探索影响防爆胶轮车爬坡性能的主要因素

梁志武

摘 要：本文主要从防爆胶轮车的传动系统和井下路面附着力两个方面来分析影响四驱防爆胶轮车爬坡性能爬坡能力的重要因素，结合某款轻卡车改装后的防爆胶轮车为案例进行分析计算，验证了上述两方面的因素影响防爆胶轮车的爬坡性能。

关键词：驱动力;防爆胶轮车;防爆柴油机;最大爬坡度;附着力;附着系数

1 引言

爬坡性能是衡量防爆胶轮车动力性能的主要指标之一，通常用满载时防爆胶轮车在硬化水泥路面上的最大爬坡度来表示。按照煤矿井下实际情况，坡度能达到14度，甚至达到18度，因此各煤区单位在采购防爆胶轮车时，将爬坡能力作为一项做重要的动力性能。但是轻卡进行改装后，其整车整备质量发生变化，严重影响到了整车质心分布，改装后的防爆胶轮车的爬坡能力与原轻卡车相比，存在一定的差距。

本位以某款防败胶轮车作为分析对象，从汽车理論上进行分析、计算，探讨影响四驱防爆胶轮车爬坡性能的主要因素。

2 防爆胶轮车爬坡受力分析

根据汽车行驶方程式，防爆胶轮车在最大爬坡时，不做加速性能要求，因此驱动力仅需要克服滚动阻力、空气阻力和坡道阻力。

防爆胶轮车爬坡行驶方程式为

式中，Ft为驱动力;Ff为滚动阻力;Fw为空气阻力;Fi为坡度阻力。

2.1防爆胶轮车驱动力Ft

当轮胎与硬化水泥路面之间有足够的附着力确保驱动轮与路面不打滑。防爆柴油机输出的最大扭矩经变速箱、驱动桥等传统装置传递到驱动轮，由力学知识，驱动轮的扭矩T产生对路面的切向作用力Ft，路面对驱动轮的方作用力即为防爆胶轮车爬坡行驶时的切向推力，其计算公式为：

2.2滚动阻力Ff

防爆胶轮车在坡道上行驶，计算公式为：

式中，G为防爆胶轮车满载重量，α为坡道角度，f为路面对轮胎的滚动阻力系数，本文取0.014，M为防爆胶轮车满载质量。

2.3空气阻力Fw

防爆胶轮车运行于井下特殊环境中，其空气阻力受到通风系统的影响，一致存在顺风和逆风的情况，因此在动力性能参数匹配计算中应考虑巷道风速带来的影响，因此防爆胶轮车坡道阻力计算公式为：

式中，Cd为空气阻力系数，A为迎风面积，Vmax为坡道最高行驶车速，Vf为巷道风速，本文风速取值设定为14km/h。

2.4 坡度阻力Fi

防爆胶轮车坡度阻力计算公式为：

3 案例分析

按照防爆胶轮车爬坡受力分析，对某款防爆胶轮车满载爬坡时进行分析，该车型的动力系统配置及主要计算参数如下：

3.1整车基本参数

防爆胶轮车大部分是在轻型卡车底盘基础上，增加防爆柴油机系统、中央制动器、湿式制动器等部分，以达到煤矿井下使用条件而成，其性能参数均有所变化。某款防爆胶轮车性能参数，如表1所示。

3.2传动系统性能参数

3.2.1防爆柴油机性能参数

防爆柴油机作为防爆胶轮车的动力源，主要参数如表2所示。

3.2.2变速箱速比参数

防爆胶轮车受到煤矿井下环境要求，一般采用五挡变速箱，本文分析的防爆胶轮车采用变速箱性能参数如表3所示。

通过Matlab编程计算，得该款防爆胶轮车采用Ⅰ档爬坡，完全可以实现45%的爬坡能力。但实际上由于路面附着力的影响，当驱动轮对路面的切向作用力大于路面对驱动轮切向反作用力的极限值时，驱动轮将会出现打滑现象，因此防爆柴油机的最大输出扭矩并不能完全通过路面转化为汽车行驶的切向作用力，也就会出现防爆胶轮车在大坡度行驶是车轮打滑，无法达到预期的爬坡能力。

4路面附着力对爬坡能力的影响

防爆胶轮车在煤矿井下爬陡坡时，路面对前、后轮的支撑力随着坡度的增加而减小，造成轮胎附着力减小。当防爆胶轮车在大于某一坡度爬坡时，驱动轮的驱动力将达到路面最大附着力而打滑。

按照上述公式得：

但处于临界状态时，路面最大附着力F附与车辆所需的驱动力相等时，即可确定最大爬坡度。

路面最大附着力F附计算公式为：

式中，φ为路面附着系数，煤矿井下多采用混凝土路面，且由于井下环境路面比较湿滑，因此本文取0.4。

计算得：α≈14°

按照图1 查得最大爬坡能力为imax=25%。

因此，实际最大爬坡能力为25%，对坡度大、长度长的巷道，无法保证其动力适应性能。

5总结

综上分析计算，防爆胶轮车的传动系统和井下路面附着力是影响其爬坡能力的主要因素。

防爆柴油机的最大输出扭矩越大、传动系统的速比越大，相对驱动力越大，相对爬坡储备能力越大。但是，路面对驱动轮的法向支撑力会随着坡度的增加而减小，造成轮胎附着力减小，从而使车辆驱动力大于路面附着力而打滑，进而影响到防爆胶轮车的实际爬坡能力。为确保防爆胶轮车的爬坡能力，井下环境无法改变的情况下，只能选用拔地能力强的轮胎，增加路面的附着力。

参考文献：

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