礦用梭車用梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)研究及應(yīng)用

陳慶賀

1中國煤炭科工集團(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

礦山井下物料運輸車輛多采用前、后車體鉸接聯(lián)接，前輪和后輪分別支撐前、后車體，車體左右兩側(cè)分別有一根轉(zhuǎn)向液壓缸連接；前輪轉(zhuǎn)向的同時，在轉(zhuǎn)向液壓缸的推動下，后輪帶動后車體繞鉸接點轉(zhuǎn)向。此結(jié)構(gòu)較為簡單，易于實現(xiàn)；缺點為后輪輪胎磨損嚴(yán)重，車輛整體尺寸較長，轉(zhuǎn)彎半徑大，僅適于在井下主巷道運行。

礦用梭車是一種往復(fù)穿梭在井下采掘巷道內(nèi)的運輸車輛，主要功能是將掘錨一體機(jī)或連續(xù)采煤機(jī)截割并收集的礦物轉(zhuǎn)運至給料破碎機(jī)或帶式輸送機(jī)處，完成物料的轉(zhuǎn)運[1-2]。礦山井下采掘巷道狹窄、巷道間轉(zhuǎn)彎抹角小，在滿足單程運輸量的前提下，礦用梭車需具備結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)彎半徑小等特點。梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)多應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，可減少輪胎磨損，實現(xiàn)全輪轉(zhuǎn)向，故將梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)應(yīng)用于礦用梭車，并對其轉(zhuǎn)向性能進(jìn)行了分析、驗證。

1 梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)組成及工作原理

根據(jù)礦用梭車車體排布，將梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計為一種反對稱式空間四連桿結(jié)構(gòu)的四輪同步全輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，如圖1 所示。梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)主要由上轉(zhuǎn)向臂、同步軸、轉(zhuǎn)向塊、轉(zhuǎn)向液壓缸、橫拉桿、縱拉桿、下轉(zhuǎn)向臂等組成。上、下轉(zhuǎn)向臂與輪邊減速器通過螺栓連接固定，輪胎固定在輪邊減速器上，輪邊減速器轉(zhuǎn)動輪胎轉(zhuǎn)向，各輪胎與地面視為鉸接，同步軸及轉(zhuǎn)向塊通過花鍵連接固定。橫拉桿 7 分別與下轉(zhuǎn)向臂Ⅰ9 和下轉(zhuǎn)向臂Ⅱ6 鉸接，橫拉桿 7、下轉(zhuǎn)向臂Ⅰ9 和輪邊減速器Ⅰ10、下轉(zhuǎn)向臂Ⅱ6 和輪邊減速器Ⅱ2、地面組成了一個梯形機(jī)構(gòu)。縱拉桿 8 分別與上轉(zhuǎn)向臂 1 和轉(zhuǎn)向塊 4 鉸接，縱拉桿、同步軸、轉(zhuǎn)向塊、上轉(zhuǎn)向臂及輪邊減速器構(gòu)成了空間四連桿結(jié)構(gòu)。

圖1 梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)Fig.1 Trapezoidal steering mechanism

當(dāng)轉(zhuǎn)向液壓缸 5 伸出時，另一轉(zhuǎn)向液壓缸回縮，同步軸 3 及轉(zhuǎn)向塊 4 順時針轉(zhuǎn)動，縱拉桿 8 牽動上轉(zhuǎn)向臂 1 向同步軸 3 及轉(zhuǎn)向塊 4 位置方向運動，同時反對稱位置的縱拉桿推動上轉(zhuǎn)向臂，向遠(yuǎn)離同步軸及轉(zhuǎn)向塊位置的方向運動；由于上轉(zhuǎn)向臂 1、下轉(zhuǎn)向臂Ⅰ9 均固定于輪邊減速器Ⅰ10 上，故上轉(zhuǎn)向臂 1 的運動同步驅(qū)動下轉(zhuǎn)向臂Ⅰ9 一起移動；通過橫拉桿 7 的力學(xué)傳遞，下轉(zhuǎn)向臂Ⅱ6 轉(zhuǎn)動驅(qū)動輪邊加速器Ⅱ2 作同方向運動，從而完成了車輛一個方向的轉(zhuǎn)向。同理，轉(zhuǎn)向液壓缸 5 回縮，另一轉(zhuǎn)向液壓缸伸出，車輛可完成另一方向的轉(zhuǎn)向。

