礦用窄型無軌車輛液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究*

陳利東

(中國煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司, 山西 太原 030006)

0 引言

目前煤礦井下無軌車輛的車身寬度普遍在2 m左右，僅用于煤礦大巷運(yùn)輸，在順槽巷道無法使用，導(dǎo)致物料轉(zhuǎn)運(yùn)效率低、工作強(qiáng)度大、安全性差。為實(shí)現(xiàn)快速高效掘進(jìn)，本文研發(fā)了一種窄型四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)緊湊、輸出扭矩大、質(zhì)量輕，能夠控制車輪完成大角度范圍內(nèi)迅速、準(zhǔn)確、安全、平穩(wěn)的轉(zhuǎn)向動(dòng)作，滿足無軌車輛在窄型順槽巷道和快速掘進(jìn)巷道內(nèi)運(yùn)行的要求，以提高機(jī)械化水平和運(yùn)輸效率。它是煤巷高效快速掘進(jìn)、鉆錨和巖巷一體化快速支護(hù)技術(shù)與裝備中必要的輔助配套設(shè)備[1-3]。

1 獨(dú)立液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

本文研究的礦用車輛液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)礦用車輛在狹小復(fù)雜地形下的靈活行駛和精準(zhǔn)控制。該液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用負(fù)載敏感回路對(duì)車輛進(jìn)行多種模式的轉(zhuǎn)向切換及高精度、高靈敏度的四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向控制。控制系統(tǒng)如圖1所示。方向盤上的轉(zhuǎn)向控制信號(hào)通過比例放大器，將放大的信號(hào)驅(qū)動(dòng)比例多路閥動(dòng)作，使液壓油驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向油缸動(dòng)作,轉(zhuǎn)向油缸驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向軸,使輪胎轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向軸上的轉(zhuǎn)角傳感器將輪胎轉(zhuǎn)向角度的反饋信號(hào)反饋到控制器，控制器將反饋信號(hào)與輸入信號(hào)形成閉環(huán)控制，使轉(zhuǎn)向油缸完成轉(zhuǎn)向動(dòng)作。

1-方向盤；2-轉(zhuǎn)向力矩模擬裝置；3-變量泵；4-轉(zhuǎn)角傳感器；5-控制器； 6-輪胎；7-位移傳感器；8-電液比例閥；9-轉(zhuǎn)向油缸。

2 液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理如圖2所示。通過控制負(fù)載敏感回路中的電液比例換向閥，可以精確控制每個(gè)車輪的轉(zhuǎn)向角度。通過控制器使四個(gè)車輪按照預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)向參數(shù)進(jìn)行獨(dú)立轉(zhuǎn)向，以滿足阿克曼轉(zhuǎn)向原理，從而避免寄生功率的產(chǎn)生和輪胎磨損。通過控制該液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)多種可切換轉(zhuǎn)向模式及四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向[4-5]。

1-負(fù)載敏感變量泵；2-高壓過濾器；3-轉(zhuǎn)向油缸；4-負(fù)載敏感電液比例多路閥。圖2 液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理

3 液壓轉(zhuǎn)向模式分析

為保證礦用順槽車能在狹小復(fù)雜路況下靈活行駛，該液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)了前輪轉(zhuǎn)向、后輪轉(zhuǎn)向、四輪轉(zhuǎn)向、斜行、原地轉(zhuǎn)向5種轉(zhuǎn)向模式，如圖3所示。由控制器對(duì)這5種轉(zhuǎn)向模式進(jìn)行控制。

4 液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真模型建立及分析

在仿真軟件中搭建了多模式四輪獨(dú)立液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的模型，如圖4所示。分析了不同工況下油缸的相應(yīng)特性。

設(shè)定給方向盤一角度階躍信號(hào)，方向盤輸入信

(a) 前輪轉(zhuǎn)向

(b) 后輪轉(zhuǎn)向

(c) 四輪轉(zhuǎn)向

(d) 斜行

(e) 原地轉(zhuǎn)向圖3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的5種轉(zhuǎn)向模式

號(hào)和輪胎偏轉(zhuǎn)角度反饋信號(hào)如圖5所示。在前輪轉(zhuǎn)向模式下，4個(gè)車輪的偏轉(zhuǎn)角度反饋信號(hào)如圖6所示，左右前輪經(jīng)約0.7 s完成轉(zhuǎn)向并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，左前輪(內(nèi)側(cè))偏轉(zhuǎn)角度大于右前輪(外側(cè))偏轉(zhuǎn)角度，左右后輪基本保持在初始位置，未發(fā)生偏轉(zhuǎn)。在后輪轉(zhuǎn)向模式下，4個(gè)車輪的偏轉(zhuǎn)角度反饋信號(hào)如圖7所示，左右后輪經(jīng)約0.7 s完成轉(zhuǎn)向并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，左后輪(內(nèi)側(cè))偏轉(zhuǎn)角度大于右后輪(外側(cè))偏轉(zhuǎn)角度，左右前輪基本保持在初始位置，未發(fā)生偏轉(zhuǎn)。在四輪轉(zhuǎn)向模式下，給方向盤輸入一斜坡信號(hào)，4個(gè)車輪的偏轉(zhuǎn)角度反饋信號(hào)如圖8所示，4個(gè)車輪在0.1 s開始發(fā)生偏轉(zhuǎn)，左右前輪向左偏轉(zhuǎn)，左右后輪向右偏轉(zhuǎn)，內(nèi)側(cè)車輪偏轉(zhuǎn)角度大于外側(cè)車輪偏轉(zhuǎn)角度，偏轉(zhuǎn)角度跟隨性良好。在斜行模式下，4個(gè)車輪偏轉(zhuǎn)角度反饋信號(hào)如圖9所示，左右車輪在0.7 s完成轉(zhuǎn)向并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在原地轉(zhuǎn)向模式下，4個(gè)車輪偏轉(zhuǎn)角度反饋信號(hào)如圖10所示，4個(gè)車輪經(jīng)過1.5 s完成相同角度偏轉(zhuǎn)并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，左前、右后車輪向右偏轉(zhuǎn)，右前、左后車輪向左偏轉(zhuǎn)。

圖4 液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的仿真模型

圖5 階躍輸入和輪胎偏轉(zhuǎn)角度反饋信號(hào)

圖6 前輪轉(zhuǎn)向模式時(shí)輪胎偏轉(zhuǎn)角度反饋信號(hào)

圖7 后輪轉(zhuǎn)向模式時(shí)輪胎偏轉(zhuǎn)角度反饋信號(hào)

圖8 四輪轉(zhuǎn)向模式時(shí)輪胎偏轉(zhuǎn)角度反饋信號(hào)

圖9 斜行模式時(shí)輪胎偏轉(zhuǎn)角度反饋信號(hào)

圖10 原地轉(zhuǎn)向模式時(shí)輪胎偏轉(zhuǎn)角度反饋信號(hào)

仿真結(jié)果表明，該液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)通過控制器改變電比例多路閥的閥口開度來獨(dú)立控制4個(gè)輪胎偏轉(zhuǎn)角度和速度的負(fù)載敏感調(diào)節(jié)，液壓系統(tǒng)具有穩(wěn)定的控制性能和響應(yīng)特性。

5 結(jié)論

本文基于礦用順槽車在狹小地域和復(fù)雜地形條件下行駛，對(duì)礦用順槽車多模式四輪液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了研究。通過仿真試驗(yàn)和分析，證明所設(shè)計(jì)的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向特性能夠滿足實(shí)際需求，可實(shí)現(xiàn)順槽工況下的預(yù)期效果。