框架式支架搬运车液压转向系统研究.pdf

中图分类号I H l 3 2 U D C鱼圣 硕士学位论文 学校代码 Q 曼三 密级坌珏 框架式支架搬运车液压转向系统研究 R e s e a r c ho fH y d r a u l i cS t e e r i n gS y s t e mo f F r a m e ．．T y p eS u p p o r t C a r r i e r 作者姓名 学科专业 学院 系、所 指导教师 王辉 机械工程 机电工程学院 胡军科教授 论文答辩日期出 业r 莎答辩委员会主席士趟氏 中南大学 二O 一四年五月 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。 作者签名日期盘塑年』月上日 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。 作者签名生丝． 日期业年』月旦日 导师签名 万方数据 框架式支架搬运车液压转向系统研究 摘要随着煤矿综合机械化开采技术的发展，对大型综采机械的依赖 性也逐渐增加，因为它直接决定着井下作业的安全和效率。框架式支 架搬运车作为井下作业面搬家的重要辅助运输机械，具有装卸方便、 快捷和安全的特点，能够大幅提高工作面所需液压支架的搬迁效率， 缩短非生产时间和降低煤炭生产成本。框架式支架搬运车构造特点为 无车桥和铰接式车架，没有机械差速器使得转向差速成为了重要问 题，它事关行驶安全、作业效率和轮胎使用寿命，所以对其转向系统 的研究具有重要的理论和工程意义。本文的主要研究内容有 1 ．对支架搬运车及其液压转向系统的工作特点、应用现状和研 究情况进行了系统的阐述。 2 ．分析了支架搬运车目前存在的问题，主要表现在凸轮．液压式 的转向差速机构在长时间使用后准确性和稳定性下降，导致转向时驱 动车轮不能实现纯滚动，影响行驶安全和加大轮胎的磨耗；由转向差 速问题入手，提出了一种全新的液压差速系统，以此解决支架搬运车 液压转向系统所存在的问题。 3 ．采取动力学和运动学分析的方法，对支架搬运车的转向特性 进行了研究，全面了解了该车转向状态下各相关部件的运动和受力特 点，对系统改进方案进行了初步理论验证，为支架搬运车液压转向系 统仿真和试验研究提供了理论支撑。 4 ．应用A M E s i m 软件建立了改进后的支架搬运车液压转向系统 仿真模型，并对各种工况下的支架搬运车转向情况进行了仿真研究， 初步验证了全液压差速系统的合理性和解决现行框架式支架搬运车 液压转向系统问题的可行性。 5 ．通过在支架搬运车上进行实车试验，证明了全液压差速系统 在实车应用中可行，取得了良好的改进效果。 图1 0 0 幅，表6 张，参考文献7 5 篇。 关键词框架式支架搬运车；铰接式车辆；液压转向系统；差速机构； 车轮打滑 分类号T H l 3 7 I I 万方数据 R e s e a r c ho fH y d r a u f i cS t e e r i n gS y s t e mo f F r a m e - T y p eS u p p o r t C a r r i e r A b s r t a c t A l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to ff u l l y m e c h a n i z e dm i n i n g t e c h n i q u eo fc o l l i e r y , t h ed e p e n d e n c yo nt h el a r g e - s c a l ef u l l ym e c h a n i z e d m i n i n gm a c h i n e r y i s i n c r e a s i n g ，b e c a u s e t h i s m a c h i n e r yd i r e c t l y d e t e r m i n e st h es a f e t ya n de f f i c i e n c yo ft h eb o r e h o l eo p e r a t i o n ．A sa n i m p o r t a n ta u x i l i a r yt r a n s p o r t m a c h i n et r a n s p o r t i n gi nt h eb o r e h o l e o p e r a t i o n ，t h ef r a m e - t y p es u p p o r t c a r r i e ri s e a s yt o a s s e m b l ea n d u n a s s e m b l e d ，q u i c ka n ds e c u r e ，w h i c hC a nl a r g e l yi m p r o v et h ee f f i c i e n c y o ft r a n s p o r t i n gh y d r a u l i cs u p p o r t sn e e d e di nt h ew o r k i n gs u r f a c e ，s h o r t e n u n p r o d u c t i v et i m e a n dr e d u c ec o a l p r o d u c t i o nc o s t ．H o w e v e r ，t h i s a r t i c u l a t e dc a r r i e rh a sn oa x l e ．T h u s ，w i t h o u tm e c h a n i c a ld i f f e r e n t i a l ，t h e t u r n i n go ft h ec a r t i e rb e c o m e sa ni m p o r t a n tp r o b l e m ，w h i c hi sr e l a t e dt o t h ed r i v i n gs a f e t y , o p e r a t i o ne f f i c i e n c ya n dt h es e r v i c el i f eo ft i r e ． T h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho fi t ss t e e r i n gs y s t e mi ss i g n i f i c a n ti nb o t ht h e o r y a n de n g i n e e r i n g ．