陳永峰 郭培燕

（1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，陜西渭南714000；2.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西太原 030006）

隨著國(guó)家對(duì)高等級(jí)公路、高鐵、地鐵發(fā)展需求的增大和能源問(wèn)題的日益突出，隧道建設(shè)將會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)，同時(shí)，在推進(jìn)煤炭結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型升級(jí)過(guò)程中，必將推進(jìn)大型煤炭基地、大型現(xiàn)代化煤礦和安全高效礦井的建設(shè)。在隧道和煤礦井巷工程施工中，混凝土噴漿工程是不可缺少的一部分，為了適應(yīng)施工領(lǐng)域的不斷發(fā)展，近年來(lái)涌現(xiàn)出了許多先進(jìn)的噴射混凝土施工設(shè)備，如混凝土噴射車(chē)，而尤以濕噴車(chē)的應(yīng)用最為普遍，特別是在地質(zhì)圍巖差的洞室安全支護(hù)過(guò)程中更能發(fā)揮出濕噴車(chē)的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)［1-4］。

在隧道和煤礦井巷工程施工過(guò)程中，混凝土濕噴車(chē)工作效率的高低不僅與其噴射能力有關(guān)，同時(shí)與車(chē)輛行走系統(tǒng)的效率也息息相關(guān)，而整車(chē)的行走效率往往受到巷道寬度、高度、坡度、路面質(zhì)量等的影響，所以混凝土濕噴車(chē)能否在隧道和煤礦井巷中實(shí)現(xiàn)快速行走、靈活掉頭、安全制動(dòng)等是關(guān)系到整車(chē)能否安全、高效完成作業(yè)的重要保證。因此，研究混凝土濕噴車(chē)的雙向駕駛轉(zhuǎn)向技術(shù)具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 鉸接式雙向駕駛混凝土濕噴車(chē)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

鉸接式雙向駕駛混凝土濕噴車(chē)的外形如圖1所示，主要由發(fā)動(dòng)機(jī)裝置、傳動(dòng)裝置、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、前后駕駛室、機(jī)架以及噴射裝置等組成。該車(chē)的特點(diǎn)是不僅配備有混凝土噴射裝置，使得噴射作業(yè)高效快捷，而且配備有互鎖功能的雙駕駛操縱系統(tǒng)，使得行車(chē)效率和操作安全性更高。

2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的原理設(shè)計(jì)

根據(jù)文獻(xiàn)［5］，目前鉸接式雙向駕駛車(chē)輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要采取2種技術(shù)，這2種形式的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在使用過(guò)程中若操作不當(dāng)將會(huì)出現(xiàn)整車(chē)無(wú)法轉(zhuǎn)向或者轉(zhuǎn)向狀態(tài)無(wú)法控制的現(xiàn)象，增大了事故發(fā)生的概率。

鉸接式雙向駕駛混凝土濕噴車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理如圖2所示，包括前后駕駛切換閥組1、前優(yōu)先閥2、前負(fù)荷傳感轉(zhuǎn)向器3、后優(yōu)先閥4、后負(fù)荷傳感轉(zhuǎn)向器5、前后轉(zhuǎn)向閉鎖閥6、左轉(zhuǎn)向油缸7、右轉(zhuǎn)向油缸8以及液壓泵9、液壓油箱、管路等。其中前負(fù)荷傳感轉(zhuǎn)向器3和前優(yōu)先閥布置在前駕駛室，后負(fù)荷傳感轉(zhuǎn)向器5和后優(yōu)先閥4布置在后駕駛室。

當(dāng)駕駛員在前駕駛室操縱時(shí)，前后駕駛切換閥組中的二位四通電磁換向閥失電工作在上位、前后轉(zhuǎn)向閉鎖閥中的二位六通電磁換向閥失電工作在下位，轉(zhuǎn)向時(shí)，齒輪泵輸出的的壓力油依次通過(guò)前后駕駛切換閥組、前優(yōu)先閥、前負(fù)荷傳感轉(zhuǎn)向器進(jìn)入左右轉(zhuǎn)向油缸，實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛的鉸接轉(zhuǎn)向。與此同時(shí)，后優(yōu)先閥的進(jìn)油口與油箱處于連通狀態(tài)且后負(fù)荷傳感轉(zhuǎn)向器壓力輸出口由于前后轉(zhuǎn)向閉鎖閥的存在與左右轉(zhuǎn)向油缸處于斷開(kāi)狀態(tài)，所以后負(fù)荷傳感轉(zhuǎn)向器的任何動(dòng)作都不會(huì)影響到整車(chē)的正常轉(zhuǎn)向，確保了車(chē)輛及人員運(yùn)輸?shù)陌踩?。?dāng)駕駛員在后駕駛室操縱時(shí)，前后駕駛切換閥組中的二位四通電磁換向閥得電工作在下位、前后轉(zhuǎn)向閉鎖閥中的二位六通電磁換向閥得電工作在上位，工作原理亦是如此。

