吉強(qiáng)

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

0 引言

防爆無軌膠輪車在煤礦輔助運(yùn)輸中得到了廣泛的應(yīng)用，但井下狹窄巷道中的輔助運(yùn)輸仍是制約運(yùn)輸效率的瓶頸之一。近年來地面滑移轉(zhuǎn)向車輛傳動(dòng)及控制技術(shù)得到了長足發(fā)展，為煤礦順槽輔助運(yùn)輸車輛的發(fā)展提供了新的技術(shù)支持。由于輪式差動(dòng)轉(zhuǎn)向(即滑移轉(zhuǎn)向)車輛結(jié)構(gòu)簡單且具有全地形適應(yīng)能力，受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1]?；妻D(zhuǎn)向方式可實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)彎半徑較小，簡化了轉(zhuǎn)向的機(jī)械操縱系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)，適合煤礦井下狹窄巷道的條件[2]。

1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成和特點(diǎn)

液壓驅(qū)動(dòng)滑移轉(zhuǎn)向式防爆無軌膠輪車驅(qū)動(dòng)部分通常采用左右雙液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，分別由2個(gè)變量泵控制。受巷道條件的制約，車體較窄，2個(gè)變量泵通常前后串聯(lián)布置，并直接與防爆發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪連接，2個(gè)變量泵分別驅(qū)動(dòng)左、右液壓馬達(dá)，左、右液壓馬達(dá)通過減速裝置和鏈輪、鏈條驅(qū)動(dòng)車輪,傳動(dòng)路線如圖1所示。

圖1 傳動(dòng)路線

液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的原理如圖2所示，車輛的行駛速度主要由2個(gè)變量泵的排量決定。車輛的行駛方向由2個(gè)變量泵的排量和輸出流量的方向共同決定，這也是滑移轉(zhuǎn)向車輛的特點(diǎn)。

圖2 液壓系統(tǒng)原理

由于具有全輪驅(qū)動(dòng)和原地轉(zhuǎn)向功能，該傳動(dòng)方式可以使車輛具有良好的井下巷道和底板適應(yīng)能力。該傳動(dòng)方式?jīng)]有離合器，變速箱等機(jī)械部件，完全依靠靜液壓傳遞動(dòng)力并控制方向，具有無級變速、工況適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)。通過設(shè)置變量控制方式，使車輛在整個(gè)運(yùn)行速度區(qū)間內(nèi)充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，適應(yīng)外負(fù)載的劇烈變化，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)的合理匹配。

2 液壓行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計(jì)

2.1 整車參數(shù)的確定

1) 車速和牽引力的確定。受車輛底盤結(jié)構(gòu)形式的制約，此類車輛無法安裝避振裝置，只能采用剛性懸架，最高車速一般控制在15 km/h以內(nèi)。驅(qū)動(dòng)力的選擇可按下式確定：

Fφ≥Ft≥ΣF

(1)

式中：Ft為驅(qū)動(dòng)力；Fφ為地面提供的附著力；ΣF為膠輪車行駛的阻力和。

由式(1)可知，最大驅(qū)動(dòng)力應(yīng)大于各阻力之和，同時(shí)小于等于地面附著力，在工程設(shè)計(jì)中各工況阻力最大值并不會(huì)同時(shí)發(fā)生，需根據(jù)各工況分別校核。

2) 幾何約束的確定?；妻D(zhuǎn)向輪式車輛在行駛中能夠平穩(wěn)轉(zhuǎn)向，除滿足上述動(dòng)力學(xué)條件外，還需要滿足車體尺寸關(guān)系組成的幾何條件，下式為四輪驅(qū)動(dòng)滑移轉(zhuǎn)向車輛的幾何約束條件[3]：

(2)

式中：B為輪距；L為軸距；μ為側(cè)向阻力系數(shù)；φ為地面附著系數(shù)；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)。

在工程設(shè)計(jì)中，在軸距L較大的條件下，四輪車輛滑移轉(zhuǎn)向困難。實(shí)際設(shè)計(jì)中，一般取L≤0.8B[2]。六輪及六輪以上滑移車輛幾何約束條件，通常參照履帶車輛的幾何約束條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 液壓行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作壓力的匹配

液壓驅(qū)動(dòng)車輛行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型時(shí)，在總功率確定的情況下，提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的額定工作壓力，可以降低泵和馬達(dá)的排量，從而降低車輛的配置成本。但系統(tǒng)額定壓力過高容易影響相關(guān)元部件的可靠性和工作壽命，因此參考液壓元件允許的最高壓力和車輛的負(fù)荷特性兩個(gè)因素來確定。系統(tǒng)的額定壓力一般參考元件的最高持續(xù)壓力pm，在此基礎(chǔ)上降低1.5～2.0 MPa作為選型的基礎(chǔ)依據(jù)，以兼顧元件和附件的預(yù)期壽命。

