地下电动铲运机动力传动机构优化分析

石军辉

【摘 要】经济在快速的发展，社会在不断的进步，我国的综合国力在不断的增强，地下无轨设备是衡量一个国家工业化程度的重要标志，而铲运机作为地下无轨设备的代表，在工程作业中发挥着不可或缺的作用。我国现阶段的铲运机设计水平，尤其是电动铲运机设计水平较之国外水平有较大的差距。其中系统的设计计效率低，主要靠经验选型，不易获得各项指标都较满意的设计方案动力传动，不仅设而且对于样机的依赖性较强，难于创新。将计算机模拟法引入铲运机设计过程中可以有效提高动力传动系统的匹配。本文以铲运机动力、经济性为核心，采用线性加权法，引入模糊优化算法，研究动力传动系统的匹配问题，并对优化前后结果进行讨论。

【关键词】电动铲运机;动力传动系统;模糊优化

引言

20世纪60年代以来，世界采矿业的国际竞争口益加剧，各发达国家纷纷将先进的露天矿开采技术运用到地下矿生产中，使地下矿劳动生产率成倍甚至十几倍地提高，矿石成本大幅度下降。从而出现了所谓“地下露天矿”。其特点主要表现在：地下开拓运输为地下公路;地下采矿方法为大孔和深孔凿岩;地下采掘设备为无轨化、液压化、节能化和自动化。铲运机就是在这种背景下，由露天式前端式装载机演变发展起来的一种高效地下无轨装运设备。在地下矿山的苟刻作业环境中，由于铲运机具有高效、灵活、机动、多用和生产费用低等突出优点，随着无轨化采矿技术的推广，得到了广泛的应用。但是当时的铲运机几乎都是柴油机驱动的内燃铲运机，与以往的有轨或轮胎式装运机械相比，虽然具有了无可置疑的优越性，但柴油机所排出的废气、烟雾、热辐射以及噪声却严重的污染了地下矿山的作业环境。为此，需要采用低污染柴油机并在发动机上设置安装柴油机尾气净化装置，采用贵金属催化器、洗涤水箱来减少废气排放，但同时增加了设备投资和维护费用;另外，还需增加通风设施，加大地下通风量来稀释发动机尾气，并将其排出坑外，使其作业环境达到合乎卫生标准的作业条件，从而使矿山通风费用几乎成倍增加。计算表明，如果采用电动铲运机取代所用的全部内燃机，则所需通风量可减少一半以上。

1地下铲运机动力传动系统方案设计

WJ—2E型地下铲运机采用液力机械传动，其主要组成是发动机、液力变矩器、手动变速箱，传动轴、驱动桥等。发动机和双变（液力变矩器和变速箱）是液力机械传动系统的核心部分。要实现地下铲运机的遥控化，首先要实现地下铲运机动力传动系统的电控化，要实现地下铲运机动力传动系统的电控化主要是实现发动机的电控化和变速系统的自动化，常见的自动变速系统主要有AT，AMT，CVT三种形式。AT（automatictransmission）自动变速器，又称自动换档器。该变速器由液力变矩器、齿轮变速箱、电子控制单元组成，它仍然分多档，实际上是能实现局部无级变速的有级变速器。AT自动变速系统的优点很明显，由于其不用离合器换档，免除了手动变速器繁杂的换档和脚踩离合器踏板的频繁操作;通过脚踩油门踏板，便可巧妙地实现自动变速，使开车变得简单、省力;这种自动变速器的电子控制单元使得自动切换速度柔和、平稳，所以乘坐与驾驶都感觉很舒适。但缺点也比较明显，由于采用了液力机械传动，对速度变化反应较慢，灵敏度较低。AMT（AutomatedMechanicalTransmission）机械式自动变速器，AMT自动变速系统是在传统的齿轮变速箱和干式离合器的基础上，配以电子控制单元（ECU），通过电动、液压或气动执行机构对换档机构、离合器、节气门进行操纵，来实现起步和换档的自动操作。由于齿轮传动具有的传动效率高、机构紧凑等优点，同时采用电子控制单元使控制精度大大提高，因此有较强的可靠性和适应性，但这种控制方式有一定的顿挫感。

