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摘要：遥控地下铲运机是采矿所应用的主要设备，其性能是决定采矿效率的主要因素。本文在介绍了遥控地下铲运机结构与设计要求的基础上，从机械动力传动系统以及执行机构两个角度，对2.2m～3m遥控地下铲运机进行了优化设计，以期能够达到提高机械工作效率及质量的目的。
关键词：2.2m～3m遥控地下铲运机；动力传动系统；执行机构
遥控地下铲运机构成较为复杂，动力传动系统与执行机构是机械的主要组成部分。两者发动机与液力变矩器以及变速箱是否能够匹配，与机械的性能存在显著联系。传统的设计方案下，机械使用寿命短、出现故障的几率高，性能较低。对其进行优化设计，是解决上述问题的主要途径。
1 遥控地下铲运机结构与设计要求
遥控地下铲运机由车架、发动机、传动轴、变速箱及液力变矩器等部分构成（如下图）[1]。不同部分的功能不同。为确保机械能够正常运行，应将遥控操作、视频监控以及车载控制系统作为重点，对铲运机加以设计。遥控操作设计目标在于：确保200m之内能够远程控制机械的运作。视频遥控的设计目标在于：确保工作人员能够通过视频监控机械的运行情况，以及时发现异常。车载控制系统的设计目标在于：提高动力传动系统及执行机构的设计水平，提高机械运行的可靠性与安全性。
遥控地下铲运机的构成图
2 2.2m～3m遥控地下铲运机动力传动系统与执行机构的设计方案
2.1 2.2m～3m遥控地下铲运机动力传动系统的设计方案
2.1.1 传动原理及设计方案
（1）传动原理：利用发动机所带来的动力，以外界阻力为适应指标，保持机械传动平衡。当外界阻力增大时，可通过无级调速，避免发动机或其他器件受损[2]。（2）共设计了如下三种方案：采用电子控制单元以及齿轮变速箱等，设计AT自动变速器。以确保能够在无离合器的情况下换挡，提高机械运行效率；设计AMT自动变速器，确保铲运机能够实现自动变速，提高其传动效率；设计CVT无极变速传动，采用传动带以及可变槽带，改变变速原理，提高变速的便捷性。对比上述三种方案的优势与缺陷，决定采用方案一设计。
2.1.2 动力装置设计
（1）发动机形式：按照不同标准划分，铲运机发动机形式同样不同。以燃料为划分依据，可将其分为汽油机与柴油机两种。本文所设计的铲运机，发动机形式以柴油机为主。（2）对比不同型号发动机的优势，决定采用D914L5设计。发动机气缸数5个、排量5.4L、压缩比21、额定功率72.3、转速15002300r/pm，冷却方式以风冷为主。
2.1.3 液力变矩器设计
对比C271、C272、C273三种变矩器的参数，决定将C271作为主要变矩器，对铲运机加以设计。C271液力变矩器参数如下：（1）当转速比为0时，变矩系数为3.12k、能力系数218k；转速比为0.5时，变矩系数为889。（2）该变矩器失速比为3.10、最大输入转矩343Nm、功率6385kW。
2.1.4 变速箱的设计
（1）变速箱运行原理应符合以下公式：i=n1/n2=D2/D1=Z2/Z1。（2）对比不同变速箱不同档位的传动比，决定采用RT32421变速箱对铲运机加以设计。该变速箱不同档位的传动比分别如下：一檔4.643、二挡2.235、三档1.290。
2.1.5 电控系统的设计
（1）传感器输入单元：功能在于确定尺条位置，将机油等压力指数传入到电控单元当中。（2）设置点：功能在于确定油门位置。（3）接口：功能在于连接电源及CAN总线。（4）执行器：功能在于对停机电磁阀加以控制。（5）显示：功能在于显示转速，当出现故障时，可亮灯报警。
2.2 2.2m～3m遥控地下铲运机执行机构的设计方案
2.2.1 执行机构原理及设计方案
