连续采煤机履带行走系统驱动功率匹配与试验.pdf

第 卷第 期煤 炭 学 报 年 月 文章编号 连续采煤机履带行走系统驱动功率匹配与试验 宿月文 朱爱斌 陈 渭 谢友柏 西安交通大学 现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室 陕西 西安 摘 要 在履带行走系统的内部摩擦系统和履带 地面行驶动力学分析的基础上 明确了其内部 摩擦结构的变化是导致其牵引性能改变的主要原因 并总结出了各内部摩擦环节 以及直驶 转 向及最大工作负载 种工况下的结构参数和动力匹配理论 实车测试功率匹配结果与理论计算值 误差在 左右 表明应用该牵引动力匹配算法可合理进行连续采煤机整体设计和动力选型 关键词 连续采煤机 履带系统 功率匹配 摩擦阻力 中图分类号 文献标识码 收稿日期 责任编辑 许书阁 基金项目 国家自然科学基金资助项目 高等学校博士点专项科研基金资助项目 作者简介 宿月文 男 山西忻州人 博士研究生 高效连续采煤机短臂采煤与长臂采煤互相补充构成了现代大型矿井的最佳生产模式 连续采煤机及其 配套设备在开采边角煤 三下煤 不规则块段以及工作面巷道掘进等方面发挥着越来越大的作用 逐 渐成为提高矿井综合效益的必要手段 行走机构是连续采煤机的重要组成部分 对整机起着支撑 连 接与行走的作用 同时也是发挥其调动灵活 高效开采等优势的基础条件 连续采煤机行走机构通常采用 履带系统 但又不同于常规的坦克 挖掘机用的履带系统 其主要区别就是它去掉了负重轮 履带与机架 直接以滑动摩擦副接触 从而减少了部件 降低了机构复杂性 提高了可靠性 但是 与常规的负重轮与 履带滚动接触相比 连续采煤机行走机构履带机架的滑动摩擦副导致了巨大的内部摩擦功耗 因此行 走机构的驱动功率匹配成为重要的难题 另一方面 目前连续采煤机行走机构设计与分析一直沿用常规履 带系统设计理论和方法 而忽略了它们的区别 造成了驱动功率匹配不合理的问题 本文分析了连续采煤机行走机构的特殊内部结构 将其细分为 个主要摩擦环节 并引入到履带行走 系统牵引力学模型中 建立了牵引驱动功率的匹配算法 并应用实例进行了具体分析 最后利用某型连续 采煤机进行了相关试验 对结果进行了验证分析 煤 炭 学 报 年第 卷 图 连续采煤机行走机构 履带行走系统牵引平衡分析 连续采煤机履带行走机构采取了直接将机架压在履带上的结构型式 图 这种内部结构变化导致 了车辆的牵引特性发生很大改变 根据履带车辆牵引力学 原理 驱动力首先经过车辆内部系统 然后传递到地面 由地面形成推动力 因此车辆内部系统的摩擦会造成驱动 力的损失 通常履带车辆的内部摩擦包括驱动轮和履带链 的啮合摩擦 各种轴承摩擦 履带板之间的铰接摩擦以及 负重轮在履带链上的滚动摩擦 但是对于采用无负重轮 型式的履带车辆 其最后一项内部摩擦变为机架和履带链 之间的滑动摩擦 该项滑动摩擦力是造成功率损耗的主要 原因 因此 下面将在详细考虑内部摩擦的情况下 分析直线和转向行驶 种工况下的行走系统的牵引平 衡方程 直线行驶时 根据力学平衡原理 履带系统有效牵引力及功率 电机扭矩和功率之间的关系为 式中 为单侧履带产生的挂钩牵引力 为单侧电机扭矩 为传动比 为单侧驱动轮半径 为 消耗在克服一侧履带行走机构内部摩擦的驱动力矩 为行驶阻力 为单侧履带产生的有效输出功 率 为单侧电机功率 为传动效率 为单侧履带内部摩擦功率 为单侧履带实际速度 直驶时 两侧履带运行状态相同 当 时 即为空车状态 转向工况下 由力矩平衡原理 式中 为转向阻力矩 为两条履带的中心距 分别为两侧履带的挂钩牵引力 将式 代入式 得 根据式 即可确定转向时两侧电机所需的扭矩和功率分别为 式中 分别为两侧电机扭矩 分别为消耗在克服两侧履带行走机构内部摩擦的驱动力矩 分别为两侧履带的实际速度 分别为两侧履带滑转率 