2 梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計要素

依據(jù) Ackermann 轉(zhuǎn)向理論，車輛轉(zhuǎn)向時，為了減少輪胎磨損及行駛阻力，各車輪應(yīng)垂直于地面，且所有車輪的中軸線延長線須交于一點，如圖2 所示，從而實現(xiàn)車輛在轉(zhuǎn)向時車輪均處于純滾動狀態(tài)[3]，內(nèi)外側(cè)車輪的轉(zhuǎn)向角度須滿足以下關(guān)系。

圖2 四輪轉(zhuǎn)向車輛的 Ackermann 轉(zhuǎn)向理論Fig.2 Ackermann steering theory of four-wheel steering vehicle

式中：α為外側(cè)輪胎轉(zhuǎn)向角度，α=14.6°；β為內(nèi)側(cè)輪胎轉(zhuǎn)向角度，β=24.5°；B為回轉(zhuǎn)銷中心距，B=2.8 m；L為輪距的一半，L=1.7 m。

2.1 同側(cè)車體兩車輪轉(zhuǎn)向角度絕對值差

車輛轉(zhuǎn)彎過程中，車體會受到一個由回轉(zhuǎn)中心向外的離心力，輪胎與地面的側(cè)向摩擦力與之平衡。由汽車動力學(xué)理論可知輪胎具有側(cè)偏性，轉(zhuǎn)向時輪胎所受側(cè)向力的作用點不在輪胎中軸線上，而是偏后于車輛行駛方向。車輪受到了回轉(zhuǎn)力矩，具體表現(xiàn)為：前輪轉(zhuǎn)向不足，后輪轉(zhuǎn)向過度[4]，如圖3 所示。O1為內(nèi)側(cè)輪胎理論回轉(zhuǎn)中心；O2為外側(cè)輪胎理論回轉(zhuǎn)中心；O0為車輛實際回轉(zhuǎn)中心；θ1、θ2分別為內(nèi)、外側(cè)輪胎的強(qiáng)制側(cè)偏角。

圖3 四輪轉(zhuǎn)向車輛輪胎強(qiáng)制側(cè)偏角Fig.3 Forced sideslip angle of tire for four-wheel steering vehicle

車輛轉(zhuǎn)彎時，同側(cè)車體前后車輪實際轉(zhuǎn)向角度均有差異，導(dǎo)致一個車輪滾動，另一個車輪出現(xiàn)滾動+滑移現(xiàn)象，加劇輪胎磨損。所以在車輛轉(zhuǎn)向時，應(yīng)確保同側(cè)車體兩車輪中軸線交于一點，即同側(cè)車體兩車輪轉(zhuǎn)向角度的絕對值應(yīng)盡量小，從而減小輪胎磨損，提高礦用梭車的適用性。

2.2 Ackermann 轉(zhuǎn)角校正率

若車輛同軸內(nèi)外側(cè)車輪轉(zhuǎn)向角度完全依照 Ackermann 轉(zhuǎn)向原理設(shè)計，則車輛轉(zhuǎn)彎半徑較大，適用性差。另外，輪胎磨損速率與輪胎強(qiáng)制側(cè)偏角的平方至四次方成正比關(guān)系，具體取決于輪胎強(qiáng)度、地面狀況、車輪定位參數(shù)等因素[5]。所以需對 Ackermann 轉(zhuǎn)角進(jìn)行適當(dāng)校正，控制各輪胎強(qiáng)制側(cè)偏角不宜過大，且趨于一致，保證各輪胎磨損速率趨于相同。美國米其林公司應(yīng)用汽車操縱模擬軟件得出 Ackermann 轉(zhuǎn)角校正率為 73%～93% 時[5]，車輛內(nèi)外車輪強(qiáng)制側(cè)偏角趨于一致，輪胎磨損最小。Ackermann 轉(zhuǎn)角校正率

式中：θ內(nèi)為內(nèi)側(cè)輪胎實際轉(zhuǎn)角，(°)；θ外為外側(cè)輪胎實際轉(zhuǎn)角，(°)；θ外理論為外側(cè)輪胎理論轉(zhuǎn)角，(°)。