T h em a i nc o n t e n t so ft h ep a p e ra r ea sf o l l o w s 1 ．T h ew o r kc h a r a c t e r i s t i c s ，a p p l i c a t i o ns i t u a t i o na n dr e s e a r c h a p p l i c a t i o no ft h es u p p o r tc a r r i e ra n di t sh y d r a u l i cs t e e r i n gs y s t e mw a s s y s t e m i c a l l ys t a t e d ． 2 ．T h ee x i s t i n g p r o b l e m so ft h es u p p o r tc a r r i e rw e r ea n a l y z e d ， m a i n l yi nt h ed e c l i n i n go fa c c u r a c ya n ds t a b i l i t yo ft h eC a m - h y d r a u l i c d i f f e r e n t i a l s t e e r i n g m e c h a n i s ma f t e r l o n gw o r k i n gh o u r s ，w h i c h g e n e r a t e sn o n - p u r er o l l i n go ft h ed r i v i n gw h e e l sw h e nt u r n i n g ，a f f e c t s d r i v i n gs a f e t ya n di n c r e a s et h ea b r a s i o n o ft i r e ．S t a r t i n gf r o mt h ep r o b l e m o fd i f f e r e n t i a ls t e e r i n g ，aw h o l en e wh y d r a u l i cd i f f e r e n t i a ls y s t e mw a s p r o p o s e dt os o l v et h ee x i s t i n gp r o b l e m ． 3 ．晰mt h em e t h o d so fd y n a m i c sa n dk i n e m a t i c sa n a l y s i s ，t h e s t e e r i n gc h a r a c t e ro ft h es u p p o r tc a r r i e rw a ss t u d i e d ，t h em o v e m e n ta n d l o a d i n gf e a t u r e so fr e l e v a n tp a r t so f t h ec a r r i e ru n d e rt h es t a t eo fs t e e r i n g w e r e l e a r n e d ，a n d i n i t i a lt h e o r e t i c a lv e r i f i c a t i o nf o rt h es y s t e m i m p r o v e m e n ts t r a t e g yw a sd o n e ，w h i c hp r o v i d e dt h e o r e t i cr e s e r v ef o rt h e s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s e a r c ho ft h eh y d r a u l i cs t e e r i n gs y s t e mo f t h ef r a m e - t y p es u p p o r tc a r r i e ra n dt h ed e s i g n ． I I I 万方数据 4 ．T h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h ei m p r o v e dh y d r a u l i cs t e e r i n gs y s t e m o ft h ec a r t i e rw a se s t a b l i s h e di nA M E s i m ，a n ds i m u l a t i o nr e s e a r c ho ft h e s t e e r i n gs i t u a t i o nu n d e rs e v e r a lw o r k i n gc o n d i t i o n sw a sd o n e ，w h i c h p r e l i m i n a r i l yt e s t i f i e dt h er a t i o n a l i t yo f f u l lh y d r a u l i cd i f f e r e n t i a ls y s t e m a n df e a s i b i l i t yo fs o l v i n gt h ep r o b l e mo fh y d r a u l i cs t e e r i n gs y s t e mo ft h e e x i s t i n gf r a m e t y p es u p p o r tc a r r i e r ． 5 ．