通常在履带式机械系统设计中 为简化计算 一般取内摩擦因数为 但是在连续采煤机行走系 统中并不适用 必须对履带系统各个内摩擦环节进行详细分析 另外 履带机械的转向阻力矩和土壤阻力 已有诸多文献作出分析 本文不再赘述 履带行走机构内部摩擦系统分析 连续采煤机履带行走机构内部摩擦力及功耗可归纳为以下几项 驱动轮和履带链的啮合摩擦力 及功耗 驱动轮轴承摩擦力矩 及功耗 导向轮轴承摩擦力矩 及功耗 履带板之间的铰 接摩擦阻力 和功耗 车身与履带之间的摩擦阻力 和功耗 驱动轮和履带的啮合摩擦力 及功耗 分别为 其中 为啮合摩擦因数 为牵引力 为履带预张紧力 为驱动轮齿数 为轮 齿啮合弧长 为驱动轮线速度 驱动轮轴承摩擦功耗 和导向轮轴承摩擦功耗 可由 确定 其中 为驱动轮 导向轮 轴承摩擦阻力矩 为驱动轮 导向轮 轴承外径 第 期宿月文等 连续采煤机履带行走系统驱动功率匹配与试验 为驱动轮 导向轮 轴承内径 为轴承摩擦因数 履带车辆一般采用滚动轴承 摩擦因数 介于 为载荷系数 对于中等冲击情况 一般取 为驱动轮 导向轮 上下边履带力的矢量和 为驱动轮 导向轮 轴承摩擦功耗 为驱动轮 导向轮 节 圆半径 履带板之间的铰接摩擦阻力 及功耗 分别为 其中 为销与销套摩擦因数 为销的直径 为驱动轮节距 车身与履带之间的摩擦阻力 及功耗 分别为 其中 为机架和履带 之间的摩擦因数对于图 所示无负重轮形式底盘结构 则取值为机架与履带的滑动摩擦因数 为整车质 量 根据上述分析以及工程应用情况 连续采煤机内部摩擦功耗占有相当大的比例 且远大于通常履带内 摩擦计算的经验系数 另外直观估计 内摩擦阻力中机架 履带的滑动摩擦力是消耗驱动力的主要 因素 相对而言 其他 项摩擦阻力较小 另外 由于履带车辆的工作条件和环境一般都比较复杂 导致 摩擦因数很难确定 例如砂土介质下金属之间的摩擦因数为 而邵荷生 进行的含杂质煤作摩 擦介质的摩擦磨损实验表明 其摩擦因数的变化范围为 所以准确的测定不同工况和环境下 的内部摩擦因数也是连续采煤机功率匹配的重要内容 履带行走机构牵引特性分析与现场测试 测试装置和测试方案 试验以某型连续采煤机作为样机 以履带式行走系统为测试对象 行走系统为后轮驱动 样机的整体 结构参数 整机质量为 履带接地长度为 履带宽为 条履带间距为 测试在水 泥地面进行 在进行整机试验之前 首先通过实验室的销盘试验机测定原煤介质作用下的摩擦因数 原煤 介质取自神东煤矿 销与盘的材料分别采用 和 据试验机对试样的要求 将材料通过线 图 实验机构及路面状况 图 推压传感器安装位置 切割和机加工分别得到尺寸为 的销 盘试样 利用销盘试样在自制的销盘式滑动摩 擦磨损试验机上分别进行干摩擦和原煤介质下的滑动摩擦因 数的测定 考虑载荷和相对速度变化的情况下 测得干摩擦 因数位于 范围内 煤介质摩擦因数位于 内 内部摩擦总阻力的确定 根据文献 在水泥路面 上 图 履带行走机构没有沉陷 所以不存在土壤阻力 因此 当该行走机构在不工作匀速行驶时 电机驱动力和功 率可近似认为全部用于克服内部摩擦阻力消耗 那么内部摩 擦总阻力可从电机的扭矩和功率加以反映 整个测试过程为 在速度稳定状态下前进 后退各行驶 并记录相应时 间 最大牵引力的确定 地面提供的最大牵引力也是连续采 煤机最大的截割煤壁的能力 将推压传感器固定在人工仿造 煤壁的支承台上 传感器中心高度与连采机工作时截割滚筒 的中心线高度相同 如图 所示 将连采机截割部调整到工 作状态 截割滚筒顶到推压传感器 开动机器直至履带打滑 记录整个过程的推压传感器读数 电机的功率和驱动轮的转 速 履带完全打滑时刻的推压传感器读数即为最大牵引力 煤 炭 学 报 年第 卷 原地转向工况实验 令两侧驱动轮按相反方向驱动 以车辆稳定顺时针和逆时针各转向 周 并记录时 间 图 最大截割工况下电机功率和速度曲线 