大坡度支架搬运车的技术研究与试验

贾丰华，章 峰，邓宝平

(国能神东煤炭集团有限责任公司，陕西 榆林 719315)

0 引言

宁夏煤业有限责任公司部分矿井综采工作面安装回撤通道坡道达到±20°及以上，长度约300 m，由于坡度太大且工况复杂，支架的安装回撤无法使用铰接式支架搬运车来运输，以往采用先在坡道前后使用搬运车来搬运支架，坡道上使用矿用绞车将支架逐台拖运，由于支架周转流程和周转时间长，支架的安装回撤管理环节繁琐、工作效率较低，且存在较大安全隐患，严重制约综采工作面安装回撤的安全高效发展，因此，解决60 t支架搬运车在20°坡道运输难题以提高宁夏煤业有限责任公司综采工作面运输效率及运输安全性迫在眉睫。

针对上述宁夏煤业有限责任公司煤矿井下±20°坡道支架运输的技术难题，本项目结合大坡度液压支架的运输和整体框架式支架搬运车的技术特点，以安全、高效为目标，以航天重工研制的60 t支架搬运车为研究对象，通过加装智能化重心转移装置，并加装MH型深沟槽宽体轮胎，达到整车在20°爬坡工况6轮承载均衡，上坡具有足够的驱动力矩，并加装无线遥控模块，提升整车性能，可有效解决宁夏煤业有限责任公司煤矿井下±20°坡道支架运输的技术难题。

1 60 t支架搬运车方案简介

60 t支架搬运车采用整体框架式设计，二维布置图如图1所示，三维效果如图2所示。以防爆柴油机作为动力源，闭式驱动系统泵、马达和减速机配合提供驱动力，机械与液压复合联动实现前后轴八字转向，整车采用了整体框架结构、液压独立悬架、前后轴八字转向、防爆动力和防发动机超速等关键技术，并在车架内档的前部预留加装液压绞车安装位。

图1 二维布置

图2 三维效果

60 t支架搬运车整车空载质量设计32.5 t，额定载重60 t，整车技术参数见表1。

表1 60 t支架搬运车整车主要技术参数

2 大坡度支架搬运车设计问题

2.1 满载最大爬坡计算

车辆在马达与液压泵选定的情况下进行车辆最大爬坡度计算，由液压马达扭矩计算公式

(1)

式中，Mg为马达扭矩，N·m；ηmh为马达机械效率×减速机机械效率，94%×96%=90.24%；ΔP为工作压差，37 MPa；Vg为马达等效排量，170×35.4=6 108.48 mL/r。

由计算可知，单个液压马达驱动扭矩Mg=32 477 N·m，6个车轮总驱动扭矩为194 861.3 N·m。车辆最大爬坡时，车辆最大驱动力应该等于行驶阻力，在坡度α上的行驶阻力Fa=Gsinα+μGcosα，由公式6Mg/R=Fa，可以得到：α=22.1°。

2.2 满载坡道轴核计算

WC60Y(B)支架搬运车在满载爬坡过程中，由于采用的是链条提升液压支架方式，上坡过程中存在支架后摆现象，造成整车质心改变，加之坡道重心转移，会导致前后轴轮胎承载不均衡，整车上坡轮胎附着力不足而打滑，因此需对整车坡道运行轴核进行计算。

2.2.1 满载坡道轴核分布

WC60Y(B)支架搬运车空载质量32.49 t，满载质量为92.49 t，满载爬坡各轴轴载见表2。

表2 不同工况轴载值

2.2.2 满载实际轴核爬坡打滑校核

单个液压马达驱动扭矩Mg=913.4 N·m，单个车轮驱动力计算可知，为59 794 N，单个车轮的轮载为11.016 t，单轮附着力为对轮载荷驱动扭矩进行计算，可知，在20°坡道上，单轮附着力为53 978.4 N<59 794 N(单轮驱动力)，轮胎打滑，因此需对重心位置进行调整，以避免轮胎打滑。

