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中图分类号 旦主2 U D C6 2 1 学校代码 Q 三三 密级公珏 硕士学位论文 L D O ．5 型矿石运输车行走及转向特性研究 R e s e a r c ho nt h ew a l k i n ga n ds t e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so f L D O ．5m i n i n gt r u c k 论文答辩日期型趔5 刘相 机械电子工程 液压传动与控制 机电工程学院 柳波 答辩委员会主雌趟飞 中南大学机电工程学院 二。一四年五月 ＼一＼ 伊 ．． ．● ．． 、 ．． 名业向系师 姓专方0 教 者科究院导作学研学指 万方数据 学位论文原创性声明 本人郑重声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得中南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确 的说明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者签名型生旦日期z 型竺年亟月鱼日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解中南大学有关保留、使用学 位论文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 复印、缩印或其它手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 作者签名导师签名 日期型卫年』月』E t日期型盥年』月尘日 万方数据 L D 0 ．5 型矿石运输车行走及转向特性研究 摘要L D 0 ．5 型矿石运输车适用于空间狭窄的中小矿山洞采作业， 完成对矿石、基本器材工具的运输，在井下矿石运输作业中发挥着重 要作用。根据矿石运输车在狭窄空间内的作业要求，确定了车体机械 结构和液压行走系统方案，并分析了矿石运输车在狭窄空间作业时的 动力学、运动学、液压系统工作特性。论文的主要研究工作包括以下 几方面 1 分析了矿石运输车作业工况，建立车体结构三维模型，研 究了矿石运输车的轮胎一地面负载特性，得出了矿石运输车在狭窄空 间下的作业条件；运用A D A M S 动力学软件建立矿石运输车三维动力 学模型。 2 提出了矿石运输车液压行走系统方案，建立了液压行走系 统的数学模型，运用A M E S i m 建立液压系统仿真模型并进行仿真分 析，探讨了其工作特性，证明该液压系统方案能够在矿石运输车作业 过程中发挥应有作用。 3 构造A D A M S 和A M E S i m 之间的接口，建立了矿石运输车 行走系统联合仿真模型，分析了矿石运输车狭窄空间作业过程中的运 动学、动力学和液压系统动态特性。研究了转向速度、轮胎参数、载 重量对矿石运输车转向性能的影响，以及障碍沟壑路面对直线行走性 能的影响，验证了前述理论分析和设计方案的合理性。 4 进行样机现场实验，测试结果表明车辆各项作业性能基本 满足作业要求，且仿真结果与实验结果较为接近，进一步验证了相关 理论推导和车辆仿真建模的正确性。 全文共有图片9 1 幅，表格1 0 个，参考文献7 4 篇 关键词矿石运输车；轮胎一地面力学；液压行走系统分析；机液联 合仿真分析 分类号T D 5 5 2 万方数据 A BS T R A C T L D 0 ．5t y p em i n i n gt r u c kc a ri sa p p l yt om i n i n go p e r a t i o ni nn a r r o w s p a c eo f s m a l la n dm e d i u m - s i z e dm i n e sh o l e ，a n dt h ec o m p l e t i o no f t h eo r e ， b a s i ce q u i p m e n tt r a n s p o r t ，t h a tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h eo p e r a t i o no f u n d e r g r o u n do r et r a n s p o r t ．A c c o r d i n gt ot h eo p e r a t i o n a lr e q u i r e m e n t so f m i n i n gt r u c kc a rs h o u l dw o r k i n gi nan a r r o ws p a c e ，t h i sp a p e rd e t e r m i n e t h em e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n dh y d r a u l i cd r i v i n gs y s t e ms c h e m eo ft h ec a r , a n da n a l y z e st h em i n i n gt r u c kc a r ’Ss y s t e mc h a r a c t e r i s t i c so fd y n a m i c s ， k i n e m a t i c s ，h y d r a u l i ci nn a r r o ws p a c eo p e r a t i o n s ．