)行過程中的振幅都在0.3～0.4 g左右分布，處于駕駛員可接受的振動范圍?？蛰d40 km/h和空載30 km/h加速度，如圖9所示，基本分布在0.3～0.4 g的范圍內(nèi)，未出現(xiàn)大范圍的加速度波動，整體運(yùn)行在駕駛員可接受的范圍內(nèi)，可以滿足使用需求。

圖8 重載時(shí)座椅X、Y、Z三軸振動示意圖

由圖10、圖11加權(quán)加速度均方根數(shù)據(jù)顯示：重 載40 km/h、重載30 km/h和空載40 km/h、空載30 km/h加權(quán)加速度均方根值的分布范圍在0.5 g以下，主要集中在0.4 g以下范圍，0.5 g以上的占比只有約0.3%，且該段數(shù)據(jù)截取的為實(shí)際運(yùn)行中振動較為強(qiáng)烈的一段，實(shí)際整個(gè)過程的加權(quán)加速度還處在更低的水平。盡管整個(gè)運(yùn)行過程會出現(xiàn)幾處微小波動，但座椅整體舒適度仍然較好，所以提速對駕駛員的舒適度影響在可接受范圍，與實(shí)際測試人員跟車感受相吻合。

圖9 空載時(shí)座椅X、Y、Z三軸振動示意圖

圖10 重載時(shí)座椅三方向總加權(quán)加速度均方根示意圖

圖11 空載時(shí)座椅三方向總加權(quán)加速度均方根示意圖

4 結(jié)論

（1）通過對卡車提速后關(guān)鍵部位應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)能公司露天煤礦礦用卡車由最高限速30 km/h提高到最高限速40 km/h后，卡車關(guān)鍵部位的應(yīng)變和應(yīng)力均在卡車材料屈服強(qiáng)度以內(nèi)，卡車疲勞強(qiáng)度滿足提速要求。

（2）礦用卡車提高限制運(yùn)行速度后，路面和發(fā)動機(jī)激勵(lì)引起卡車關(guān)鍵部位發(fā)生振動，振動加速度經(jīng)衰減后，加速值基本維持在0.5 g以下，振動加速度值都比較小，對系統(tǒng)不會產(chǎn)生較大影響。但卡車個(gè)別部位在30 Hz出現(xiàn)了發(fā)動機(jī)連續(xù)共振現(xiàn)象，說明發(fā)動機(jī)處應(yīng)該增加減振措施，減少共振，以保證動力系統(tǒng)的使用壽命。

（3）卡車提高限制運(yùn)行速度后，座椅受到的振動加速度一般維持在0.3～0.5 g左右，座椅舒適性仍滿足人體對振動的要求，提速后卡車駕乘舒適性在可接受范圍。