TCY-2HL地下内燃铲运机PosiStop制动系统设计与分析.pdf

硕士学位论文 T C Y - 2 H L 地下内燃铲运机P o s i S t o p 制动系统的 设计与分析‘ T C Y - 2H L u n d e r g r o u n dd i e s e ls c r a p e r sP o s i S t o pb r a k i n g s y s t e md e s i g na n da n a l y s i s 作者姓名 学科专业 学院 系、所 指导教师 王虎 机械工程 机械设计及理论 机电工程学院 唐进元教授 论文答辩日期至竺z 答辩委员会主席袤色生全望／ 中南大学 年月 日 原创性声明 本人声明，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。论文主要是自己的研究所得，除了已注明的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位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，已在论文的致谢语中作了说明。 作者签名易鱼 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留学位论 文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以 采用复印、缩印或其他手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门的规 定，送交学位论文。对以上规定中的任何一项，本人表示同意，并愿意提供使用。 作者签名监导师签名霭虬嗍 厶，2 年占月，-日 工程硕士学位论文 摘要 摘要 地下铲运机在巷道行驶中的制动稳定性与可靠性对矿井的安全 至关重要。由于地下路面情况复杂，地下铲运机工况恶劣，因此其制 动可靠性及机动性成为衡量地下铲运机的性能的关键指标之一。目 前，国内2 立方地下铲运机普遍采用L C B 制动系统，该制动系统在 恶劣环境中，制动盘上容易粘有水和泥，制动效果非常不佳，且维修 不方便。本文首次提出在2 立方地下铲运上首次采用P o s i S t o p 制动系 统，并对T C Y - 2 H L 内燃地下铲运机P o s i S t o p 制动性能进行研究，主 要工作包括 1 ．系统地论述了地下铲运机的发展概况、研究现状以及存在 的问题。 2 ．分别对L C B 制动系统与P o s i S t o p 制动系统的结构与原理 进行分析，通过对两种不同制动系统的制动效果及优缺点进行对比 后，论证选用P o s i S t o p 制动系统对2 立方米地下铲运机进行改造的可 行性。 3 ．对地下铲运机的制动要求进行分析；计算在不同工况下铲 运机的制动力矩；并根据制动力矩对制动器进行设计计算；对液压系 统中的主要零部件蓄能器、充液阀与液压泵进行计算与选型最后对 采用新系统后的制动性能进行分析。 4 ．根据M a t l a b ／S i m u l i n k 软件的特点，分别建立了液压泵、脚 踏阀、液压缸与弹簧的S i m u l i n k 模型；并将各模型组装成系统的仿真 模型；通过对模型的单位冲击响应分析，得到在制动过程中液压泵出 口压力、活塞缸压力、弹簧位移以及活塞缸容积的变化曲线。 5 ．对制动器的制动过程进行了键合图仿真分析，分别建立了 蓄能器、液压缸、压缩弹簧与摩擦力的键合图模型，并对铲运机的启 动与制动过程进行了仿真分析，仿真结果表明系统具有良好的制动 性。 6 ．对改进后的T C Y - 2 H L 地下内燃铲运机制动性能进行实验 研究；实验结果表明，在制动初速度为2 0 k m ／h 时，系统的制动加速 度为7 ．3 2 m ／s 2 ，制动距离为2 ．8 5 m ，满足地下铲运机的制动要求。 关键词地下铲运机，P o s i S t o p 制动装置，设计计算，S i m u l i n k 建 模，功率键合图，仿真分析 工程硕士学位论文 A b s t n a c t A B S T R A C T T h e b r a k i n gs t a b i l i t y a n d r e l i a b i l i t y o ft h e u n d e r g r o u n d l o a d - h a u l d u m pv e h i c l e L 皿 d r i v i n gi nag a l l e r ya r ev i t a lt ot h ec o a l m i n es a f e t y ．A st h es i t u a t i o ni s c o m p l i c a t e dt h eb r a k i n gs t a b i l i t ya n d r e l i a b i l i t yo ft h eU n d e r g r o u n dL H Db e c o m e sac r i t i c a l p o i n tf o rt 1 1 e d e s i g no ft h eu n d e r g r o u n dL H D ．