單臂鑿巖臺車爬坡能力提升研究

王培酈，劉望，梁鳳遠(yuǎn)

（1.徐州徐工基礎(chǔ)工程機(jī)械有限公司，江蘇 徐州221004;2.徐州徐工工潤建筑科技有限公司，江蘇 徐州221000）

1 簡述

單臂鑿巖臺車是針對隧道和井下鑿巖打孔的專用設(shè)備。 礦山路面一般較為惡劣，坡道較大，路面不平且長，這就要求鑿巖臺車有較大的牽引力和較好的爬坡能力。 單臂鑿巖臺車傳動系統(tǒng)一般為機(jī)械液力傳動， 主要有發(fā)動機(jī)-變速箱-傳動軸-驅(qū)動橋-輪輞-輪胎組成。爬坡能力在整車最大坡度時得以體現(xiàn)，此時的牽引力也是整車最大的。

簡化整車受力情況 （不考慮整車偏心情況），抽象出數(shù)學(xué)模型，整車最大爬坡角度如圖1 所示，即整車以一檔速度爬坡時受力情況。

圖1 整車爬坡時受力情況

在這種情況下，F(xiàn)牽≥f摩＋G sinα， 也就是F牽≥u2×G cosα+G sinα。 其中F牽為整車的最大牽引力，u2為滾動摩擦系數(shù)，G 為整車重力，α 為爬坡角度。 滑動摩擦系數(shù)u1=0.6，滾動摩擦系數(shù)u2=0.02.

整車設(shè)計重量G=13.5 噸，α 最大角度為14°，v 最大為18.5 km/h，發(fā)動機(jī)最大功率T 選配263 N.m，最大轉(zhuǎn)速n 為2400 r/min，最大功率P為52 kW，變速箱最大失矩比2.0，前后驅(qū)動橋最大速比為26，輪胎轉(zhuǎn)動半徑r=0.49 m。

根據(jù)發(fā)動機(jī)和變速箱匹配，考慮機(jī)械傳動損失效率。 從圖2 匹配表格中查整車最大牽引力F牽=43 kN （發(fā)動機(jī)輸出牽引力P ＇= nT÷9550≈66 kW）。

圖2 最大牽引力F 匹配

u2×G cos α+G sin α=34 （kN）

43 kN＞34 kN， 所以滿足產(chǎn)品初始設(shè)計要求。

2 爬坡實際問題

在實際工況中，由于礦山或者井下鑿巖臺車在爬坡時候，路面條件惡劣，不平整且有小段坑坑洼洼，有碎石或者泥濘，這都給產(chǎn)品爬坡能力提出了更高的要求。 初代產(chǎn)品在實際工作中，尤其是在爬坡時，出現(xiàn)了牽引力不強勁，爬長陡坡慢的情況。

根據(jù)實際情況， 從設(shè)計之初的F牽≥u2×G cos α+G sin α 入手分析，在整車質(zhì)量保持不變的前提下，對發(fā)動機(jī)、變速箱及驅(qū)動橋進(jìn)行優(yōu)化提升，用來一方面滿足增大牽引力，一方面滿足爬更大的坡（35%）的需求。

3 優(yōu)化方案

優(yōu)化方案是在原來產(chǎn)品基礎(chǔ)上，考慮優(yōu)化成本的多少而提出的。 優(yōu)化思路如下：

（1）發(fā)動機(jī)功率優(yōu)化

F牽=P÷v，在整車速度v 不變情況下，增大整車發(fā)動機(jī)輸出最大功率P，來達(dá)到增大F牽的目的。 通過對原有發(fā)動機(jī)的刷機(jī)，在原來基礎(chǔ)上從52 kW 提升到60 kW，輸出扭矩T 最大從263 N·m 變?yōu)?06 N·m。優(yōu)化成本增加為零元［1］。

（2）變速箱失矩比優(yōu)化

在整車質(zhì)量m 不變， 功率P 不變的情況下，提升速比來達(dá)到降低整車最大速度v（18.5 km/h 變?yōu)?8 km/h）， 最終達(dá)到提升整車牽引力F牽。 變速箱的原來設(shè)計失矩比為2，通過跟廠家溝通，廠家重新在原來基礎(chǔ)上給我方開發(fā)了一款失矩比為2.5 的變速箱。 優(yōu)化成本為18000 元［1］。

（3）驅(qū)動橋速比優(yōu)化

整車質(zhì)量m 和功率P 不變， 通過提升速比，達(dá)到提升整車牽引力F牽。 前后驅(qū)動橋單橋原來設(shè)計總速比為26，通過跟廠家溝通，廠家在原來驅(qū)動橋基礎(chǔ)上優(yōu)化速比到29。原前后驅(qū)動橋改制優(yōu)化成本為1400 元［1］。

理論計算優(yōu)化后整車?yán)碚撟畲笈榔陆嵌劝凑請D1 中的受力和公式，考慮機(jī)械傳動各個環(huán)節(jié)的衰減系數(shù)：

（1）如果其他條件不變，只優(yōu)化發(fā)動機(jī)功率。 優(yōu)化前整車發(fā)動機(jī)最大功率P牽= nT/9550≈66 （kW），優(yōu)化后，整車發(fā)動機(jī)最大功率P牽＇= nT/9550≈76 （kW），考慮機(jī)械傳動效率和衰減系數(shù)，整車最大牽引力F牽≈49.5 kN。

（2）如果在發(fā)動機(jī)不變情況下，變速箱優(yōu)化后，根據(jù)P=Fv 得到F1÷F2＝v2÷v1，其中F1為改進(jìn)前整車牽引力，F(xiàn)2為變速箱優(yōu)化后整車牽引力。 優(yōu)化前整車最大速度v1=19.87 km/h，v2為變速箱優(yōu)化后整車最大速度，v2=14.40 km/h。 優(yōu)化后F牽=59.33 kN。

（3） 如果在整機(jī)質(zhì)量和功率不變情況下，驅(qū)動橋速比變化（26 到29），引起整車最大速度變化，從而提升整車牽引力。 優(yōu)化前整車最大速度v1=19.87 km/h，其中0.8 為變速器速比，變速箱2 檔速比為0.686，r 為輪胎滾動半徑。優(yōu)化后整車最大速度v2= 17.79 km/h。 此時對應(yīng)的優(yōu)化后F牽≈48 kN。

4 試驗數(shù)據(jù)及結(jié)果

實際中，單臂鑿巖臺車在發(fā)動機(jī)通過刷機(jī)提升功率、變速箱失矩比改變和驅(qū)動橋增大速比三方面的優(yōu)化提升后，整機(jī)在試驗場做了相關(guān)的試驗驗證。 圖3、 圖4 為優(yōu)化后的樣機(jī)爬35%坡情況，圖5、圖6 為一檔、二檔的整車牽引力實驗數(shù)據(jù)，試驗的數(shù)據(jù)見表1。

圖3 爬35%坡

圖4 爬35%坡

圖5 水平路面一檔最大牽引力

圖6 水平路面二檔最大牽引力

表1 試驗參數(shù)表

5 應(yīng)用結(jié)果

從單臂鑿巖臺車優(yōu)化方案和試驗結(jié)果來看，通過提升發(fā)動機(jī)功率、提升變速箱失矩比和提高驅(qū)動橋速比三種方法，可以在有限的優(yōu)化成本基礎(chǔ)上大幅度提升單臂鑿巖臺車的爬坡能力和牽引力。

試驗效果良好，優(yōu)化方案可以在此機(jī)型上大力推廣［2］，能對同類型鑿巖臺車的爬坡能力的提升和改制提供借鑒。