T h r o u g hr e a lv e h i c l ee x p e r i m e n t o nt h es u p p o r tc a l n e r t h e p a r a m e t e r sa sr o t a t es p e e da n dp r e s s u r eo f t h eh y d r a u l i cp u m pa n dm o t o r w e r er e c o r d e dw i t ht h ed y n a m i cs i g n a la n a l y z e nD e e pa n a l y s i so f r e l e v a n td a t aw a sd o n e ，w h i c hs h o w e df a v o r a b l ei m p r o v e m e n te f f e c t sa n d t e s t i f i e dt h e f e a s i b i l i t y o ft h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o n o ff u l lh y d r a u l i c d i f f e r e n t i a ls y s t e m ． 1O O f i g u r e s ，6 t a b l e s ，7 5 r e f e r e n c e s ． K e yW o r d s F r a m e - t y p es u p p o r tc a r r i e r ；a r t i c u l a t e dv e h i c l e ；H y d r a u l i c s t e e r i n gs y s t e m ；s a f e t y ；D i f f e r e n t i a lm e c h a n i s m ；W h e e ls l i p ． C l a s s i f i c a t i o n T H137 I V 万方数据 目录 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯V 1 绪{ 念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 煤矿支架搬运车概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．1 支架搬运车特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．2 支架搬运车国内外研究及应用现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．2 ．3 支架搬运车发展趋势⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．3 支架搬运车液压转向系统特点及研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．3 ．1 全液压转向系统性结构特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 1 ．3 ．2 全液压转向系统国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 ．3 - 3 全液压转向系统发展趋势⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 1 ．4 课题来源、研究意义和主要内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 1 ．4 ．1 课题来源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9 1 ．4 ．2 研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 1 ．4 ．3 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 框架式支架搬运车转向系统存在问题及改进方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 2 ．1 框架式支架搬运车转向特点分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 2 ．2 现有液压转向差速系统方案研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．2 ．1 电控液压式差速方案分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．2 ．2 凸轮液压式差速方案分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．2 ．3 现有差速方案存在问题分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．3 框架式支架搬运车液压转向系统改进方案研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．3 ．1 全液压转向系统改进对策⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯16 2 ．3 ．2 一种新的全液压转向差速系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．3 ．3 全液压转向差速系统工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．3 ．4 全液压转向差速系统特点分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．4 全液压转向差速器静态参数匹配研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l8 2 ．