T h em a i nr e s e a r c hw o r k s o ft h i sp a p e ri n c l u d et h ef o l l o w i n ga s p e c t s 1 T h i sp a p e ra n a l y z e dt h ew o r k i n gc o n d i t i o n so fm i n i n gt r u c kc a r , e s t a b l i s h e dt h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo fc a rb o d ys t r u c t u r e ，a n ds t u d i e d i t st i r e g r o u n d l o a dc h a r a c t e r i s t i c s ．T h r o u g hw h i c hw eo b t a i n e dt h e o p e r a t i n gc o n d i t i o n so fm i n i n gt r u c kc a ri nan a r r o ws p a c e ．A tt h es a m e t i m e ，b yu s i n gt h ed y n a m i c ss i m u l a t i o n s o f t w a r eA D A M S ，t h i sp a p e r e s t a b l i s h e dt h r e e - d i m e n s i o n a ld y n a m i cm o d e lo fm i n i n gt r u c kc a r ． 2 I nt h i sp a p e r , w ep r o p o s e dt h e s c h e m eo fm i n i n gt r u c kc a r h y d r a u l i cd r i v i n gs y s t e m ，a n de s t a b l i s h e d t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f h y d r a u l i cw a l k i n gs y s t e m ．A l s ot h eh y d r a u l i cs y s t e ms i m u l a t i o nm o d e lw a s b u i l db yA M E S i m ，a n db ya n a l y z e di t ，w ed i s c u s s e di t sw o r k i n g c h a r a c t e r i s t i c s ． 3 I no r d e rt oe s t a b l i s ht h ec o m b i n e ds i m u l a t i o nm o d e lo fm i n i n g t r u c kc a r ’S r u n n i n gs y s t e ma n da n a l y z e dt h ek i n e m a t i c s ，d y n a m i c sa n d d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h eh y d r a u l i cs y s t e mw h e nm i n i n gt r u c kc a r o p e r a t e di nn a r r o ws p a c e ，t h ei n t e r f a c eb e t w e e nA D A M Sa n dA M E S i m w a ss e tu p ．T h r o u g ht h i sm o d e l ，w es t u d i e dt h ei m p a c to fs t e e r i n gs p e e d ， t i r ep a r a m e t e r s ，l o a do nt h em i n i n gt r u c kc a r ’Ss t e e r i n gp e r f o r m a n c e ，a s w e l la st h eb a r r i e r sa n dg u l l yr o a df a c i n gt h ei n f l u e n c eo fl i n e a rw a l k i n g p e r f o r m a n c e ．T h er e s u l tv e r i f i e dt h er a t i o n a l i t yo ft h e a b o v et h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n dd e s i g n ． 