变轴距矿用突水应急排水车设计与研究

杨文强， 高贵军 ，郑 杰 ，王唯博

(1.太原理工大学 机械与运载工程学院，山西 太原 030024；2.矿山流体控制国家地方联合工程实验室，山西 太原 030024；3.山西省矿山流体控制工程技术研究中心，山西 太原 030024)

煤矿生产中会有一些安全事故的发生，矿井突水就是其中常见的突发性强烈安全事故之一[1-3]。矿井突水事故带来的不只是经济损失，更严重的是造成井下人员伤亡[4-6]。当前已经建立了全面可靠的预防体系，矿井突水事故发生率已经有所下降，但突水事故仍时有发生。为了避免或减少水害事故的发生频率，或者在重大水害事故发生后能及时予以控制以免灾害蔓延，能有效地组织抢险救助，就应居安思危[7]，研发完备的应急救援设施。

目前煤矿突水救援现场现状：排水所需水泵搬运方式落后，在轨道交通失效的巷道内，需多人通过肩抗手抬的方式将潜水泵运送到排灌点，这种搬运方式不仅效率低，费时费力且易发生危险；倾斜巷道追排水困难，倾斜巷道排水过程中水泵要随着水位的下降而下降，这个过程仍需要人力移动水泵来实现追排水，且倾斜巷道易发生淤积物的滑坡，在救援过程中造成次生灾害，严重威胁救援人员的生命安全。

为了提高灾后救援的安全性和效率，设计了一种变轴距矿用突水应急排水车。对该车不同轴距坡路上行和下行两种工况进行仿真，为实车安全的功能实现和稳定运行提供科学依据。

1 系统组成

1.1 矿用突水应急车设计要求

煤矿巷道空间狭小[8，9]，部分巷道倾斜度大，矿井内部因载重的差异有600mm和900mm不同轨距的轨道运输系统[10]，且突水事故后，部分巷道泥石沉积，通行条件差，此外为了减轻劳动强度，排水车需集成排水系统，且排水系统具有升降能力，基于以上考量，因此排水车需满足体积小、通过性好、行走装置轴距可调、搭载能力强且具备起吊能力的特点。基于以上设计需求，变轴距矿用突水履带排水车基本参数见表1。

表1 矿用突水排水车基本参数

1.2 矿用突水应急车组成

本研究结合矿用突水应急排水车的设计要求，设计了一种变轴距矿用突水履带应急排水车。该排水车组成如图1所示，排水车由传动系统、排水系统、起吊系统、车架、辅助支腿和行走履带构成。考虑履带移动式底盘具有接地比压小、附着性能好、转弯半径小、越障能力强等优点，在坡地、粘着及潮湿地使用时性能显著[11-13]。

图1 矿用突水应急排水车组成

更加适合在煤矿突水后巷道内部泥石堆积，通过性较差的环境下工作，因此选用履带作为矿用突水应急排水车的行走机构。液压元件体积小、重量轻、方便布置[14，15]，容易实现机器的自动化等优点，且履带由液压马达驱动，因此采用液压传动作为排水车的传动系统。

2 主要结构设计

2.1 液压辅助支腿设计

液压辅助支腿装置，其作用是支撑车架，为实现排水车变轴距做准备。该支腿由支腿箱、垂直液压缸，缸筒固定销和支腿筒座组成。支腿箱通过螺栓固定在车架前后端的立柱上；垂直液压缸的安装形式为中部销轴连接；垂直液压缸行程300mm，可将矿用突水排水车抬离地面100mm。垂直液压缸的伸缩驱动支腿筒座在支腿箱中垂直移动，实现车架的支起和回落。液压辅助支腿如图2所示。

