矿用履带式钻孔设备爬坡能力试验台的设计.pdf

局广山机械第4 8 卷2 0 2 0 年第7 期 编 辑 严 瑾 1 4 矿用履带式钻孔设备爬坡能力 试验台的设计 许海龙1 ’2 1 煤炭科学技术研究院有限公司检测分院北京1 0 0 0 1 3 2 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室北京1 0 0 0 1 3 摘要为了满足矿用履带式钻孔设备爬坡能力试验要求，同时适应不同设备不同设计坡度值的现场应 用情况，设计了一套可调节角度的爬坡能力试验台。通过分析爬坡能力对矿用履带式钻孔设备整机性 能的重要性及标准试验要求，结合目前产品现状及未来发展趋势，确定了矿用履带式钻孔设备爬坡能 力试验方法及设计参数，完成了试验台整体方案设计。通过机械结构设计、受力计算、关键零部件强 度校核、液压系统设计计算、高精度倾角传感器选型等步骤，完成了试验台各部分的设计与研制。该 试验台不仅满足了标准规定的试验要求，同时能够实现角度调节，调节过程中能够实时显示当前坡度 值，提高了爬坡能力试验方法的科学性及试验数据的准确性。 关键词履带式钻孔设备；爬坡能力；可调角度；试验台设计 中图分类号T D 4 1文献标志码B文章编号10 0 1 3 9 5 4 2 0 2 0 0 7 0 0 14 0 4 D e s i g no f t e s tb e n c hf o rc U m b i n ga b m 够o fm i n e c r a w l e r - t y p e d r ⅡU n ge q u i p m e n t X UH a i l o n 9 1 ，2 1 T e s tB 舢c ho f C h i n ac o a lR e s e 盯c hI n s 廿n n e ，B e i j 啦 0 0 0 1 3 ，C h i n a 2 S 乜I t eK c yL a b o r a t o 叮o f H i g hE 伍c i e n tM i n i n g c l e 蛆u t i l i 烈t i ∞o f c o a lR e s o u r c e s ，B e i j i I 冯1 0 0 0 1 3 ，c h i l l a A b s t 翻瓜1 1 10 r d e rt om e e tt 1 1 er e q l l i 撒n 印晦o ft e s tf ．0 rt h ec l i | n b i n gd b i l j 晦o ft h em i n ec r a w l e r ．t y l c 砸1 1 i n g e q u i p m e m ，锄da d a mt om ef i e l da p p H c a 如no fV 撕。璐e q 【u j p l n e n 伍o nV a 晡。啵d e s i 弘s l o p e ，as e to fo b H ‘l u 毋 a 面瑚妣t e s tk 殂c hf ．0 rc 血曲i n ga b 啦w 鹅d e s 训．腧锄她脚n g 也ei n 】p 凹咖1 c co f 酬血c b i n ga b i l i 够o n 位 p e 秭b r m 砒l ∞o f 疵c r 孙讥盯勺7 p em 她饯I L I 砸m e n t 锄dl h et c s _ tr e q I l i I 就n 觑她s p ∞m e di n 嗽m d a m ’i nc 0 俯b i m 匝o n 蛐雠删删s ‰m d 雠缸u r e 呶他咖慨d ，恤删删f o rc l i m b 吨a b 嘶0 f m cl n i n e 训∞勺供d r i l l i l 唱e q 嘶珥n 锄t 锄l dt h ed e s i 驴p a 均m e 锄w 骶d e t e l 衄j n e d ，锄d 血髓t h ew h 研ed e s 啦s c h 锄e 缸 t h et ∞tb 锄c hw 嬲c 伽叩 e t e d ．