礦用液壓驅(qū)動(dòng)行走系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)*

馬艷衛(wèi)

(山西天地煤機(jī)裝備有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

礦用液壓驅(qū)動(dòng)車作為井下運(yùn)輸液壓支架的主要設(shè)備，具有快速、靈活、高效的特點(diǎn)，已在生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。為方便液壓支架的裝卸，采用了框架式結(jié)構(gòu)，這使得傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式不能適用于目前的車輛，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了液壓驅(qū)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)具有無級調(diào)速和布局靈活的特點(diǎn)。通過分流閥確保同側(cè)驅(qū)動(dòng)輪的同步性。車輛鉸接處安裝有比例減壓閥,車輛轉(zhuǎn)向時(shí)對內(nèi)外側(cè)液壓馬達(dá)實(shí)現(xiàn)差速控制，減小車輛的轉(zhuǎn)向半徑，更符合煤礦井下巷道的使用條件。此外,液壓驅(qū)動(dòng)本身還具有制動(dòng)功能，在減小油門時(shí)車輛本身帶有制動(dòng)效果。在使用過程中，液壓驅(qū)動(dòng)車的輪胎出現(xiàn)過度磨損，縮短了輪胎的使用壽命，增加了使用、維修成本。為解決出現(xiàn)的問題，對輪胎磨損的原因進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的解決方案。

1 輪胎磨損原因分析

液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理如圖1所示。液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由閉式變量柱塞泵、驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、沖洗閥和控制手柄等組成。通過操作控制手柄，達(dá)到控制閉式變量柱塞泵斜盤擺角的目的，從而實(shí)現(xiàn)車輛的前進(jìn)和后退。通過控制發(fā)動(dòng)機(jī)油門，改變發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)控制車輛行走速度的目的。閉式變量柱塞泵本身還集成了一個(gè)內(nèi)嚙合的齒輪泵，即補(bǔ)油泵。其主要功能是：向液壓系統(tǒng)補(bǔ)充柱塞泵和行走馬達(dá)的泄漏油液，同時(shí)將冷油補(bǔ)進(jìn)系統(tǒng)，降低系統(tǒng)溫度；給控制手柄提供壓力油，控制車輛的行走方向；增加液壓系統(tǒng)回油路的背壓，同時(shí)增加主泵進(jìn)油口處壓力，防止大流量時(shí)產(chǎn)生氣蝕，可有效地防止泵吸空[1-2]。

1-閉式變量柱塞泵; 2-補(bǔ)油泵; 3-沖洗閥; 4-驅(qū)動(dòng)馬達(dá); 5-控制手柄。

通過跟蹤液壓驅(qū)動(dòng)車在井下的實(shí)際運(yùn)行情況發(fā)現(xiàn)，車輛下坡過程中，在慣性的作用下，車速越來越快。這時(shí)駕駛員一般會(huì)直接松油門，快速踩下制動(dòng)踏板。這種情況下經(jīng)常出現(xiàn)車輛的兩個(gè)后輪倒轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。車輛自重40 t，載重40 t，滿載條件下車速為18 km/h。由于煤礦井下的巷道受地質(zhì)條件的限制，常會(huì)有坡度在10°以上的下坡路段，滿載的重型液壓驅(qū)動(dòng)車在這樣的下坡路段上行駛時(shí)，在重力分量的作用下，車速會(huì)越來越快。此外，駕駛員會(huì)松油門緊急制動(dòng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速瞬間降到怠速狀態(tài)，閉式變量柱塞泵排量緊跟著也會(huì)驟降。而在慣性作用下，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)仍有做高速運(yùn)轉(zhuǎn)的趨勢。但因閉式變量柱塞泵排量突然變小，所以在驅(qū)動(dòng)馬達(dá)到閉式變量柱塞泵的回油路中形成高壓,阻止驅(qū)動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，最終通過輪胎倒轉(zhuǎn)的形式將壓力釋放出來。輪胎倒轉(zhuǎn)會(huì)引起液壓驅(qū)動(dòng)車擺尾、方向難以控制等危險(xiǎn)情況[3-4]。

2 液壓系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)

2.1 改進(jìn)原理

根據(jù)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)到閉式變量柱塞泵的回油路中形成高壓阻止驅(qū)動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)的情況，可以提前降低或釋放這個(gè)壓力，通過在馬達(dá)的進(jìn)、出油口設(shè)置液壓閥來實(shí)現(xiàn)。由伯努利方程：