A tp r e s e n t ，t h ed o m e s t i c2c u b i cs c r a p e r w i d e l ya r ea d o p t e do fL C Bb r a k i n gs y s t e m ，a n dt h eb r a k es y s t e mh a s b e e ni nb a de n v i r o n m e n t ，t h ew a t e ra n dm u d a r ee a s i l ys t i c kt ot h eb r a k e d i s c ，c a u s i n gt h eb r a k i n ge f f e c ti sb a da n di n c o n v e n i e n tr e p a i r ．T h i sp a p e r p r o p o s e dt h ep o s i s t o pb r a k i n gs y s t e m ’Sa p p l i c a t i o ni n2c u b i cs c r a p e r s a n dr e s e a r c h e dt h eb r a k i n gp e r f o r m a n c ea tt h ef i r s tt i m e ．T h em a i n c o n t e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ． 1 ．T h e c u r r e n t d e v e l o p m e n t s ，r e s e a r c ht r e n da n dp r o b l e m si n d e s i g n i n g a n d p r o d u c i n g L H Di no u r c o u n t r y w e r e a c c u r a t e l y s u m m a r i z e da n ds y s t e m a t i c a l l ye x p o u n d e d ． 2 ．T h i sp a p e rp r e s e n t e dt h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h e L C Bb r a k es y s t e ma n dt h eP o s i S t o pb r a k es y s t e m ，r e s p e c t i v e l y ．T h r o u g h t h eb r a k ee f f i c i e n c yo ft h et w ob r a k es y s t e mw e r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d ， t h e2c u b i cs c r a p e r sw i t ht h eP o s i S t o pb r a k es y s t e mw a sr e b u i l d ． 3 ．I nt h i sp a p e r , t h eb r a k er e q u i r e m e n t so fL H Dw e r ep r o p o s e d ， a n dt h eb r a k e t o r q u e u n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n sw e r e c a l c u l a t e d ． A c c o r d i n gt Ot h eb r a k et o r q u e ，t h eb r a k es y s t e mw a sd e s i g n e da n dt h e m a i nc o m p o n e n t ss u c ha sa c c u m u l a t o r , c h a r g ev a l v ea n dh y d r a u l i cp u m p o ft h eh y d r a u l i cs y s t e mw e r es e l e c t e d ． 4 ．A c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro fS i m u l i n ks o f t w a r e ，t h em o d e lo ft h e h y d r a u l i cp u m p ，f o o tv a l v e ，h y d r a u l i cc y l i n d e ra n ds p r i n gw e r e e s t a b l i s h e d ，a n dt h em o d e lw e r ea s s e m b l e di n t ot h es y s t e ms i m u l a t i o n m o d e l ，b a s e do nt h es i m u l a t i o na n a l y s i so ft h em o d e l ，o b t a i n e dt h e h y d r a u l i cp u m p o u t l e t p r e s s u r e ，t h e p i s t o nc y l i n d e rp r e s s u r e ， d i s p l a c e m e n to ft h es p r i n ga n dt h ep i s t o nc y l i n d e rv o l u m ec h a n g ec u r v e i nt h ep r o c e s so fb r a k e ． 5 ．