1 1 玳 l l g ht h ed e s i g no fm ∞h a n i c a ls t l w t u 他，f o r c ec a l 叫h 曲n ，s 缸℃n g I hc h e c k i l 唱o f k e yp a r t s ，d e s 啦趾d ∞l c 删o no f b 商跚l l i cs y 她m o d e ls e l ∞d n go f h i g h _ p r ∞i s i o n 曲l E l Ⅳi 锣s e 衄o Bt h ed e s i 弘 a n dd e v e l o p m 肌to f e a c hp a no f 恤t e s tb e n c hw ∽∞h i e v e dT h et e s tb e n c h ∞to n l ym e t 雠t e s t 瞅n l i r e m ∞伍 作者简介许海龙，男，1 9 8 6 年生，硕士，助理研究员，主要从事凿岩设备检测方法和试验装置研究工作。 C 醒盛通盛’C 邋鼢G 龟盛X 蔼鼢C 避G 刚的l o 刚昀憾鼢G 童搦迎盛邋G 刚的l c ；t 搦蔺圆o C 避助G 毫G t 量0 G 刚叼憾髓翻’C 过l o a 刚叼I G 刚昀憾助谴 黑龙江科技大学学报，2 0 1 7 ，2 7 2 1 1 4 - 1 1 7 ． [ 2 】李曼，王志鹏．基于巨磁阻效应的采煤机摇臂角度传感器 设计研究田．煤炭科学技术，2 0 1 9 ，4 7 4 2 6 - 3 1 ． [ 3 】钱江泳．采煤机用摆角传感器的改进设计【J 】．煤矿机械， 2 0 1 6 ，3 7 3 1 2 3 1 2 4 ． 【4 】苏秀平．采煤机自动调高控制及其关键技术研究【D 】．徐州 中国矿业大学，2 0 1 3 7 “7 8 ． [ 5 】宋相坤．采煤机摇臂与牵引箱联接装置处异响问题解决方法 【J 】．煤矿机电，2 0 1 6 5 9 7 9 8 ． 【6 】李庆亮．采煤机截割部与牵引部铰接转动异响机理研究[ J 】． 煤矿机械，2 0 1 9 ，4 0 1 2 1 6 4 - 1 6 6 ．口 收稿日期2 0 2 0 _ 0 l 0 4 修订日期2 0 2 0 _ 0 4 - 0 7 万方数据 局广山机械第4 8 卷2 0 2 0 年第7 期 s p e C i f i e di I l 啦m 1 a 甩b u t 舭e dt 1 1 e0 b l i q l l 蚵a d j l l s 缸1 1 e n td u 血g 、 I ，h i c h 廿1 ec u r r e 呲s 1 0 p e 池d i s p l a y e d 池， w 硫h i l n p r 0 V e d m es c i 训 时o f 也e c l i m b 吨a b i l i 够t e s t n l e 血o d 趾d ．此a c c 嗽c y o f m e t e s t d a t a ． K e yW b r d s c r a w l e r ．呻e 血1 1 i I 玛e m e n t ；c l m 通ga b i l 时；删u g 切b l eo b l i 州够；d e s i 印o f t e s tb e n c h 立L 适应煤矿井下地质条件的复杂性，矿用履带 ／V 式钻孔设备在使用中应具备一定的爬坡能力。 爬坡能力作为一项重要的运动学性能，用于表征设备 的极限运动能力，可用最大爬坡度来表述。最大爬坡 度指的是矿用履带式钻孔设备满载时以额定低速挡在 良好路面上正常行驶状态下所能克服的最大坡度u l 。 在实际应用中，影响设备爬坡能力的因素较多，行驶 阻力包括坡度阻力、滚动阻力、加速阻力和空气阻 力，根据设备的驱动力及平衡关系，可以建立起平衡 行驶方程式瞄】。爬坡能力与整车结构设计、前后桥载 荷分配、动力配置、传动系统速比以及整车作业性能 等方面的合理性有很大关系啼】。爬坡性能主要表现为 爬坡的稳定性和动力性。稳定性由机械结构设计形式 决定，动力性则由设备传动转矩和整机功率决定H 】。 最大爬坡度对设备整体性能有着至关重要的影响，因 此，爬坡能力试验是型式检验和出厂检验必不可少的 项目。现场试验中，按企业标准规定的坡度值设置坡 道角度，以额定低速挡进行爬坡试验，若能够正常通 过即为爬坡试验合格。