陳利東

(中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司, 山西 太原 030006)

引言

目前煤礦井下無軌輔助運(yùn)輸車輛車身寬度普遍在2 m左右，在超窄型巷道無法使用。為了實(shí)現(xiàn)在超窄的地形條件下能夠開展正常的運(yùn)輸及救援工作，同時可以提高物料運(yùn)輸效率、降低勞動工作強(qiáng)度、增強(qiáng)救援的及時性，因此急需開發(fā)一種寬度窄、轉(zhuǎn)彎半徑小、靈活度高的超窄型車輛[1-2]。

現(xiàn)有煤礦井下無軌車輛主要的轉(zhuǎn)向方式有：橋式轉(zhuǎn)向、鉸接式轉(zhuǎn)向、履帶滑移轉(zhuǎn)向等，由于狹窄地形的限制，車輛轉(zhuǎn)向靈活度低、行駛機(jī)動性差、總體布置困難等缺點(diǎn)，均無法滿足超窄地形下的作業(yè)需求。本研究通過對超窄狹隘空間下的使用工況進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研，設(shè)計一種全液壓四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向的液壓系統(tǒng)，滿足實(shí)際使用需求，實(shí)現(xiàn)車輛大角度范圍內(nèi)迅速、準(zhǔn)確、安全、平穩(wěn)的轉(zhuǎn)向，對提高煤礦運(yùn)輸效率、搶險救災(zāi)及人員救護(hù)具有非常重要的意義。

1 煤礦車輛的運(yùn)動特性

為了提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機(jī)動性、靈活性，對煤礦搬運(yùn)錨桿車輛四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運(yùn)動特性進(jìn)行分析。

煤礦搬運(yùn)錨桿車輛的轉(zhuǎn)向需要滿足前/后輪轉(zhuǎn)向、斜行、雙向駕駛，即可大大增加車輛的靈活性和機(jī)動性，如圖1所示，對于車輛前輪轉(zhuǎn)向或后輪轉(zhuǎn)向時，車輛的運(yùn)動規(guī)律是相同的，其轉(zhuǎn)向半徑R均可用下式表示：

(1)

車輛在轉(zhuǎn)向時，內(nèi)外側(cè)車輪的偏轉(zhuǎn)度是不相等的，由上式可得：

(2)

式中，R—— 轉(zhuǎn)彎半徑

H—— 輪距

L—— 軸距

α，β—— 轉(zhuǎn)向角

圖1 轉(zhuǎn)向方式示意圖

2 煤礦車輛的動力學(xué)特性

煤礦車輛的行駛方向發(fā)生改變時，輪胎受到側(cè)向力的作用如圖2所示。在其運(yùn)動過程中，輪胎的側(cè)向彈性和與側(cè)向變形合理分布并不均勻，其合力的作用點(diǎn)為D點(diǎn)，輪胎受到的車輛和地面向其作用的側(cè)向力構(gòu)成了一個試圖減小側(cè)偏角的力偶[3-4]。

圖2 回正力矩分析圖

根據(jù)庫侖摩擦定律，車輛在行駛過程中，輪胎受到的縱向力和側(cè)向力的疊加力與法向力的關(guān)系如下:

(3)

式中，F(xiàn)x—— 縱向力，N

Fz—— 法向力，N

μmax—— 最大縱向力的附著系數(shù)

3 車輛獨(dú)立轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)設(shè)計

為了實(shí)現(xiàn)車輛在狹小復(fù)雜地形下的靈活行駛和精準(zhǔn)控制，該液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要包括負(fù)載敏感泵、負(fù)載敏感多路閥、擺動油缸、防爆控制器等對車輛進(jìn)行多種模式的轉(zhuǎn)向切換及四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向控制，液壓原理圖如圖3所示。