T h eb o n dg r a p hm o d e lo ft h ea c c u m u l a t o rw e r ee s t a b l i s h e d ，t h e h y d r a u l i cc y l i n d e r , t h ec o m p r e s s i o ns p r i n ga n dt h ef r i c t i o n ，t h es t a r ta n d b r a k ep r o c e s so ft h es c r a p e rw e r es i m u l a t e d ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h e s y s t e mh a sg o o db r a k i n gp e r f o r m a n c e ． 6 ．T h eb r a k ep e r f o r m a n c eo ft h ei m p r o v e dT C Y - 2 H Lu n d e r g r o u n d L H Dw a ss t u d i e db ye x p e r i m e n t ，t h er e s u l t ss h o wt h a t ，i nt h ei n i t i a l b r a k i n gs p e e dw a s 2 0k i l o m e t e r s p e r h o u r , t h es y s t e mb r a k i n g a c c e l e r a t i o nw a s7 ．3 2r i c ee v e r ys q u a r es e c o n d s ，t h eb r a k i n gd i s t a n c ew a s 2 ．8 5m e t e r s ，m e e tt h eb r a k i n gr e q u i r e m e n t so fu n d e r g r o u n ds c r a p e r ． K E Y W O R D S U n d e r g r o u n dl o a d - h a u l d u m pv e h i c l e ，P o s i s t o pb r a k i n g s y s t e m ，D e s i g na n dc a l c u l a t a t i o n ，S i m u l i n km o d e l i n g ，P o w e r b a n dg r a p h ， S i m u l a t i o na n a l y s i s 工程硕士学位论文 目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I V 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 本课题研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．2 地下铲运机的发展历史⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 ．1 地下铲运机在国外的应用情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．2 国内地下铲运机发展概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3 地下铲运机制动系统国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 ．1 制动器的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 ．2 制动执行机构的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3 ．3 液压系统动态特性分析的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 ．4 本文研究目的与主要工作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 第二章T C Y - 2 H L 地下内燃铲运机制动系统结构与原理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．1T C Y 一2 H L 地下内燃铲运机制动系统的构造及工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．2P o s I S T o P 制动系统的构造与工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．2 ．1 制动器工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．2 ．2 P o s i S t o p 制动器液压系统工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 2 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 第三章T C Y 一2 H L 地下内燃铲运机P O S I S T O P 制动系统的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 3 ．