苏涛
山西天地煤机装备有限公司 山西省太原市030000
摘要：自上世纪末我国才开始引进防爆无轨胶轮车，关于这类设备的研究起步较晚，落后于发达国家很多。相比于传统设备，效率高是无轨胶轮车作为矿用辅量大、经过防爆处理可满足井下安全需求等。现有矿用防爆胶轮车在巷道内运行过程中存在动力不足和燃油不充分问题，提出利用动力学理论模型和试验相结合的方法，分析最佳动力性、油耗及其能效。首先根据实际工况进行了发动机的选型，再利用 MATLAB 软件中的线性回归法得出最理想的四阶拟合曲线方程，建立了发动机的数学模型。基于该模型搭建了防爆胶轮车动力系统模型并对爬坡度、加速度和经济性进行了分析。最后进行了动力性试验，将试验得出的万有特性曲线与仿真对比研究。试验结果表明: 该型号发动机转速 1800r/min 时为最佳经济性及动力性区域，最低油耗为 222g /kW·h，由此建立的发动机数学模型及胶轮车动力系统模型是准确的。
关键词：防爆胶轮车；理论模型；动力性试验
防爆胶轮车是一种前后机架铰接、液力机械传动、四轮驱动的后翻自卸式车辆,主要用于运输混凝土、砖块 、矸石以及托辊 、铁网、电机等井下所需设备.在防爆胶轮车的整体结构中,车架是最重要的部分,要支承发动机 、变速箱、散热器、油气罐等部件, 此外在作业的过程中还要承受板簧悬架系统传递来的不同路况的各种激励.井下路面较复杂,除水泥硬 巷外 ,还有坡道及急转弯道 、颠簸路面等。胶轮车在这种恶劣路况上行驶时 ,车架主要承受动载荷, 从而产生动应力，若动应力的大小超过材料的许用应力, 则会造成车架主体结构断裂失效。根据矿上的使用 经验可知,这种破坏失效往往发生在胶轮车的使用寿命内。因此机架的结构强度和疲劳寿命分析在该车的设计中占有非常重要的地位。
一、慨述
防爆胶轮车通常作为辅运车用于现代化煤矿中，主要负责运送巷道内的煤渣、浮泥等材料、以及闸阀、电机等巷道所需部件设备［1］。矿井下工作环境复杂、路面情况相对恶劣，转弯半径小、爬升坡度大等问题都会对胶轮车造成较大的安全隐患，严重影响胶轮车的工作性能。防爆无轨胶轮车在井下运行的安全与否在很大程度上取决于发动机的性能以及胶轮车动力传动系统合理匹配的程度，因此对防爆胶轮车发动机动力性进行试验非常有必要。我国汽车公司开发的整车检测程序，对其生产的各型号整车的动力性、燃油经济性进行了研究［2］，公司己经生产出用于辅运车辆检测运行阻力的底盘测功机，不足之处是没有对矿用防爆胶轮车这样的特种运输车辆进行研究，没有对防爆发动机的专门试验，研究了中型货车的发动机特性，得出货车发动机的优劣评估，由于矿用车工况与货车工况差距甚大，该结果不能用于对矿用防爆发动机的评估。发动机对动力性能及油耗性能影响，使得辅运胶轮车可以最大效率应用于煤矿井下环境。研究中，以现有理论研究为指导，构造的车辆动力学理论模型，利用 MATLAB 软件中的线性回归方法得出最理想的四阶拟合曲线方程，搭建了防爆发动机数学模型，并在 CRUISE 中模拟出整车动力系统模型。将试验结果与仿真结果对比分析，验证了模型的正确性，对以后矿用防爆胶轮车发动机与动力系统之间匹配问题的研究提供理论和技术参考。
二、防爆柴油发动机选型
矿井下工作环境复杂、路面情况恶劣，转弯半径小、爬升坡度大都对胶轮车发动机性能产生影响［2］。根据对大同市塔山煤矿的调研，选择研究对象为整车质量 5. 8t 的防爆胶轮车，整车性能要求为: 最高车速 50km /h，额定转速 np = 2600r/min，爬坡能力需高于 30%，从 0km /h 起步提速至 40km /h所需用时低于 3. 55s，常用车速下柴油车油耗不大于300g /( kW·h) 。确定整车的主要目标参数和技术参数，计算出发动机所需的功率和扭矩，完成发动机选型，使整车匹配性较佳。
1、发动机最大功率:
2、发动机最大扭矩:
根据要求，选择 YM495DMB 型号防爆柴油发动机作为试验对象。
三、发动机数学模型
发动机数学模型至关重要，搭建正确的数学模型，能够表达出其最佳工作性能。以YM495DMB 型号防爆发动机为研究对象，建立其数学模型并分析其最佳工作性能。油门开启即 100%，特性曲线可以看作扭矩 Te、修正功率 Pe、油耗 be 关于转速 ne 一元方程，所以柴油发动机数学模型可以使用曲线拟合找到，函数方程的见式：