数据分析与对比 空车在干水泥路面直线行驶时 可近似认为不存在地 面阻力 且工作装置不对外做功 因此电机功率全部用于 克服内部阻力 根据此刻电机功率 转速及实际车速即可 估算总的内部阻力 实测中 车辆启动后 在设定档位上 以 的速度匀速行驶 记录得到整个过程 的两侧电机功率之和为 图 为整个过程中电机功 率和整车速度的关系 根据传动效率和传动比 可换算得 到驱动轮驱动力为 根据力学平衡原理可知 实测 得到的连续采煤机行走机构履带系统的内部摩擦总阻力为 如果根据常规经验系数 计算得到的数值为 则两者相差甚远 可见 通常的履带系统内摩擦阻力经验算法并不适用于连续采煤机 但是根 据本文提出的式 得到电机匹配功率为 根据实验测得的摩擦因数 取上限值 内部摩擦 总阻力为 二者分别与实测值相比误差各自为 和 表 为该工况下需要匹配的牵引电机功 率以及各项内部摩擦阻力功耗的理论计算值 可知 机架和履带的滑动摩擦是功率消耗的主要部分 表 电机功率及内摩擦阻力计算结果 项 目 产生摩擦阻力的部位 履带销与销套机架与履带驱动轮轴承导向轮轴承啮合摩擦 内摩擦功率 内摩擦功率与驱动功率之比 牵引电机功率 合 计 图 转向时两侧驱动轮驱动力矩变化 最大截割能力由最大牵引力表征 履带完全打滑时测得推压传感器力值 此即为最大牵引力 两侧电机功率之和为 驱动轮转速为 根据式 可知 电机传递到驱动轮的转矩 首先需克服内摩擦阻力 然后才能形成割煤能力 即最大牵引力 根据实测数据并加以换算 得到驱动轮 驱动力 它与最大牵引力的差值即为内摩擦总阻力 其值为 可见它比直线行驶时高出约 这是因为履带销和销套的摩擦和驱动轮 履带板啮合摩擦会随着履带张力的增大而增大 另外 在 最大截割强度下 驱动轮驱动力转化为做功能力的效率只有 左右 履带机构中心转向能力是评价行走系统灵活机动性的重要 指标 通常情况下 履带式机械转向时受到的阻力远大于直驶 情况 需要更大的驱动功率 而原地转向时 所受阻力和所需 功率达到极值 由于实际使用中连采机原地转向时速度较慢 所以采用低速档位 实验中 令两侧电机反向驱动 整个履带 行走机构以顺时针 逆时针分别转向 周 通过测试得到的 侧驱动轮转矩变化如图 所示 可知 测得左右两侧电机功率 平均分别为 侧驱动轮平均转矩分别为 转速分别为 换算到 侧 驱动轮提供的驱动力为 将上述工况代入理论模 第 期宿月文等 连续采煤机履带行走系统驱动功率匹配与试验 型中进行计算 得到匹配电机功率分别为 地面转向阻力矩为 水泥地面转向阻力 系数为 可见转向时匹配电机功率的实测值和理论值误差在 之间 结 论 连续采煤机行走机构系统采用了无负重轮型式的履带系统 常规的行驶阻力和牵引动力匹配计算 方法在此并不适用 详细考虑内部摩擦环节建立的牵引动力匹配计算原理更能够反映连续采煤机行走系统 的功率分配的真实情况 根据履带车辆行驶力学平衡原理 详细建立了 个内部摩擦环节的摩擦阻力计算公式 结合外部 行驶阻力建立了完整的连续采煤机行走系统功率匹配方程 分析表明 内摩擦功耗比在空车运行时为 全力工作时为 应用某型连续采煤机进行了牵引性能测试 得到了内部摩擦阻力和功耗与理论计算结果有较好 的一致性 表明了内部摩擦功耗是无用功耗的主要部分 应成为连续采煤机节能设计的重点 参考文献 李晓豁 我国发展连续采煤机的前景 矿山机械 刘锡霞 国际工程机械市场现状和趋势分析 工程机械文摘 朱 华 吴兆宏 李 钢 等 煤矿机械磨损失效研究 煤炭学报 姚怀新 陈 波 工程机械地盘理论 北京 人民交通出版社 陈秉聪 范雅操 宁素俭 履带车辆行驶阻力的研究 吉林工业大学学报 工学版 韩雪海 刘 侃 周玉珑 履带车辆行驶力学 北京 国防工业大学出版社 唐经世 工程机械底盘学 成都 西南交通大学出版社 邵荷生 陈华辉 煤的磨料磨损特性研究 煤炭学报 杨红旗 履带