1 制动器的设计计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 ．1 ．1 制动器的制动要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 7 3 ．1 ．2 不同工况下的制动力矩计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 3 ．1 ．3 制动弹簧预压缩量的计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 0 3 ．1 ．5 制动力设计计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．1 ．5 温升校核⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．2T C Y 一2 H L 地下内燃铲运机P O S I S T O P 制动液压系统的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 3 ．2 ．1 制动系统蓄能器的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．2 ．2 充液阀的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．2 ．3 制动泵的选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．2 ．4P o s i S t o p 液压制动系统总体参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 第四章P O S I S T O P 制动系统动态特性仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 I V 工程硕士学位论文 目录 4 ．1M A T L A B ／S I M U L I N E 仿真软件的介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．2 铲运机制动系统S I M U L I N K 建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 4 ．2 ．1 液压泵建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 4 ．2 ．2 脚踏阀建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 4 ．2 ．3 液压缸与弹簧系统建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 4 ．2 ．4 铲运机液压系统的S i m u l i n k 模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 4 ．3 仿真结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 7 第五章P O S I S T O P 制动系统制动过程键合图仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 5 ．1 键合图理论简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 5 ．1 ．1 键合图的基本元件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 0 5 ．1 ．2 由键合图模型推导系统状态方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 2 5 ．2 制动系统元件的键合图建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 5 ．2 ．1 蓄能器的键合图建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 5 ．2 ．2 液压缸的键合图建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 ．2 ．3 预压弹簧的键合图建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 5 ．2 ．4 摩擦力的键合图建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 5 ．3 制动系统键合图建模与仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 9 第六章T C Y - 2 H L 地下铲运机P O S I S T O P 制动系统实验分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 6 ．1 整机主要性能参数与整机主要配置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 6 ．2 铲运机制动距离试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 6 ．2 ．1 铲运机制动距离试验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 6 ．