作者：葛亮 劉林 張廣勛 蔣德獻 單位：中煤科工集團重慶研究院

清障機構(gòu)布置在車體最前端，由與車體連接的搖臂支架，翻斗搖臂（2只）、搖臂驅(qū)動缸（2只）、翻斗驅(qū)動缸（2只）和翻斗組成。搖臂支架通過焊接的方式固定在車身前鋼板下方，搖臂一端鉸接在搖臂支架上，另一端鉸接在翻斗外側(cè)的連接板上，搖臂驅(qū)動缸和翻斗驅(qū)動缸的缸體分別鉸接在搖臂支架和搖臂上，而活塞分別鉸接在翻斗搖臂和翻斗外側(cè)的連接板上。通過液壓缸活塞的伸縮完成工作裝置的舉升、下降和鏟斗的上、下翻轉(zhuǎn)，能對裝甲車在煤礦井下行駛途中的障礙物進行清除，進一步提高了其通行能力。機械手通過螺紋聯(lián)接方式（便于拆卸）將其支架安裝在車身一側(cè)下方的傾斜鋼板上，包括鉸接于裝甲車身的機械手后臂、鉸接于機械手后臂前端的機械手前臂和設(shè)置于機械手前臂前端與機械手前臂共同形成鉗狀手掌的手掌杠桿，結(jié)構(gòu)及布局如圖2所示。通過液壓傳動方式實現(xiàn)后臂、前臂沿車身寬度方向的伸展和收縮以及手掌杠桿的相對轉(zhuǎn)動，即完成從中繼站箱中抓取中繼站并釋放至沿途的巷道內(nèi)。機械手的配備可使裝甲車在煤礦井下的偵測過程中自動拋投無線通信移動中繼站，以實現(xiàn)遠距離的多參量信號、語音和圖像的無線傳輸功能，保障了數(shù)據(jù)的可靠性。另外，為防止鏟斗、車體與碎石、斷軌等碰撞而產(chǎn)生火花，可在其鋼制表面刷樹脂涂料或鍍銅、鋅等有色金屬。

動力源選型在動力源方面，已在煤礦井下廣泛使用的防爆柴油機，雖然動力強勁，但表面及排氣管路溫度過高，且缺氧狀態(tài)下動力難以保證。而鉛酸、鎳鎘和鎳氫電池在使用過程中均有氫氣釋放，不適用于災(zāi)變環(huán)境。而鋰電池具有能量、功率密度高，且體積小的特點，即將在煤礦井下大力推廣，可作為重點研究對象。本文針對鋰電池動力源進行機動性能參數(shù)的計算和樣機制作的可行性分析。

整車動力模型的建立要想使車輛行駛，必須對其施加一個驅(qū)動力以克服各種行駛阻力。驅(qū)動力Ft是由驅(qū)動裝置輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)傳動系統(tǒng)傳至驅(qū)動輪上得到的。行駛阻力主要包括滾動阻力Ff、空氣阻力Fw、坡度阻力Fi，如圖3所示。此時稱為車輛行駛的驅(qū)動條件，但它只是必要條件，只反映了車輛本身的行駛能力。如果驅(qū)動輪在路面上滑轉(zhuǎn)，則增大驅(qū)動力只會使驅(qū)動輪加速滑轉(zhuǎn)，地面切向反作用力并不會增加。這種現(xiàn)象表明，車輛行駛除受驅(qū)動條件制約外，還受輪胎與路面附著條件的限制。附著作用所能提供的地面對輪胎切向反作用力的極限值，稱為附著力，以Fφ表示，在硬路面上，它與驅(qū)動輪法向反作用力Fz成正比，即Fφ=Fzφ（2）式中φ———附著系數(shù)，由路面與輪胎決定。驅(qū)動力的發(fā)揮受到附著力的限制，實際發(fā)出的驅(qū)動力只能≤附著力，而不能＞附著力，否則將發(fā)生驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象，即需滿足Ft≤Fφ=Fzφ（3）這是車輛行駛的第2個條件—附著條件，它是車輛行駛的充分條件。加上前面所得到的必要條件，汽車行駛的充分必要條件，即驅(qū)動-附著條件可表示為Ff+Fw+Fi≤Ft≤Fzφ（4）根據(jù)上述車輛行駛的基本原理，以最大坡度爬行為臨界狀態(tài)，建立涉及驅(qū)動力和各類行駛阻力的整車動力模型。