（1）铲运机执行机构的原理在于，根据工况的不同，对铲斗的平衡性进行控制，实现自动放平。插入、铲装、运输以及卸载，属于执行机构的不同工况。以插入为例：机械运行后，动壁逐渐放下，铲斗翻转，与地面衔接，将物料插入到铲斗内部。（2）设计方案：通过目标函数，优化系统的工作流程。从主控系统设计等角度出发，提高执行机构的设计水平，提高铲运机的运行效率。
2.2.2 系统的优化设计
（1）以铲装为例，该工况下，铲运机的掘取力计算公式为：Fz=Fbc×Cf。其中Cf代表倍力系数、Fbc代表翻转油缸作用力、Fz代表掘取力的反力。（2）确定约束条件。采用内点惩罚函数法、反点惩罚函数法作为优化方法。（3）优化流程：获得维数n及精度Jd，创建数组，确定数组中的任意初始值。根据初始值，求出最小解。将最小解与其他数值相对比，最终完成优化过程。
2.2.3 主控系统的设计
CPU可采用嵌入式系统以及PLC可编程逻辑器件设计。嵌入式系统核心为微控制器，优势在于接口丰富，扩展性强。缺陷在于可靠性差。为解决上述问题，决定采用PAC设计主控系统，采用梯形图编程方法实现逻辑控制，提高扩展性以及可靠性，提高数据处理效率。
2.3 设计效果
通过实验的方法对比了原有系统与优化设计后的系统的工作效率，发现，与优化前相比，优化后，铲运机的工作效率显著提高。表明设计效果较好。
3 结论
通过对2.2m～3m遥控地下铲运机动力传动系统及执行机构的优化设计发现，应以D914L5为发动机型号、以C271作为液力变矩器、以柴油机作为主要发动机形式，通过对目标函数的计算，获取执行机构设计的最优解，以提高铲运机的运行效率。
参考文献：
[1]方键，陈芳.矿用地下铲运机驾驶室ROPS的试验及有限元分析[J].矿山机械，2016，44（09）：3034.
[2]张楠，韩飞.基于Automation Studio地下铲运机制动液压系统建模分析[J].液压气动与密封，2016，36（04）：3842.
作者简介：任娜（1976），女，山东寿光人，本科，工程师，地下装载机动力传动系统。
关键词：2.2m～3m遥控地下铲运机；动力传动系统；执行机构
遥控地下铲运机构成较为复杂，动力传动系统与执行机构是机械的主要组成部分。两者发动机与液力变矩器以及变速箱是否能够匹配，与机械的性能存在显著联系。传统的设计方案下，机械使用寿命短、出现故障的几率高，性能较低。对其进行优化设计，是解决上述问题的主要途径。
1 遥控地下铲运机结构与设计要求
遥控地下铲运机由车架、发动机、传动轴、变速箱及液力变矩器等部分构成（如下图）[1]。不同部分的功能不同。为确保机械能够正常运行，应将遥控操作、视频监控以及车载控制系统作为重点，对铲运机加以设计。遥控操作设计目标在于：确保200m之内能够远程控制机械的运作。视频遥控的设计目标在于：确保工作人员能够通过视频监控机械的运行情况，以及时发现异常。车载控制系统的设计目标在于：提高动力传动系统及执行机构的设计水平，提高机械运行的可靠性与安全性。
遥控地下铲运机的构成图
2 2.2m～3m遥控地下铲运机动力传动系统与执行机构的设计方案
2.1 2.2m～3m遥控地下铲运机动力传动系统的设计方案
2.1.1 传动原理及设计方案
（1）传动原理：利用发动机所带来的动力，以外界阻力为适应指标，保持机械传动平衡。当外界阻力增大时，可通过无级调速，避免发动机或其他器件受损[2]。（2）共设计了如下三种方案：采用电子控制单元以及齿轮变速箱等，设计AT自动变速器。以确保能够在无离合器的情况下换挡，提高机械运行效率；设计AMT自动变速器，确保铲运机能够实现自动变速，提高其传动效率；设计CVT无极变速传动，采用传动带以及可变槽带，改变变速原理，提高变速的便捷性。对比上述三种方案的优势与缺陷，决定采用方案一设计。