4 ．1 发动机．泵功率匹配⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 2 ．4 ．2 马达负载匹配⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 V 万方数据 2 ．4 ．3 匹配参数性能校验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 框架式支架搬运车转向特性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 4 3 ．1 运动学特性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．1 ．1 车辆行驶运动学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．1 ．2 支架搬运车稳定转向分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．1 ．3 转向运动学方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．2 动力学特性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．2 ．1 车辆转向行驶受力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．2 ．2 转向阻力矩计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．2 ．3 转向动力学方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．3 阻尼特性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．3 ．1 马达流量比与转向角关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．3 ．2 阻尼孔压差与负载的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 3 ．3 ．3 阻尼孔孔径与速比关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 框架式支架搬运车液压转向系统仿真研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。。3 7 4 ．1 关键参数分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．1 ．1 负载参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．1 ．2 冲洗流量参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．2 仿真模型的建立及参数设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．2 ．1 总体仿真模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．2 ．2 仿真模型各部分说明及参数设定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．3 仿真结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．3 ．1 空载状态各种转向工况仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 3 。2 满载状态各种转向工况仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．3 ．3 自动防打滑效果仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 框架式支架搬运车液压转向系统试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 5 5 ．1 试验目的及内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．1 ．1 试验目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 5 ．1 ．2 试验内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 5 ．2 试验设备及仪器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．3 试验数据采集与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 V I 万方数据 5 ．3 ．1 空载行进间转向试验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 5 ．3 ．2 空载原地转向试验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 6 总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 6 ．1 全文总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 4 攻读硕士期间主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 8 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 9 V I I 万方数据 硕士学位论文l 绪论 1 绪论 1 ．1 引言 煤炭是我国的主体能源，在一次能源结构中占7 0 ％左右。