4 T h es c e n ee x p e r i m e n to fp r o t o t y p eh a sd o n e ，t e s tr e s u l t ss h o w t h a t t h ev e h i c l e o p e r a t i o np e r f o r m a n c e m e e t st h e r e q u i r e m e n t s ，a n d t h e s i m u l a t i o nr e s u l t si Sc l o s et oe x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，w h i c hf u r t h e rv a l i d a t e 万方数据 t h et h e o r yd e r i v a t i o na n dt h ev e h i c l es i m u l a t i o nm o d e l i n g ． T h et e x th a s91 p i c t u r e s ．10t a b l e s ．7 6r e f e r e n c e si na 1 1 ． K e yw o r d T h em i n i n gt r u c kc a r ；M e c h a n i c a lt i r e g r o u n d ；A n a l y s i so f h y d r a u l i cw a l k i n gs y s t e m ；A n a l y s i s o fM e c h a n i c N H y d r a u l i c C o s i m u l a t i o n C l a s s i f i c a t i o n T D 5 5 2 ．I V ． 万方数据 目录 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 学位论文版权使用授权书⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．V 1 绪{ 仑⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 课题研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．1 ．1 井下运输机械概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．1 ．2 液压传动在矿石运输机械中的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 课题来源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．3 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．3 ．1 金属矿山用井下运输车辆国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．3 ．2 液压行走系统国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．3 ．3 轮胎地面力学国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 ．4 车辆工作特性分析方法及研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 1 ．4 ．1 虚拟样机技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．10 1 ．4 ．2 多学科联合仿真技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1O 1 ．5 研究意义及目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 1 ．6 本文主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 轮胎．地面负载特性分析及矿运车动力学仿真模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．1 矿石运输车作业工况分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．13 2 ．1 ．1 直线行驶工况作业要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．2 ．2 转向工况作业要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．2 矿石运输车机械结构分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 2 ．3 轮胎．地面力学模型建立及转向运动学和动力学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 2 ．3 ．1 矿石运输车轮胎在土壤上的滚动阻力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．3 ．2 滚动阻力系数的数值解析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．3 ．3 基于剪切特性模型的轮胎附着力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．3 ．4 松软土壤上的车轮牵引力数学模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 2 ．