礦用膠輪車底盤測(cè)功機(jī)的優(yōu)化及應(yīng)用

閆志超，閆 政4，吳 娟，李鑫鑫

(1.太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，山西太原 030024； 2.礦山流體控制國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030024；3.山西省礦山流體控制工程技術(shù)研究中心，山西太原 030024； 4.晉中學(xué)院機(jī)械學(xué)院, 山西晉中 030600)

引言

汽車底盤測(cè)功機(jī)是在室內(nèi)模擬汽車道路試驗(yàn)常用的一種整車性能試驗(yàn)裝置，該裝置通過(guò)滾筒機(jī)構(gòu)和功率吸收裝置模擬汽車在路面行駛狀況[1]。利用該裝置在室內(nèi)即可完成汽車動(dòng)力性能、可靠性能檢測(cè)及關(guān)于汽車傳動(dòng)系統(tǒng)等的多種專項(xiàng)試驗(yàn)與研發(fā)[2]。然而現(xiàn)有汽車底盤測(cè)功機(jī)只適用于一般用途車輛的檢測(cè)，對(duì)于礦用膠輪車這一類的特種井下輔助運(yùn)輸交通工具并不能準(zhǔn)確測(cè)量上述性能。因此，對(duì)于礦用膠輪車底盤測(cè)功機(jī)的研究具有重要價(jià)值。

馬強(qiáng)駿[3]針對(duì)現(xiàn)有底盤測(cè)功機(jī)存在的測(cè)量誤差大、穩(wěn)定性差等問(wèn)題，提出提高汽車底盤測(cè)功機(jī)檢測(cè)數(shù)據(jù)可信度的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。劉昭度[4-6]提出適用于ASM和IG195兩種工況法的測(cè)試摩擦功率新方法，設(shè)計(jì)了針對(duì)這兩種工況法的滑行測(cè)試的指示功率技術(shù)要求以及重型底盤測(cè)功機(jī)滾筒的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算公式。馬杰[7]通過(guò)對(duì)試驗(yàn)車輛在道路和試驗(yàn)臺(tái)上的受力分析對(duì)比，提出輪胎壓力、車輛載荷和測(cè)功機(jī)設(shè)定的慣量等級(jí)對(duì)阻力設(shè)定的影響。

綜上所述，底盤測(cè)功機(jī)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)對(duì)測(cè)量精度有很大影響[8-9]，但針對(duì)礦用膠輪車底盤檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究很少。本研究通過(guò)對(duì)礦用膠輪車的胎壓與滾筒之間摩擦系數(shù)的影響[10-12]進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)，研究適用于礦用膠輪車的滾筒噴涂材料[13]、滾筒直徑和滾筒中心距等參數(shù)[14-15]，優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高技術(shù)水平和檢測(cè)精度，不斷滿足礦用膠輪車的檢測(cè)要求。

1 汽車底盤測(cè)功機(jī)工作原理及受力分析

1.1 汽車底盤測(cè)功機(jī)工作原理

汽車底盤測(cè)功機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要由功率吸收裝置、安全裝置、速度傳感器、慣量模擬裝置、力傳感器、滾筒等結(jié)構(gòu)組成。汽車底盤測(cè)功機(jī)利用2對(duì)滾筒模擬汽車行駛的路面，通過(guò)功率吸收裝置施加力矩，模擬汽車行駛過(guò)程中受到的風(fēng)阻和滾動(dòng)阻力，汽車底盤輸出的功率和轉(zhuǎn)矩則通過(guò)力傳感器測(cè)得。當(dāng)試驗(yàn)車輛帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，加載裝置(電渦流測(cè)功器)的轉(zhuǎn)子盤在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)切割磁感線產(chǎn)生渦電流，渦電流形成的磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生1個(gè)與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反的力矩，該力矩經(jīng)測(cè)力傳感器測(cè)得并通過(guò)計(jì)算得到汽車底盤輸出功率和轉(zhuǎn)矩。

圖1 汽車底盤測(cè)功機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 汽車車輪在底盤測(cè)功機(jī)上的受力分析

試驗(yàn)車輛在底盤測(cè)功機(jī)上行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪不僅受到功率吸收裝置所設(shè)定的加載力，還受到與滾筒間的滾動(dòng)摩擦力，假設(shè)輪胎在滾筒上未發(fā)生打滑，驅(qū)動(dòng)輪受力如圖2所示。

驅(qū)動(dòng)輪受力平衡方程為:

(1)

式中，F(xiàn)1，F(xiàn)2為驅(qū)動(dòng)輪受到的切向阻力；N1，N2為驅(qū)動(dòng)輪受到的法向支撐力；Gk為汽車驅(qū)動(dòng)軸落在滾筒上的載荷；H為車橋?qū)囕喌淖饔昧Α?/p>