4 車輛電控系統(tǒng)設(shè)計

駕駛員操作車輛方向盤時，方向盤轉(zhuǎn)動到某一個角度，與方向盤相連接的非接觸式編碼器也隨之轉(zhuǎn)動一定角度，此時電控單元將擺動油缸傳感器的輸出值與非接觸式編碼器的輸入值轉(zhuǎn)換后進(jìn)行比較，電控單元根據(jù)兩者的差值向執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出不同的控制電流，進(jìn)而控制防爆電磁鐵電比例換向閥閥芯的開度，輸出相應(yīng)大小和方向的流量，從而使擺動油缸開始執(zhí)行轉(zhuǎn)向指令，直到輸出值和輸入值的差值為0時，電控單元輸出給電比例換向節(jié)流閥的電流為0，閥芯回到中位，此時控制流量也變?yōu)?，轉(zhuǎn)向擺動油缸停止執(zhí)行轉(zhuǎn)向指令。

5 車輛四輪轉(zhuǎn)向仿真分析

利用仿真軟件搭建煤礦搬運(yùn)錨桿車輛的四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)中變量泵的仿真模型，如圖4所示。負(fù)載敏感變量泵的仿真模型主要包括:負(fù)載敏感閥模型、壓力切斷閥模型、變量活塞缸模型。參數(shù)設(shè)置如下： 模擬發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1600 r/min，變量泵排量設(shè)定45 mL/r,負(fù)載壓力最大26 MPa，變量泵出口壓力與負(fù)載壓力在系統(tǒng)工作過程中壓差約為2.5 MPa，負(fù)載敏感閥初始壓力設(shè)定600 N，變量活塞缸彈簧初始壓力設(shè)定為720 N，勁度系數(shù)設(shè)置為10 N/mm，節(jié)流閥開度流量調(diào)節(jié)曲線如圖5所示。

1.負(fù)載敏感變量泵 2.高壓過濾器 3.負(fù)載敏感多路閥 4.螺旋擺動油缸圖3 車輛四輪轉(zhuǎn)向液壓原理圖

圖4 負(fù)載敏感泵仿真模型

1.節(jié)流口開度 2.節(jié)流口流量 3.負(fù)載流量 4.變量泵流量圖5 節(jié)流閥開度與流量曲線

由圖5、圖6可知：變量泵的輸入流量、節(jié)流口輸出流量、負(fù)載流量均與節(jié)流閥的閥口開度成一定的比例關(guān)系;負(fù)載敏感閥閥芯的移動使變量油缸的活塞發(fā)生移動，調(diào)節(jié)泵的排量逐漸增大;變量泵泵出口壓力與負(fù)載壓力之差通過負(fù)載敏感閥的調(diào)節(jié)，基本保持在2.5 MPa左右，驗(yàn)證了變量泵模型的準(zhǔn)確性。

1.負(fù)載壓力 2.變量泵出口壓力圖6 變量泵壓力與負(fù)載壓力對比

搭建煤礦搬運(yùn)錨桿車輛液壓系統(tǒng)的整機(jī)仿真模型，如圖7所示。前輪轉(zhuǎn)向模式仿真信號設(shè)定為：給定方向盤轉(zhuǎn)角信號如圖8所示，時間為0時給方向盤180°的階躍輸入信號，仿真時間3 s，仿真步長設(shè)置為0.01 s。仿真結(jié)果如圖9所示，外側(cè)車輪最大轉(zhuǎn)角為均接近于45°，內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)角最大接近于28°，前輪經(jīng)過約0.7 s實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)并達(dá)到平衡狀態(tài)。車輛內(nèi)外側(cè)車輪轉(zhuǎn)角符合阿克曼轉(zhuǎn)向原理，能夠?qū)崿F(xiàn)車輛平穩(wěn)轉(zhuǎn)向，最大限度減小輪胎磨損，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計效果。

四輪轉(zhuǎn)向模式仿真信號設(shè)定為：給定方向盤轉(zhuǎn)角信號如圖10所示，0～3 s時給方向盤向左的斜坡輸入信號，仿真時間3 s，仿真步長設(shè)置為0.01 s。仿真結(jié)果如圖11所示，左右前輪向左偏轉(zhuǎn)，左右后輪向右偏轉(zhuǎn)，且外側(cè)車輪(右)偏轉(zhuǎn)角小于內(nèi)側(cè)車輪(左)偏轉(zhuǎn)角，兩者偏轉(zhuǎn)角度跟隨性滿足設(shè)計要求。

