基于同步缸技術(shù)的空間連桿轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)*

馬凱

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

0 引言

梭車是短壁機(jī)械化開(kāi)采技術(shù)的關(guān)鍵配套設(shè)備，主要用于短壁工作面煤炭的短距運(yùn)輸[1]。梭車工作在井下煤巷中，空間狹窄，要求整車轉(zhuǎn)彎半徑較小，因此一般梭車均采用四輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。梭車最高車速不超過(guò)10 km/h，屬于低速重載車輛，輪胎側(cè)偏對(duì)轉(zhuǎn)向的影響可忽略不計(jì)。該類車輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)符合阿克曼轉(zhuǎn)向原理。目前國(guó)內(nèi)外主流梭車多采用一種基于同步軸的中心對(duì)稱空間連桿機(jī)構(gòu)[2-4]。該連桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，較好地滿足了梭車轉(zhuǎn)向需要。但該轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)存在車輪轉(zhuǎn)角同步精度不足、部分連桿受力較大、不能適用于獨(dú)立懸架梭車等缺點(diǎn)。針對(duì)上述技術(shù)缺點(diǎn)，本文提出了一種新型的基于同步缸技術(shù)的空間連桿轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。

1 阿克曼轉(zhuǎn)向原理簡(jiǎn)介

符合理想阿克曼轉(zhuǎn)向原理的車輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，其內(nèi)外車輪轉(zhuǎn)角關(guān)系應(yīng)設(shè)計(jì)為轉(zhuǎn)向時(shí)內(nèi)外車輪回轉(zhuǎn)中心相交于一點(diǎn)[5-6]。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，一般利用阿克曼校正率公式作為阿克曼轉(zhuǎn)角關(guān)系符合度的判斷依據(jù)。阿克曼校正率公式為：

(1)

式中:RA為阿克曼校正率值；θ1為外輪理論轉(zhuǎn)角，rad；θ2為內(nèi)輪轉(zhuǎn)角， rad；θ11為外輪實(shí)際轉(zhuǎn)角，一般均大于外輪理論轉(zhuǎn)角θ1，rad。

阿克曼校正率值一般均小于100%。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[7]～[8]，對(duì)于高速車輛，當(dāng)阿克曼校正率值小于73%時(shí)，會(huì)增大輪胎磨損。對(duì)于梭車等低速車輛來(lái)說(shuō),阿克曼校正率值應(yīng)該更大一些，范圍在80%～90%之間。

2 梭車原用轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介

梭車原用轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖1，其基本原理為轉(zhuǎn)向液壓缸伸縮驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向塊圍繞轉(zhuǎn)向塊與機(jī)架的鉸接點(diǎn)進(jìn)行左右擺動(dòng)。兩個(gè)轉(zhuǎn)向液壓缸一伸一縮分別驅(qū)動(dòng)一個(gè)轉(zhuǎn)向塊擺動(dòng)，兩轉(zhuǎn)向塊的轉(zhuǎn)角同步由同步軸實(shí)現(xiàn)機(jī)械同步。轉(zhuǎn)向塊通過(guò)縱拉桿、上轉(zhuǎn)向臂驅(qū)動(dòng)一側(cè)輪邊減速器回轉(zhuǎn)。左右側(cè)同軸輪邊減速器轉(zhuǎn)角關(guān)系由下轉(zhuǎn)向臂Ⅰ、下轉(zhuǎn)向臂Ⅱ以及橫拉桿組成的轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)確定。左右轉(zhuǎn)向塊、縱拉桿、上轉(zhuǎn)向臂布置呈中心對(duì)稱，設(shè)計(jì)保證同側(cè)兩輪邊減速器擺角大小相同，方向相反。

1-輪邊減速器;2-下轉(zhuǎn)向臂Ⅰ;3-橫拉桿;4-下轉(zhuǎn)向臂Ⅱ;5-轉(zhuǎn)向塊;6-縱拉桿;7-上轉(zhuǎn)向臂;8-同步軸;9-轉(zhuǎn)向液壓缸。

該轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)主要存在以下缺點(diǎn)：

1) 每個(gè)縱拉桿通過(guò)上轉(zhuǎn)向臂不僅需要帶動(dòng)一個(gè)輪邊減速器回轉(zhuǎn)，還需要通過(guò)2個(gè)下轉(zhuǎn)向臂及橫拉桿帶動(dòng)對(duì)側(cè)輪邊減速器回轉(zhuǎn)，因此縱拉桿及上轉(zhuǎn)向臂受力狀況較為惡劣。

