四輪驅(qū)動(dòng)防爆膠輪車底盤測(cè)功機(jī)的設(shè)計(jì)*

朱同明

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

防爆膠輪車作為一種經(jīng)濟(jì)、高效的煤礦輔助運(yùn)輸裝備，在井下人員和物料運(yùn)輸中起著重要作用。防爆膠輪車具有轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)少、爬坡能力強(qiáng)、機(jī)動(dòng)靈活和一機(jī)多用等特點(diǎn)，且不受軌道限制，投資費(fèi)用低，減人提效。目前已有超過10 000臺(tái)防爆膠輪車在山西、內(nèi)蒙古、陜西等13個(gè)省區(qū)的700余處礦井中使用，為全國(guó)煤礦的高產(chǎn)高效做出了重要貢獻(xiàn)[1]。

國(guó)內(nèi)生產(chǎn)制造防爆膠輪車的企業(yè)檢測(cè)和試驗(yàn)?zāi)芰Ρ∪酰庐a(chǎn)品試驗(yàn)和成熟產(chǎn)品的出場(chǎng)檢驗(yàn)大多數(shù)采用道路測(cè)試。雖然有廠家采用底盤測(cè)功機(jī)測(cè)試，但只能測(cè)試兩驅(qū)車，無法對(duì)四驅(qū)車輛進(jìn)行測(cè)試[2]。四驅(qū)車輛的牽引力大，爬坡能力強(qiáng)，更適用于井下濕滑的惡劣工作環(huán)境。煤礦井下除運(yùn)人車采用兩驅(qū)方式外，其余車輛大多數(shù)都采用四驅(qū)方式。因此，需要對(duì)測(cè)試四驅(qū)車輛的底盤測(cè)功機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

1 底盤測(cè)功機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和原理

底盤測(cè)功機(jī)是一種不解體檢驗(yàn)汽車性能的檢測(cè)設(shè)備，它是在室內(nèi)臺(tái)架上通過模擬汽車道路行駛工況的方法來檢測(cè)汽車的動(dòng)力性[3]。底盤測(cè)功機(jī)的滾筒分為單滾筒和雙滾筒。單滾筒又叫轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)，其滾筒直徑大，多在1 500～2 500 mm之間。滾筒直徑愈大，車輪在滾筒上就愈像在平路上滾動(dòng)，使輪胎與滾筒的滑轉(zhuǎn)率低、滾動(dòng)阻力小，因而測(cè)試精度高，但制造和安裝費(fèi)用高。雙滾筒的滾筒直徑小，多在185～500 mm之間，輪胎和滾筒的接觸情況和路面的實(shí)際接觸情況不完全一樣，測(cè)試精度較單滾筒的差。雙滾筒底盤測(cè)功機(jī)設(shè)備成本低、使用方便，能滿足防爆膠輪車的臺(tái)架檢測(cè)和試驗(yàn)要求，故防爆膠輪車的檢測(cè)和試驗(yàn)采用雙滾筒底盤測(cè)功機(jī)。

底盤測(cè)功機(jī)由機(jī)架、功率吸收裝置、減速箱、主滾筒、副滾筒、舉升裝置、扭矩傳感器等組成，如圖1所示。

1-機(jī)架;2-功率吸收裝置;3-減速箱;4-扭矩傳感器;5-主滾筒;6-舉升裝置;7-副滾筒。圖1 底盤測(cè)功機(jī)的結(jié)構(gòu)

底盤測(cè)功機(jī)測(cè)量車輛的動(dòng)力性時(shí)，車輛帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，滾筒的表面模擬路面，其相對(duì)于車輛作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)車輛靜止，滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)。車輛在道路上運(yùn)行的過程中存在著行駛阻力和慣性阻力。在試驗(yàn)臺(tái)上模擬車輛道路運(yùn)行工況，需要解決模擬整車的行駛阻力和慣性阻力問題。車輛在運(yùn)行過程中所受的滾動(dòng)阻力、爬坡阻力和空氣阻力，采用功率吸收裝置來模擬。防爆膠輪車的車速低，對(duì)加速性要求不高，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以忽略[4]。

2 四驅(qū)防爆膠輪車的組成和特點(diǎn)