若基于整车防滑控制，以单轮最小附着力为驱动力进行校核，整车驱动力为323 870.4 N，通过计算，整车爬坡度19.5°，无法满足整车爬坡20°要求。

2.2.3 下坡制动稳定性校核

60 t支架搬运车下坡过程中，由于坡度较大，具有后轮翘起风险，空载质量32.49 t，满载质量为92.49 t，下坡制动计算见表3。

由表3计算可知，空载20°下坡0.3 g制动，后轮轴载1.66 t，单轮轮载0.83 t，大于三轴簧下质量1.24 t，后轮存在翘起风险，而非制动状态，后轮单轮承载1.9 t>簧下质量1.24 t，因此空载20°下坡需采取缓慢匀速行驶；满载下坡0.3 g制动，后轮轴载5.9 t，单轮轮载2.9 t，而前轮单胎承载达到40.4 t，超过轮胎的静态承载35 t。

表3 下坡制动轴载计算

同时，整车满载下坡制动瞬间，载运的支架出现晃动，影响整车下坡制动的稳定性。

2.3 试验小结

通过最大爬坡度计算可知，WC60Y(B)支架搬运车具有20°坡道运行的能力，最大爬坡度可达到22.1°；通过整车坡道轴核及打滑校核计算可知，整车大坡度运行，单轮轮载降低导致附着力不足，会出现打滑或驱动力不足现象，最大爬坡度仅为19.5°，无法满足整车爬坡20°要求，且下坡过程中载荷转移大，支架晃动会导致下坡稳定性较差。

3 解决方案

为了解决大坡度支架车相关技术难题，重工公司项目研发团队锐意进取、大胆创新，进行智能化重心转移装置方案、智能控制方案、无线遥控方案等一系列技术攻关。

3.1 智能化重心转移装置方案

智能化重心转移装置主要由液压绞车(附带钢丝绳和钩子)、液压系统和电气系统组成，主要作用是通过调整液压支架质心来改变整车满载质心位置，达到整车满载爬坡过程中6轮承载均衡，避免轮胎打滑和驱动力不足。

将液压绞车安装在车架前侧底部，将设置在液压绞车上的钢丝绳和钩子挂在液压支架的推移杆轴销上，通过液压绞车牵引，迫使液压支架与车架产生相对位移，从而改变整车满载质心位置，下坡时使用后牵引链限制支架摆动，使满载下坡具有较好的稳定性，如图3所示。

图3 液压绞车安装

选择越野实心轮胎，抓地力足够强。为确保支架搬运车满载大坡度工况可靠运行，整车在上坡过程中不打滑，选用MH型深沟槽宽体防滑实心轮胎，根据轮胎的车速及承载能力，轮胎型号为：45×20.5-25，轮辋型号：17-25，如图4所示，参数见表4。

图4 后牵引链限位示意

表4 实心胎参数

同时，改善坡道路面条件，增大附着系数，通过技术沟通，宁夏煤业有限责任公司井下±20°坡路面为水泥路面或岩层，为了增大轮胎与路面的摩擦力，需在上坡路面进行粗糙化处理，例如增加横向沟壑路纹等，确保整车上坡过程中轮胎不打滑。

3.2 智能控制方案

支架搬运车液压绞车牵引支架，改变满载质心位置，从而达到整车上坡过程中6轮承载均衡，而整车运行坡道角度不同，支架牵引距离有一定差异，且整车运行环境恶劣，无法采取手动模式进行设置，因此，特提出基于悬架油缸压力的整车质心判断方法，并且通过控制液压绞车等执行机构自动调整支架质心位置，达到整车在不同坡度工况，6轮适中承载均衡。

整车质心判断系统由整车控制系统来完成，由整车控制系统的信号采集模块采集左前、右前、左后、右后悬架油缸压力值以及车辆X轴和Y轴倾斜角度值，4个悬架油缸压力值可以实现对整车前后车轮载重状态的判断，车辆倾斜角度可以实现车辆路面上下坡和平路状态的判断。