3 ．5 矿石运输车小半径转向过程中的运动学和动力学解析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 2 ．4 矿石运输车A D A M S 仿真模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 2 ．4 ．1 三维实体建模及约束和驱动副建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 2 ．4 ．2 矿石运输车轮胎仿真模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 万方数据 2 ．4 ．3 矿石运输车路面谱绘制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31 2 ．4 ．4 矿石运输车整车仿真模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 2 3 矿石运输车液压行走系统动态特性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 3 ．1 液压行走驱动系统工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 3 ．1 ．1 插装式双作用平衡阀功能分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 3 ．1 ．2 二通压力补偿器功能分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 3 ．2 液压行走系统关键元件数学模型分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 3 ．2 ．1 二通压力补偿器数学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 3 ．2 ．2 插装式平衡阀数学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 3 ．2 ．3 四通阀控液压马达数学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 3 ．3 液压行走系统A M E S i m 建模及动态特性仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 3 ．3 ．1 双作用平衡阀建模及动态仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 3 ．3 ．2 二通压力补偿器建模及动态仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 4 矿石运输车狭窄空间作业机液联合仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 4 ．1 矿石运输车行走系统联合仿真模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 4 ．2 矿石运输车差速转向仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 4 ．2 ．1 仿真条件设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 4 ．2 ．2 差速转向运动学仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 4 ．2 ．3 差速转向动力学仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 4 ．2 ．4 差速转向液压系统工作压力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 4 ．2 ．5 不同参数对转向性能的影响研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 4 ．3 矿石运输车直线行走过障碍越沟壑仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 4 ．3 。1 仿真条件设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 4 ．3 ．2 直线行走作业运动学仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 4 ．3 ．3 直线行走作业动力学仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 4 ．3 ．4 直线行走作业液压系统工作压力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 8 5 矿石运输车运输作业性能测试实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 5 ．1 实验总体方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 9 5 ．1 ．