四驅(qū)防爆膠輪車分驅(qū)動(dòng)橋和輪邊兩種驅(qū)動(dòng)方式。采用驅(qū)動(dòng)橋方式，發(fā)動(dòng)機(jī)通過液力變矩器帶動(dòng)變速箱；變速箱的前后輸出軸連接驅(qū)動(dòng)橋，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)橋旋轉(zhuǎn)；兩驅(qū)動(dòng)橋之間是機(jī)械硬連接，沒有橋間差速，其傳動(dòng)示意圖如圖2所示。采用輪邊驅(qū)動(dòng)方式，電機(jī)通過減速器與輪胎直接連接；電機(jī)能量的來源是電源箱，采用電機(jī)控制器控制電機(jī)；各車輪之間無機(jī)械連接，通過電氣控制實(shí)現(xiàn)左右輪差速和軸間差速，其傳動(dòng)示意圖如圖3所示。

圖2 采用驅(qū)動(dòng)橋的四驅(qū)車傳動(dòng)示意圖

圖3 采用輪邊驅(qū)動(dòng)的四驅(qū)車傳動(dòng)示意圖

防爆膠輪車屬于非道路車輛，為了適應(yīng)于煤礦井下應(yīng)用，與地面的車輛相比，其有以下特點(diǎn)：

1) 部分防爆膠輪車的軸重超過13 t，而地面車輛的最大軸重不超過13 t。

2) 防爆膠輪車的車速低，牽引力大，在接近零速時(shí)牽引力最大。

3) 防爆膠輪車的種類繁多，輪胎直徑、軸距和輪距都不相同。

3 四驅(qū)底盤測(cè)功機(jī)的原理和組成

四驅(qū)防爆膠輪車測(cè)試時(shí)，必須將4個(gè)輪全部置于滾筒試驗(yàn)臺(tái)上，否則在地面上的車輪會(huì)帶動(dòng)車輛從試驗(yàn)臺(tái)飛出去。為了測(cè)試四驅(qū)車輛的動(dòng)力性，考慮以下幾種方案：

1) 方案1。拆除變速箱其中的一根輸出傳動(dòng)軸，讓車輛變?yōu)閮沈?qū)。

2) 方案2。兩驅(qū)底盤測(cè)功機(jī)配自由滾筒組。

3) 方案3。兩臺(tái)兩驅(qū)底盤測(cè)功機(jī)，一臺(tái)固定，一臺(tái)相對(duì)移動(dòng)。

方案1中，帶驅(qū)動(dòng)橋的四驅(qū)車，其傳動(dòng)軸螺栓安裝空間狹小，涂有螺紋膠，不易拆裝，拆卸后四驅(qū)車變?yōu)閮沈?qū)車。輪邊驅(qū)動(dòng)的四驅(qū)車，讓不被測(cè)試的兩個(gè)輪邊電機(jī)無輸入，變成自由狀態(tài)，變?yōu)閮沈?qū)車。此時(shí)，1根驅(qū)動(dòng)橋輸出發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能，由于軸重限制，無法發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)的最大能力，從而無法測(cè)得整車的最大動(dòng)力性能。

方案2中，帶驅(qū)動(dòng)橋的四驅(qū)車，1個(gè)軸置于底盤測(cè)功機(jī)滾筒，1個(gè)軸置于自由滾筒，在自由滾筒上的驅(qū)動(dòng)橋完全打滑，動(dòng)力在另一驅(qū)動(dòng)橋輸出，此時(shí)變?yōu)閮沈?qū)車。與方案1相似，無法測(cè)得整車的最大動(dòng)力性能。

方案3中，配備前后兩套底盤測(cè)功機(jī)，這樣最接近車輛的真實(shí)運(yùn)行情況，可測(cè)量每個(gè)車輪的動(dòng)力性。為了適應(yīng)不同軸距的膠輪車測(cè)試，增加軸距可調(diào)裝置。

通過3種方案比較，方案1和方案2同為假的四驅(qū)試驗(yàn)臺(tái)。首先傳動(dòng)軸不易拆裝，其次自由滾筒組的價(jià)格便宜，故不考慮采用方案1。方案3比方案2增加一套底盤測(cè)功機(jī)，方案2中底盤測(cè)功機(jī)按整車最大動(dòng)力性設(shè)計(jì)，方案3中兩個(gè)底盤測(cè)功機(jī)之和按整車最大動(dòng)力性設(shè)計(jì)，方案3中單個(gè)底盤測(cè)功機(jī)的價(jià)格要小于方案2中底盤測(cè)功機(jī)的價(jià)格。同時(shí)，為了真實(shí)地測(cè)試四驅(qū)車輛的動(dòng)力性能，采用方案3。

