高台阶电缆收放装置关键技术及性能分析

秦 园，郭北军，赵钧铎，李占龙

（1.太原科技大学 交通与物流学院，山西 太原 030024，2.山西佳诚液压有限公司，山西 忻州 034100；3.太原科技大学 机械工程学院，山西 太原 030024）

露天煤矿大型用电采矿设备处于不同作业平台，采用人工敷设跨台阶电缆供电，作业强度大且安全风险高，存在高空坠落、塌方等重大安全隐患，并易导致电缆外绝缘层和电缆头损坏，使维养成本增多。高台阶电缆收放装置常于非路面上移动和作业，路面地形往往较复杂（如土壤松散、高低不平、泥泞土地等）、环境不确定性高且极端环境（高温、高热等）出现率高，对电缆收放装置的行走机构提出了更高的要求，即电缆收放装置需同时满足行走平顺性和作业稳定性。本文以高台阶电缆收放车为研究对象，从电缆卷盘的收放装置、控制系统、保护及预警系统等关键技术方面进行分析，并对其大跨度伸缩装置的载荷分析、抗倾覆性能、配重分析等开展研究。

1 高台阶电缆收放装置

高台阶收放装置由底盘、电缆卷放装置和伸缩装置等组成，可在平地和高台阶上实现电缆铺设和电缆回收两大功能，如图1所示，参数见表1。

表1 高台阶收放装置参数表

图1 高台阶收放装置布局

1.底盘部分

初选汽车起重机专用底盘作为高台阶收放装置的底盘，该底盘适合露天矿的作业环境，适应性强，并且耐用性好，其最小离地间隙为400 mm（要求≥300 mm），越过障碍能力强。

2.电缆收放装置

电缆卷放装置位于车辆底盘前部，包含集成盒体、电缆回转装置、电缆卷筒支架、卷筒及驱动单元、电缆导向架、机械手等部件。

3.伸缩装置

伸缩装置位于车辆底盘的后部，包含液压装置、拉索装置、剪叉式伸缩臂三大部分，依靠三者共同作业以完成电缆运送任务。

2 高台阶收放装置工作性能

高台阶收放装置适用于平地和高台阶两种收放工况。在平地收放工况下，行走和驻车均可进行电缆收放工作。电缆收放装置可以 360°回转，便于沿着电缆的放置方向顺利收放。500 m电缆的收放时间，一般在20 min～25 min。收放电缆时，通过电缆导向架与机械抓手进行收放，可控制电缆的方向性，亦可保护电缆不被磨损。抓手的左右角度及高度，可根据实际需要左右摆动和调高调低。在高台阶收放工况下，收放电缆在驻车支腿支撑情况下进行，依靠电缆卷放装置和伸缩装置协同工作将电缆铺设至斜坡或者从斜坡上收回。电缆运送过程中，机械手处于缩回位置；在伸缩装置收起后可起到引导电缆方向。

在电缆卷筒平台后部装有电缆可伸缩机械手系统，通过变幅油缸、摆动油缸、伸缩油缸、开合油缸的伸缩控制机械手臂实现上下、左右摆动及前后伸缩，全方位控制并引导电缆进行卷放。机械手伸缩行程为3 000 mm，可满足作业时将电缆头安放在伸缩装置的头部，不用时可以将其收回并锁定。

伸缩装置安装在汽车底盘的后部，由滑轨、液压装置、剪叉式伸缩臂、索架、斜拉索、拉索拉紧装置、主动夹紧装置等组成，其作业范围为0 m～50 m。液压装置作用于剪叉式伸缩臂，可实现臂的伸缩。斜拉索、索架和斜索拉紧装置可使伸缩臂保持水平，受力合理稳定。当伸缩装置作业半径为45 m时其伸缩时间一般为300 s～360 s。