由于不同企业、不同设备的坡 度设计值不同，因此有必要设计一套可调节坡度的爬 坡能力试验台。 1 总体方案设计 矿用履带式钻孔设备爬坡能力测试过程中，在规 定坡度坡道爬坡行走时应运行平稳、灵活，刹车后不 应产生自动下滑、卡滞及异常声响等现象。试验中首 先将可调角度坡道平台调节至规定坡度，矿用履带式 钻孔设备以额定低速挡行驶速度爬行，观察行驶过程 中及刹车后是否有异常隋况。爬坡能力试验台采用坡 度可调式设计，根据目前产品状况及未来发展趋势， 角度在o o 一3 0 。范围内可调节，全行程调节时间不超 过2m i n 。试验台最大承载能力不低于3 0t ，坡道台 面长宽尺寸为7o o om m 25 0 0m m ，设定起升时重 心在台面中心处。整个设备主要分为可调节坡度举升 平台和液压泵站2 部分，通过液压管路将二者连接起 来。举升角度通过倾角传感器测量并实时显示，倾角 角度显示仪表安装在液压泵站上侧台面恤1 。总体方案 如图1 所示，三维结构设计模型如图2 所示。 2 机械结构设计 举升平台主要由平台、举升液压缸、铰座、三角 国 液压泵站 及操作台 举升平台 图1 总体设计方案 F i g ．1 0 V e r a I Id e s i g Ⅱs c h e m e 图2 三维结构设计模型 F i g ．2M 0 d e l0 f3 Ds t r u c t u r 8 ld e s i g n 架、拉杆等部分组成，平台一端通过销轴与固定在地 面上的铰座A 连接，另一端通过举升液压缸伸缩及三 角架和拉杆的受力传递作用，实现平台与地面的坡度 调节功能。其中铰座A 和铰座B 固定在地面上，试 验台坡度调节时，通过控制举升液压缸活塞杆伸缩， 从而达到o 。一3 0 。坡度可调的要求陋】。倾角传感器通 过螺栓安装在举升平台下侧，型号为c Q 一3 0 0 ，角度 分辨率为o ．0 5 。一o ．1 0 。。在举升平台安装时，安装区 域开设基坑，通过地锚器将铰座、底座与基坑内底面 固定，当坡度降为O 。时，保证举升平台上表面与地 面在同一平面。当坡度逐步升高时，被试设备可通过 铰座A 侧驶入坡道进行试验。举升平台结构如图3 所 示。 试验台液压泵站与操作台集成一体，其中液压泵 站由三相异步电动机、齿轮泵、油箱、液压管路、液 压换向阀等组成，为试验台液压系统提供液压动力。 泵站上侧设置操纵台，操作台面板安设有手动液压换 向阀、电动机启停按钮、平台倾角显示屏、液压系统 编 辑 皿 瑾 15 万方数据 编 辑 皿 瑾 16 圈舢机械籼籼褂⋯ l20456 1 三角架2 ．拉杆3 举升液压缸4 铰座B5 ．平台6 铰座A 图3 举升平台结构 F i g ．3 S t r u c t u r eo f l i f t i n gp l a t f o r m 压力表等，能够在平台倾角调节过程中实时显示角度 和液压系统压力。 3 受力计算 根据举升平台结构进行各元件的力学分析。首 先建立力学模型，如图4 所示。以0 ．点为坐标原点 建立坐标系，则D 2 和p ；点坐标可以确定。根据平面 力学原理可知，液压缸推力为R ，沿q c 方向；拉 杆拉力为E ，沿爿q 方向；口点受力为％，沿D B 方 向，R 为■和R 的合力。 图4 举升平台力学模型 F i g ．4 M e c h a n i c a lm O d e l0 fH f t i n gp l a t f o r m 设定当平台倾角为口时，负载与平台总质量m 4 00 0 0 妇。由于此时台面静止，处于受力平衡状态， 平台下翻力矩M 与上翻力矩鸠相等， 蝎 鸠。 1 其中M ，馏D 1 E c o s 口， 2 蝇 R D l Bc o s ∥。 3 可根据式 1 ～ 3 计算出拉杆拉力E 与液压缸 推力E 最大受力值。倾角口从o 。开始计算，每间隔 1 。计算一次。计算得液压缸推力R 。。。 6 3 3 ．3 8k N ， 此时平台倾角为l 。；拉杆拉力E 。。 3 7 5 ．7k N ，此时 平台倾角为3 。。 4 关键零件强度分析 升降平台中拉杆及三角架受力较为集中，为关键 受力零部件。，其中拉杆材质选用1 6 M n ，按照拉杆最 大承受拉力E 。。 