陳利東

(中國(guó)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(wú)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(wú)法使用。為了實(shí)現(xiàn)在超窄的地形條件下能夠開(kāi)展正常的運(yùn)輸及救援工作，同時(shí)可以提高物料運(yùn)輸效率、降低勞動(dòng)工作強(qiáng)度、增強(qiáng)救援的及時(shí)性，因此急需開(kāi)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(wú)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(dòng)性差、總體布置困難等缺點(diǎn)，均無(wú)法滿足超窄地形下的作業(yè)需求。本研究通過(guò)對(duì)超窄狹隘空間下的使用工況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，設(shè)計(jì)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(duì)提高煤礦運(yùn)輸效率、搶險(xiǎn)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(dòng)特性

為了提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性、靈活性，對(duì)煤礦搬運(yùn)錨桿車輛四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)性，如圖1所示，對(duì)于車輛前輪轉(zhuǎn)向或后輪轉(zhuǎn)向時(shí)，車輛的運(yùn)動(dòng)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(shí)，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(dòng)力學(xué)特性

煤礦車輛的行駛方向發(fā)生改變時(shí)，輪胎受到側(cè)向力的作用如圖2所示。在其運(yùn)動(dòng)過(guò)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(gè)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(kù)侖摩擦定律，車輛在行駛過(guò)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(jì)

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(dòng)油缸、防爆控制器等對(duì)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(jì)

駕駛員操作車輛方向盤時(shí)，方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)到某一個(gè)角度，與方向盤相連接的非接觸式編碼器也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，此時(shí)電控單元將擺動(dòng)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(kāi)度，輸出相應(yīng)大小和方向的流量，從而使擺動(dòng)油缸開(kāi)始執(zhí)行轉(zhuǎn)向指令，直到輸出值和輸入值的差值為0時(shí)，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(shí)控制流量也變?yōu)?，轉(zhuǎn)向擺動(dòng)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(dòng)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(guò)程中壓差約為2.5 MPa，負(fù)載敏感閥初始?jí)毫υO(shè)定600 N，變量活塞缸彈簧初始?jí)毫υO(shè)定為720 N，勁度系數(shù)設(shè)置為10 N/mm，節(jié)流閥開(kāi)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(guò)濾器 3.負(fù)載敏感多路閥 4.螺旋擺動(dòng)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(kāi)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(kāi)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(kāi)度成一定的比例關(guān)系;負(fù)載敏感閥閥芯的移動(dòng)使變量油缸的活塞發(fā)生移動(dòng)，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(guò)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(duì)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(hào)設(shè)定為：給定方向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)如圖8所示，時(shí)間為0時(shí)給方向盤180°的階躍輸入信號(hào)，仿真時(shí)間3 s，仿真步長(zhǎng)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(guò)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(jì)效果。

四輪轉(zhuǎn)向模式仿真信號(hào)設(shè)定為：給定方向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)如圖10所示，0～3 s時(shí)給方向盤向左的斜坡輸入信號(hào)，仿真時(shí)間3 s，仿真步長(zhǎng)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(jì)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(hào)

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

后輪轉(zhuǎn)向模式仿真信號(hào)設(shè)定為：給定方向盤向左的轉(zhuǎn)角信號(hào)如圖12所示，0時(shí)給方向盤180°的階躍輸入信號(hào)，仿真時(shí)間3 s，仿真步長(zhǎng)設(shè)置為0.01 s。仿真結(jié)果如圖13所示，左右后輪經(jīng)過(guò)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(hào)

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

圖12 轉(zhuǎn)向輸入信號(hào)

1.左后輪 2.右后輪 3.左/右前輪圖13 后輪轉(zhuǎn)向時(shí)擺動(dòng)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(wú)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(dòng)剎車等工況對(duì)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(shí)，測(cè)試車輛行駛時(shí)前輪轉(zhuǎn)向、后輪轉(zhuǎn)向、四輪轉(zhuǎn)向4個(gè)工況的轉(zhuǎn)向性能。輪胎轉(zhuǎn)角通過(guò)加裝編碼器測(cè)得，油缸位移通過(guò)油缸內(nèi)置位移傳感器測(cè)得，油缸壓力通過(guò)壓力傳感器測(cè)得。

圖14 樣車試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖15為前輪轉(zhuǎn)向時(shí)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(cè)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(shí)，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(shí)，實(shí)際值與理論值誤差最大為6.8%。

圖15 前輪轉(zhuǎn)向時(shí)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(guò)對(duì)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(jì)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(duì)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(shí)性。通過(guò)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(duì)其他車輛的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。