摘要：随着高产高效矿井综采技术的快速发展，支架搬运车作为综采工作面搬家倒面设备，可以在较短的时间内将液压支架搬到新的连采工作面或地面上，不仅节省了大量的人力、物力、财力，而且大大缩短了设备搬家停产的时间，满足了高产高效现代化矿井的使用要求。
关键词：支架搬运车；行走液压系统；缓冲装置；重载下坡；
支架搬运车液压驱动系统的工作原理，通过分析该车的闭式静液压驱动系统，结合使用中出现的问题，应用液驱混合动力技术对液压驱动系统进行改进的设计研究，解决了车辆控制系统发热量大、轮胎磨损严重的问题，整车的使用性能和安全性得到进一步提高。
一、液压驱动系统存在问题
支架搬运车自身重量和负载大，煤矿井下工况恶劣，车辆速度变化频繁，在煤矿井下巷道行驶时，车辆需要频繁加速与减速制动，系统压力变化大，对各个液压元件冲击也大，影响了液压元件使用寿命，某型支架搬运车在恶劣工况下使用引起液压闭式泵的损坏，其补油泵为内粘合齿轮泵，齿轮出现断裂。补油泵损坏直接导致系统压力不够，影响车辆正常使用。另外，车辆在重载下坡时，车辆中心前移，后机架后面两个车轮附着力减小，前两个车轮由于惯性驱动马达转动，使液压马达转变为液压泵工况工作，此时，车辆处在减速制动工况，发动机停止工作，液压泵停止供能，转变为泵工况的液压马达驱动后面两个变量马达向相反方向转动，造成后面两个轮胎倒转，引起轮胎磨损。轮胎倒转加剧了轮胎的磨损，影响了轮胎的使用寿命。
二、支架搬运车重载下坡车速不稳定原因分析
1.支架搬运车负载特性。支架搬运车的液压驱动系统采用液控DA变量泵－HA变量马达的容积调速回路，液压泵输出的流量驱动马达旋转运动，经由减速器变矩后，驱动轮胎行走。支架搬运车行驶过程中所受的阻力有滚动摩擦阻力、加速阻力和爬坡时的坡道阻力，行走液压系统利用马达提供的牵引力克服这些阻力后，为支架搬运车提供行驶驱动力。支架搬运车行驶时的受力方程为：
Ft=Ff+Fp+Fm（1）
式中，Ft、Ff、Fp、Fm分别为支架搬运车驱动力、行驶摩擦阻力、坡道阻力和加速阻力，N。支架搬运车负载特性包括马达的转矩特性和转速特性。马达的转矩特性可以表示为：
（2）
式中，Mm为马达输出转矩，N·m；rd为轮胎承载半径，m；n为驱动轮胎数量；id为减速机传动比；Δpm为马达进出口压差，105Pa；qm为马达的排量，m3/r；ηmm为减速机机械效率。马达的转速特性可以表示为：
（3）
式中，Nm为马达转速，r/min；Qam为马达流量，m3/min；ηvm为马达的容积效率；Qap为泵的流量，m3/min；qp为泵的排量，m3/r；n p为发动机的转速，r/min；ηvp为泵的容积效率。
2.支架搬运车速度不稳定原因分析。车辆在重载下坡时，车辆处在减速制动工况，发动机停止工作，液压泵停止供能，由于车辆的惯性，此时双向变量马达的旋转方向不变，负载力矩驱动变量马达，使液压马达转变为液压泵工况工作，将车辆的惯性能转变为液压油的压力能，这部分高压油反作用到液压泵，液压泵转变为液压马达工况，最后将这部分能量加载到发动机上，如果系统压力足够大超过了发动机的制动扭矩，发动机转速会加快，导致车辆在重载下坡时出现速度不稳定的问题。由支架搬运车负载特性可以得出：（1）车辆下坡时出现忽快忽慢速度不稳定问题，与车辆转速特性有关，车速的变化主要由np和qm决定，马达控制方式是与高压有关的自动控制方式，排量的设定值随工作压力的变化而自动控制，在下坡时负载是基本不变，即系统工作压力保持稳定不变，排量不变，而车辆在下坡时，行走液压系统中原低压侧变为高压侧，负载通过液压系统反馈给发动机，引起了发动机转速变化，进而导致了泵转速发生变化，引起了车速的不稳定。（2）驱动轮力矩平衡方程为：Mm=F×Ｒ，F为车轮牵引力，Ｒ为车轮半径，车辆后轮出现倒转，结合式（1）、（2），说明马达输出扭矩相反，牵引力向相反的方向输出，引起了车轮倒转。马达扭矩反转说明系统输出压力方向发生反转，由原来的低压侧变成高压侧，导致输出扭矩发生变化，加上车辆下坡时重心前移，后轮附着力不足，相反方向的牵引力大于轮胎附着力，车轮发生倒转。为了解决这两个问题，需要在车辆行走液压系统中设计并安装液压缓冲装置。