2) 4個(gè)輪邊減速器擺動(dòng)傳遞路線中，僅由橫拉桿、下轉(zhuǎn)向臂帶動(dòng)回轉(zhuǎn)的兩路，運(yùn)動(dòng)傳遞路線較長(zhǎng)，剛度較差，易于變形。傳遞路線長(zhǎng)也造成設(shè)計(jì)性較差，導(dǎo)致同側(cè)輪邊減速器擺角一致性較差。

3) 同軸兩側(cè)輪邊減速器由整體式橫拉桿連接擺動(dòng)，兩側(cè)之間車輪跳動(dòng)會(huì)互相影響，產(chǎn)生非預(yù)期轉(zhuǎn)向，不適應(yīng)采用獨(dú)立懸架的場(chǎng)合。

4) 兩側(cè)轉(zhuǎn)向液壓缸同步精度取決于同步軸剛度，同步軸剛度取決于同步軸直徑及長(zhǎng)度。同步軸直徑擴(kuò)展受限于車輛空間要求，同步精度提升空間有限。因同步軸占用了梭車內(nèi)部空間，對(duì)轉(zhuǎn)向塊鉸點(diǎn)的優(yōu)化布置帶來(lái)一定限制。

3 新型轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種新型的基于同步缸技術(shù)的空間連桿轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，該轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)可分為兩部分：一是空間連桿機(jī)構(gòu)，二是同步缸液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

3.1 空間連桿機(jī)構(gòu)

新型轉(zhuǎn)向連桿機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖2。各上轉(zhuǎn)向臂分別與一個(gè)輪邊減速器連接；4個(gè)縱拉桿通過(guò)球鉸鏈分別與主轉(zhuǎn)向塊、副轉(zhuǎn)向塊連接，主轉(zhuǎn)向塊、副轉(zhuǎn)向塊之間通過(guò)中間連桿鉸接，并分別與車輛機(jī)架鉸接；2個(gè)轉(zhuǎn)向液壓缸分別驅(qū)動(dòng)對(duì)側(cè)的2個(gè)主轉(zhuǎn)向塊回轉(zhuǎn)。兩側(cè)轉(zhuǎn)向連桿機(jī)構(gòu)呈中心對(duì)稱布置。工作時(shí)，一側(cè)轉(zhuǎn)向液壓缸推動(dòng)同側(cè)主轉(zhuǎn)向塊回轉(zhuǎn)，主轉(zhuǎn)向塊一方面通過(guò)縱拉桿、上轉(zhuǎn)向臂Ⅱ帶動(dòng)一個(gè)輪邊減速器回轉(zhuǎn)，同時(shí)通過(guò)中間連桿帶動(dòng)副轉(zhuǎn)向塊繞機(jī)架回轉(zhuǎn)，并經(jīng)縱拉桿、上轉(zhuǎn)向臂Ⅰ帶動(dòng)同側(cè)另一個(gè)輪邊減速器回轉(zhuǎn)。另一側(cè)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與此相同。

1-輪邊減速器；2-上轉(zhuǎn)向臂Ⅰ；3-縱拉桿；4-副轉(zhuǎn)向塊；5-中間連桿；6-主轉(zhuǎn)向塊；7-上轉(zhuǎn)向臂Ⅱ；8-轉(zhuǎn)向液壓缸。

相比原連桿結(jié)構(gòu)，新型連桿機(jī)構(gòu)每個(gè)縱拉桿、上轉(zhuǎn)向臂只帶動(dòng)一個(gè)輪邊減速器回轉(zhuǎn)，受力較小；每個(gè)輪邊減速器至轉(zhuǎn)向塊的運(yùn)動(dòng)傳遞路線均較短，整體剛度大、變形小；每個(gè)輪邊減速器只通過(guò)縱拉桿與轉(zhuǎn)向塊發(fā)生聯(lián)系，在配有獨(dú)立懸架的車輛中，某一輪邊減速器上下跳動(dòng)不會(huì)引起其它輪邊減速器回轉(zhuǎn)；主轉(zhuǎn)向塊、副轉(zhuǎn)向塊以及中間連桿構(gòu)成反平行四連桿機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)性好，可保證同側(cè)輪邊減速器擺角較高的一致性。

圖3為新連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的四輪轉(zhuǎn)角關(guān)系圖。由圖3可以看出，各輪轉(zhuǎn)角關(guān)于轉(zhuǎn)向角度的零線對(duì)稱，說(shuō)明其同側(cè)兩車輪之間轉(zhuǎn)角大小基本一致。優(yōu)化后同側(cè)車輪擺角最大偏差不超過(guò)0.3°，遠(yuǎn)小于原機(jī)構(gòu)的最大偏差1.2°；同軸兩車輪轉(zhuǎn)角阿克曼校正率值也比原機(jī)構(gòu)高8%～12%。