我国在未来相当长 时期内，煤炭作为主体能源的地位不会改变【l 】。煤炭工业是关系国家经济命脉和 能源安全的重要基础产业，在我国国民经济发展中发挥着重要作用，是经济快速 增长和社会进步的重要动力源【2 J 。近年来，随着经济持续快速发展，电力、冶金、 建材、化工等行业对煤炭需求大幅增加，煤炭消费逐年递增p J 。经济高速发展所 带来的对煤炭的大量需求，不断推动着我国煤炭工业逐步向采煤综采化、掘进综 掘化、运输机械化、监测监控自动化和管理手段现代化的方向发展【4 J 。 1 9 8 0 年以来，为进一步提高生产效率，美、德、澳等采煤技术较为先进的 国家不断在煤炭的生产领域应用新技术，研发高效能、高效率的煤矿综合采煤设 备，从而增加了经济效益、改善了安全生产水平，作为先行者，引领了世界煤炭 工业由普通机械化采煤向高产高效集约化采煤的转变【4 J 。近年来，我国不断引进 世界先进采掘技术和高效综采装备，科研工作在此基础上消化、吸收和再创新， 在煤炭综采重大型技术装备的自主研制上取得了突破【5 6 J 。我国煤炭开采技术在 先进采煤装备和全新煤矿设计理念支持下已日趋成熟，一批大型、特大型煤矿相 继建成，煤矿机械化水平显著提高，促进了煤炭工业的科学发展I _ 7 1 。2 0 1 3 年， 全国煤炭产量3 7 亿吨，比2 0 0 5 年增加1 3 ．5 亿吨；年产1 2 0 万吨及以上的大型 煤矿8 5 0 多处，产量占全国总产量的比重的6 5 ％，千万吨级煤矿5 2 处，总产量 占全国的17 ％左右。全国煤矿产业采煤机械化程度达到6 5 ％，生产技术水平显 著提升【8 - 1 1 1 。 据统计，在我国采用传统的运输方式的矿区，每采百万吨煤辅助运输工时为 8 0 0 ．1 2 0 0 个，整个综采工作面进行搬家所需天数为2 5 ．4 0 天；而在美国、澳大利 亚等采用无轨辅助运输方式的发达国家，每采百万吨煤辅助运输的用工仅为 1 0 0 ．1 2 0 个，整个综采作业面设备的搬家所需的天数仅为7 ．1 4 天。随着现代化高 产高效煤矿综采机械的不断发展，井下工作面搬家所占用的非生产辅助时间己成 为制约煤炭产出、影响煤矿经济效益的重要因素。为了实现工作面的快速搬迁和 安装，缩短工作面搬家时间和提高工作面建立质量，必须采用专用井下辅助运输 设备以提高工作效率u 2 ‘1 5 J 。 近年来，随着煤矿规模的逐步扩大，液压支架作为煤矿井下使用最多的综采 设备，其重量由原来的2 0 0 0 吨发展到今天的十万余吨，已成为井下工作面搬家 转运量最大的设备，其运输效率已成为影响缩短工作面搬家时间的瓶颈问题【l 6 | 。 万方数据 硕士学位论文 1 绪论 为解决这一问题，支架搬运车作为液压支架专用运输设备在井下搬家倒面作业中 被广泛应用，大幅提高了工作面设备搬迁效率，极大的缩短了非生产时间，降低 了生产成本，提高了生产效益，为煤矿的高效生产做出了巨大的贡献。 1 ．2 煤矿支架搬运车概述 液压支架搬运车是用于综采工作面液压支架整体下井、整体搬运、更换作业 面的专用辅助运输机械，它可以实现连续运输，节约了大量辅助运输人员，具有 搬运速度快、承载能力大、爬坡能力强和机动灵活等优点，极大地提高了液压支 架运输效率【1 6 - 19 1 。 1 ．2 ．1 支架搬运车特点 1 ．功能特点 根据不同的承载结构，支架搬运车可以分为铲板式 如图1 ．1 、平板拖车 式 如图1 ．2 、框架式 如图1 ．3 3 种基本车型[ 1 6 - 1 9 】。铲板式支架搬运车 承载单元为铲板，具有装卸灵活、功能多样的特点，它可以运输液压支架，也可 以进行其他设备和物料的搬运。它的缺点是机身较长，本身重量大，车体重心较 高，从而导致它的运行稳定性较低，主要适用于支架摆放和短距离运输。平板拖 车式支架搬运车车体由牵引车和拖车两部分组成。牵引车为动力源，拖车用于 承载液压支架。它的主要特点是方便装卸载，可以用于搬运其他设备，缺点液压 支架的重心高，搬运过程中支架稳定性较差，而且拖车本身无驱动装置，爬坡能 力受限。框架式支架搬运车它的承载机构为U 型框架，框架上有四个液压驱 动轮，通过4 套液压装置的起吊实现液压支架的装卸载，而后框架内的夹紧机构 对支架的进行固定，该车型具有车身重量轻、重- t 3 低、液压支架装卸载方便快捷、 运行平稳等优点，是目前煤矿行业液压支架的主流运输设备，能够适合各种情况 的液压支架搬运作业。 图1 1 铲板式支架搬运车 图1 - 2 拖车式支架搬运车图1 - 3 框架式支架搬运车 2 ．结构特点 框架式支架搬运车主要由前机架组件、拖车 含料斗 、转向机构、提升夹 紧机构、发动机总成、锁杆组件、液压系统、气动系统、电气系统等部件构成。 如图1 ．4 所示，前机架和U 型框架分别通过铰接销轴联接，并由转向油缸使前、 后车架保持或改变相对角度，从而实现车辆直线行驶或以不同的半径转向。正常 2 万方数据 硕士学位论文l 绪论 行驶时，由液压传动系统将柴油机的机械能量转换成液压能，驱动液压马达，从 而带动车轮转动。进行液压支架搬运时，U 型框架缺口对正液压支架，支架搬运 车倒车使液压支架进入U 型框架内，而后将起吊装置上的起重链钩与支架底座， 提升油缸动作将支架提起并保持悬挂，最后夹紧油缸动作，使液压支架固定在U 型框架内，完成支架装载。由图可以看出，框架式支架搬运车为无桥、铰接式车 体结构，其结构特点决定了其无法采用机械式差速器。 塑蚕琴鬻甄誊、霪爹妻 ～‘声_ tm 一■一一F r ≯≯ p 毫≤ 垃．④要副一羔L l “u 、“．驻． y ～。L 』 蠢h ，嘲㈠；．参i 豢引～ 袋群二 一，懑蘧豁舞 嚣鼙剪 图l - 4 框架式支架搬运车整体结构图 3 ．工作环境特点 当前，我国的煤矿综采作业多在井下进行，支架搬运车作为煤矿井下液压支 架的主要运输设备，其主要用于煤矿井下作业面搬迁过程中的支架搬运。煤矿井 下工作环境非常复杂，矿井空气水分含量较多，湿度较大，且空气的P H 值过高， 会导致机械设备腐蚀；矿井通风条件差，空气中可燃性粉尘含量大，井下有严格 的安全防爆要求，要求支架搬运车尽量避免使用电控系统。井下巷道路面起伏不 平，部分路段坡度较大，要求支架搬运车具有较强的越野性能和爬坡能力。井下 巷道宽度条件有限，通行能力受限，要求支架搬运车转向系统操纵灵活，并能以 较小的转弯半径下完成转向，且要求其具有较高的稳定性。