2021-4-9 | 无线通信论文
作者：葛亮 刘林 张广勋 蒋德献 单位：中煤科工集团重庆研究院
清障机构布置在车体最前端，由与车体连接的摇臂支架，翻斗摇臂（2只）、摇臂驱动缸（2只）、翻斗驱动缸（2只）和翻斗组成。摇臂支架通过焊接的方式固定在车身前钢板下方，摇臂一端铰接在摇臂支架上，另一端铰接在翻斗外侧的连接板上，摇臂驱动缸和翻斗驱动缸的缸体分别铰接在摇臂支架和摇臂上，而活塞分别铰接在翻斗摇臂和翻斗外侧的连接板上。通过液压缸活塞的伸缩完成工作装置的举升、下降和铲斗的上、下翻转，能对装甲车在煤矿井下行驶途中的障碍物进行清除，进一步提高了其通行能力。机械手通过螺纹联接方式（便于拆卸）将其支架安装在车身一侧下方的倾斜钢板上，包括铰接于装甲车身的机械手后臂、铰接于机械手后臂前端的机械手前臂和设置于机械手前臂前端与机械手前臂共同形成钳状手掌的手掌杠杆，结构及布局如图2所示。通过液压传动方式实现后臂、前臂沿车身宽度方向的伸展和收缩以及手掌杠杆的相对转动，即完成从中继站箱中抓取中继站并释放至沿途的巷道内。机械手的配备可使装甲车在煤矿井下的侦测过程中自动抛投无线通信移动中继站，以实现远距离的多参量信号、语音和图像的无线传输功能，保障了数据的可靠性。另外，为防止铲斗、车体与碎石、断轨等碰撞而产生火花，可在其钢制表面刷树脂涂料或镀铜、锌等有色金属。
动力源选型在动力源方面，已在煤矿井下广泛使用的防爆柴油机，虽然动力强劲，但表面及排气管路温度过高，且缺氧状态下动力难以保证。而铅酸、镍镉和镍氢电池在使用过程中均有氢气释放，不适用于灾变环境。而锂电池具有能量、功率密度高，且体积小的特点，即将在煤矿井下大力推广，可作为重点研究对象。本文针对锂电池动力源进行机动性能参数的计算和样机制作的可行性分析。
整车动力模型的建立要想使车辆行驶，必须对其施加一个驱动力以克服各种行驶阻力。驱动力Ft是由驱动装置输出的转矩经传动系统传至驱动轮上得到的。行驶阻力主要包括滚动阻力Ff、空气阻力Fw、坡度阻力Fi，如图3所示。此时称为车辆行驶的驱动条件，但它只是必要条件，只反映了车辆本身的行驶能力。如果驱动轮在路面上滑转，则增大驱动力只会使驱动轮加速滑转，地面切向反作用力并不会增加。这种现象表明，车辆行驶除受驱动条件制约外，还受轮胎与路面附着条件的限制。附着作用所能提供的地面对轮胎切向反作用力的极限值，称为附着力，以Fφ表示，在硬路面上，它与驱动轮法向反作用力Fz成正比，即Fφ=Fzφ（2）式中φ———附着系数，由路面与轮胎决定。驱动力的发挥受到附着力的限制，实际发出的驱动力只能≤附着力，而不能＞附着力，否则将发生驱动轮滑转现象，即需满足Ft≤Fφ=Fzφ（3）这是车辆行驶的第2个条件—附着条件，它是车辆行驶的充分条件。加上前面所得到的必要条件，汽车行驶的充分必要条件，即驱动-附着条件可表示为Ff+Fw+Fi≤Ft≤Fzφ（4）根据上述车辆行驶的基本原理，以最大坡度爬行为临界状态，建立涉及驱动力和各类行驶阻力的整车动力模型。
动力计算侦测装甲车爬坡状态下的最高车速直接关系传动系统的选型和动力源的功耗，综合考虑现有井下侦测装备的行走速度和灾变环境下行走速度缓慢的特点，设定最大爬坡状态下的整车最高行驶速度为5km/h（1.39m/s）。根据胶轮车辆行驶的基本原理，以表1中的相关参数为依据，通过式（1）计算不同整车重量（2000~5000kg）、不同爬坡度（15～30°）条件下所需的最小牵引力。从不同行驶条件下的最小牵引力的值（10~40kN）可知，在车速一定时，整车重量和最大爬坡度参数对最小牵引力的影响很大，根据经验，煤矿井下巷道的坡度α不超过20°，则以20°坡为临界状态，以小型化为设计原则，并综合各功能模块的重量，取整车运行状态下的总质量为3000kg，最小牵引力Ft=18.37，根据式（2）计算出附着力Fφ=Fzφ=φGcosα=18.79kN（5）此时，满足Ft＜Fφ的附着条件，车辆爬坡、越障时所需的功率Ne1=Ftv2=25.53kW（4）传动系统的选型设计以锂电池组作为动力源，通过逆变器将直流电转变为380V交流电，分别带动前后桥的驱动电机，两电机分别通过对应的锥齿轮减速器变速增矩，从而实现4轮全驱，提高了爬坡、越障的能力。同时，为了更好地适应车辆在井下巷道狭小的空间内转弯，在2轮转向另两轮闭锁，或4轮相向偏转的基础上，增设了4轮异向偏转的功能，进一步缩小了转弯半径。
由于直流电机的效率较低，体积与重量较大，碳刷与整流子维护不便，进一步提高转速困难。随着电子技术的迅速发展，交流电机的调速技术已经成熟，最近的电动车均已开始采用交流电机，这些交流电机的效率较直流电机提高10%，且多在90%左右，而同一功率的重量还不到直流电机的一半，选用高效率交流电机，对目前蓄电池容量较小，行驶距离不够的现状尤为重要。以防爆性能强、低齿轮传动比以及重量轻、体积小为原则，根据临界状态的功耗选取YB系列隔爆型三相异步电动机（160L-4），相关参数如表2所示，20°爬坡状态下车轮的转速由于装甲车满载时对应转速n2≈1470r/min，因此4级锥齿轮减速器的传动比i=n2/n1=33。由于工作状态下车速要求较低，且调速范围小，因此为了使整体结构紧凑，更轻量化，不增设其他挡位，由电机反转驱使车辆退出巷道。单台交流电机额定功率Pe＝15kW，单级齿轮传动效率η1＝98%，计算输出至驱动轮的额定扭矩而在爬坡、越障时所需的实际转矩因为Tr>Trs，所以该电机能够输出足够的转矩以满足动力要求。
确定清障机构系统工作压力应首先考虑整机成本，以不超过9.5~10.3MPa为宜，这样可以选择价格合理的液压元件。根据小型轮式挖掘机的作业性能和作业速度，按单一动作和复合动作确定流量。对于斗容量为0.15~0.2m3的挖掘或铲障机构，选择液压泵的流量为66~74L/min。小型清障机构多采用单泵定量系统，通过变频调速原理改变驱动电机的转速，实现液压泵的调速，改变工作机构的速度。驱动电机在高速时清障作业，在低速时工作装置左右回转作业。在低速工作时，驱动电机仍有足够的输出扭矩和功率，驱动回转工作机构动作。清障机构的液压泵驱动电机功率应满足清障机构工作的动力需要，经上述计算可得Ny＜Pe，为了避免增加电池的容量，并使整车轻量化，液压泵的驱动电机仍可采用前桥驱动电机，而机械手的液压泵驱动电机由于动力较低，后桥驱动电机完全可满足要求，那么环境参数侦测的过程中，清障和中继站的自动抛投需在装甲车静止状态下进行，设计方案是可行的。