圖2 試驗(yàn)車輛驅(qū)動(dòng)輪在滾筒上的受力分析

驅(qū)動(dòng)輪在滾筒上的滾動(dòng)阻力為：

Ff1=f′·(N1+N2)=f′·Gk/cosα0

(2)

式中，f′為驅(qū)動(dòng)輪與滾筒間的滾動(dòng)摩擦阻力系數(shù)；α0為車輪在滾筒上的安置角。

2 輪胎胎壓及滾筒表面材料對(duì)摩擦系數(shù)的影響試驗(yàn)

2.1 輪胎胎壓對(duì)摩擦系數(shù)的影響

汽車輪胎作為底盤調(diào)校中重要的彈性元件匹配對(duì)象，其胎壓的大小直接影響到輪胎的徑向剛度。隨著胎壓升高，車輪與滾筒接觸時(shí)輪胎變形量減小，輪胎恢復(fù)變形時(shí)的損失減少，從而使得滾動(dòng)阻力系數(shù)降低，有利于整車道路行駛阻力降低。為了研究胎壓對(duì)滾動(dòng)阻力系數(shù)以及滾動(dòng)阻力大小的影響，選取WC20R(D)、WC12R、WC5J(D)3種不同膠輪車并分別設(shè)置不同胎壓在底盤測(cè)功機(jī)上進(jìn)行無(wú)加載滑行和二次加載滑行試驗(yàn)[16]。首先讓試驗(yàn)車輛在底盤測(cè)功機(jī)上加速至某一速度后，切斷試驗(yàn)車輛動(dòng)力源讓其在輪胎滾阻和底盤測(cè)功機(jī)內(nèi)阻下滑行即無(wú)加載滑行；然后讓試驗(yàn)車輛施加兩次不同的加載力讓其在輪胎滾阻、底盤測(cè)功機(jī)內(nèi)阻和加載力下滑行即二次加載滑行，根據(jù)能量守恒定律, 測(cè)得試驗(yàn)結(jié)果如圖3和表1所示。

圖3 三種車輛不同胎壓下的滾阻系數(shù)

表1 不同胎壓下的臺(tái)架行駛阻力

分析圖3可知，同一試驗(yàn)車輛(即相同型號(hào)輪胎)隨著胎壓的增大，輪胎與滾筒之間的摩擦系數(shù)隨之降低，胎壓每升高50 kPa滾動(dòng)阻力系數(shù)降低約4.3%～7.7%；不同車型(即不同型號(hào)輪胎)的車輛在相同胎壓下的摩擦系數(shù)也不相同，然而胎型只對(duì)摩擦系數(shù)大小有影響，胎壓的增大對(duì)于摩擦系數(shù)下降這一趨勢(shì)并無(wú)影響。

分析表1可知，在相同胎壓下隨著行駛速度的增大，試驗(yàn)車輛的滾動(dòng)阻力隨之增大；當(dāng)行駛速度相同時(shí)，胎壓升高50 kPa，試驗(yàn)車輛在臺(tái)架上的行駛阻力平均降低了8.5 N。以上分析說(shuō)明，適當(dāng)增大輪胎壓力有利于降低試驗(yàn)車輛在臺(tái)架上的滾動(dòng)阻力，同時(shí)也減小了滾阻對(duì)檢測(cè)的影響，提高了試驗(yàn)的精確性。

2.2 滾筒表面噴涂對(duì)附著系數(shù)的影響

附著系數(shù)表示底盤測(cè)功機(jī)滾筒與輪胎間的附著性能，它的大小對(duì)試驗(yàn)車輛的檢測(cè)精度有重要影響。附著系數(shù)過(guò)小時(shí)會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)車輛在滾筒上發(fā)生相對(duì)打滑，致使臺(tái)架試驗(yàn)不能準(zhǔn)確模擬真實(shí)路況，從而無(wú)法精確測(cè)量其最大牽引力或最大制動(dòng)力。采用合金噴涂法不僅克服了滾筒表面易磨損的缺點(diǎn)，而且達(dá)到了延長(zhǎng)滾筒使用壽命和提高滾筒表面的附著系數(shù)的目的。其工藝流程如表2所示。

表2 氧乙炔噴涂工藝流程

經(jīng)過(guò)多種噴涂材料的性能試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選擇性能最優(yōu)的噴涂材料NiCrBSi噴涂于滾筒上, 然后進(jìn)行試驗(yàn)車輛在噴涂好的滾筒上進(jìn)行模擬試驗(yàn)測(cè)取最終的附著系數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。該噴涂材料及工藝流程有較高的結(jié)合強(qiáng)度，能夠有效避免磨損對(duì)測(cè)試的影響，而且附著系數(shù)顯著提高，滑轉(zhuǎn)率降低，汽車在滾筒上能夠平穩(wěn)運(yùn)行，該材料和工藝既符合底盤測(cè)功機(jī)對(duì)滾筒表面附著系數(shù)的要求,也為底盤測(cè)功機(jī)解決滾筒表面的處理提供了理論指導(dǎo)。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

