一種適用于煤礦井下整體式支架搬運(yùn)車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

王娜

(山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

支架搬運(yùn)車作為能將煤礦支護(hù)用液壓支架長距離運(yùn)輸?shù)闹髁囆?，在煤礦應(yīng)用十分廣泛，尤其在搬家倒面過程中起著極其重要的作用。因礦井路面寬度有限，現(xiàn)有絕大部分支架搬運(yùn)車均設(shè)計(jì)為鉸接結(jié)構(gòu)[1]，前、后機(jī)架通過銷軸鉸接，后機(jī)架為U型框架，支架裝入U(xiǎn)型框架，通過提升機(jī)構(gòu)進(jìn)行提升，最終實(shí)現(xiàn)支架的運(yùn)輸。但隨著科技的進(jìn)步，煤層采高的不斷增加，支護(hù)支架已然從最初的30 t級發(fā)展到100 t級左右，支架噸位的增大導(dǎo)致其外形尺寸也隨著變大。受此影響，支架搬運(yùn)車因整車外形尺寸的增大，井下通過能力持續(xù)降低?，F(xiàn)80 t級支架搬運(yùn)車的轉(zhuǎn)彎半徑已發(fā)展到8.6 m以上，而煤礦井下大巷有效路面寬度約5 m左右，且因支架重量增加，導(dǎo)致支架搬運(yùn)車整車重心后移，行駛過程中，尤其上坡路段，支架搬運(yùn)車前輪附著力不足的缺陷日益凸顯，若增加配重，不僅增加支架搬運(yùn)車整車外形尺寸，降低其通過性能[2-3]，且會(huì)嚴(yán)重影響支架搬運(yùn)車的輪胎磨損、能源消耗等，增加其運(yùn)行成本。因此，提高支架搬運(yùn)車轉(zhuǎn)彎性能十分必要。

1 整體式支架搬運(yùn)車轉(zhuǎn)彎性能較差原因分析

整體式支架搬運(yùn)車前機(jī)架與后機(jī)架通過鎖銷等連接方式直接相連。前機(jī)架緊湊布置動(dòng)力及輔助裝置，整機(jī)長度小，裝載支架后整車重心位置較為居中，能較好地避免“翹頭”現(xiàn)象。但因其無鉸接連接，整機(jī)轉(zhuǎn)彎性能較差，合理的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)是保證整體式支架搬運(yùn)車的通過性能及操控穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。

2 整體式支架搬運(yùn)車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案選擇

整體式支架搬運(yùn)車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)使整車通過巷道抹角時(shí)，具有較好的通過性能；整車高速行駛時(shí)，具有較好的操縱穩(wěn)定性能；支架裝卸時(shí)，車尾姿態(tài)可進(jìn)行調(diào)節(jié)，方便支架裝卸到位。因此，全輪轉(zhuǎn)向?yàn)槔硐脒x擇[4]，全自動(dòng)全輪轉(zhuǎn)向分為電控電子全輪轉(zhuǎn)向和電控液壓全輪轉(zhuǎn)向，電控電子全輪常用于輕型車輛。電控液壓全輪轉(zhuǎn)向若想保證整車高速行駛時(shí)的穩(wěn)定性，一般需要加設(shè)轉(zhuǎn)向鎖止裝置[5-6]，成本較高，且需考慮液壓泄露補(bǔ)償?shù)榷喾矫嬉蛩豙7]，元部件較多，需要裝配空間較大，不利于整車的精簡布置。綜合考慮全輪轉(zhuǎn)向使用頻率、系統(tǒng)可靠性、使用及維護(hù)成本、整車整體尺寸控制等因素，采用半自動(dòng)全輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)較為合理。

3 半自動(dòng)全輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 半自動(dòng)全輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

半自動(dòng)全輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將整體式支架搬運(yùn)車轉(zhuǎn)向分為主、副轉(zhuǎn)向系統(tǒng)兩部分，分別通過駕駛員控制主、副轉(zhuǎn)向器實(shí)現(xiàn)。主轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制前輪轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)基本轉(zhuǎn)向功能；副轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用于主轉(zhuǎn)向器極限位置時(shí)，整車轉(zhuǎn)向能力的補(bǔ)充及裝卸支架時(shí)整車姿態(tài)的調(diào)整，通過駕駛員操作副轉(zhuǎn)向器激活，駕駛員同時(shí)操作主、副轉(zhuǎn)向器，結(jié)合控制器中輸入的控制策略，實(shí)現(xiàn)前后輪的全輪轉(zhuǎn)向；駕駛員單獨(dú)操作副轉(zhuǎn)向器，還可實(shí)現(xiàn)后輪的單獨(dú)轉(zhuǎn)向，方便裝卸支架時(shí)整車狀態(tài)的調(diào)整。半自動(dòng)全輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中還設(shè)置了雙向液壓鎖，以防止外力作用下后輪轉(zhuǎn)向的誤動(dòng)作，影響整車行駛穩(wěn)定性。綜上，該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)主轉(zhuǎn)向器控制前輪單獨(dú)轉(zhuǎn)向，主、副轉(zhuǎn)向器控制全輪轉(zhuǎn)向及副轉(zhuǎn)向器后輪單獨(dú)轉(zhuǎn)向3種狀態(tài)，具體原理如圖1所示。

1-副轉(zhuǎn)向器;2-角度傳感器;3-控制中心;4-液壓油缸;5-雙向液壓鎖;6-電液比例閥;7-主轉(zhuǎn)向器;8-動(dòng)力液壓泵。圖1 半自動(dòng)全輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理