(1)

(2)

式中，Cv為流經(jīng)閥孔液壓油的速度系數(shù);Δp為流經(jīng)閥孔液壓油的壓差。由此,流經(jīng)閥孔的流量為：

(3)

式中:A0為閥孔的截面積;Cc為此截面積的收縮系數(shù)；Cd為流量系數(shù)。

根據(jù)以上公式，可以計(jì)算出馬達(dá)Ma、Mb口設(shè)置閥孔的流量，這是選擇液壓閥的重要依據(jù)[5]。

2.2 調(diào)整驅(qū)動(dòng)馬達(dá)進(jìn)、出油口壓力

在驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的進(jìn)出油路中分別增加一組單向閥和液控?fù)Q向閥，通過控制手柄前進(jìn)后退操作，控制液控?fù)Q向閥換向，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)Ma、Mb油路直接連通，使框架行走時(shí)的回油背壓卸荷，見圖2。同時(shí)還增加單向閥使得液壓驅(qū)動(dòng)車正常行駛時(shí)高壓油不能直接進(jìn)入低壓回油路，確保了車輛的正常運(yùn)行。

1-閉式變量柱塞泵; 2-補(bǔ)油泵; 3-沖洗閥; 4-驅(qū)動(dòng)馬達(dá); 5-控制手柄; 6、8-液控?fù)Q向閥; 7、9-單向閥。

驅(qū)動(dòng)馬達(dá)自由輪狀態(tài)的液壓系統(tǒng)原理如下：當(dāng)液壓驅(qū)動(dòng)車控制手柄前進(jìn)操作時(shí)，控制閉式變量柱塞泵斜盤變化，使得Ma油路為高壓油路，Mb油路為回油路；同時(shí),控制手柄的換向操作提供的高壓油液,使得液控?fù)Q向閥6換向，此時(shí)Ma油路中的油液壓力高于Mb油路中的油液，單向閥7和液控?fù)Q向閥8均處于關(guān)閉狀態(tài)，確保Ma、Mb油路不相通。

當(dāng)液壓驅(qū)動(dòng)車在下坡路段高速運(yùn)行時(shí)，在松油門、踩剎車的操作下，閉式變量柱塞泵的排量減小，泵的輸出流量下降，而馬達(dá)在車輛慣性作用下轉(zhuǎn)速反而增加。因此,會(huì)在Mb油路中形成較高的背壓，而Ma油路壓力逐步降低。當(dāng)Mb油路壓力高于Ma油路壓力時(shí)，Mb處高壓油液會(huì)通過液控?fù)Q向閥6和單向閥7進(jìn)入Ma油路，使驅(qū)動(dòng)馬達(dá)處于自由狀態(tài)，消除液壓驅(qū)動(dòng)在回油路建立的高壓[6-7]。

2.3 增加驅(qū)動(dòng)馬達(dá)回油背壓

在Ma、Mb油路分別增加一組溢流閥和液控?fù)Q向閥,用于卸載液壓驅(qū)動(dòng)車行走時(shí)回油的背壓至補(bǔ)油回路,消除松油門、踩剎車制動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)輪胎倒轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。圖3為驅(qū)動(dòng)馬達(dá)背壓側(cè)改進(jìn)液壓系統(tǒng)原理圖。

1-閉式變量柱塞泵; 2-補(bǔ)油泵; 3-沖洗閥; 4-驅(qū)動(dòng)馬達(dá); 5-控制手柄; 6、8-液控?fù)Q向閥; 7、9-溢流閥。

工作原理如下：首先給溢流閥預(yù)設(shè)一定的壓力。控制手柄控制液壓驅(qū)動(dòng)車前進(jìn)時(shí)，Ma為高壓，Mb為低壓回油路；同時(shí),控制手柄的換向操作提供的高壓油液,使得液控?fù)Q向閥6換向。閉式變量柱塞泵驅(qū)動(dòng)車輛行走時(shí)，Ma油壓高于Mb油壓。即使在溢流閥7工作時(shí)，液控?fù)Q向閥8不動(dòng)作，仍處于截止?fàn)顟B(tài)，Ma處高壓油不能進(jìn)入補(bǔ)油路。因此,高壓油只能流入驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，車輛保持前行。

