支架搬運車差速控制裝置的設計

安四元

(中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

支架搬運車是用于綜采工作面液壓支架整體下井、整體搬家、倒面作業的一種新型特種車輛。行走液壓系統作為支架搬運車的整車技術參數的重要組成部分，其性能直接決定了支架搬運車在行走過程中的操作品質以及穩定性和安全性[1-2]。

差速控制是支架搬運車閉式行走液壓系統最重要的組成部分，決定了車輛轉向特性和輪胎的使用壽命。支架搬運車在轉彎時，每側車輪轉速不同，兩側分別采用獨立驅動。如果控制不合適，就會造成左右兩側車速不同步，引起輪胎磨損，甚至出現安全事故。為了避免這個情況，設計了支架搬運車液壓驅動系統差速控制裝置，以提高車輛行駛的穩定性，使車輛在行駛過程中自動調節各驅動輪的行駛速度，驅動輪在行駛過程中始終和地面保持純滾動，達到自動控制差速的目的。

1 框架式支架搬運車液壓驅動系統原理

如圖1所示，煤礦井下支架搬運車的液壓驅動系統左右相互獨立，主要由先導控制閥1、凸輪2、先導控制閥3、液壓泵4和液壓馬達5組成。左右側液壓驅動系統都相同，中間通過凸輪組件相關聯。單側液壓泵4給單側液壓系統提供高壓油，馬達5由高壓油推動旋轉輸出動力，帶動車輪轉動。先導控制閥1為機械控制閥，通過凸輪2控制先導控制閥1閥芯的位移，改變輸出給先導控制閥3壓力控制油。先導控制閥3控制車輛的前進和后退[3-5]。

2 支架搬運車差速控制裝置設計

由于支架搬運車液壓驅動系統左右相互獨立，車輛在轉向時不容易實現差速，需設計差速控制裝置。支架搬運車在轉彎時，內側車輪轉速慢，外側車輪轉速快，由于車速快慢取決于液壓系統流量，所以在轉彎時外側系統流量大于內側系統流量，液壓系統流量等于發動機轉速與泵排量乘積，由于發動機轉速相對于左右兩側系統是一樣的，如果要實現差速，只能控制泵排量。基于上述分析理論，在系統中增加先導控制閥和凸輪機構來實現支架搬運車差速。其中凸輪的設計是支架搬運車差速控制裝置設計的重點和難點。

1-先導控制閥；2-凸輪；3-先導控制閥；4-液壓泵；5-液壓馬達

圖1支架搬運車液壓驅動系統原理圖

(a)

(b)

為了能夠準確地設計凸輪，將支架搬運車簡化成如圖2所示，框架式支架搬運車多數為鉸接式車輛，前機架為從動輪，后機架全為驅動輪，由于外側馬達1和3共用一個泵，內側馬達2和4共用另外一個泵，系統流量決定馬達轉速，現將后面4個馬達簡化為2個馬達，假設前機架輪間距d1，轉彎半徑為R3、R4，輪胎半徑r1，后機架輪間距d2，轉彎半徑為R1、R2，輪胎半徑為r2，O1O2長度為a，O2O3長度為b，OO3長度為c，外側系統流量Q1，馬達排量為q1，內側系統流量為Q2，內側馬達排量為q2，根據幾何三角形相似定理可以得出：

(1)

θ=α+β

(2)

由式(1)和式(2)得出：

(3)

(4)

(5)

式(4)、(5)中：vw為外車輪線速度，vn為內車輪線速度。

在理想情況下，車輪1和車輪2圍繞圓心O轉動，具有相同的角速度，得出：

(6)

(7)

假設內外側馬達排量相等,即q1=q2,外側系統流量大于內側系統流量，Q2=Q1-ΔQ，代入上式中得出：

(8)

對上式求微分、整理得出：

dQ=2Q1(b+acosθ)d2/[(a+bcosθ)2+

4d2(a+bcosθ)sinθ+d2sin2θ]dθ

(9)

式(9)是支架搬運車轉向角度與左右兩側系統流量差函數關系式，由于支架搬運車左右兩側液壓系統發動機轉速相同，兩個系統流量關系式即為左右兩側泵排量關系式[6-8]。

支架搬運車液壓驅動系統閉式泵控制方式為液壓先導控制，控制閉式泵的排量就可以通過改變先導控制壓力來控制兩個閉式泵的排量。這兩個先導控制壓力需要兩個機械控制閥提供，并且還需要一個機構實現上面公式得出的函數關系。該機構根據上述關系式以及機械控制閥壓力位移特性曲線得出，這兩個機械控制閥和凸輪構成了支架搬運車差速控制裝置。

表1 某型支架搬運車設計參數

差速控制裝置中凸輪將左右兩側獨立的液壓驅動系統連接起來，是個很關鍵的元部件，凸輪設計的好壞決定了車輛差速轉向控制性能，決定了車輛轉向時左右兩側車輪的協調性，表1是某型支架搬運車凸輪設計所需參數，將這幾個參數值代入公式(9)中，得出:

結合先導控制閥特性曲線設計出凸輪如圖3所示，凸輪是由1、2、3三段曲線弧生成的扇形結構，這三段弧形曲線決定了兩個先導控制閥頂桿伸出的位移。

1-凸輪弧線a；2-凸輪弧線b；3-凸輪弧線c

如圖4所示，液壓驅動系統中差速控制裝置主要包括兩個先導控制閥2和凸輪3，先導控制閥為普通的機械控制閥，將這兩個先導控制閥安裝在后機架1上，凸輪3裝在前機架5上，前后機架通過鉸接銷軸4連接。車輛在轉向時，凸輪跟隨前機架一起轉動，兩個先導控制閥隨著凸輪的轉動，其頂桿的位移發生變化，兩個先導控制閥的出口壓力也發生相應地變化，進而引起兩個液壓泵的排量發生變化，左右兩側的馬達實現了差速。

1-后機架；2-先導控制閥；3-凸輪；4-銷軸；5-前機架

3 結論

框架式支架搬運車液壓驅動系統差速控制裝置可有效地解決煤礦井下支架搬運車轉向時左右兩側車輪的差速問題，很好地滿足礦井下狹窄巷道車輛轉彎半徑小的要求。此外，該裝置為車輛輪胎的使用壽命提供了強有力的保障，隨著井下車輛的普及應用，該裝置對煤礦井下安全生產具有積極意義。