3 滾筒直徑、中心距試驗(yàn)對(duì)比分析

3.1 滾筒直徑

標(biāo)準(zhǔn)JT/T445-2008中規(guī)定，額定承載能力為13 t，滾筒直徑推薦值為370～530 mm。選擇WC5J(D)、WC20R(D)礦用膠輪車分別在3種不同滾筒直徑的汽車底盤測(cè)功機(jī)上進(jìn)行示值功率測(cè)試比對(duì)試驗(yàn)(為了保證煤礦安全，礦用膠輪車在巷道內(nèi)的行駛速度不得高于20 km/h)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。分析可知，功率測(cè)量結(jié)果隨著測(cè)試車速的增大而增大，相同車型在同一車速不同滾筒直徑下的功率測(cè)量結(jié)果相差不大，這說(shuō)明滾筒直徑對(duì)汽車底盤功率影響較小。底盤測(cè)功機(jī)滾筒直徑一般要求設(shè)計(jì)偏大，然而對(duì)于礦用膠輪車限速20 km/h的檢測(cè)，為了能夠滿足功率吸收裝置的低速工作特性，要求滾筒直徑設(shè)計(jì)偏小以提高滾筒轉(zhuǎn)速?gòu)亩軌蛱岣呦到y(tǒng)控制精度和測(cè)量精度。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)最終設(shè)定滾筒直徑為373 mm左右較為合適。

表4 三種滾筒直徑下示值功率檢測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2 滾筒中心距

在對(duì)雙軸式滾筒的中心距進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)符合JT/T445-2008標(biāo)準(zhǔn)。如表5所示，膠輪車的車輪安裝角和前后滾筒對(duì)車輪支撐力均隨滾筒中心距的增加而增大。根據(jù)大同塔山煤礦膠輪車型號(hào)及所能承載重量都高于5 t, 在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的滾筒中心距范圍內(nèi)，設(shè)定滾筒中心距為520 mm左右較為合適。

表5 雙軸式滾筒中心距(A)設(shè)計(jì)要求

注：A—— 滾筒中心距，mm；

D—— 滾筒直徑，mm。

4 動(dòng)力性能檢測(cè)試驗(yàn)

根據(jù)上述試驗(yàn)得出的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)搭建的礦用膠輪車底盤測(cè)功檢測(cè)系統(tǒng)如圖4所示，該系統(tǒng)采用模糊控制與自適應(yīng)PID(Proportion Integration Differentiation)控制相結(jié)合的控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)kp,ki,kd的自動(dòng)在線調(diào)整，具有響應(yīng)時(shí)間短，控制精度高，超調(diào)量小等優(yōu)點(diǎn)，從而加強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，能夠適應(yīng)復(fù)雜對(duì)象的要求。利用上位機(jī)組態(tài)軟件，對(duì)汽車性能檢測(cè)工作狀態(tài)界面進(jìn)行設(shè)計(jì)編寫，從而實(shí)現(xiàn)汽車性能在線檢測(cè)的人機(jī)對(duì)話和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊，減少操作失誤，汽車性能檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)界面如圖5所示。該汽車在線檢測(cè)系統(tǒng)已在大同塔山煤礦膠輪車檢測(cè)線現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

圖4 動(dòng)力性能檢測(cè)試驗(yàn)

圖5 汽車性能檢測(cè)狀態(tài)界面

通過(guò)對(duì)在用的5輛礦用膠輪車進(jìn)行限速20 km/h檢測(cè)，對(duì)運(yùn)行過(guò)程中的底盤輸出功率數(shù)據(jù)進(jìn)行在線采集，如表6所示。該數(shù)據(jù)說(shuō)明經(jīng)校正后的礦用膠輪車，底盤最大輸出功率與額定扭矩功率之比均能達(dá)到50%左右，符合檢修標(biāo)準(zhǔn)。

表6 礦用膠輪車動(dòng)力性檢測(cè)數(shù)據(jù)表

5 結(jié)論

(1) 適當(dāng)增大輪胎壓力能夠減小臺(tái)架滾動(dòng)阻力，提高檢測(cè)精度；

(2) 滾筒表面采用噴涂硬質(zhì)合金的方法來(lái)增加粗糙度，以防止汽車在滾筒上打滑；

(3) 通過(guò)將底盤測(cè)功機(jī)滾筒直徑設(shè)計(jì)為373 mm, 滾筒中心距為520 mm，優(yōu)化了底盤測(cè)功機(jī)結(jié)構(gòu)，從而能夠更好地檢測(cè)礦用膠輪車的動(dòng)力性能。