图2 液压辅助支腿

2.2 排水车变轴距装置结构设计

根据《煤矿矿井设计规范》中规定：井下标准轨距为600mm和900mm[16]，为了实现履带应急排水车在不同轨距下都具有跨行能力，设计了排水车变轴距装置。该装置通过单侧履带横向移动的方式实现排水车轴距的调整。变轴距装置结构设计如图3所示，该装置由车架、水平油缸、L型支腿和行走履带构成。L型支腿的水平段和水平液压缸位于车架横梁方钢内部，液压缸的缸体端和活塞端的安装结构都采用耳环式，缸体端和车架通过销轴连接，活塞杆一端和L型支腿水平段末端的耳座通过销轴连接。

图3 排水车变轴距装置结构设计

排水车轴距改变时，四个液压辅助支腿伸出将车架抬起，通过水平液压缸的伸缩驱动L 型支腿在横梁中左右移动，进而带动履带横向移动，实现履带轴距的调整。

3 运动学仿真

3.1 履带排水车行驶力学

排水系统作为履带底盘的主要负载位于车架中部，当应急排水车通过单侧履带伸缩改变轴距时，会导致双边履带受力不均进而影响排水车的动力学性能，这种影响在坡路上行和下行的复杂工况下更为明显。

变轴距矿用突水排水车在行驶过程中遵循能量守恒定律[17]：

Wf=Ff·S

(2)

假定法向压力分布均匀，对于接触压强分布均匀的一条履带，通过Bekker提出的压强-沉陷量式(3)来表征[18]：

式中，P为压强，Pa；b为接地面履带的宽度，即矩形接触面的宽度，mm；Z为沉陷量，mm；而n、kφ和kc为描述压强-沉陷量关系的参数。

式中，G为履带的发向压力；L为接地面长度。行驶阻力公式为：

在轴距为1130mm的工况时，左右履带相对于排水系统呈对称布置，左右履带受到的压力均等，对地面造成的沉陷量也相同，因此受到的阻力近乎相等；在轴距1470mm的工况时，由于单侧履带的伸缩移动，导致双边履带相对于排水系统呈非对称布置，造成双边履带承受压力不均，两履带的沉陷量Z不同，履带需要的驱动扭矩也将不同。因此有必要对排水车不同轴距在坡路上行和下行的工况下进行动力学仿真，验证排水车的动力学性能，减少实车试验，为变轴距矿用突水履带应急排水车实际安全运行提供可靠的依据。

3.2 矿用突水排水车履带底盘拓扑结构分析

对排水车行走履带进行建模时，在确保各部件运动关系与实际相符合的前提下，需要对底盘行走系统各部件做相应的简化[19]。张紧装置与履带架通过阻尼弹簧和平移副相互约束，驱动轮等轮系部件与其对应的连接部件通过旋转副相互约束，以确保履带底盘各部件具有确定的运动关系。同时为了提高模型求解速度以及计算效率，将履带底盘的其余部件与车体合并为一个刚体系统模型[20]。

根据简化后的各部件之间的约束模型，建立排水车行走履带模型的拓扑结构如图4所示，各部件及具体约束情况见表2。

表2 排水车履带底盘各部件之间的约束情况

图4 排水车履带底盘模型的拓扑结构

3.3 矿用突水排水车多体动力学模型

首先借助三维建模软件UG，建立矿用排水车车架和潜水泵等部件的三维模型，并将模型导入多体动力学软件RecurDyn中并设置为母体；其次在RecurDyn/Track(LM)子系统中根据设计数据对履带、驱动轮、托带轮等履带部件进行参数化建模和装配，并定义部件材料设置履带和其余部件间的接触参数，建立初步的履带底盘多体动力学模型；再者结合排水车履带底盘的拓扑结构定义各部件间的约束关系，并增加链轮的运动属性；最后根据计算所得履带张紧力大小定义模型中履带的预紧力，进而完成履带底盘多体动力学建模，所建立履带底盘多体动力学模型如图5所示。该车左右履带中心距B=1130～1470mm；履带板宽度b=300mm；履带接地长度2420mm。排水车整机虚拟样机模型如图6所示。