為了滿足負(fù)載波動(dòng)的要求井下運(yùn)輸車輛一般需要滿足兩種典型工況：

1) 在井下順槽使用時(shí)，車輛原地轉(zhuǎn)向的工況頻繁出現(xiàn)，此時(shí)為液壓傳動(dòng)系統(tǒng)承受最大負(fù)載狀態(tài)。為滿足車輛最小轉(zhuǎn)彎的半徑需求，液壓泵持續(xù)輸出峰值壓力，變量馬達(dá)處于最大排量位置，車輪的牽引力最大，所以系統(tǒng)的最高工作壓力應(yīng)滿足此時(shí)的工況要求。

2) 井下運(yùn)輸類車輛原地轉(zhuǎn)向工況占全部作業(yè)時(shí)間的比重較小，大部分情況下被用作長距離運(yùn)輸設(shè)備，應(yīng)按照常用工況來確定系統(tǒng)的額定壓力，避免額定壓力過高車輛元部件長時(shí)間在低功率區(qū)工作，造成元件配置過高，增加設(shè)備成本。

因此，滑移轉(zhuǎn)向車輛行走驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)的額定工作壓力應(yīng)依據(jù)車輛行駛時(shí)的阻力ΣF確定，同時(shí)原地轉(zhuǎn)向工況下系統(tǒng)壓力不超過主要元件的峰值壓力，滿足短時(shí)峰值壓力運(yùn)行的條件，從而兼顧可靠性與經(jīng)濟(jì)性。

2.3 液壓泵和馬達(dá)的匹配

因?yàn)轳R達(dá)排量過小會(huì)造成減速器輸入轉(zhuǎn)速過高，需要加大減速器的速比和級數(shù)，增加傳動(dòng)裝置的成本，所以在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡可能將車輛運(yùn)行的絕大多數(shù)工況控制在液壓泵和馬達(dá)的高效工作區(qū)域內(nèi)，且馬達(dá)排量應(yīng)大于液壓泵的排量，另外，馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速過高，將造成液壓傳動(dòng)總效率降低，車速平順性變差，工作壓力過高等現(xiàn)象。

馬達(dá)排量大成本較高，根據(jù)匹配經(jīng)驗(yàn)，馬達(dá)的排量在液壓泵排量的2倍左右較為理想[4]。液壓泵和馬達(dá)參數(shù)匹配應(yīng)綜合考慮轉(zhuǎn)速、排量和壓力，以REXROTH、SAUER公司的軸向變量柱塞泵和彎軸式柱塞馬達(dá)為例，見圖3、圖4，變量泵排量在(0.7～1)Vmax，壓力在(0.2～0.851)pmax時(shí)，泵的總效率ηt可保持在90%以上。

變量馬達(dá)工作壓力在(0.4～0.85)pmax，排量在(0.8～1.0)Vmax時(shí)，轉(zhuǎn)速在(0.3～0.7)nmax范圍內(nèi)，馬達(dá)的總效率ηt可保持在90%以上。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓系統(tǒng)的匹配

發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓系統(tǒng)匹配的目的是使車輛發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工況下均能在正常轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)保持較高的功率輸出，且發(fā)動(dòng)機(jī)不能熄火，同時(shí)液壓系統(tǒng)能保持較高的效率，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一。因液壓傳動(dòng)裝置在很大的工作區(qū)間內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)無級變速，車輛中液壓系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配不需要考慮檔位的設(shè)定，只需考慮在全部工作區(qū)間內(nèi)，液壓系統(tǒng)可根據(jù)外負(fù)荷變化來調(diào)節(jié)輸入和輸出的轉(zhuǎn)速之比與扭矩之比，使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩與負(fù)荷扭矩相平衡，發(fā)動(dòng)機(jī)始終在最佳工作點(diǎn)附近工作。

適合于液壓傳動(dòng)系統(tǒng)使用的發(fā)動(dòng)機(jī)控制方式有兩種：發(fā)動(dòng)機(jī)恒功率控制和發(fā)動(dòng)機(jī)變功率控制[5]，為更好地適應(yīng)外負(fù)載的變化，將兩種控制方式結(jié)合使用，兼顧動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，即根據(jù)外負(fù)荷的大小，通過控制發(fā)動(dòng)機(jī)的功率來控制車速，同時(shí)調(diào)整泵的排量使其適應(yīng)外負(fù)荷的變化，充分發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)在該轉(zhuǎn)速下的功率，在滿足車輛動(dòng)力性能的同時(shí)，具有良好的燃油經(jīng)濟(jì)性。與之對應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)采用帶有全程式調(diào)速器的防爆電噴柴油機(jī)，最佳工作范圍是1 600～2 200 r/min。

(a) 液壓泵最大排量總效率

(a) 馬達(dá)最大排量總效率

(a) 液壓泵負(fù)荷控制特性曲線 (b) 發(fā)動(dòng)機(jī)外特性和目標(biāo)值負(fù)荷率

(a)

(a)