1 主要测试项目⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 9 5 ．1 ．2 主要测试设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 0 5 。1 ．3 实验测点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．，7 2 万方数据 5 ．2 测试结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 3 5 ．2 ．1 矿石运输车直线行驶车速及系统压力测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 5 ．2 ．2 矿石运输车转向能力测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 4 5 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 6 6 总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 6 ．1 总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 7 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 7 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 9 附勇之⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 4 攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 6 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 7 万方数据 1 绪论 1 ．1 课题研究背景 步入2 1 世纪，全球经济迅猛发展，电力、冶金、机械制造等重工业迎来一 个腾飞时期，这极大地拉动了货物运输车的需求，尤其表现在煤炭、矿石等资源 型物质的运输方面。据了解，某些国家还会因为矿石运输车的短缺而影响到生产 效率。面对日益迫切的矿石运输需求，巴西、澳大利亚、南非、瑞典等矿产资源 丰富的国家专门修建了矿石运输线，建造了矿运专列。截止到2 0 1 0 年，巴西淡 水河谷铁矿石年产量己逾三亿吨[ 1 】，中国市场2 4 ％的铁矿石来自该公司。近几年 冶金行业发展迅猛，中国对铁矿石的需求与日俱增。2 0 0 6 年，我国的铁矿石年 产量已经超过两亿吨【2 ] ，目前该数字还在增长中。铁道部也已经组织相关科研单 位和企业研发专门的矿石运输车辆。现阶段，我国煤炭、矿石运输车辆的需求很 紧俏，矿石运输车辆具有广阔的发展空间。 1 ．1 ．1 井下运输机械概述 一 搬运设备 井下矿石的搬运方法较多，包括振动放矿、连续搬运、电耙运输、无轨设备 运输等【3J ，各种方法都有其适用范围和相应的优劣势。 1 ．电耙搬运的供应条件较好，操作维修方便，搬运成本低廉，维修费用低、 移动便捷、坚实耐用，因此在井下运输作业中应用广泛。电耙搬运距离1 0 “ - - - 5 0 m 之间，多在水平或坡度较小的工作面使用【4 ] ，某些特殊场合可沿2 5 。左右的向下 坡面或1 3 。左右的向上坡面工作。电耙经过的巷道高度要在1 ．5 m 以上，主要运 用于产量低、岩石床不稳定、地压大、巷道维护困难的场合，如下图所示 图1 - 1 电耙耙运示意图 a 电耙搬运直接装车； b 电耙搬运至溜井后装车 当然电耙搬运的缺点也很明显，主要有运矿工作无法连续进行，对钢绳削 弱较剧烈，耗电量过大，矿石容易产生粉碎，加大后期3 n - v 量，而且生产率随着 万方数据 耙运距离的增加急剧下降。 2 ．我国的无轨搬运以电动铲运车、气动装运车和柴油铲运机为主。气动装运 机的运输距离短、能耗大、噪音大、使用成本高【5 】，目前已经逐渐被淘汰。柴油 铲运车的运量大，生产率高，但是它的尾气净化方式未得到彻底解决，备品配件 质量也参差不齐，加之矿山的机修水平一般都不高，所以它的应用范围也比较有 限。 3 ．电动铲运车是对柴油运输车的改进，在结构上与柴油铲运车很接近。电动 铲运车的振动波能够很好地改善矿石流动性，计量精准，方便加入先进控制策略， 利于计划放矿实行，减少矿石损失。但是其缺点也有振动放矿机机动性不强， 搬运距离受限。 图卜2 宁波世纪钷力电动铲运车 二 平巷装运、转运设备 平巷作业中装岩机的选用要综合考虑巷道等级以及对掘进速度和机械化程 度的需求。实际中，铲插装岩机和铲斗正装后卸装岩机应用较多；如果工期较紧， 对作业时间有严格限制，则尽可能采用蟹立爪式装岩机。在国内矿山巷道掘金作 业中，电动铲斗正装后卸式装岩机得到了重要应用，下图是江苏中煤矿山设备有 限公司生产的Z C D 6 0 R 型煤矿用装岩机。 厂镝眵i 。二 豳 簟匿■ 图卜3Z C D 6 0 R 型煤矿用装岩机 万方数据 三 巷道运输设备 在进行矿床开发设计中就要确定地下矿山运输方式，完成运输系统的前期规 划。为此，要对开采规模、开拓系统、采矿方案、服役年限、企业发展水平等有 一个清晰认识。机车轨道运输仍是国内矿山地下巷道运输的首选【6 J ，它由牵引电 机驱动车轮，借助车轮和轨道面摩擦，推动机车行进。该运行方式既受到牵引电 机功率限制，也与车轮轨面摩擦力密切相连。