電控電動(dòng)四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在煤礦井下防爆運(yùn)人車上的應(yīng)用

王娜

(1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006；2.山西天地煤機(jī)裝備有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

礦用防爆運(yùn)人車作為將人員從地面運(yùn)輸?shù)矫旱V井下的主要工具，在煤礦生產(chǎn)輔助運(yùn)輸中起著重要的作用。結(jié)合煤礦生產(chǎn)安排，每天平均利用人車運(yùn)輸人員入井2～3趟。目前運(yùn)人車多為19座及29座，轉(zhuǎn)向形式主要以前輪轉(zhuǎn)向?yàn)橹鳎\(yùn)行最高車速設(shè)計(jì)為25 km/h[1]。單純前輪轉(zhuǎn)向，整車轉(zhuǎn)彎半徑大，遇到巷道抹角、人車折返調(diào)頭等工況，消耗時(shí)間多，嚴(yán)重影響人車在井下的通行效率。電控四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在防爆人車上的應(yīng)用，能極大地提高整車通過性能，有效縮短人車往返運(yùn)行時(shí)間，提升人員運(yùn)輸效率，對(duì)煤礦人員輔助運(yùn)輸具有重要的意義。

1 防爆運(yùn)人車運(yùn)行現(xiàn)狀

1.1 防爆運(yùn)人車運(yùn)行現(xiàn)狀

防爆運(yùn)人車主要負(fù)責(zé)地面及煤礦井下之間人員的運(yùn)輸，其在井下主要行走于大巷及聯(lián)絡(luò)巷之間。國(guó)內(nèi)大部分煤礦大巷斷面寬度約為5.5 m，聯(lián)絡(luò)巷斷面寬度更小。而在用人車，以29座為例，常見29座人車整車長(zhǎng)度約為6.5 m，軸距從3.5 m到4.0 m不等，單一依靠前輪轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)彎半徑需達(dá)到8.0 m及以上。而現(xiàn)有巷道很難滿足人車8.0 m轉(zhuǎn)彎條件，人車在井下調(diào)頭困難。盡管大巷路面已硬化，但由于長(zhǎng)期運(yùn)行重型車輛，加之譬如煤矸石等各種雜物拋灑，巷道坑洼較多，路面情況比較惡劣。

1.2 前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

目前在用的防爆運(yùn)人車主要以前輪轉(zhuǎn)向?yàn)橹?。司機(jī)通過操縱方向盤，經(jīng)由轉(zhuǎn)向器和機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)控制轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)彎中心點(diǎn)位于前輪兩主銷延長(zhǎng)線與后輪中心線延長(zhǎng)線交點(diǎn)[2-3]，如圖1所示。轉(zhuǎn)彎半徑和軸距與整車長(zhǎng)度息息相關(guān)。

圖1 前輪轉(zhuǎn)向

2 電控電動(dòng)式四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

2.1 電控電動(dòng)四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

電控電動(dòng)四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以電控控制單元為核心，通過對(duì)前、后輪角度傳感器及速度傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行分析，控制單元按標(biāo)定控制策略對(duì)后橋轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)發(fā)送命令，實(shí)現(xiàn)四輪轉(zhuǎn)向[4-5],如圖2所示。電控電動(dòng)四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還設(shè)有反饋機(jī)制，通過對(duì)前、后輪實(shí)際轉(zhuǎn)角與控制策略中設(shè)定的轉(zhuǎn)角[6]進(jìn)行比較，進(jìn)而對(duì)實(shí)際轉(zhuǎn)向角進(jìn)行補(bǔ)償或控制，從而實(shí)現(xiàn)四輪動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向。

1-前輪轉(zhuǎn)角傳感器;2-前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu);3-前輪;4-方向盤;5-車速傳感器;6-橫擺角速度傳感器;7-電控控制單元;8-電機(jī);9-減速器;10-后輪;11-后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu);12-后輪轉(zhuǎn)角傳感器。圖2 電控電動(dòng)式四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

為保證電動(dòng)電控四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失效時(shí)整車的行駛安全，以及車速較高時(shí)整車的運(yùn)行平穩(wěn)性，電控電動(dòng)四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)都有鎖死功能，即在緊急或既定狀態(tài)下對(duì)后輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行鎖死，恢復(fù)原始單一前橋轉(zhuǎn)向功能。一般后橋?qū)χ墟i死通過液壓缸對(duì)中鎖死裝置進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