2 ．2 铲运机制动器的试验准备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 3 6 ．2 ．3 试验条件、仪器及设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 6 ．2 ．4 试验方法步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 经实验数据平均制动距离为2 ．8 5 M 左右。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 5 6 ．3 试验结果及仿真数据的分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 6 ．4 理论分析与实验对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 第七章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 8 7 ．1 全文总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 8 7 ．2 研究展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 8 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯，．6 0 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 4 攻读硕士学位期间的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 5 V 工程硕士学位论文 第一章绪论 1 ．1 本课题研究背景 第一章绪论 地下矿藏的开采，主要包括开拓、采准、回采三个步骤。开拓是矿山的基建工程， 它是用井巷反地表与地下矿体接通，并建成完整的运输、通风、排水的井巷工程系统； 采准是掘进形成采区区域内的一些巷道及为了回采工作的需要而开掘的自由空间；回采 就是做完采准后，在采矿工作面进行落矿、装运和进行相应的管理作业。装载工作是整 个地下采矿的重要环节。因其工作量最繁重、费时间最多，对采矿生产率影n l a j 很．大。2 0 世纪6 0 年代以来，世界采矿业的国际竞争日益加居0 ，各发达国家纷纷将先进的露天矿开 采技术运用到地下矿生产中，使地下矿劳动生产率成倍甚至十几倍地提高，矿石成本大 幅度下降。地下铲运机就是在这种背景下，由露天矿前端式装载机演变发展起来的一种 新型高效地下无轨装运卸设备 如图卜1 所示 。由于其操作方便，运行灵活，工作可靠， 出矿效率高，因此，在我国地下矿山得到了广泛应用⋯。 图卜1 地下内燃铲运机实物图 但是，由于地下矿山路窄、坡大、弯多，特别是随着近年来国家对地下矿藏安全开 采的重视，如何保证行车安全已成为当今地下铲运机设计中一项十分引人关注的重大问 题㈨，因此，对地下铲运机制动系统的设计与分析具有重要的二[ 程意义和实用价值。 1 ．2 地下铲运机的发展历史 地下铲运机主要用于井下矿料的铲取和短途运输。因运输工作量最繁重、费时问最 工程硕士学位论文 第一章绪论 多，对采矿生产率影响很大。美国E ／M J 编辑部于1 9 7 8 年对全球各大型地下矿山作了国 际调查，其中对6 2 个矿山的调查表明8 1 ％以上的矿山在采场、出矿点和短途运输中采 用铲运机和其它方式。据统计，在掘进工作循环中，消耗于这一工序上的劳动量占循环 时间的2 5 ％- - - - 4 5 ％，在井下回采出矿中，装载作业也同样占很大比重。正因为如此国外许 多国家十分重视装载机械的开发、推广与使用。据报道，西方世界的约8 5 ％以上的矿山 采用了地下铲运机，俄罗斯1 9 9 4 年开采了1 9 0 0 万吨有色金属矿，用地下铲运机出矿占5 8 ％ 以上。由此可见，地下铲运机在矿山采矿中应用广泛、作用巨大。 1 ．2 ．1 地下铲运机在国外的应用情况 自1 9 6 3 年美国瓦格纳 W a g n e r 公司在G r a n d v i e w 煤矿成功试验了第一台S T - 5 型铲 运机以来，地下铲运机得到了迅速的发展，相应地也加速了地下矿山无轨凿岩、运输、 装药、喷锚支护、撬毛及辅助作业设备的发展，从而形成了以地下铲运机为主体的无轨 化采矿技术口1 。 地下铲运机在国外的发展主要经历以下几个阶段 1 2 0 世纪6 0 “ - 7 0 年代地下铲运机发展和推广的年代。 在地下矿山的苛刻作业环境中，由于铲运机具有高效、灵活、机动、多用和生产费 用低等突出优点，随着无轨化采矿技术的推广，而得到了广泛的应用盥_ 1 。进入2 0 世纪7 0 年代，国外地下铲运机技术己渐趋成熟，形成了系列化产品。当时市场铲运机的主要生 产厂家美国瓦格纳 W a g n e r 公司和艾姆科 E i m c o 公司、德国 G H H 公司和绍 普夫 S c h o p f 公司、芬兰汤姆洛克 T a m r o c k 公司、日本的川崎重工、法国的乔埃 J o y 公司等。这时的铲运机几乎都是柴油机驱动的内燃铲运机，与以往的有轨或风动轮胎式 装运机械相比，已经具有无可置疑的优越性，但还存在柴油机所排出的废气、烟雾、热 辐射及噪声却严重地污染了地下矿山的作业环境等缺点。为此，低污染柴油机动力并在 机上设置柴油机尾气净化装置是首选设备。