MATLAB 对标定数据进行运算后，准确性通过一致系数、修正后一致系数和拟合系数三个指标判断，Te、Pe、be 的最佳拟合阶数，三个系数分别为 97. 43%、99. 22%、93. 10%。即发动机数学模型如图所示。
由图可知，转速 ne 为 1450r/min，发动机出现最大转矩变 900N·m，此后由于达到额定功率极限，转矩将会随转速的增大等比例减小，ne 达到 2000r/min 后，功率 Pe 趋于稳定状态，极限功率为 200kW。可知燃油消耗率在转速为 1800r/min 时达到最小 222g /( kW·h) 。
四、胶轮车动力系统模型及动力性
CRUISE 是分析整车动力性、油耗、尾气排放及刹车制动的一款仿真软件，特点是模块化建模结构，可以用于搭建防爆胶轮车动力系统模型［2］。通过使用 CRUISE 软件搭建了 WC3 型防爆无轨胶轮车发动机模型及动力系统模型，并进行了性能的仿真研究，结果证明了该发动机满足防爆胶轮车在巷道工作要求，且符合国家的仿真结果分析:
1、爬坡能力曲线，可知满载工况下 1 挡的爬坡度为 30%。国家规定的胶轮车通用技术条件是无轨胶轮车爬坡度应大于 24. 9%，已达到法定要求，并且满足大同市塔山煤矿的工作要求。
2、从加速能力曲线如图所示，由图可知，胶轮车的加速度随档位的提高而降低，1 挡起步加速完全满足防爆无轨胶轮车在巷道及井上工作需要，也符合国家的规定。
3、选择 UDC 模拟工况及巡航模拟工况，油耗结果可知，由仿真结果可以得出: 胶轮车车速为 20km /h 巡航时油耗为 11. 2L /100km 低于胶轮车运行的技术规定，完全满足使用条件。
4、发动机动力性试验
在理论研究和仿真分析的基础上进行了防爆发动机的动力性试验，根据试验结果得出反应发动机的功率、扭矩、油耗和转速关系的万有曲线特性图。根据试验结果，把发动机的多个动力性能展现在一个图上，融合多参数的性能曲线，即发动机的万有特性，如图所示。
从左上到右下的曲线为等燃油消耗率曲线，油耗最少的即最佳经济性区域处于顶部内圈，曲线向外走代表油耗越高，经济性越差。胶轮车在正常工况下发动机表现为大扭矩，中转速，所以发动机最佳经济性工作区域应处在图的上方，表明实验结果符合理论研究。万有特性图也表示防爆发动机在工作时表现出的动力性能。由图可知，转速 ne 达到 1450r/min，转矩出现极限，如果将转速继续增大，此后转矩会随之减小。转速 ne 在 1450～1850r/min 之间功率达到最大值 174. 35kW。而燃油消耗率在 ne = 1650～1800r/min 时出现最小值 222g /( kW·h) 。将试验结果与仿真的结果对比研究可以发现，两者的转矩曲线基本吻合，而试验所得功率由于传递损耗而略小于仿真数据，油耗曲线完全一致，试验结果证明了搭建的发动机数学模型的准确性。由发动机模型参数而建立的胶轮车动力系统模型，仿真结果也近似于实际的道路试验，则针对 WC3 型矿用胶轮车的模型是正确的，为后续防爆柴油发动机研究和动力系统匹配打好基础。
结 论
1) 根据发动机标定数据，利用 MATLAB 拟合得到了柴油发动机动力性曲线并建立合理准确的矿用防爆柴油数学模型，能够准确体现胶轮车发动机的动力性能。
2) 得出防爆发动机最佳动力性和经济性工作区域，燃油消耗率在 ne = 1650～1800r/min 时出现最小值为 222g /( kW·h) 。由万有特性曲线得最佳动力性和经济性的区域为转速 1800r/min。 通过使用 CRUISE 软件搭建 WC3 型防爆无轨胶轮车动力系统模型，试验和仿真对比验证了模型的正确性，为后续发动机进一步探究和矿用胶轮车整车动力系统最佳匹配奠定了基础。
参考文献：
[1] 周开平 . 防爆胶轮车驱动桥半轴套断裂分析及强度计算 [J].煤矿机电，2016(01):18.
[2] 饶俊良，汪达勇 . 防爆胶轮车传动桥摆动架有限元分析 [J].机械工程师，2018(09):90-91.
[3] 张金平，秦书明.防爆胶轮车测速管理系统设计[J].煤炭技术，2019，34(07):20.