2.1.2 动力装置设计
（1）发动机形式：按照不同标准划分，铲运机发动机形式同样不同。以燃料为划分依据，可将其分为汽油机与柴油机两种。本文所设计的铲运机，发动机形式以柴油机为主。（2）对比不同型号发动机的优势，决定采用D914L5设计。发动机气缸数5个、排量5.4L、压缩比21、额定功率72.3、转速15002300r/pm，冷却方式以风冷为主。
2.1.3 液力变矩器设计
对比C271、C272、C273三种变矩器的参数，决定将C271作为主要变矩器，对铲运机加以设计。C271液力变矩器参数如下：（1）当转速比为0时，变矩系数为3.12k、能力系数218k；转速比为0.5时，变矩系数为889。（2）该变矩器失速比为3.10、最大输入转矩343Nm、功率6385kW。
2.1.4 变速箱的设计
（1）变速箱运行原理应符合以下公式：i=n1/n2=D2/D1=Z2/Z1。（2）对比不同变速箱不同档位的传动比，决定采用RT32421变速箱对铲运机加以设计。该变速箱不同档位的传动比分别如下：一檔4.643、二挡2.235、三档1.290。
2.1.5 电控系统的设计
（1）传感器输入单元：功能在于确定尺条位置，将机油等压力指数传入到电控单元当中。（2）设置点：功能在于确定油门位置。（3）接口：功能在于连接电源及CAN总线。（4）执行器：功能在于对停机电磁阀加以控制。（5）显示：功能在于显示转速，当出现故障时，可亮灯报警。
2.2 2.2m～3m遥控地下铲运机执行机构的设计方案
2.2.1 执行机构原理及设计方案
（1）铲运机执行机构的原理在于，根据工况的不同，对铲斗的平衡性进行控制，实现自动放平。插入、铲装、运输以及卸载，属于执行机构的不同工况。以插入为例：机械运行后，动壁逐渐放下，铲斗翻转，与地面衔接，将物料插入到铲斗内部。（2）设计方案：通过目标函数，优化系统的工作流程。从主控系统设计等角度出发，提高执行机构的设计水平，提高铲运机的运行效率。
2.2.2 系统的优化设计
（1）以铲装为例，该工况下，铲运机的掘取力计算公式为：Fz=Fbc×Cf。其中Cf代表倍力系数、Fbc代表翻转油缸作用力、Fz代表掘取力的反力。（2）确定约束条件。采用内点惩罚函数法、反点惩罚函数法作为优化方法。（3）优化流程：获得维数n及精度Jd，创建数组，确定数组中的任意初始值。根据初始值，求出最小解。将最小解与其他数值相对比，最终完成优化过程。
2.2.3 主控系统的设计
CPU可采用嵌入式系统以及PLC可编程逻辑器件设计。嵌入式系统核心为微控制器，优势在于接口丰富，扩展性强。缺陷在于可靠性差。为解决上述问题，决定采用PAC设计主控系统，采用梯形图编程方法实现逻辑控制，提高扩展性以及可靠性，提高数据处理效率。
2.3 设计效果
通过实验的方法对比了原有系统与优化设计后的系统的工作效率，发现，与优化前相比，优化后，铲运机的工作效率显著提高。表明设计效果较好。
3 结论
通过对2.2m～3m遥控地下铲运机动力传动系统及执行机构的优化设计发现，应以D914L5为发动机型号、以C271作为液力变矩器、以柴油机作为主要发动机形式，通过对目标函数的计算，获取执行机构设计的最优解，以提高铲运机的运行效率。
参考文献：
[1]方键，陈芳.矿用地下铲运机驾驶室ROPS的试验及有限元分析[J].矿山机械，2016，44（09）：3034.
[2]张楠，韩飞.基于Automation Studio地下铲运机制动液压系统建模分析[J].液压气动与密封，2016，36（04）：3842.
作者简介：任娜（1976），女，山东寿光人，本科，工程师，地下装载机动力传动系统。