2.2 后橋?qū)χ墟i死裝置

后橋?qū)χ墟i死裝置對(duì)整車運(yùn)行安全性及穩(wěn)定性意義重大。鎖死機(jī)構(gòu)應(yīng)能在實(shí)現(xiàn)后橋轉(zhuǎn)向功能鎖死的前提下，保證兩后輪運(yùn)行方向及兩后輪與整車運(yùn)行方向的一致性。后橋?qū)χ墟i死機(jī)構(gòu)常通過液壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)。典型的后橋?qū)χ墟i死機(jī)構(gòu)有機(jī)械對(duì)中、機(jī)械鎖死或機(jī)械對(duì)中、液壓鎖死兩種形式，分別如圖3和圖4所示。將對(duì)中鎖死機(jī)構(gòu)兩端連接于后橋轉(zhuǎn)向連桿上，當(dāng)接收到后橋轉(zhuǎn)向鎖定信號(hào)后，對(duì)后橋轉(zhuǎn)向進(jìn)行鎖定。

1-缸體；2，3-油口，4-活塞桿；5，6-活塞；7-密封；8-缸蓋；9，10-耳環(huán)；11-凸臺(tái)；12-楔形口；13，14-左右油腔；15-活塞頭；16-控制腔體；17-缸體結(jié)合面；18-控制腔端蓋；19-油道；20-信號(hào)處理；21-彈簧體；22-透氣塞；23-控制腔結(jié)合面。圖3 機(jī)械對(duì)中、機(jī)械鎖死對(duì)中機(jī)構(gòu)示意圖

1-球銷；2-接頭體；3-活塞桿；4，8-左右油缸端蓋；5-缸體；6，7-左右浮動(dòng)活塞；P1，P2-油液通道；3a,5a-環(huán)形凸臺(tái)；A,B-左右油腔；C-中間油腔圖4 機(jī)械對(duì)中、液壓鎖死對(duì)中機(jī)構(gòu)示意圖

圖3機(jī)械對(duì)中、機(jī)械鎖死對(duì)中機(jī)構(gòu)[7]中，油缸活塞桿頭兩側(cè)采用浮動(dòng)活塞，轉(zhuǎn)向時(shí)可進(jìn)行滑動(dòng)。當(dāng)需要鎖定后橋轉(zhuǎn)向時(shí)，油缸活塞恢復(fù)中位，鎖死機(jī)構(gòu)通過彈簧推動(dòng)限位凸臺(tái)，使其正好卡于活塞桿頭凹槽之中，進(jìn)行機(jī)械鎖定。轉(zhuǎn)向時(shí)，限位凸臺(tái)又可通過彈簧進(jìn)行復(fù)位。

圖4機(jī)械對(duì)中、液壓鎖死對(duì)中機(jī)構(gòu)[8]與圖3對(duì)中機(jī)構(gòu)原理相似，后橋無(wú)需轉(zhuǎn)向時(shí)通過活塞兩側(cè)液體壓力平衡使活塞桿處于中位。但此類對(duì)中鎖死機(jī)構(gòu)對(duì)液壓壓力精度要求較高，液壓泄露會(huì)影響其可靠性[9]。因此，增加液壓泄露補(bǔ)償裝置會(huì)更為理想。

3 電控電動(dòng)四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在整車上的應(yīng)用

3.1 試驗(yàn)條件

本文在某煤礦對(duì)電控電動(dòng)四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在防爆運(yùn)人車上的應(yīng)用進(jìn)行了初步試驗(yàn)。該煤礦每天利用人車運(yùn)輸入井400～450人，巷道單程往返約24 km，巷道斷面為拱形，寬5.3 m，高3.9 m，斷面積21 m2左右。運(yùn)輸人員采用防爆29座人車。選用其中兩臺(tái)29座人車分別在原狀態(tài)及安裝電控電動(dòng)四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的狀態(tài)下進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)周期一個(gè)月。

3.2 試用效果

試驗(yàn)過程中，兩車均往返運(yùn)行55次，記錄每臺(tái)車每趟往返所需時(shí)間，取平均值，得其往返時(shí)間數(shù)據(jù)。兩車在地面進(jìn)行原地轉(zhuǎn)向試驗(yàn)，測(cè)其外轉(zhuǎn)彎半徑，取三次結(jié)果的平均值。防爆人車基本參數(shù)及最終試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可見，整車轉(zhuǎn)彎半徑明顯降低，極大地改善了整車的通過性能。整車通過性能的改善也節(jié)約了運(yùn)送人員所需的時(shí)間，提高了運(yùn)輸效率。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，若井口到工作面距離為12 km，加裝整車電控電動(dòng)四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)后，防爆運(yùn)人車一個(gè)往返要比之前節(jié)約10～20 min。

表1 試驗(yàn)結(jié)果分析

4 結(jié)論

電控電動(dòng)四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在煤礦井下防爆運(yùn)人車上的成功應(yīng)用，對(duì)煤礦人員輔助運(yùn)輸而言具有重要的意義，改善了整車的通過性能，提高了人員的運(yùn)輸效率，延長(zhǎng)了前輪胎的使用壽命，降低了整車的維護(hù)成本。