3 轉(zhuǎn)向分析與實際對比

按設(shè)計參數(shù)建立梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)仿真模型，如圖4 所示。設(shè)定同步軸及轉(zhuǎn)向塊為固定副，上轉(zhuǎn)向臂、下轉(zhuǎn)向臂分別與輪胎為固定副，橫拉桿、縱拉桿分別與各轉(zhuǎn)向臂間為球鉸接副，轉(zhuǎn)向液壓缸與轉(zhuǎn)向塊間為圓柱副，根據(jù)液壓系統(tǒng)參數(shù)計算，并給定轉(zhuǎn)向液壓缸對轉(zhuǎn)向塊的驅(qū)動力，然后進(jìn)行仿真分析。

圖4 梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)仿真模型Fig.4 Simulation model of trapezoidal steering mechanism

應(yīng)用仿真分析軟件，設(shè)置運動時間及步數(shù)，解算得到隨轉(zhuǎn)向液壓缸行程變化各車輪的理論偏轉(zhuǎn)角度。車輪轉(zhuǎn)角的仿真分析曲線如圖5 所示。橫坐標(biāo)為 2 個轉(zhuǎn)向液壓缸在一個轉(zhuǎn)向周期內(nèi)的行程，縱坐標(biāo)為 4 個車輪在一個轉(zhuǎn)向周期內(nèi)的轉(zhuǎn)向角度。以圖5 中間位置曲線交點為原點，將平面曲線分為 4 個部分，以左上方區(qū)域為第一象限，按照逆時針方向旋轉(zhuǎn)，依次為第二象限、第三象限和第四象限。在第一象限、第三象限，實線為內(nèi)側(cè)前輪轉(zhuǎn)向角度、虛線代表外側(cè)前輪轉(zhuǎn)向角度；在第二象限和第四象限，實線為內(nèi)側(cè)后輪轉(zhuǎn)向角度、虛線為外側(cè)后輪轉(zhuǎn)向角度；區(qū)間原點代表2 個轉(zhuǎn)向液壓缸行程相同、4 個車輪處于平行狀態(tài)，車輪轉(zhuǎn)角最大時，車輛的轉(zhuǎn)彎半徑最小。由圖5 可以看出，曲線基本對稱，同側(cè)車輪轉(zhuǎn)角絕對值趨于相同，轉(zhuǎn)角變化平滑均勻、無突變，符合梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計要求。

圖5 車輪轉(zhuǎn)角仿真分析Fig.5 Simulation analysis of wheel angle

經(jīng)過對礦用梭車左前車輪轉(zhuǎn)角實際應(yīng)用測試，得出理論分析轉(zhuǎn)角與實際測試轉(zhuǎn)角對比曲線，如圖6 所示。由圖6 可以看出，實際測試轉(zhuǎn)角變化曲線與理論分析轉(zhuǎn)角變化曲線基本重合，說明 Ackermann 轉(zhuǎn)角校正率合理，車輪滑移量小，在保證轉(zhuǎn)彎半徑的前提下，可有效減少車輪磨損和行駛阻力；由于輪胎具有側(cè)偏特性，轉(zhuǎn)彎過程中存在轉(zhuǎn)向過度現(xiàn)象，導(dǎo)致車輪在最大轉(zhuǎn)角處實際測試轉(zhuǎn)角較理論分析轉(zhuǎn)角大 1.5°。聚氨酯填充輪胎不僅可以增強(qiáng)輪胎的耐磨性，而且可以提高輪胎的側(cè)偏剛度。

圖6 車輪理論轉(zhuǎn)角與實際轉(zhuǎn)角對比曲線Fig.6 Comparison curve between theoretical and actual wheel rotation angles

4 結(jié)語

將梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)引入并應(yīng)用于礦用梭車，同時對其轉(zhuǎn)向性能進(jìn)行仿真分析及驗證，通過掌握其結(jié)構(gòu)要點、設(shè)計要素并進(jìn)行合理應(yīng)用，解決了礦用梭車全輪轉(zhuǎn)向及輪胎壽命問題。目前該礦用梭車在國內(nèi)陜煤集團(tuán)、榆神集團(tuán)、國能集團(tuán)及老撾鉀巖礦等均有實際應(yīng)用，運煤效率有了較大提升，整車壽命長、運行穩(wěn)定可靠、性價比較高。梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的成功應(yīng)用，對我國礦山井下運輸車輛轉(zhuǎn)向技術(shù)發(fā)展具有一定的推進(jìn)作用。