半自動(dòng)全輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由主、副轉(zhuǎn)向器，角度傳感器、控制中心、液壓油缸、雙向液壓鎖、電液比例閥、動(dòng)力液壓泵等組成[8-10]。主、副轉(zhuǎn)向器用于駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作，各個(gè)轉(zhuǎn)向輪上設(shè)置角度傳感器，負(fù)責(zé)各輪轉(zhuǎn)向角度的實(shí)時(shí)測定，并將角度數(shù)據(jù)傳送給控制中心，控制中心根據(jù)已輸入控制策略，結(jié)合角度傳感器傳遞的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過對電液比例閥進(jìn)行控制，駕駛員對副轉(zhuǎn)向器輸入的轉(zhuǎn)向角度進(jìn)行補(bǔ)償和限制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整車的全輪平穩(wěn)轉(zhuǎn)向。

3.2 副轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向控制策略研究

前后輪同時(shí)轉(zhuǎn)向的方式有多種控制方式，包括前后輪轉(zhuǎn)角正比控制、前后輪轉(zhuǎn)向力正比控制、與橫擺角速度成正比的后輪轉(zhuǎn)向控制等。結(jié)合前后輪數(shù)據(jù)采集模式及使用工況，本文選用與前輪轉(zhuǎn)角為正比的后輪轉(zhuǎn)向控制。通過調(diào)整前后輪轉(zhuǎn)角的比例系數(shù)，使整車全輪轉(zhuǎn)向時(shí)，質(zhì)心側(cè)偏角為零，保證整車的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向。

如圖2所示，以車輛質(zhì)心P為原點(diǎn)，車身方向?yàn)閤軸建立直角坐標(biāo)系，建立整車運(yùn)動(dòng)方程，其中，βf1,βf2,βr1,βr2為前后輪胎側(cè)偏角；Yf1,Yf2,Yr1,Yr2為作用于前后輪胎的側(cè)偏力。

圖2 整車平面運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系

整體式支架搬運(yùn)車需適應(yīng)煤礦井下復(fù)雜路況，因此多采用聚氨酯或橡膠實(shí)芯輪胎，根據(jù)其材質(zhì)性質(zhì)，其在輪胎側(cè)向力作用下，側(cè)偏角產(chǎn)生非常小，因此，作用于輪胎的側(cè)偏力可近似認(rèn)為與輪胎航向垂直。

由此可得，整車側(cè)向運(yùn)動(dòng)方程：

(1)

式中：m為車輛的慣性質(zhì)量，kg；V為車速，km/h；β為車輛質(zhì)心側(cè)偏角，(°)；r為回轉(zhuǎn)半徑，m。

其中：

(2)

(3)

式中：Kf,Kr為輪胎側(cè)偏剛度；lf,lr為前后軸線中心距離車輛質(zhì)心的直線距離，m；δf,δr為前后輪實(shí)際轉(zhuǎn)角，(°)。

(4)

(5)

控制中心根據(jù)角度傳感器反饋所得前后輪轉(zhuǎn)角，進(jìn)行計(jì)算后，將其比值與設(shè)定k值進(jìn)行對比，以此來決定對后輪轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制或者補(bǔ)償。

3.3 副轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向控制模式

半自動(dòng)全輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，液壓泵通過分流塊將油液傳至主轉(zhuǎn)向器及2個(gè)前轉(zhuǎn)向油缸，控制前軸轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)主轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向功能，同時(shí)2個(gè)前轉(zhuǎn)向油缸兩側(cè)腔體相互連通，保證兩輪轉(zhuǎn)向角度一致。駕駛員不操作副轉(zhuǎn)向器時(shí)，雙向液壓鎖關(guān)閉，后輪轉(zhuǎn)向油缸壓力不變，輔助后輪在受外力或其它狀態(tài)下仍保持平衡狀態(tài)。

駕駛員單獨(dú)操作副轉(zhuǎn)向器，可實(shí)現(xiàn)后輪的單獨(dú)轉(zhuǎn)向。同時(shí)，后輪轉(zhuǎn)向油缸兩側(cè)腔體相互連通，保證兩輪轉(zhuǎn)向角度的一致。

駕駛員同時(shí)操作主、副轉(zhuǎn)向器，可實(shí)現(xiàn)整車的全輪轉(zhuǎn)向，后輪的轉(zhuǎn)向角度由控制中心最終控制。控制中心根據(jù)既定的控制策略，結(jié)合對后輪實(shí)際轉(zhuǎn)向角度的采集，對后輪轉(zhuǎn)向角進(jìn)行補(bǔ)償或者限制，實(shí)現(xiàn)整車全輪的平穩(wěn)轉(zhuǎn)向。整車轉(zhuǎn)向控制流程如圖3所示。

圖3 整車轉(zhuǎn)向控制流程

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種適合于煤礦井下整體式支架搬運(yùn)車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)置主、副兩個(gè)轉(zhuǎn)向器來實(shí)現(xiàn)整車的轉(zhuǎn)向。主、副轉(zhuǎn)向器的啟動(dòng)通過駕駛員的輸入進(jìn)行激活。整車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)前輪單獨(dú)轉(zhuǎn)向，前、后輪“八字”轉(zhuǎn)向及后輪單獨(dú)轉(zhuǎn)向3種功能。既解決了特殊工況下整車轉(zhuǎn)彎的靈活性，又可在支架搬運(yùn)車雙向駕駛或者裝卸支架時(shí)單獨(dú)進(jìn)行后輪轉(zhuǎn)向，以調(diào)整整車的姿態(tài)。同時(shí)，副轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還通過雙向鎖止閥進(jìn)行了隔離，防止整車受到外力后的誤動(dòng)作，保證整車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可使整體式支架搬運(yùn)車更好地適應(yīng)煤礦井下運(yùn)行條件，對推進(jìn)整體式支架搬運(yùn)車的批量應(yīng)用具有重要的意義。