動力計算偵測裝甲車爬坡狀態(tài)下的最高車速直接關(guān)系傳動系統(tǒng)的選型和動力源的功耗，綜合考慮現(xiàn)有井下偵測裝備的行走速度和災(zāi)變環(huán)境下行走速度緩慢的特點，設(shè)定最大爬坡狀態(tài)下的整車最高行駛速度為5km/h（1.39m/s）。根據(jù)膠輪車輛行駛的基本原理，以表1中的相關(guān)參數(shù)為依據(jù)，通過式（1）計算不同整車重量（2000~5000kg）、不同爬坡度（15～30°）條件下所需的最小牽引力。從不同行駛條件下的最小牽引力的值（10~40kN）可知，在車速一定時，整車重量和最大爬坡度參數(shù)對最小牽引力的影響很大，根據(jù)經(jīng)驗，煤礦井下巷道的坡度α不超過20°，則以20°坡為臨界狀態(tài)，以小型化為設(shè)計原則，并綜合各功能模塊的重量，取整車運行狀態(tài)下的總質(zhì)量為3000kg，最小牽引力Ft=18.37，根據(jù)式（2）計算出附著力Fφ=Fzφ=φGcosα=18.79kN（5）此時，滿足Ft＜Fφ的附著條件，車輛爬坡、越障時所需的功率Ne1=Ftv2=25.53kW（4）傳動系統(tǒng)的選型設(shè)計以鋰電池組作為動力源，通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)?80V交流電，分別帶動前后橋的驅(qū)動電機，兩電機分別通過對應(yīng)的錐齒輪減速器變速增矩，從而實現(xiàn)4輪全驅(qū)，提高了爬坡、越障的能力。同時，為了更好地適應(yīng)車輛在井下巷道狹小的空間內(nèi)轉(zhuǎn)彎，在2輪轉(zhuǎn)向另兩輪閉鎖，或4輪相向偏轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上，增設(shè)了4輪異向偏轉(zhuǎn)的功能，進一步縮小了轉(zhuǎn)彎半徑。

由于直流電機的效率較低，體積與重量較大，碳刷與整流子維護不便，進一步提高轉(zhuǎn)速困難。隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，交流電機的調(diào)速技術(shù)已經(jīng)成熟，最近的電動車均已開始采用交流電機，這些交流電機的效率較直流電機提高10%，且多在90%左右，而同一功率的重量還不到直流電機的一半，選用高效率交流電機，對目前蓄電池容量較小，行駛距離不夠的現(xiàn)狀尤為重要。以防爆性能強、低齒輪傳動比以及重量輕、體積小為原則，根據(jù)臨界狀態(tài)的功耗選取YB系列隔爆型三相異步電動機（160L-4），相關(guān)參數(shù)如表2所示，20°爬坡狀態(tài)下車輪的轉(zhuǎn)速由于裝甲車滿載時對應(yīng)轉(zhuǎn)速n2≈1470r/min，因此4級錐齒輪減速器的傳動比i=n2/n1=33。由于工作狀態(tài)下車速要求較低，且調(diào)速范圍小，因此為了使整體結(jié)構(gòu)緊湊，更輕量化，不增設(shè)其他擋位，由電機反轉(zhuǎn)驅(qū)使車輛退出巷道。單臺交流電機額定功率Pe＝15kW，單級齒輪傳動效率η1＝98%，計算輸出至驅(qū)動輪的額定扭矩而在爬坡、越障時所需的實際轉(zhuǎn)矩因為Tr>Trs，所以該電機能夠輸出足夠的轉(zhuǎn)矩以滿足動力要求。

確定清障機構(gòu)系統(tǒng)工作壓力應(yīng)首先考慮整機成本，以不超過9.5~10.3MPa為宜，這樣可以選擇價格合理的液壓元件。根據(jù)小型輪式挖掘機的作業(yè)性能和作業(yè)速度，按單一動作和復(fù)合動作確定流量。對于斗容量為0.15~0.2m3的挖掘或鏟障機構(gòu)，選擇液壓泵的流量為66~74L/min。小型清障機構(gòu)多采用單泵定量系統(tǒng)，通過變頻調(diào)速原理改變驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)液壓泵的調(diào)速，改變工作機構(gòu)的速度。驅(qū)動電機在高速時清障作業(yè)，在低速時工作裝置左右回轉(zhuǎn)作業(yè)。在低速工作時，驅(qū)動電機仍有足夠的輸出扭矩和功率，驅(qū)動回轉(zhuǎn)工作機構(gòu)動作。清障機構(gòu)的液壓泵驅(qū)動電機功率應(yīng)滿足清障機構(gòu)工作的動力需要，經(jīng)上述計算可得Ny＜Pe，為了避免增加電池的容量，并使整車輕量化，液壓泵的驅(qū)動電機仍可采用前橋驅(qū)動電機，而機械手的液壓泵驅(qū)動電機由于動力較低，后橋驅(qū)動電機完全可滿足要求，那么環(huán)境參數(shù)偵測的過程中，清障和中繼站的自動拋投需在裝甲車靜止?fàn)顟B(tài)下進行，設(shè)計方案是可行的。