圖7 搬運(yùn)錨桿車輛液壓系統(tǒng)仿真模型

圖8 前輪轉(zhuǎn)向輸入信號

1.左前輪 2. 右前輪 3.左/右后輪 圖9 前輪轉(zhuǎn)向時擺動缸轉(zhuǎn)角

后輪轉(zhuǎn)向模式仿真信號設(shè)定為：給定方向盤向左的轉(zhuǎn)角信號如圖12所示，0時給方向盤180°的階躍輸入信號，仿真時間3 s，仿真步長設(shè)置為0.01 s。仿真結(jié)果如圖13所示，左右后輪經(jīng)過約0.6 s實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)并達(dá)到平衡狀態(tài)。左后輪偏轉(zhuǎn)角大于右后輪偏轉(zhuǎn)角，前輪基本維持原位置，未發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

圖10 轉(zhuǎn)向輸入信號

1.左前輪 2.右前輪 3.左后輪 4.右后輪圖11 四輪轉(zhuǎn)向時擺動缸轉(zhuǎn)角

圖12 轉(zhuǎn)向輸入信號

1.左后輪 2.右后輪 3.左/右前輪圖13 后輪轉(zhuǎn)向時擺動缸轉(zhuǎn)角

6 車輛四輪轉(zhuǎn)向試驗(yàn)研究

本研究的四輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)應(yīng)用于我司新研發(fā)的某無軌膠輪運(yùn)輸車上，為驗(yàn)證建立模型與分析的正確性，在某煤礦進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，如圖14所示。車輛在水平路面上行駛，為了消除系統(tǒng)啟動剎車等工況對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的沖擊，試驗(yàn)車輛以約5 km/h的速度穩(wěn)定行駛時，測試車輛行駛時前輪轉(zhuǎn)向、后輪轉(zhuǎn)向、四輪轉(zhuǎn)向4個工況的轉(zhuǎn)向性能。輪胎轉(zhuǎn)角通過加裝編碼器測得，油缸位移通過油缸內(nèi)置位移傳感器測得，油缸壓力通過壓力傳感器測得。

圖14 樣車試驗(yàn)現(xiàn)場

圖15為前輪轉(zhuǎn)向時轉(zhuǎn)向油缸推力F的作用曲線，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，轉(zhuǎn)向半徑R實(shí)際和理論之間的差值較小，最大誤差為6.3%，理論值略大于實(shí)測值，在誤差允許范圍內(nèi)，能夠滿足生產(chǎn)需求。圖16為輪胎前輪轉(zhuǎn)向時，內(nèi)外側(cè)輪胎實(shí)際與理論轉(zhuǎn)向角度θ曲線，在窄型車輛轉(zhuǎn)向角度最大時，實(shí)際值與理論值誤差最大為6.8%。

圖15 前輪轉(zhuǎn)向時油缸推力理論與試驗(yàn)曲線

圖16 前輪輪胎轉(zhuǎn)角試驗(yàn)與理論曲線

7 結(jié)論

通過對煤礦搬運(yùn)錨桿車輛獨(dú)立四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在狹窄地形條件下的使用工況分析，設(shè)計出一種適合煤礦井下車輛四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向的液壓系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)車輛的前輪轉(zhuǎn)向、后輪轉(zhuǎn)向、四輪轉(zhuǎn)向等轉(zhuǎn)向模式。相對于在工作面進(jìn)行人工搬運(yùn)錨桿，該錨桿搬運(yùn)車輛四輪轉(zhuǎn)向的靈活性可以極大的錨桿運(yùn)輸?shù)母咝院图皶r性。通過實(shí)驗(yàn)分析，證明前期仿真工作具有一定的精確度，誤差控制在能夠接受的范圍，對其他車輛的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。