此种设备采用贵金属催化净化器水洗涤箱， 增加了设备投资和维护费用；还需增设通风设施，加大地下通风量来稀释柴油机尾气， 并将其排出坑外，以便为矿山提供合乎卫生标准的作业条件，从而使大方向通风费用几 乎成倍增加口1 。 2 2 0 世纪8 0 - 、一9 0 世纪年代地下铲运机迅速发展和技术进步的年代。 2 0 世纪8 0 年代，由于世界矿业不景气，矿山机械产品的市场竞争更趋激烈。许多采 矿与工程设备制造公司进行了兼并或联合，优化资源组合，以增强市场竞争力呻1 。其主 要技术发展成就可归纳为电动铲运机取得突破性进展，取得和内燃铲运机启动和调整 特性相比拟的性能，一直是电动铲运机的追求。其次，地下铲运机向大型化发展的同时， 也向窄机身、微形化方向发展，大型铲运机载重量大，功率利用率高，比重量小、生产 率高、每吨矿石的总装运成本上升低，比采用小型设备更为经济合理。再次，支力机出 现了重大的变革，地下铲运机一直采用德国道依茨 D e u t z 公司的F L 9 1 2 ／9 1 3 ／4 1 3 W 系 2 工程硕士学位论文第一章绪论 列风冷涡流燃烧室式柴油机，有瓦斯危险的矿井采用M 1 】| 『M 公司或卡特皮勒 C a t e r p i l l a r 公司的水冷柴油机。地下铲运机多用化、组合化，为了满足不同矿山和不同作业的需要， 各铲运机制造厂家在提供标准配置的机型外，还按不同的矿石物理机械性质和作业条件 提供各种可选件，发挥一机多能、一机多用的优势。地下铲运机变速箱采用电／液换档 和电子控制技术，液力机械传动式铲运机主要采用美国克拉克 C l a r k 公司的定轴式动力 换档变速箱，这种简单可靠的变速箱除了发展“可调式”技术解决启动、抵挡时的机械 冲击问题外，还推出了电／液换档和电子控制技术。地下铲运机驱动桥采用防滑差速器、 全封闭湿式多盘制动器和光面耐切割轮胎。国外铲运机工作制动从8 0 年代就开始采用全 封闭湿式多盘制运器，9 0 年代以来得到普遍应用，这种制动器是全封闭式的，可防止泥 沙、污物的浸入，采用油冷和多盘制动结构，圆盘间隙不用调整且允许滑转传递扭矩， 特别适用于重车下坡制动工况。地下铲运机液压系统不断完善提高口’10 l ，液压系统普遍 采用先导控制，使操作轻便，采用电／液换档或电子自动换挡，减轻司机操作疲劳。再 次，重视和发展自动化技术。随着社会对环境越来越严格的要求和电子信息技术的迅速 发展，铲运机自动化技术的发展引起人们更大的兴趣和关注。已经启动了一个革命性的 矿山自动化计划 M A P ，这使得以在危险地区的机器自主方式工作为特征的机器 自 动化 采矿展示出现的可能性崎1 。 3 进入2 l 世纪地下铲运机进入成熟发展阶段。 目前，国外地下铲运机在经历了将近4 0 年的发展和技术进步之后，已经进入成熟发 展阶段。据统计，地下铲运机在上世纪九十年代拥有量超过1 5 0 0 0 台呻1 。进入2 l 世纪，世 界铲运机拥有量保持较高的增长速度。 1 ．2 ．2 国内地下铲运机发展概况 我国地下采矿于1 9 7 5 年开始使用铲运机，由寿王坟铜矿使用从波兰引进的铲斗斗容 为1 立方的L K ．1 型地下内燃铲运机开始。由于显示出的优越性，很快在全国许多推广， 揭开了我国矿山无轨化开采发展的序幕。 8 0 年代中期以来，随着我国矿山无轨化开采技术的发展及一批采用无轨化开采的新 型矿山上马，对大中型铲运机的需要有增长的趋势，陆续引进了不同厂家，技术先进的 新型铲运机近3 0 0 台，其中以中型铲运机为主，也有黄金矿山所需的微型铲运机n 。 9 0 年代中期以来，为了填补国产大中型铲运机几乎是空白的局面，有关单位又研制 生产了一批具有9 0 年代国外铲运机水平的大中型铲运机。这种铲运机的共同特点是采 用道依茨风冷低污染柴油机、克拉克液力机械传动装置、全封闭湿式多盘制动器， N O ．S P I N 防滑差速器、工作装置液压系统采用双泵合流、先导控制等技术n 2 。。 经历了近3 0 多年的发展，目前我国已有6 0 多个冶金、有色金属、黄金和化工矿山使 用地下铲运机，拥有6 0 多种型号的铲运机约l O O O O 台Ⅲ，铲斗斗容为0 ．3 8 “ 6 ．1 立方米， 其中以柴油机为动力源的约占7 0 ％，居主导地位。3 0 多年的快速发展，地下铲运机技术 工程硕士学位论文 第一章绪论 己趋于成熟，已日益接近或达到世界先进水平。 1 ．3 地下铲运机制动系统国内外研究现状 制动系统是影响铲运机行驶安全的重要部分，地下铲运机制动系统应该满足以下功 能可以迅速降低行驶铲运机的车速，必要时可以在预定的短距离内停车，并维持行驶 方向的稳定性；下长坡时能维持一定的车速驻留制动功能，是对已经停驶的铲运机，特 别是在坡道上停驶的铲运机，使其可靠地驻留原地不动；在上坡或下坡过程中停车时； 必须稳定地驻留原地不动n 引。 根据制动系统的作用可将地下铲运机制动系统可以分为行车制动系统、应急制动系 统、驻车制动系统以及辅助制动系统。行车制动系统是在行驶过程中使铲运机降低速度 直至停车的制动系统；驻车制动系统是使已经停止的铲运机停留原地不动的一套装置； 应急制动系统是在行车制动系统失效的情况下，仍然能使铲运机实现减速或停车的制动 系统；辅助制动系统是为在下长坡时保持稳定车速，避免超速失事，并减轻或能解除行 车制动装置负荷的制动系统。同时采取两种及以上传动方式的制动系统，称为组合式制 动系统，如气顶油制动能量的传输方式。 铲运机的制动系统由执行机构和控制机构组成。执行机构是产生阻碍铲运机的运动 或运动趋势的力的部件。除包括制动鼓，制动蹄，制动盘，制动钳，制动轮缸外，还应 包括报警装置，压力保护，故障诊断等部件n4 1 。控制机构是为适应所需制动力而进行操 纵控制，供能，调节制动力，传递制动能量的部件。 1 ．3 ．