3.2 同步缸液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由圖2可以看出，兩側(cè)主轉(zhuǎn)向塊各由一個(gè)轉(zhuǎn)向液壓缸驅(qū)動(dòng)。在轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)整體設(shè)計(jì)中，要求兩側(cè)主轉(zhuǎn)向塊轉(zhuǎn)向角度大小相同，方向相反,即要求兩轉(zhuǎn)向液壓缸一伸一縮，且伸縮行程一致。兩轉(zhuǎn)向液壓缸的伸縮同步控制是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)。目前常用的液壓多缸同步技術(shù)有同步閥、同步馬達(dá)、同步液壓缸等。同步閥體積較小、安裝方便、流量范圍大，但精度較低，抗偏載能力差，需要反復(fù)調(diào)節(jié)。同步馬達(dá)同步性能好，抗偏載能力強(qiáng)，但體積較大、維修困難，且必須在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)才可以使用。同步缸體積也較大，但同步精度高，抗偏載能力強(qiáng)，采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)油回路可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的同步控制精度要求[9-10]。

1-左前輪擺角；2-右前輪擺角；3-左后車輪擺角；4-右后車輪擺角。

同步缸控制系統(tǒng)原理如圖4所示，液壓泵、轉(zhuǎn)向閥、轉(zhuǎn)向液壓缸沿用原液壓回路的元部件。

1-轉(zhuǎn)向液壓缸;2-同步缸;3-轉(zhuǎn)向閥;4-液壓泵;5-減壓閥;6-手動(dòng)換向閥;7-互鎖單向閥組。

工作中液壓泵出口油液通向兩路：

一路經(jīng)轉(zhuǎn)向閥、同步缸通向2個(gè)轉(zhuǎn)向液壓缸。同步缸設(shè)計(jì)分為3個(gè)腔體，如圖5所示。左、右腔體的有桿腔及無(wú)桿腔與轉(zhuǎn)向液壓缸有桿腔及無(wú)桿腔的油液作用面積比高度一致。正常工作時(shí)，液壓泵出口油液進(jìn)入同步缸中間腔體，然后經(jīng)左、右腔體實(shí)現(xiàn)容積同步，分別進(jìn)入2個(gè)轉(zhuǎn)向液壓缸，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向液壓缸雙向同步運(yùn)動(dòng)。

另一路流經(jīng)減壓閥、手動(dòng)換向閥，經(jīng)互鎖單向閥組通往同步缸、轉(zhuǎn)向液壓缸。不開(kāi)啟手動(dòng)換向閥時(shí)，互鎖單向閥組阻斷油液從同步缸至手動(dòng)換向閥的通路。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間使用，同步偏差累積到一定程度時(shí)，可開(kāi)啟手動(dòng)換向閥，壓力油打開(kāi)互鎖單向閥組，進(jìn)行補(bǔ)液及調(diào)整轉(zhuǎn)向液壓缸零位，保證轉(zhuǎn)向同步精度的穩(wěn)定性。同步軸及同步缸驅(qū)動(dòng)方法下兩個(gè)工作液壓缸作業(yè)行程的實(shí)際測(cè)量表明，同步缸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)雖復(fù)雜，但同步精度能提高30%以上。

1-左腔體；2-中間腔體；3-右腔體。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)梭車原轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及新型轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的詳細(xì)分析可以看出，與原轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)相比，基于同步缸技術(shù)的新型空間連桿轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)有如下優(yōu)點(diǎn)：

1) 采用4個(gè)縱拉桿各自獨(dú)立驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向，改善了機(jī)構(gòu)零部件受力狀況，提高了轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)剛度。

2) 排除了單個(gè)車輪跳動(dòng)對(duì)其余車輪的影響，適用于采用獨(dú)立懸架的車輛轉(zhuǎn)向。

3) 采用同步缸技術(shù)，提高了轉(zhuǎn)向液壓缸同步精度，同側(cè)輪邊減速器擺角偏差小。

4) 左右兩側(cè)連桿機(jī)構(gòu)之間沒(méi)有同步軸連接，解放了車輛中部空間，增大了主、副轉(zhuǎn)向塊鉸點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)的自由度。

實(shí)踐表明,該機(jī)構(gòu)具有明顯的性能優(yōu)勢(shì)，具有較高的技術(shù)推廣價(jià)值。