2电动铲运机动力传动系统合理匹配研究

2.1车辆的最高车速

我国所指的最高车速是指在良好的路面（混凝土或沥青）上车辆能达到的最高行驶车速。而装有液力变矩器的电动铲运机的动力性则与液力变矩器的有效直径D的大小有密切的关系。当有效直径D值减小时，泵轮的转矩曲线将变的更平缓一些。因此，可以由泵轮转矩曲线与电动机转矩曲线的交点决定它们的共同工作点。虽然最高车速是衡量车辆动力性的指标之一，但它仅能反映车辆在极限状态时的能力，并不反映实际行驶的平均速度，只有与其他指标相结合才能更好的表现车辆的动力性能。目前，我国重载车辆的最高车速为80}-120km/h。而由于铲运机等工程车辆对车辆的最高车速要求并不是很高，因此，目前对铲运机的最高车速并没有明确的规定。

2.2发动机的电控化

电控单元（ECU）通过安装在发动机端的各种传感器监测发动机运行的相关参数，根据这些参数，电控单元通过控制一个可旋转的电磁线圈来控制尺条，从而达到根据发动机的工况来调整供油量的目的。通过尺条位置传感器测量尺条实际行程并反馈给电控单元，电磁线圈与尺条位置传感器共同组成了“尺条控制器”。当点火开关关闭时，电控单元也同时断电。断电以后尺条被尺条控制器中的弹簧压回到停车位置，同时停机电磁阀（单独安装）在断电后也能将尺条压回停车位置，起安全保护作用。

2.3铲运机各工况对动力传动系统要求

以上总结了传统车辆的动力性、经济性评价指标。但是由于铲运机的工作环境大大有别与传统车辆的工况，因此，对传统车辆的动力传动系统评价指标已经不能适合作为铲运机动力传动系统的评价指标。铲运机的工作过程主要有以下几个工况组成：1）插入工况：动臂下放，铲斗放置于地面，斗尖触地，斗底板与地面呈3一5倾角，开动地下铲运机，铲斗借助机器的牵引力插入料堆。2）铲装工况：铲斗插入料堆后，转动铲斗铲取物料，待铲斗口翻至近似水平位置为止。3）重载运输工况：铲斗铲装满物料后举升动臂，将铲斗举升至运输位置，然后驱动机器驶向卸载点。4）卸载工况：在卸载点，举升动臂至卸载位置翻转铲斗倾斜物料。5）空载运输工况：卸载结束后，铲运机由卸载位置返回装载点。地下铲运机就是在这几种工况下往复循环作业。其中，最为重要的就是铲装工况和重载运输工况。从实际工况需要出发，铲运机更为关注的是动力源发出的铲因能量有多少转化为铲运机的有用功，从而提高铲运机的工作效率。相对而言，运机对于其它一些指标，如最大车速、最短加速时间等参数要求并不是很高。此，正是由于铲运机的工况要求决定了传统车辆的动力传动系统评价标准已经不适合于地下铲运机。为此，必须寻找适合于地下铲运机动力传动系统匹配评价指标。

结语

在总结前面工作的基础上，采用线性加权法，以电动铲运机的动力性和经济性能的平衡作为建立动力传动系统匹配模型的目标，建立起了电动铲运机动力传动系统合理匹配的目标函数。然后根据铲运机行驶的边界条件和性能条件建立了铲运机的常规约束条件，以保证铲运机的性能要求。然而，考虑到常规约束只是对车辆的极限条件下进行了约束，不能准确反映实际运行工况，因此建立了铲运机的模糊约束条件。為准确的求得优化解打下了基础。最后，文章借助MATLAB软件的遗传算法工具箱对前面建立的铲运机动力传动系统匹配模型进行优化求解，最终找到了电动模式下传动系统的最优参数。

参考文献：

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（作者单位：五矿邯邢矿业有限公司北洺河铁矿）