煤礦用無軌膠輪車傳動系統(tǒng)特性分析

楊 雄

（山西河曲晉神磁窯溝煤業(yè)有限公司， 山西 忻州 036500）

引言

在煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)中，煤礦輔助運輸在保證煤礦生產(chǎn)過程中發(fā)揮了重要的作用，煤礦輔助運輸車輛主要是以柴油機作為動力的防爆膠輪車，這是一種廣泛應(yīng)用在大中型煤礦的高性能運輸車輛，無軌膠輪車的主要結(jié)構(gòu)包括貨箱及機頭、在車頭的一側(cè)設(shè)置有駕駛室，駕駛室主要包括主駕駛和副駕駛，同時在機頭內(nèi)部具有操作控制臺，在主駕駛座的左側(cè)方向布置有儀表盤，用于對膠輪車運行狀態(tài)進行監(jiān)控[1]。礦用無軌膠輪車的主要特點是轉(zhuǎn)彎半徑小、安全便捷、爬坡能力強，是目前國內(nèi)各大型煤礦中是最重要的物料輸送工具，同時也是輔助運輸系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)，在煤礦井下承擔著煤礦中80%以上的物料運輸任務(wù)[2-3]。

由于煤礦井下環(huán)境比較惡劣，路面情況比較復(fù)雜，且長期處于多塵、潮濕和電磁輻射環(huán)境中，遇到地面不平整時，膠輪車運行過程中會發(fā)生頻繁的振動，導(dǎo)致傳動系統(tǒng)零部件的松動，變形等問題對膠輪車產(chǎn)生較大的功率損耗，嚴重影響了膠輪車的實際工作性能。為此對于煤礦膠輪車而言，其自身在煤礦井下的運行的效率主要是取決于膠輪車的傳動系統(tǒng)的傳動特性，為此本文對膠輪車的傳動特性進行研究。

1 煤礦用膠輪車傳動能效分析

礦用膠輪車內(nèi)部具有大量的傳動系統(tǒng)，包括常用的齒輪傳動、鏈傳動、絲杠傳動等，其中傳動系統(tǒng)的功率損耗主要是由各個傳動的部件，比如柴油發(fā)動機、離合器和萬向傳動器、變速器等部件的傳動系統(tǒng)。傳動系統(tǒng)中的功率損耗較大，柴油發(fā)動機是膠輪車的動力源，通過柴油發(fā)動機驅(qū)動減速器并輸出到主軸，功率最終傳遞到底盤的輸出軸驅(qū)動車輪進行轉(zhuǎn)動，在傳動過程中具有大量的阻力，比如地面對車輪的阻力、傳動系統(tǒng)內(nèi)部摩擦力、聯(lián)軸器的損耗等，這些最終都會轉(zhuǎn)變?yōu)閭鲃酉到y(tǒng)的功率損耗，膠輪車的實際傳動效率的計算公式為：

式（1）中：PE為柴油發(fā)動機的額定功率；PL表示傳動過程中的功率損耗；η 表示傳動系統(tǒng)的實際效率。

通過式（1）可以看出，膠輪車傳動系統(tǒng)的主要功率損耗集中在防爆特性上，為了滿足膠輪車適應(yīng)煤礦井下復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，需要保證柴油機的進氣與排氣之間的壓力，當進氣壓力減小時，排氣壓力將會增大，燃油的實際消耗率將會增加，空氣的消耗率將會有一定程度的降低，將會導(dǎo)致發(fā)動機的輸出功率和扭矩的變化減小，最終導(dǎo)致膠輪車的動力性能和傳動性能變差。在膠輪車的傳動部件中，變速器的傳動效率和功率損耗成反比，變速器的輸出功率與柴油機空載運行的實際損耗功率有關(guān)，于是有功率公式為：