图5 排水车单边履带模型

图6 排水车整车虚拟样机

3.4 仿真设置及其分析

为了使动力学分析结果更加准确，根据煤矿突水事故发生后巷道内路面的属性，在recurdyn软件中分别建立坡度为30°的上坡和下坡模拟路面，并以设计时最大速度2.4km/h驱动排水车，让排水车以不同轴距匀速通过路面。

3.4.1 不同轴距坡面上行仿真及其分析

变轴距矿用突水应急排水车分别以1130mm和1470mm不同轴距通过30°上坡路面，过程中以双边履带的驱动力矩作为行驶特性的主要分析参数，仿真结果如图7所示。

图7 排水车整车虚拟样机

由图7可得排水车在不同轴距30°坡面上行过程中固定履带和伸缩履带驱动轮扭矩的最大值和稳态值，详值见表3。

表3 不同轴距30°坡面上行扭矩数值

仿真分析：通过图7中履带俯仰角曲线可知排水车的行驶过程如下：2～6s处于水平路面，排水车克服行驶阻力做功，因此扭矩较小；6～9s排水车通过水平路面和坡面的过渡段，排水车克服行驶阻力和服重力做功，此时履带接地段减少，导致扭矩非线性增加；9～26s排水车处于上坡路面，排数车克服重力和行驶阻力做功，扭矩保持稳定。

通过图7和表3可知，当轴距是1470mm时，排水车固定履带的稳态扭矩值比伸缩履带高2078N·m，而轴距1130mm时两单边履带的稳态扭矩值近似相等，约为5000N·m，是因为轴距变宽时，伸缩履带距离排水系统安装位置相对于固定履带变大，导致伸缩履带受到的压力减小，相应的地面沉陷量变小，地面给伸缩履带的阻力变小，驱动扭矩也相应变小，反之对于固定履带驱动扭矩变大。

3.4.2 不同轴距坡面下行仿真及其分析

变轴距矿用突水应急排水车分别以1130mm和1470mm不同轴距通过30°下坡路面，过程中以双边履带的驱动力矩作为行驶特性的主要分析参数。排水车在不同轴距30°坡面下行过程中固定履带和伸缩履带驱动轮扭矩的最大值和稳态值，见表4。

表4 不同轴距30°坡面下行扭矩数值

仿真分析：通过履带俯仰角曲线可知排水车的行驶过程如下：2～6s处于水平路面，排水车克服行驶阻力做功，因此扭矩较小；6～9s排水车通过水平路面和坡面的过渡段，此时履带和地面线接触，导致扭矩非线性增加；9～26s排水车处于下坡路面，重力做正功，行驶阻力做负功，为保持排水车速度恒定，输出扭矩反向并保持稳定。

通过表4可知，当轴距是1470mm时，排水车固定履带的稳态扭矩值比伸缩履带高1100N·m，而轴距1130mm时两单边履带的稳态扭矩值近似相等约为3000N·m。

4 结 语

根据目前煤矿突水排水救援中存在的问题设计了一种变轴距矿用突水应急排水车，解决了现场救援中水泵运输、倾斜巷道排水和对不同轨距轨道通行能力差的问题，提高了排水救援的效率。

通过仿真结果可知，当轴距为1130mm时，排水车在30°坡路上行和下行过程中左右驱动轮稳态扭矩大致相同；当轴距为1470mm时，排水车在30°坡路上行过程和下行过程左右履带驱动轮扭矩差值分别为2078N·m和1100N·m，是排水车最大输出扭矩11500N·m的18%；同时在水平路面和坡面的过度路段，驱动轮扭矩会非线性增加，最大为8673N·m，小于排水车理论最大输出扭矩。针对双边履带存在扭矩差的问题，在设计履带液压驱动系统时采用相互独立的设计方式，同时在坡度较大路面上爬行时可以将载荷偏置以减小左右履带扭矩差值以保证排水车的平稳正常运行。通对虚拟样机的动力学分析，为实车的功能实现和稳定运行提供科学依据。