三、支架搬运车液压驱动系统的改进设计
液驱混合动力技术是基于二次调节静液压传动技术而形成的一种新型混合动力系统。系统运用液压泵（马达）可工作在四象限的特点，以液压蓄能器作为可逆储能元件，回收制动时以热的形式逸散的能量并进行再利用。一般将其用于给车辆启动和加速过程中提供辅助功率，从而减小发动机的装机功率，降低油耗和排放，延长制动系统元部件的服务寿命。总质量为m的支架搬运车制动时，车速从v1减至v2，其动能变化量ΔE，可以用下式表示：
液驱混合动力技术具有功率密度大、能量释放响应快和存储能力强，结构紧凑更适合对安装空间受局限的场合，液压泵（马达）的输出扭矩大很容易实现正反装，可以有效防止发动机超负荷运转，在工程机械和特种车辆的驱动系统中显示出较强的实用性。按照动力连接方式的不同，液驱混合动力车辆可以分为并联式、串联式和混联式及轮边式混合动力车辆四种形式，结合支架搬运车的性能特点和使用条件，改进后的车辆驱动系统采用串联式液驱混合动力技术。该系统的主要组成部分可分为：（1）可逆式液压马达\液压泵，产生制动或驱动转矩用以驱动车辆行驶；（2）高压蓄能器，利用其功率密度大的特点，作为回收储存能量装置用于蓄积制动能量；（3）发动机，系统的恒压动力源。车辆在不同的运行状态时，其能量回收系统相应的工作情况可分为：①启动阶段：驾驶员进行起动操作时，开关阀打开，压力油从蓄能器中输出，驱动液压马达。即使发动机节气门开度很小，也可使车辆平稳动；②加速阶段：液压马达工作，对发动机的输出转矩起助力作用。即车辆加速时的能源不仅来自发动机，而且来自液压马达；③正常运行阶段：此时仅由发动机提供车辆驱动力源；④制动阶段：在非紧急制动的情况下，踩下制动踏板，起初车辆在惯性的作用下保持液压马达的运动方向不发生改变，而后很快负载力矩就会驱动液压马达使其工况发生逆转，由马达工况转变为液压泵将车辆巨大的惯性能转变为液压能，这些具有较大压力能的液压油液就会被收集并储存在高压蓄能器内。此时若蓄能器内的压力油p1与蓄能器设定的许可最高压力pmax在支架车停车之前满足p1≤pmax，其中最高工作压力由溢流阀设定，则意味着减速制动过程结束。反之如果蓄能器内的压力油p1=pmax而制动过程却尚未结束，变量马达仍然处于工作状态，此时液压系统内的主油路压力会一直处于上升状态直到压力足以打开主回路中溢流阀，依靠溢流阀的调定压力所产生的阻力矩完成减速制动。
总之，支架搬运车液压驱动系统的研究，重点分析了支架搬运车下坡时制动工况下行走系统的能量变化过程及车辆所存在的问题，并提出了具体的改进方案，即将串联式液驱混合动力技术应用到支架搬运车上，通过理论分析研究和实际应用验证相结合的方法，我们得出如下结论：改进后的液压驱动系统具有能量回收功能，其结构简单相应的控制策略也较为简便，便于实现能量再生。该系统改善了现有支架搬运车由于后轮倒转导致轮胎磨损的问题，整车的使用性能和安全性进一步提高；改进后的液压系统应用液驱混合动力技术减少了能量损耗，降低了控制系统的发热量，达到了节能的效果。
参考文献：
［1］雷明月．浅谈支架搬运车的设计分析与改进.2017.
［2］张大萍．刘红，探讨支架搬运车的设计分析与改进.2017.
论文作者:李艳华
论文发表刊物:《电力设备》2018年第34期
论文发表时间:2019/5/20
标签：马达论文; 搬运车论文; 支架论文; 液压论文; 车辆论文; 液压泵论文; 工况论文; 《电力设备》2018年第34期论文;