单臂凿岩台车爬坡能力提升研究

2022-04-27王培郦刘望梁凤远

凿岩机械气动工具 2022年1期

王培郦，刘望，梁凤远

（1.徐州徐工基础工程机械有限公司，江苏徐州221004;2.徐州徐工工润建筑科技有限公司，江苏徐州221000）

1 简述

单臂凿岩台车是针对隧道和井下凿岩打孔的专用设备。矿山路面一般较为恶劣，坡道较大，路面不平且长，这就要求凿岩台车有较大的牵引力和较好的爬坡能力。单臂凿岩台车传动系统一般为机械液力传动，主要有发动机-变速箱-传动轴-驱动桥-轮辋-轮胎组成。爬坡能力在整车最大坡度时得以体现，此时的牵引力也是整车最大的。

简化整车受力情况（不考虑整车偏心情况），抽象出数学模型，整车最大爬坡角度如图1 所示，即整车以一档速度爬坡时受力情况。

图1 整车爬坡时受力情况

在这种情况下，F牵≥f摩＋G sinα，也就是F牵≥u2×G cosα+G sinα。其中F牵为整车的最大牵引力，u2为滚动摩擦系数，G 为整车重力，α 为爬坡角度。滑动摩擦系数u1=0.6，滚动摩擦系数u2=0.02.

整车设计重量G=13.5 吨，α 最大角度为14°，v 最大为18.5 km/h，发动机最大功率T 选配263 N.m，最大转速n 为2400 r/min，最大功率P为52 kW，变速箱最大失矩比2.0，前后驱动桥最大速比为26，轮胎转动半径r=0.49 m。

根据发动机和变速箱匹配，考虑机械传动损失效率。从图2 匹配表格中查整车最大牵引力F牵=43 kN （发动机输出牵引力P ＇= nT÷9550≈66 kW）。

图2 最大牵引力F 匹配

u2×G cos α+G sin α=34 （kN）

43 kN＞34 kN，所以满足产品初始设计要求。

2 爬坡实际问题

在实际工况中，由于矿山或者井下凿岩台车在爬坡时候，路面条件恶劣，不平整且有小段坑坑洼洼，有碎石或者泥泞，这都给产品爬坡能力提出了更高的要求。初代产品在实际工作中，尤其是在爬坡时，出现了牵引力不强劲，爬长陡坡慢的情况。

根据实际情况，从设计之初的F牵≥u2×G cos α+G sin α 入手分析，在整车质量保持不变的前提下，对发动机、变速箱及驱动桥进行优化提升，用来一方面满足增大牵引力，一方面满足爬更大的坡（35%）的需求。

3 优化方案

优化方案是在原来产品基础上，考虑优化成本的多少而提出的。优化思路如下：

（1）发动机功率优化

F牵=P÷v，在整车速度v 不变情况下，增大整车发动机输出最大功率P，来达到增大F牵的目的。通过对原有发动机的刷机，在原来基础上从52 kW 提升到60 kW，输出扭矩T 最大从263 N·m 变为306 N·m。优化成本增加为零元［1］。

（2）变速箱失矩比优化

在整车质量m 不变，功率P 不变的情况下，提升速比来达到降低整车最大速度v（18.5 km/h 变为18 km/h），最终达到提升整车牵引力F牵。变速箱的原来设计失矩比为2，通过跟厂家沟通，厂家重新在原来基础上给我方开发了一款失矩比为2.5 的变速箱。优化成本为18000 元［1］。

（3）驱动桥速比优化

整车质量m 和功率P 不变，通过提升速比，达到提升整车牵引力F牵。前后驱动桥单桥原来设计总速比为26，通过跟厂家沟通，厂家在原来驱动桥基础上优化速比到29。原前后驱动桥改制优化成本为1400 元［1］。

理论计算优化后整车理论最大爬坡角度按照图1 中的受力和公式，考虑机械传动各个环节的衰减系数：

（1）如果其他条件不变，只优化发动机功率。优化前整车发动机最大功率P牵= nT/9550≈66 （kW），优化后，整车发动机最大功率P牵＇= nT/9550≈76 （kW），考虑机械传动效率和衰减系数，整车最大牵引力F牵≈49.5 kN。

（2）如果在发动机不变情况下，变速箱优化后，根据P=Fv 得到F1÷F2＝v2÷v1，其中F1为改进前整车牵引力，F2为变速箱优化后整车牵引力。优化前整车最大速度v1=19.87 km/h，v2为变速箱优化后整车最大速度，v2=14.40 km/h。优化后F牵=59.33 kN。

（3）如果在整机质量和功率不变情况下，驱动桥速比变化（26 到29），引起整车最大速度变化，从而提升整车牵引力。优化前整车最大速度v1=19.87 km/h，其中0.8 为变速器速比，变速箱2 档速比为0.686，r 为轮胎滚动半径。优化后整车最大速度v2= 17.79 km/h。此时对应的优化后F牵≈48 kN。