當(dāng)液壓驅(qū)動(dòng)車在下坡路段高速運(yùn)行時(shí)，在突然松油門、踩剎車的操作下，閉式柱塞泵排量迅速減小，其吸油量也相應(yīng)地迅速減小，而驅(qū)動(dòng)馬達(dá)在車輛慣性作用下仍做高速運(yùn)轉(zhuǎn)，仍有大量的油液流回閉式變量柱塞泵的吸油口處，會(huì)在Mb回油路中形成高壓。而Ma油路得不到油液,壓力而降低。當(dāng)Mb油路中的背壓高于溢流閥7的設(shè)定值時(shí)，Mb處高壓油會(huì)經(jīng)過換向閥8流入補(bǔ)油回路，從而避免了車輛輪胎倒轉(zhuǎn)。溢流閥7的壓力設(shè)定就要兼顧輪胎不會(huì)倒轉(zhuǎn)，又要確保馬達(dá)對車輛保持一定的反向液壓制動(dòng)力[8]。

3 裝機(jī)測試

為了確認(rèn)改進(jìn)后的使用效果，分別按照以上兩種方案對液壓驅(qū)動(dòng)車進(jìn)行了相應(yīng)的改造。試驗(yàn)狀態(tài)為液壓驅(qū)動(dòng)車在坡道高速行駛的狀態(tài)下突然松油門，踩剎車。通過測試改造后的控制系統(tǒng)到馬達(dá)之間的壓力流量變化，并與改造前測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證上述兩種方案是否達(dá)到預(yù)期效果。圖4為裝機(jī)測試技術(shù)路線。圖5為整車測試照片。

圖4 裝機(jī)測試技術(shù)路線

圖5 整車測試照片

采用進(jìn)口的HMG3000型液壓測試儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。首先,對改進(jìn)前的液壓驅(qū)動(dòng)車進(jìn)行了測量，結(jié)果如圖6所示。測量時(shí)，液壓驅(qū)動(dòng)車在坡道高速行駛的狀態(tài)下突然松油門，踩剎車。從圖6中可以看出,回油路壓力峰值最高位33 MPa，這是導(dǎo)致液壓驅(qū)動(dòng)車輪胎倒轉(zhuǎn)的主要原因。

圖6 改進(jìn)前液壓驅(qū)動(dòng)車回油路壓力曲線

圖7為增加液控?fù)Q向閥和單向閥后試驗(yàn)測得的壓力曲線。圖8為增加溢流閥和換向閥后試驗(yàn)測得的壓力曲線。根據(jù)圖7和圖8可知，與改進(jìn)前相比，回油壓力降低，不足以驅(qū)動(dòng)馬達(dá)倒轉(zhuǎn)[9-10]。

圖7 增加液控?fù)Q向閥和單向閥后試驗(yàn)測得的壓力曲線

圖8 增加溢流閥和換向閥后試驗(yàn)測得的壓力曲線

4 結(jié)語

在液壓驅(qū)動(dòng)車的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的Ma、Mb管路中安裝液控?fù)Q向閥和單向閥，或者安裝液控?fù)Q向閥和溢流閥。通過前進(jìn)后退控制手柄的操作實(shí)現(xiàn)了液控?fù)Q向閥的換向動(dòng)作，能夠避免在井下大坡度路面高速行駛的狀態(tài)下突然松油門、踩剎車導(dǎo)致的輪胎倒轉(zhuǎn)，以及由此引起的液壓驅(qū)動(dòng)車擺尾、方向難以控制等這些危險(xiǎn)情況，使液壓驅(qū)動(dòng)車在大坡度路面運(yùn)行得更平穩(wěn)。但試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)松油門、踩剎車制動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)變?yōu)樽杂蔂顟B(tài)，出現(xiàn)了液壓驅(qū)動(dòng)車制動(dòng)力消失的情況。這種改進(jìn)設(shè)計(jì)對液壓驅(qū)動(dòng)車的制動(dòng)系統(tǒng)提出了更高的要求。

液壓驅(qū)動(dòng)車的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中Ma、Mb管路中安裝液控?fù)Q向閥和溢流閥，不僅能減少車輛高速行駛過程中回油的沖擊壓力，還能使驅(qū)動(dòng)馬達(dá)保持一定的液壓制動(dòng)力。在井下實(shí)際使用中，車輛不再因輪胎倒轉(zhuǎn)而擺尾，使駕駛員的操作更加方便，更好地適應(yīng)了井下大坡度路面工況，得到了煤礦用戶的認(rèn)可。