机车轨道运输对巷道坡度要求较为 苛刻，坡角不大于0 ．3 。，局部坡角最大不可超过1 ．8 。。由此可见，该种运输方 式比较适合于大型矿山采运。 图1 4 山东安信矿用电机车 井下运输的发展方向归纳如下 1 ．总体而言，有轨机车运输在地下矿山转运中仍占据主要地位，它的运量大、 污染小、运输距离长、成本低廉，今后很长一段时间，优化运输线路、改进电机 车头设备性能将始终是重要的研究课题。 2 ．相比机车有轨运输，无轨轮式运输对于小矿山而言具有很大优势，例如成 本低、使用维护方便、操作简易等，应对其积极开发并努力完善，强化推广。 1 ．1 ．2 液压传动在矿石运输机械中的应用 一 矿山机械应用液压传动技术的优势 将液压传动技术引入矿山机械，其优势主要体现在以下几个方面 1 传动系中泵与马达可分离 这种形式给矿山机械设计带来了利好，使元件布置方式多样化。首先，运输 车辆零部件互换性好，尤其是将泵和马达组成“背靠背”形式时，能够保证系统 在比较大的转速转矩范围内获得高效率，充分利用原动机功率。双边马达独立驱 动大大简化了传动系结构，省去了差速器、驱动桥、变速箱等笨重构件，安装设 计灵活多变，相比机械传动、电传动、液力传动，液压传动的这一优点尤为突出。 万方数据 再者，得益于无车桥干涉，发动机布置方式较为灵活，藉此，在设计中可以 尽量降低车体重心，增加车辆稳定性，提高轮胎附着性能，增强车体通过能力， 也对操作者的视野有所改善。 其次，车轮独立驱动利于实现差速转向，省去复杂的转向机构，缩小整机尺 寸[ 『7 1 ，矿山机械多工作于空间狭小的巷道、采场，该优点对矿山机械而言是很有 必要的。本文涉及的矿石运输车恰恰就利用了这项优点。 2 转矩双向传递 无论开式还是闭式系统，都能实现马达扭矩的双向对称传递，使得工程车辆 无需变速箱，即可自由前进倒退，辅以液压行车制动器，又实现了反拖制动，减 少刹车功率损耗。但缺点是一旦车辆出现故障，拖行车辆较为困难，必须重新 调整液压回路。 3 操纵控制多种多样 液压传动动态响应较快，操纵灵敏准确。只需改变变量泵斜盘倾角和方向， 或者调整换向阀阀口开度和方向即可实现变速、前进、倒退，只需要一根操控杆， 降低了劳动强度，提高了工作效率。其次，液压传动功率密度大，相同功率下， 液压系统元件尺寸小得多，结构轻便简单，加之液压系统速度刚性较好，速度变 化柔和【8 J ，即使在快速转向和急性加减速过程中，也不会对机械结构产生损坏。 最后，液压行走机械的前进倒退可以获得完全一样的效果，这是机械传动车辆很 难实现的。借助液压回路很容易实现闭环控制，使得原动机转速与外负载高度匹 配，保持较高的传动效率。 4 调速准确、刚度大。液压传动的系统压力只和负荷有关，马达转速取 决于流量，速度与负荷是分开的，即便外负载变化，只要无外界调速动作，车辆 速度仍可以维持稳定，这无疑大大拓展了液压传动的应用范围。矿石运输车的作 业质量与速度密切相连，无论载重多少，应尽量保持速度稳定，应用液压传动技 术无疑是一个上佳选择。 5 多装置系统能达到合理匹配 液压系统的装机功率可以按需分配，完成不同的动作，实现多种功能。矿石 运输车既要完成物料搬运，也要完成物料卸载，使用液压传动可将原动机功率随 时任意分配给执行器。且由于溢流阀的存在，既能够充分利用功率，又不会发生 超载危险。 6 良好的低速特性 液压系统压力只与外负荷有关，原动机转速对系统压力无影响，若运输车在 大负荷下启动，液压系统能在低转速、小扭矩情况下建立工作压力，并保持良好 的功率匹配，使运输车短时间内获得大启动扭矩，保证加速性能。矿石运输车长 4 万方数据 期从事装载、卸货作业，且经常处于带载启动状态，液压系统优良的低速特性对 其意义重大。 另外，运输车在转运作业中如果遇到尖峰载荷，例如过障、过沟壑等等，要 求系统有着较好的低速大扭矩性能。在此，我们以铲运车插入料堆为例，对比液 力传动和液压传动的功率一变速比情况。可见，液力传动的功率几乎全部损失 达 到1 0 0 ％ ，液压传动损失率仅为2 5 ％左右 K - - 5 ，这是由于液压执行器在高压 下的容积损失，如图5 所示。即使在低速区域 传动比在5 以下 ，液压传动的 效率仍要优于液力传动，如图6 。 变矩比7 K A _ 液压传动B _ 变矩器 c 一耦台嚣 图1 - 5n k 曲线 传动比j i 图卜6 液压与液力传动高效区范围 二 液压行走系统的基本形式 1 ．开式和闭式系统 开式系统和闭式系统的区别在于油液循环方式不同。 1 在开式系统中，液压泵从油箱吸油，通过换向阀给液压执行元件 液 压缸或液压马达 供油，执行器回油经过换向阀直接回到油箱。泵出口处要以并 万方数据 联形式安装过载溢流阀。开式系统可以最大程度发挥油箱的散热、沉淀杂质作用。 缺点是油液与空气接触，油液易混入空气为了使结构运动平稳，需要在回油路 上加背压阀，引起额外的能量损失和油液发热；换向过程中，会产生不同程度的 液压冲击。但是开式系统结构简单，成本低廉，在小型车辆、起重机中仍有着广 泛应用。图1 - 7 是一个典型的开式系统回路。 图卜7 液压开式系统 2 闭式系统的液压泵进油路与执行元件回油路直接相通，油液进行封闭 循环，如图1 - 8 所示。闭式系统与空气接触机会少，传动平稳，整体布局紧凑。 改变变量泵的斜盘倾角，能调整流量和压力油方向，实现马达调速和正反转。变 量泵斜盘倾角可以在0 和最大值之间连续变化，斜盘过中位时，平稳改变液体流 向，微动性能上佳，换向平稳[ 9 】，没有开式系统在换向过程中的液压冲击和能量 损失，系统效率提高很多。但是闭式系统较为复杂，成本较高，且由于闭式系统 工作油液不回油箱，散热和过滤条件较差。