整车控制系统采集相关信号后，由信号处理模块通过质心判断算法模型进行整车质心位置计算。该算法主要通过各悬挂油缸的压力差值作为判断条件。

首先进行车辆横向方向的压力差值判断，左前悬挂油缸压力和右前悬挂油缸压力值差反映车辆前端悬挂油缸的横向偏载状态；左后悬挂油缸压力和右后悬挂油缸压力之差反映车辆后端两悬挂油缸之间横向偏载状态；然后进行车辆纵向方向的压力差值判断，左前和左后悬挂油缸压力值差反映车辆左侧悬挂油缸纵向偏载状态，右前和右后悬挂油缸压力值差反映车辆右侧悬挂油缸纵向偏载状态。通过2组对比后，根据车辆的横向纵向偏载状态可以确定车辆质心位置。而通过车辆的横向纵向倾斜角度可以对质心位置进行一个系数修正。质心判断结果如图5所示。

图5 质心判断

当判断出车辆的质心位置状态后，通过电磁阀控制液压绞车来调整支架质心，让车辆质心尽量处于图5的第8个菱形区域内。调整方法是当车辆爬坡角度增大时，电磁阀控制绞车动作，将液压支架向前牵引，迫使整车质心前移，车辆爬坡角度较小时，电磁阀控制绞车动作，液压支架在重力分力的作用下向后移动，整车质心后移。运行过程中实时调整液压校核状态，通过调整支架重心促使整车的质心位于整车的菱形安全区域，从而确保整车在不同坡道工况下，整车6轮承载均衡。

3.3 无线遥控方案

支架搬运车在大坡度运行过程中，由于煤矿井下工况复杂，且大坡度运行具有一定的风险，因此，本项目拟增设整车无线遥控模块，整车在大坡度运行过程中，确保人员和设备的安全，同时满足市场个性化需求，提升产品性能。

无线遥控系统采用模块化设计，无线遥控模块独立于整车控制系统，与整车控制系统之间通过CAN总线通讯方式进行数据交互，与WC60Y(B)支架搬运车中预留的通讯接口对接通信。

该系统由无线遥控发送器和接收器2部分组成。发送器主要负责采集无线遥控器驾驶人员控制指令，并通过无线传输模式实时传至接收器。接收器在接收控制指令后通过CAN总线发送至整车控制器VCU。由VCU输出控制相应的执行部件，完成整车动作。

支架搬运车配置无线遥控系统后，通过控制权开关可以选择有人驾驶模式和无人驾驶模式。选择有人驾驶模式时，整车控制系统不响应无线遥控发送机发出的控制指令，整车操作由操作人员在驾驶室完成；选择无人驾驶模式时，可以通过无线遥控发送器发送控制指令，可以实现车辆的前进/后退行走制动，左右转向、驻车、急停以及手动重心调整等。无线遥控系统组成框图如图6所示。

图6 无线遥控系统组成框图

4 试验验证

为了验证航天重工公司研发的大坡度支架搬运车在满载状态下能否顺利进行大坡度行驶，2021年7月27日上午，应国家能源集团宁夏煤业集团要求，重工公司自主研发的大坡度60 t整体框架式支架搬运车(简称支架车)满载53 t支架，通过远程遥控无人驾驶技术，一次成功爬上40%坡道(21.8°坡)，打破由自己创造的30%坡道(16.7°坡道)国内行业最高坡道爬坡能力记录。不仅如此，该车辆还从40%坡道顶端一次成功开回山底，开创了国内这项技术的先河。图7为大坡度试验过程中的现场图片。

图7 大坡度试验现场

5 结论

以航天重工研制的60 t支架搬运车为试验对象，分析其爬大坡度坡所遇到的问题，最终运用多技术手段，解决大坡度工况下车辆行驶稳定性不足、人员驾驶安全性难以保障等问题，成功实现上坡下坡，试验相关技术手段对行业内大坡度车辆设计具有指导作用。