WC55Y框架式支架搬运车行走系统的设计

陈思远

（国家能源集团宁夏煤业有限责任公司， 宁夏 银川 750000）

引言

框架式支架搬运车是一种以防爆柴油机为动力，通过静液压驱动的大型辅助运输车辆，主要用于煤矿综采工作面液压支架安装、倒面和撤除工作。框架式支架搬运车相对于铲板式支架搬运车，由于采用U型框架式搬运方式，无需额外配重，载荷自重比大；由于采用静液压驱动，其低速时传动效率远高于液力驱动。随着煤炭开采技术的发展，部分大矿工作面综采设备总重量已过万吨，单个液压支架重量超过50 t。为了适应煤层走向，巷道设计坡度也呈逐渐增大的趋势，比如黄玉川矿局部坡度超过16°，因此对支架搬运车运载重量和爬坡能力都提出更高的要求。本文对额定载重55 t，爬坡度为16°的框架式支架搬运车行走液压系统的设计方法展开分析。

1 行走系统方案的选择

框架式支架搬运车运输过程属于低速重载工况，尤其是爬大坡时，需要足够的牵引力输出，要求行走系统不仅吸收功率足够大，还要有足够高的总传动效率。静液压驱动系统能够有效低吸收柴油机功率，将其转换成行走马达的扭矩输出，低速时转换效率仍处于较高水平。

静液压驱动系统的实现，按照行走马达工作转速和扭矩的不同可以分为两种，一种是采用高速小扭矩马达的高速方案，另外一种是采用低速大扭矩马达的低速方案。高速方案由于采用HA控制的高速变量马达，其排量随闭式回路高压自动调节，配合DA控制的变量泵可以实现行走液压系统的无级变速。高速方案的不足是，对于重载下坡的工况，基于HA控制的马达变为泵工况时不能提供足够的液压反式制动，必须用工作制动控制车速，严重影响了制动器的可靠性和使用寿命。低速方案采用双排量低速大扭矩马达，车速调节是通过切换马达的排量和改变自由轮数量来实现的。低速方案的不足在于其马达效率略低于高速马达，其优势在于重载下坡通过切换至大排量全轮驱动能够有效地实现液压反式制动，因此国外厂家均采用低速方案。

本系统采用低速方案，两个闭式泵通过柔性连接盘直接串在柴油机上，行走马达采用4个双排量马达和2个单排量马达，均为低速大扭矩马达。闭式回路左右侧完全一样，其左侧回路原理如图1所示[1-2]。

图1 左侧行走液压系统原理图

2 柴油机动力的匹配

柴油机选型时，可以根据车辆行驶的牵引特性需求进行初选。框架式支架搬运车作为辅助运输车辆，车辆满载爬坡时消耗柴油机功率最大，可按照此时的功率消耗选择柴油机功率。通常行走时消耗功率的元件包括柱塞泵、补油泵、负荷传感泵、冷却泵、发电机、空压机。

最大坡度爬坡时的速度一般在0.5～0.6 m/s，此时空气阻力和加速阻力可忽略，其行驶方程可以用下式表示：

式中：Ft为整车牵引力；m为整车满载质量，79 000 kg；g为重力加速度，取9.81 m/s2；f为滚动阻力系数，实心轮胎硬化路面，取0.04；α为爬坡度，不得小于14°，此处取16°。

整车坡道阻力表图1所示[3]：

表1 整车坡道阻力表

柱塞泵的输入功率可用下式表示：

式中：λ为柴油机功率储备系数，取1.1；η为整车传动总效率，使用低速马达，取0.75；v为最大坡度时的车速，取 0.55 m/s。

柴油机总功率需求可以用下式表示：

发电机和空压机按制造商提供的输入功率直接带入上式即可，补油泵、负荷传感泵和冷却泵的输入功率可用下式计算：

式中：Vp为泵的排量，mL，；n为柴油机额定转速，一般为2 200 r/min；Δp为工作压差，开式系统即工作压力，MPa，负荷传感泵按其设定的待命压力计算，冷却泵的工作压力与散热器内部结构有关，可按0.5 MPa估算；η为泵的总效率，补油泵取0.85，负荷敏感泵取0.9，冷却泵取0.8。

经计算柴油机总功率需求为P=219.6 kW，所以初选防爆后净功率为240 kW的CKS6114型柴油机，这样，除去辅助功率消耗后，用于行走系统的功率为210 kW。

3 闭式泵和行走马达以及行走的分流控制

目前波克兰公司生产的MS系列马达和力士乐公司生产的A4VG新系列闭式泵工作压力均达到了45 MPa，系统压差最高可以做到42 MPa，而且其排量型谱都比较齐全，这给选型带来了方便。

在采用静液压传动容积调速行走系统的设计中，可以先根据整车牵引力要求选择合适排量的马达。马达的输出扭矩取决于马达的排量和工作压差，行走马达的总排量可用下式表示：

式中：ηm为马达的机械效率；rd为轮胎运动半径；Ft为整车牵引力；Δp为马达工作压差，即系统压差。

通常，马达牵引力的选择可通过表2进行粗选，然后按照产品样本选择就近排量型谱的马达[4]。

表2 马达排量-牵引力对照简表

对于具有重载低速爬坡工况的车辆，系统中必须设置马达流量分配阀，当遇到个别车轮打滑无法行走时，切换至强制分流状态将打滑的车轮对应的马达进行差速锁定。所以，马达的总排量确定后，需根据6个驱动轮选定的马达排量和轮胎运动半径选择流量分配阀的分流比，使得每个驱动轮的线速度保持一致。分流阀原理简图如下页图2所示：

图2 分流阀液压原理简图

4 结语

WC55Y框架式支架搬运车装配落地后，通过厂内基本参数测试，行走系统参数均达到设计指标，型式试验可靠，其爬坡能力大、速度快、传动效率高，特别适宜大型液压支架大坡道搬家倒面作业，是目前国内框架式搬运车行走系统非常有效的解决方案。