四驅(qū)底盤測(cè)功機(jī)主要由固定底盤測(cè)功機(jī)、移動(dòng)底盤測(cè)功機(jī)、支撐架、移動(dòng)蓋板和固定蓋板等組成，如圖4所示。測(cè)試時(shí)，系統(tǒng)識(shí)別不同車型，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，使移動(dòng)底盤測(cè)功機(jī)調(diào)整至與檢測(cè)車輛軸距相對(duì)應(yīng)的位置。每個(gè)底盤測(cè)功機(jī)分為左右兩套獨(dú)立的動(dòng)力性檢測(cè)裝置，滿足對(duì)每個(gè)車輪進(jìn)行動(dòng)力性檢測(cè)。

1-固定底盤測(cè)功機(jī);2-移動(dòng)蓋板;3-移動(dòng)底盤測(cè)功機(jī);4-支撐架;5-固定蓋板;6-地基。圖4 四驅(qū)底盤測(cè)功機(jī)的結(jié)構(gòu)

底盤測(cè)功機(jī)的核心部件是功率吸收裝置，其主要類型有水力式、電渦流式和電力式。水力測(cè)功機(jī)造價(jià)較低，但精度不高。目前雙滾筒的底盤測(cè)功機(jī)的功率吸收裝置采用電渦流測(cè)功機(jī)，其在低速時(shí)由于速度低，不夠產(chǎn)生足夠大的渦流，其扭矩較小[5]。采用液力機(jī)械傳動(dòng)的防爆膠輪車，在零速時(shí)牽引力最大，故電渦流測(cè)功機(jī)無法測(cè)試其低速段。電力測(cè)功機(jī)在額定轉(zhuǎn)速點(diǎn)以下為恒扭矩特性，其低速性能好，用于測(cè)試液力機(jī)械傳動(dòng)的低速段，可對(duì)膠輪車的全轉(zhuǎn)速段進(jìn)行測(cè)試。因此，功率吸收裝置選擇電力測(cè)功機(jī)。電力測(cè)功機(jī)還具有反拖功能，試驗(yàn)臺(tái)不需要配反拖電機(jī)，可直接測(cè)試底盤測(cè)功機(jī)的滾筒到扭矩傳感器的臺(tái)體損耗、膠輪車傳動(dòng)系統(tǒng)的底盤損耗及車輪在滾筒上的滾動(dòng)損耗。

四驅(qū)底盤測(cè)功機(jī)除了測(cè)試防爆膠輪車的動(dòng)力性能外，配上各種傳感器，可以測(cè)試防爆膠輪車的其他性能。主要試驗(yàn)項(xiàng)目如下：

1) 車輛動(dòng)力輸出特性試驗(yàn)(最大牽引力、最大功率和最高車速)。

2) 排放性試驗(yàn)(各檔位下排放-速度特性曲線)。

3) 燃油經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)(各檔位下燃油經(jīng)濟(jì)性-速度特性曲線)。

4) 重載跑合試驗(yàn)(各工況下加載跑合)。

4 結(jié)論

防爆膠輪車四輪驅(qū)動(dòng)底盤測(cè)功機(jī)用于四驅(qū)防爆膠輪車的出廠檢驗(yàn)和試驗(yàn)，同時(shí)滿足兩驅(qū)車輛的檢驗(yàn)和試驗(yàn)，可以為防爆膠輪車的出廠檢驗(yàn)和設(shè)計(jì)研究提供測(cè)試平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)車輛動(dòng)力性的室內(nèi)臺(tái)架測(cè)試。四驅(qū)底盤測(cè)功機(jī)根據(jù)車輛的傳動(dòng)方式設(shè)計(jì)，為了真實(shí)測(cè)量整車及各個(gè)車輪的動(dòng)力性能，采用固定底盤測(cè)功機(jī)加移動(dòng)底盤測(cè)功機(jī)的方式。為了適應(yīng)防爆膠輪車低速大扭矩的性能，選用電力測(cè)功機(jī)作為功率吸收裝置。