1 制动器的研究现状 过去广泛使用的轮式车辆采用蹄式结构行车制动器，由于蹄式结构受轮毂尺寸的限 制，制动鼓长期经常使用，磨损严重，需要经常调整间隙；制动鼓上粘黏泥、水、油难 于除去，影响制动稳定性，且存在作用面积小，散热不好等缺点，被随后出现的制动性 能较好的盘式制动器所代替。马晓燕n 5 1 等对安装在德国L A D ．4 8 8 型铲运机上的干式摩 擦盘制动器的工作原理进行分析，制动盘安装在减速器的输出轴上，制动闸由液压系统 控制，制动时，操作工人通过脚踏板控制活塞移动，使液压系统推动制动闸实现对减速 器输出轴的制动，当松开脚踏板时，系统压力减小，闸自动释放。由于制动盘采用的是 干式摩擦盘，刹车时，制动器温度急剧升高，容易造成制动油膜分离出现泄漏，严重影 响制动效果，并且闸片磨损较快，使用寿命短；此外，制动器为开式，工作过程中容易 进水、矿渣等杂物，导致闸失灵。因此，这种制动器虽然克服了蹄式制动器的一些缺点， 但仍存在有摩擦面积小的缺点，因而摩擦表面单位压力高，对摩擦衬片材料的强度及高 温下耐压性能要求高，而且自动补偿衬片磨损间隙的可靠性差，因此又出现了制动性能 更好的封闭多盘油冷式制动器。高彦n 6 3 对美国埃姆科公司进口的E i m e o9 2 8 型制动系统 进行了分析，研究表明E i m e o9 2 8 铲运机采用的油浸式盘式制动器为全封闭式制动器， 4 工程硕士学位论文 第一章绪论 型，并对模型进行了稳定性与其他动态特性分析。但是传递函数法只适用单输入单输出 的线性定常系统，当液压系统包含众多非线性因素时，很难对系统内部各变量之间的特 征进行描述。而状态空间法则较好的弥补了传递函数法存在的缺陷，在液压系统建模中 得到了广泛的应用。如侯明亮髓现等采用状态空间法建立了螺纹插装式二位二通电液换向 阀开闭过程的动态特性数学模型，通过仿真分析，研究了相关阀的结构参数和系统性能 参数与相关阀的开启、关闭过程中动态性能的关系。功率键合图方法是在功率流概念的 基础上，采用图形化的符号反映系统中功率的传递、储存、转化、耗散以及系统中各变 量之间的内在联系，采用规则化的建模方式，通过功率键合图模型可以方便的推导出系 统的状态方程，已成为复杂工程系统建模与动态分析的有力工具啪哪 。陈嫦口∞等采用功 率键合图建模方法建立了减振器试验台压缩时代液压系统功率键合图模型，通过仿真得 到系统输出速度和输出压力的动态特性曲线。P a v l o sA t h a n a s a t o s 口等人运用功率键合图 建模方法对含有三位四通阀的高压液压系统进行了建模，该模型可用于阀槽故障的主动 预测。A d iK u m i a w a n 口2 1 等人建立了W a v ee n e r g yc o n v e r s i o ns y s t e m s W E C S s 系统液压动 力输出系统的键合图模型。G o n gY o u p i n g 恻等人对多功能装载机的液压操纵系统进行了 键合图建模，根据键合图模型列出来系统的状态方程，并采用数字仿真技术对系统的动 态特性进行了仿真分析。 在仿真方法与仿真软件方面，美国O k l a h o m a 州立大学在1 9 7 3 年推出了第一款专用 的液压仿真软件H Y D S I M 口卜3 5 3 ，该软件采用液压元件功率口模型方式进行建模，建立的 模型可以重复使用。德国R W T H A a c h e n 大学于1 9 8 0 年推出了面向原理图建模的液压系 统仿真软件包D S H ，该软件可以对非线性液压系统进行建模口5 侧。随后，英国的U n i v e r s i t y o fB a t h 研制了能够考虑液压系统中复杂交互作用的仿真软件包H A S P ∞7 1 。H A S P 与D S H 具有通过计算机自动建立液压系统动态仿真模型的能力，采用预建模型库将典型液压元 件的模型进行预先设计，用户可通过仿真语言从模型库中调出需要的模型子项，并列出 系统的状态方程，完成自动建模。此外，还支持模型求解技术、数据后处理与输出等功 能。与H A S P 与D S H 相比，随后相继问世的仿真软件包，如A F S S 汹1 、P E R S I M 汹1 、 C A T S I M I 矧、H O P S A N H 妇在建模原理、程序结构和功能上均稍逊一筹。另外，随着功率 键合图在描述液压系统动态特性方面的成熟，出现了基于键合图建模技术的仿真软件， 如E N P O R T H2 l ，但初期的E N P O R T 软件对计算机的要求较高，而且对非线性系统求解困难。 因此，日本油空压学会推出了适用于非线性机、电、液综合流体动力学系统的键合图仿 真软件B G S P H 3 刊1 ．但是该软件在使用时，要先将流体动力系统转换成键合图，并且程序 格式复杂。 上个世纪9 0 年代以后，随着计算机及仿真技术的飞速发展，液压仿真软件的研究 主要集中在加强对模型描述的能力及增强对模型建立、试验、分析、设计和检验方面的 功能，如U n i v e r s i t yo f B a t h 推出了面向液压原理图的B A T H ／F P ，增加了对原理图编辑模 块以及模型数据库管理功能。R W T HA a c h e n 大学也在原有D S H 仿真软件的基础上，推 工程硕士学位论文 第一章绪论 出了可采用图形输入的D S H p l u s n 朝软件包，该软件包还可与M a t l a b 、A D A M S 等通用软 件相连。E N P O R T 的最新版本也提供了两个分立模块M B M o d e lB u i l d e r 和S L S o l v e r ， 其中M B 模块采用键合图与方块图相组合的建模方式，可进行