液壓泵變量機(jī)構(gòu)根據(jù)外負(fù)荷變化和發(fā)動(dòng)機(jī)的油門狀態(tài)調(diào)整泵的排量，使液壓泵的輸入扭矩維持在發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩目標(biāo)值附近，實(shí)現(xiàn)液壓泵與發(fā)動(dòng)機(jī)之間的功率匹配。調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速后，液壓泵控制裝置在外負(fù)荷的作用下壓力和排量重新建立平衡，液壓泵在新的平衡點(diǎn)附近工作。

根據(jù)各主要液壓元件供應(yīng)商的產(chǎn)品供應(yīng)情況，Rexroth公司柱塞泵產(chǎn)品中采用的DA控制，SAM公司柱塞泵中HVA控制和Linda公司的Au控制都是通過機(jī)械-液壓伺服控制裝置解決液壓行走系統(tǒng)中液壓泵與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配問題。這些變量控制裝置工作原理相似，都是利用補(bǔ)油泵的流量通過轉(zhuǎn)速傳感節(jié)流環(huán)節(jié)產(chǎn)生的壓差Δp感知發(fā)動(dòng)機(jī)的載荷引起的轉(zhuǎn)速變化，以此壓差Δp控制變量伺服機(jī)構(gòu)活塞的運(yùn)動(dòng)，改變軸向柱塞泵的斜盤傾角，實(shí)現(xiàn)控制泵變量，具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，成本低等特點(diǎn)。

整車設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)車輛控制目標(biāo)參數(shù)和特征參數(shù)選擇即可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓系統(tǒng)的全程功率匹配，滿足對行走速度穩(wěn)定性無特殊要求的煤礦防爆無軌膠輪車的使用需求。

4 操縱控制系統(tǒng)的選擇

煤礦順槽巷道狹窄、路況復(fù)雜，車輛行駛過程中駕駛員需頻繁調(diào)整車體位置，改變速度和方向，目前滑移轉(zhuǎn)向車輛的轉(zhuǎn)向和加減速主要通過液壓先導(dǎo)閥控制變量泵排量的方式來實(shí)現(xiàn)，駕駛操縱有雙手柄和單手柄兩種形式。

雙手柄操縱控制的原理是每個(gè)手柄彼此獨(dú)立，分別控制兩側(cè)的變量液壓泵排量，手柄的傾角大小與液壓泵的排量成正比。兩個(gè)手柄傾角的方向與大小相同時(shí)車輛直行或后退；手柄傾角的方向相同而大小不同時(shí)車輛普通轉(zhuǎn)向，并向傾角小的手柄側(cè)轉(zhuǎn)彎；兩個(gè)手柄傾角方向不同時(shí)，車輛原地轉(zhuǎn)向，并朝著向后的手柄側(cè)原地轉(zhuǎn)彎。這種操控方式在頻繁調(diào)整方向和速度的場合容易分散駕駛員的注意力，勞動(dòng)強(qiáng)度較大，操作舒適性差，如圖6所示。

單手柄操縱的控制原理是通過一個(gè)可在360°范圍內(nèi)擺動(dòng)的手柄球壓迫4個(gè)比例壓力閥芯中的任何1個(gè)或2個(gè)閥芯，被壓迫的比例壓力閥芯輸出的油壓與未壓迫的比例壓力閥芯輸出的油壓通過梭閥比較后，分別進(jìn)入2個(gè)液壓泵變量活塞的兩端，將手柄的偏轉(zhuǎn)方向和角度與液壓泵變量的排量建立比例函數(shù)關(guān)系，前、后閥芯決定車輛的行駛速度，左、右閥芯決定車輛的行駛方向，使操作裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡化，操作動(dòng)作更加直觀，駕駛室的設(shè)計(jì)布局趨于合理。同時(shí)，由于手柄的操縱力較小，可減輕駕駛員的疲勞感。另外，可根據(jù)駕駛?cè)藛T對車輛速度和方向控制的平順性和舒適性要求，增加阻尼功能，方便調(diào)整單手柄操縱時(shí)車輛對速度和方向的不同靈敏度要求，如圖7所示。

5 結(jié)論

運(yùn)輸類的滑移轉(zhuǎn)向防爆膠輪車整機(jī)參數(shù)的確定受車體結(jié)構(gòu)和幾何尺寸的制約，幾何參數(shù)受煤礦順槽斷面的約束，設(shè)置不合理會(huì)增加動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度，增加車體的受力，甚至無法使用。

滑移轉(zhuǎn)向式防爆膠輪車參數(shù)匹配的關(guān)鍵是防爆電噴發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓泵的功率和扭矩匹配，合理選擇液壓泵、馬達(dá)的參數(shù)和確定防爆發(fā)動(dòng)機(jī)在各轉(zhuǎn)速下的扭矩目標(biāo)值，可以提高傳動(dòng)效率，并且使防爆發(fā)動(dòng)機(jī)具有較高的燃油經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保安全性。

滑移轉(zhuǎn)向式防爆膠輪車的駕駛操縱應(yīng)簡潔直觀，減輕駕駛?cè)藛T的勞動(dòng)強(qiáng)度，并且根據(jù)車輛前后行駛與轉(zhuǎn)向?qū)`敏度的不同要求而進(jìn)行單獨(dú)調(diào)校。