式中：Pi為變速器的輸入功率；Pm為變速器的內(nèi)部齒輪和軸承等在實際進行轉(zhuǎn)動過程中的功率損耗；Ps為變速器中的其他功率損耗。

驅(qū)動橋的實際功率損耗大多是由于雙曲面齒輪嚙合、攪拌油液和摩擦導(dǎo)致的損耗和。按照功率相等原則，有輸入功率等于輸出功率。為了深入分析膠輪車的傳動系統(tǒng)效果，對各個部件的功率損耗情況進行研究，選擇WqC2J（A）型膠輪車作為試驗分析對象。如下頁表1 所示為膠輪車參數(shù)特征。

表1 WqC2J（A）型號礦用防爆膠輪車參數(shù)

2 傳動系統(tǒng)特性仿真模型的搭建

CRUISE 軟件是目前國內(nèi)較為常用的車輛研究軟件，主要有包括車輛動力學(xué)、燃油經(jīng)濟性和車輛排放指標、車輛傳動系統(tǒng)等的研究，可以較為準確并快速搭建出膠輪車的傳動系統(tǒng)模型，針對本次研究的主要內(nèi)容是膠輪車傳動系統(tǒng)特性，首先在CRUISE 中搭建出膠輪車傳動系統(tǒng)模型，如下頁圖1 所示為膠輪車傳動系統(tǒng)模型。

圖1 膠輪車傳動系統(tǒng)模型

在搭建了膠輪車傳動系統(tǒng)模型后需要對對應(yīng)的模塊進行參數(shù)設(shè)置，參數(shù)設(shè)置是保證最終結(jié)果正確的關(guān)鍵。對搭建好的仿真分析模型進行參數(shù)設(shè)定，利用膠輪車自身結(jié)構(gòu)特點和經(jīng)濟性設(shè)定原則，對膠輪車進行仿真分析。

3 傳動系統(tǒng)特性仿真結(jié)果的分析

通過在CRUISE 中搭建膠輪車傳動系統(tǒng)模型，并且設(shè)定以經(jīng)濟性作為仿真分析的目標，可以得到如圖2 所示的燃油經(jīng)濟性仿真結(jié)果圖。

從圖2 中可知，膠輪車的傳動系統(tǒng)燃油經(jīng)濟性表現(xiàn)為隨著橫坐標的變化出現(xiàn)一定的規(guī)律性波動，當x軸顯示的數(shù)值較大時燃油經(jīng)濟性的波動幅度較小，為此可以得出如下結(jié)論：采用UDC 循環(huán)工況以及巡航的工況進行仿真分析，也就是設(shè)定為膠輪車的實際車速為20 km/h，此時的油耗為11.3 L/100 km，通過與《MTT989—2006 礦用防爆柴油膠輪車通用技術(shù)條件》提供的參數(shù)進行對比可以得出，此時的能耗滿足標準要求，低于給定的能耗規(guī)定值，滿足使用要求；通過對膠輪車的能耗特性進行分析可以得出，在怠速狀態(tài)下的實際驅(qū)動輸出功率為12 kW，在實際運行工況下的驅(qū)動輸出功率為33.5 kW，整個系統(tǒng)的傳動效率大約為72%。

圖2 燃油經(jīng)濟性仿真圖

4 結(jié)語

礦用膠輪車是現(xiàn)代煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)中重要的輔助運輸機械設(shè)備。針對煤礦用膠輪車在實際進行運行過程中容易出現(xiàn)剎車失靈、動力和制動力不足的問題影響了煤礦井下輔助運輸安全性，甚至有可能導(dǎo)致傳動系統(tǒng)失效等問題，本文通過對礦用膠輪車傳動系統(tǒng)進行建模，分析了傳動系統(tǒng)功率損耗和能量損耗，并且利用CRUISE 搭建了傳動系統(tǒng)仿真分析模型設(shè)定參數(shù)進行仿真分析。分析結(jié)果表明，礦用膠輪車的實際功率損耗主要在于防爆特性要求，需要調(diào)定內(nèi)外的壓力值，在某個特定速度時油耗滿足標準要求，從而證明了膠輪車的傳動系統(tǒng)模型搭建的正確性，為后期膠輪車的其他動力學(xué)研究提供了參考和研究方法。