井下可容纳作业人员 有限，要求支架搬运车装卸载液压支架简单快捷，尽量减少操作人员。 1 ．2 ．2 支架搬运车国内外研究及应用现状 1 ．国内研究及应用现状 国内对于无轨胶轮车的应用开始与2 0 世纪8 0 年代。1 9 8 5 年1 2 月大同矿务 局开始引进国外的无轨胶轮车。随后，我国各大矿区开始批量引进无轨胶轮车。 具体数据见表1 ．1 国内引进胶轮车情况。 从表1 ．1 数据可以看出，我国的重型无轨辅助运输设备基本上依赖进口，而 且费用昂贵，每台2 0 ．4 0 万美元，易损配件供货周期长易造成停运等一系列的问 题。 万方数据 硕士学位论文 1 绪论 我国对于无轨辅助运输设备的研究、设计、制造相对于发达国家来说，起步 稍晚，技术也不是很成熟【2 1 ‘23 1 。2 0 世纪8 0 年代中期，我国才开始以柴油机为动 力源的无轨胶轮车的研制，但进展缓慢，如最早的河北煤炭研究所研制出了 D Z Y l 6 防爆低污染型支架搬运车和W Y - 2 0 无轨胶轮车，但并未取得市场份额。 到了9 0 年代中期，我国对于无轨辅助运输设备的研究才取得了较大的进展。1 9 9 7 山西煤科院太原分院开始无轨胶轮车的国产化研究，并成功的研制出了5 种型式 的胶轮车，它们分别为井下防爆低污染中型客货两用胶轮车、井下防爆低污染型 自卸式胶轮车、自卸式运矸车、悬挂式胶轮车以及轻型自卸胶轮车。与发达国家 相比，仍存在一定的差距，所研制的胶轮车在性能及载重都需要较大的改进与提 高。2 0 0 5 年山西煤科院太原分院成功研制出载重为4 0 T 的U 型框架式支架搬运 车，其技术已经初步成熟，产品性能也己接近发达国家同类型的支架搬运车。 2 ．国内研究及应用状 国外对于无轨辅助运输设备的研究起步较早，现在技术已经非常的成熟。早 在2 0 世纪5 0 年代初，北美的金矿开始使用无轨胶轮车。1 9 5 9 年英国率先在煤 矿井下使用防爆柴油机无轨胶轮车。到7 0 年代初，美国煤矿也开始用它作为井 下回采工作面煤炭、材料及人员的运输设备【2 0 J 。目前国外生产液压支架搬运车 的主要产商有澳大利亚的布特朗耶 B O I H L O N G Y E A R 、英国的艾姆科 E M C O 、英国的郎艾道 L O N G ．A I R D O X 、美国的比塞洛斯 B u c y r u s 、瑞 4 万方数据 硕士学位论文 1 绪论 典的山特维克 S A N D V I K 等。 其中，铲板式支架搬运车以郎艾道公司的V T 6 3 0 、V T 6 1 0 、V T 6 0 2 A 和艾姆 科公司的9 1 2 X 、9 1 3 H L C 等为代表。该种车型结构主要由动力源、工作机构、 行走机构、制动机构、操纵机构、传动机构、防爆充电机及电气系统组成。工作 机构由铲板、绞车、控制铲板升降和绞车运行的操纵装置构成。该种车型最大的 特点在于具有驱动桥结构。驱动桥内置差速器，使得左右半轴可以以不同的角速 度旋转同时传递扭矩。差速器的特殊性质使得搬运车具备良好的动力性与经济 性，能很好的适应煤矿井下复杂恶劣的路面条件，改善车辆的功率寄生问题，减 轻轮胎磨损。 U 型框架式支架搬运车以布特朗耶 B O I 汀L O N G Y E A R 公司的L W C 4 0 T 、 L W C 5 0 T 等型号的车为代表。L W C 4 0 T 型支架搬运车的液压传动系统采用了闭式 系统。左右两侧分别驱动，各由一闭式泵供油。液压泵采用的是德国R e x r o t h 公 司的A 4 V G 系列，具有D A 控制功能，使得发动机的转速和输出扭矩能很好的 适应外负载的变化。通过先导阀控制变量闭式泵的斜盘倾角方向来实现车辆的前 进、倒退。该型车的终端驱动采用的是法国P O C L A N 公司生产的M S 5 0 系列内 曲线双速低速大扭矩马达，司机可根据实际情况采用两轮或四轮、高速或低速驱 动方式，在前后车架铰接处增加了一个凸轮装置实现差速转向。该凸轮装置主要 由一凸轮和两个比例减压阀构成，两个比例减压阀分别控制左右两侧闭式泵斜盘 角度。直线行驶时，比例减压阀处于最大开启状态，当转向时，随着凸轮的升程 变化，内侧的减压阀阀芯被压缩，使得出口压力减小，从而改变内侧闭式泵的斜 盘倾角，使其减小，而外侧基本保持不变，这样就能实现内外差速转向。布特朗 耶 B O I 汀L O N G Y E A R 公司的L W C 4 0 T 、L W C 5 0 T 等型号的框架式支架搬运 车均采用了此种差速机构。 1 ．2 ．3 支架搬运车发展趋势 随着综采工作面设备搬家技术的不断发展和要求的提高，支架搬运车朝着以 下这几个方向发展 1 ．重型化【2 1 ’2 4 1 。随着我国煤炭开采技术的不断提高，7 m 大采高综采工作面 技术得到应用，综采设备功率越来越大，液压支架的吨位也越来越大，相应的支 架搬运车的最大载重量也在不断增大。例如煤科院太原分院的第一台载重4 0 T 的W C 4 0 Y 框架式支架搬运车到后来的5 0 T 搬运车以及再后来的8 0 T 载重搬运 车，支架搬运车正朝着重型化、大吨位方向发展。 2 ．多功能化口5 。2 8 1 。除了搬运液压支架和以及其他综采工作面设备，支架搬 运车还可以作为一个移动的液压能源站，为其他液压工作机械提供压力油。不论 铲板式还是框架式的支架搬运车，都朝着功能多样化发展。 万方数据 硕士学位论文 1 绪论 3 ．元件国产化【2 9 ‘3 0 1 。目前，国内研制的支架搬运车大部分关键传动件以及 主要液压、气动元件都依赖进口。这种情况不利于整个行业的发展和产业的安全， 因此关键元部件国产化可以降低支架搬运车的制造成本，使其得到更大范围的应 用。 1 ．3 支架搬运车液压转向系统特点及研究现状 转向系统是工程机械的重要子系统之一，其性能决定着整机的作业效率和行 驶安全性。支架搬运车在煤矿井下行驶和作业时，需要不断地改变其行驶方向或 是保持直线行驶，其液压转向系统主要作用是实现支架搬运车行驶过程中的转 向。由于煤矿井下复杂的道路情况和有限的巷道条件，要求支架搬运液压转向系 统转向力矩高，转向机构能够在较小的空间内实施转向，而且要保持较低的工作 噪音。这些都给支架搬运车液压转向系统的设计带来了