剪叉式伸缩臂采用强度铝合金材料，在臂内部适当的位置安装液压油缸辅助伸缩臂作业，并安装阻尼器以改善伸缩臂的振动情况。剪叉式伸缩装置的头部尾部均安装主动夹紧装置来辅助电缆的输送作业，同时安装监视传感器和应急灯等辅助功能设施。索架采用Q345低合金焊接高强度锰钢制造，底部设有伸缩支腿使得铰接处受力更为合理，两侧分别设有折叠式支腿。索架上方安装有风速传感器和警示灯，以保证整体作业的安全性。另外，索架一侧安装防护栏，在其收回状态时，可为检修操作人员提供安全防护。拉索装置位于专用底盘的中部，由液压马达配合减速器驱动。它与剪叉式伸缩臂协同作业，可保证剪叉式伸缩臂水平工作，受力良好。液压控制系统实现油压机主工作缸及其辅助机构液压缸的各种动作，满足行程及动作的速度要求，保证主工作缸和辅助机构的动作协调，并安装联锁装置。电缆驱动装置为液压马达-齿轮驱动，结合性好，传动平稳，无噪声。

辅助系统包括故障显示、照明与警示系统等。在伸缩臂头上安有高清摄像头、警示灯、高度传感器、重量传感器、幅度传感器、方位传感器等。在索架上装有风速传感器、警示灯等以使得作业更加便捷、安全。在驾驶室配备有警示灯，电缆卷放操作室装有两个工作探照灯，照明与警示灯的位置合理，亮度满足各种天气环境下作业时的照明与警示要求。

3 剪叉式伸缩臂力学性能分析

3.1 风载荷

考虑高台阶收放装置的作业环境，极易受到风力对装置的影响，有时还会由于大风而造成装置的倾翻的可能，因此在分析载荷时必须对风载荷进行计算。装置中不同结构的挡风结构是不相同的，当风施加到各结构件时所产生的风压实际上与计算出来的理论值是不相同的，实际风压与理论风压之间的差别主要由于结构轮廓形状和表面情况，初步计算在侧风作用下，取风力系数为1.3，额定重量的3%进行风载荷的计算。

3.2 载荷分析

在分析伸缩臂时所受到的载荷包括斜拉索的拉力、风载荷、吊重、伸缩臂自重等。其中伸缩臂的自重根据材料密度和设计机构所用体积伸缩臂预估为8 t；结构分析时，在伸缩臂上加载臂架自重时按均布载荷处理；在伸缩臂头部的每根斜拉索拉力为127 400 N；在伸缩臂中部的斜拉索拉力为36 750 N；预估伸缩臂的迎风面积为15 m，吊重的迎风面积为8 m，风压值取为70 Pa，得出风载荷为2 093 N，吊重取为2.5 t。

3.3 有限元分析

建立电缆收放装置的有限元模型，依据极端工况进行受力分析，其位移云图和应力云图分别见图2和图3。计算得到伸缩臂最大应力位于最近端，其值为 149 MPa，小于材料许用应力，符合设计要求。

图2 位移云图

图3 应力云图

3.4 倾覆力矩与配重分析

考虑臂长伸展50 m作业时刻作为最大倾覆力矩，根据吊重及伸缩臂自重来计算得到装置的倾覆力矩为 3 307 500 Nm，初选汽车的质心到支点的距离为7 m，计算得到的配重为48.2 t。整车预估质量为50 t，所选用的底盘总质量可达70.2 t。依据起重机的设计准则故选择 10 t的配重作为整机常载配重。

4 结语

高台阶收放装置主要由底盘、索架、电缆回转装置、电缆卷筒、机械臂和剪叉式伸缩臂组成。剪叉式伸缩臂采用强度铝合金材料；臂内部安装液压油缸来辅助伸缩臂作业，且安装阻尼器来改善伸缩臂的振动情况；头部尾部均安装主动夹紧装置以辅助输送电缆，同时安装监视传感器和应急灯等辅助功能设施。通过有限元分析，伸缩臂的最大应力为149 MPa，符合设计要求。考虑臂长伸展50 m作业时刻作为最大倾覆力矩，选择10 t的配重作为整机常载配重。