为了补偿系统泄漏、防止吸空、冷却 油液，通常会加装一个通轴型小型定量泵，严格来讲，这种系统属于半闭式系统。 闭式系统的执行器以液压马达为主，因此一般意义上的闭式系统基本都是 “闭式行走系统”。如果执行器采用双作用液压缸，因为大小腔流量不等，会降低 系统效率。 万方数据 一 二．工| ．；． 图卜8 闭式液压传动装置原理图 2 ．高速和低速方案 1 低速方案车轮直接与低速大扭矩马达相连，安装紧凑、噪声低、机 械效率高、减小了驱动轮转动惯量，能够减少冲击载荷，提升系统调节品质。缺 点是，在工况恶劣的条件下，马达会直接承担各种径向和轴向力，缩短其使用寿 命。 2 高速方案高速马达配装减速机，输出大扭矩，利用传动系完成减速 增扭，并分担径向轴向载荷‘1 0 】，为了匹配主机参数，可以灵活调整速比，马达 承载较小。 3 ．液压行走变量调节 1 变量泵一定量马达调速系统 该回路中，泵转速和马达排量恒定，调节泵变量结构，能实现马达换向和转 速调节。马达输出转矩和系统压力完全由负载决定，该回路为典型的恒转矩调速 回路。其调速范围较大，一般调速比心≈4 0 ． 2 定量泵一变量马达调速系统 该回路的泵转速和排量恒定，马达输出转矩与马达排量成正比，马达转速与 马达排量成反比，回路工作压力和输出功率取决于负载【l ，不会因调速而变化， 该回路属于恒功率调速。该回路调速比＆≈3 ，多应用于小型机械。 3 变量泵一变量马达调速系统 该回路综合了上述两种回路的工作特性，调速范围最大，为泵和马达调速比 的乘积，比较适用于大功率液压系统。 万方数据 亟堂僮诠塞绪途 1 ．2 课题来源 本课题来源于长沙市2 0 1 3 年首批科技计划重点项目“新能源矿用运输车的 研发与产业化”，属于校企合作横向项目。 1 ．3 国内外研究现状 1 ．3 ．1 金属矿山用井下运输车辆国内外研究现状 进入2 1 世纪以来，随着地下金属矿山无轨采矿技术的发展，开采深度增加、 运距延长，已超过井下铲运机或扒渣机的经济工作距离，从而使井下汽车成为井 下金属矿山与铲运机、扒渣机配套的关键运输设备。目前，西方工业发达国家8 5 ％ 以上的矿山实现无轨化开采，使用井下运输车等无轨设备。我国大、中型地下金 属矿山也基本上应用无轨设备，这使井下运输车具有广阔的市场空间，促使了井下 运输车的迅速发展。国内外制造商为争取用户、赢得市场，不断采用新技术，推出 新结构和新产品。使其性能更加完善，自动化水平更高，更加安全、可靠、舒适以 及环保等。使用无轨装运设备可大幅度提高劳动生产率，降低成本，改善井下工人 劳动条件，使矿山获得巨大经济效益。 国外在上世纪中叶就开始了井下无轨汽车的研发，近几年更是发展迅猛。 E J C 公司从上世纪九十年代开始研制井下搬运汽车[ 1 2 】，以中小型汽车为主，产品 外形紧凑，适应性较强；瑞典K i r u n a 集团从2 0 世纪8 0 年代初期开始研发井下 电动运输车，实现废气零排放，噪声低、操作便捷，受到广大用户青睐；南非 B e l l 公司着力于大载重矿石运输车研制，特点是承载大、可靠性好，改善了司机 工作条件。 我国的地下汽车起步较晚，目前尚处于初级阶段，从技术含量、运行稳定性、 人机工程学方面都与国外差距明显。太原矿机厂基于对W a g n e r 公司样机的测绘， 开发了U K ．1 2 A 型井下转运车；长沙矿山院和大厂矿务局合作于上世纪九十年代 成功研制出D Q ．1 8 井下搬运车，在实际中得到了较好的反响。 应该说，低污染、零排放、绿色化、灵活的调速系统是井下矿石运输车的发 展方向。L D 0 ．5 型矿石运输车采用液压无级调速，并采用蓄电池作为源动力，可 以说符合井下运输车辆的发展趋势。 1 ．3 ．2 液压行走系统国内外研究现状 在工程科学领域，将液压技术分为工业液压 固定设备用，i n d u s t r y h y d r a u l i c 和移动设备液压 m o b i l e h y d r a u l i c 两类，文中涉及的液压行走系统属于后者的 重要分支，国外学者习惯称为静液压传动 H S T 万方数据 H S T 最早应用于军事领域，上世纪五十年代英国国家农机研究院率先将静液 压技术引入农业机械，收到了良好的效果，引发学术界讨论【l3 | 。二十世纪七十 年代，能源短缺问题日益受到人们重视，静液压传动由于具备布局操作灵活、节 能、效率高等优点，得到了工程设计者、学术研究人员的青睐，相关人员在液压 元件制造、精细化控制、动态特性描述、参数最有匹配方面做了大量研究，将静 液压技术推向成熟。进入2 1 世纪，农业机械、工程机械、矿山机械、精密数控 机床等领域都有静液压驱动技术的身影。 国内，吉林大学、哈工大、浙江大学、中南大学等多所高校和研究院所都在 液压行走系统控制方面展开了深入研究，其中浙江大学的彭天好、杨华勇等人搭 建了实验平台，进行了台架试验研究【l4 1 。徐工集团、中联重科、三一重工、山 河智能等国内大型企业也开展了液压传动系统控制方面的研究，但是国内液压系 统的核心部件，例如变量泵、液压马达、多路阀、发动机等，仍旧依赖力士乐、 川崎、康明斯等外国公司进口，不少技术还只是停留在纸面上，尚未从理论上升 到实践。 国外，本田公司为了尽可能减少管路损失【l5 | ，将泵与马达集成，直接驱动 马达；电子泵内置压力传感器、斜盘倾角传感器、速度传感器，属于机电液一体 化集成控制产品，通过电子控制实现变量泵和系统参数的高度匹配，在节能环保、
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