3 8 0k N 进行受力分析。分析结果如 图5 所示，拉杆最大应力约为3 4M P a ，远低于1 6 M n 材料的屈服极限，强度满足使用要求。 图5 拉杆受力情况分析 F ．g ．5A n a l y s i so nf o r c es t a t eo fp u l lr o d L Ⅲ●●D O T I I } “““” 斛裂 卜【u ．’．．Ⅲ 嵯 ◆■曩扛x ∞k 一 三角架材质选用1 6 M n ，整体为焊接结构。根据 受力情况计算，当平台与水平面之间倾角为l 。时， 液压缸推力最大，R 。。 6 3 5k N 。按R 。。 6 3 5 Ⅲ进 行受力分析，三角架最大应力基本在1 0 0M P a 以内， 强度满足使用要求。三角架网格化模型如图6 所示， 受力J 隋况分析如图7 所示。 图6 三角架网格化模型 F i g ．6 M e s h e dm o d e lo ft r i p o d 图7 三角架受力情况分析 F i g ．7A n a l y s i so nf b r c es t a t eo ft r i p o d 5 液压系统计算 2 根液压缸最大推力R 。。。 6 3 5k N ，则单根液 压缸提供的推力为3 1 7 ．5k N ，据此初步选取液压缸 岫咐咐咐m_咐咐埘咐咐Ⅲ 淼l{i{{i嚣一 一■■|■■■露蟹■■峨 万方数据 直径。设缸径D 1 8 0m m ，杆径d 1 2 0m m ，液压 系统最大设计压力为1 6M P a 。当无杆腔压力为1 6 蛐P a ，有杆腔回油背压为1M P a 时，液压缸推力疋 3 9 3k N 3 1 7 ．5k N ，从而确定液压缸缸径规格盯】。 如图8 所示，当平台倾角口 o o 时，液压缸长度 为l7 7 3m m ；当平台倾角口 3 0 。时，液压缸长度为 30 2 3I n I n 。由此可知，坡道在o o 一3 0 0 范围调节过程 中，液压缸行程￡ 12 5 0 I m 。 a 口 o f h d 。州P 图8 平台倾角与液压缸长度关系 F i g ．8R e I a t i o n s h i pb e f w e e np l a t f b r mo b l i q u i t ya n d h y d r a u I i cc y l i n d e rI e n g t h 平台从o 。一3 0 。举升过程中，液压缸总计需要液 压系统供油量 y 2 7 c D ／2 2 三1 0 。， 4 计算得矿 6 5 ．6 L 。 初步选用齿轮泵排量g 3 2m L ／r ，电动机转速 以 l4 5 0r ／I n i n ，容积效率即， o ．9 ，机械效率7 7 。 o ．9 5 ，则泵输出流量 Q B 胛卯，1 0 。一4 1 ．7 L ／I I l i n ， 齿轮泵21 1 1 i n 内可以提供油量为8 3 ．4L ， 6 5 ．6L 。该 齿轮泵满足使用要求。 液压泵站设计额定压力p 1 8M P a ，所需电动机 功率 P p Q B ／6 07 7 ，刁。一1 4 ．6 7l ，W ， 5 选取电动机功率P 1 5 k W 。 6 结语 通过总体方案设计、机械机构设计及受力计算、 关键零部件受力分析、液压系统计算选型等，研制了 舢机械糊籼㈣，期圈 矿用履带式钻孔设备爬坡能力试验台。该试验台具备 倾角调节及角度值实时显示功能，能够满足3 0t 重履 带式钻孔设备的爬坡能力测试。实践证明，试验台功 能及结构强度均满足使用要求。 参考文献 【l 】郭孝先，李耀武．煤矿井下用钻孔与凿岩机具的现状和发展 [ J 】．凿岩机械气动工具，2 0 0 7 4 1 8 _ 3 0 ． [ 2 】胡永章．轮式单桥驱动场 厂 内机动车爬坡能力测试的研究 【J 】机电技术，2 0 0 9 3 8 3 8 5 ． 【3 】李阳，成凯，任鹏．基于R e c u r D y n 的铰接式履带车辆 爬坡性能分析【J ] ．煤矿机械，2 0 l l ，3 2 7 9 3 - 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