3 整車(chē)最大轉(zhuǎn)向阻力矩的計(jì)算

鉸接式車(chē)輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是以原地轉(zhuǎn)向工況為依據(jù)，因?yàn)樵谠剞D(zhuǎn)向狀態(tài)下整車(chē)的轉(zhuǎn)向阻力矩為最大［6-7］。鉸接式雙向駕駛混凝土濕噴車(chē)采用雙橋驅(qū)動(dòng)，并且前橋負(fù)荷大于后橋負(fù)荷，其原地轉(zhuǎn)向力學(xué)模型如圖3所示。圖3中，O為前后車(chē)架鉸接點(diǎn)，O1、O2分別為前、后驅(qū)動(dòng)橋的中心點(diǎn)，α為前后車(chē)架的轉(zhuǎn)向折腰角，β、γ分別為前、后車(chē)架分別與水平線之間的夾角，L1、L2分別為前、后車(chē)橋與鉸接點(diǎn)O之間的距離，B為前、后車(chē)橋的輪距，ω1、ω2分別為前、后車(chē)架繞鉸接點(diǎn)O的角速度，ui、vi分別為i（i=1，2，3，4）號(hào)車(chē)輪縱向及側(cè)向速度，F(xiàn)i、Si分別為i號(hào)車(chē)輪縱向及側(cè)向作用力，Mi為i號(hào)車(chē)輪相對(duì)地面的偏轉(zhuǎn)阻力矩。

參照文獻(xiàn)［8-10］，利用虛位移原理，對(duì)鉸接式雙向駕駛混凝土濕噴車(chē)的最大轉(zhuǎn)向阻力矩進(jìn)行計(jì)算：

式中，Ti為i號(hào)車(chē)輪相對(duì)驅(qū)動(dòng)橋中心滾動(dòng)所引起的轉(zhuǎn)向阻力矩，Ti=BfGisgn(ui)/2，其中，Gi為i號(hào)車(chē)輪的垂直載荷，f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；Mi為車(chē)輪i相對(duì)地面繞自身所產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)阻力矩，，其中，x、y分別為輪胎在地面上橢圓印痕的長(zhǎng)、短軸軸長(zhǎng)，μ為輪胎與地面之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)；F為在轉(zhuǎn)向過(guò)程中傳動(dòng)件扭緊對(duì)后驅(qū)動(dòng)橋所產(chǎn)生的切向力，F(xiàn)=λG'，其中，λ為輪胎與地面之間的綜合摩擦系數(shù)，G'為濕噴車(chē)后橋的負(fù)荷；δα、δβ、δγ分別為整車(chē)、前驅(qū)動(dòng)橋、后驅(qū)動(dòng)橋轉(zhuǎn)向阻力矩所對(duì)應(yīng)的虛位移；δr為后驅(qū)動(dòng)橋中點(diǎn)的虛位移。

將鉸接式雙向駕駛混凝土濕噴車(chē)的相關(guān)參數(shù)代入式（1），得出整車(chē)的最大轉(zhuǎn)向阻力矩為7.23 kN·m。

4 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)關(guān)鍵元部件參數(shù)的確定

對(duì)于鉸接式車(chē)輛而言，轉(zhuǎn)向油缸參數(shù)的確定至關(guān)重要，一旦選用不當(dāng)，則會(huì)出現(xiàn)無(wú)法轉(zhuǎn)向或轉(zhuǎn)向費(fèi)力的現(xiàn)象。鉸接式雙向駕駛混凝土濕噴車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用雙油缸對(duì)稱布置，當(dāng)轉(zhuǎn)向折腰角達(dá)到最大時(shí)，液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠提供的最大轉(zhuǎn)向力矩MS應(yīng)大于整車(chē)的最大轉(zhuǎn)向阻力矩M，即

式中，pmax為液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的最大工作壓力，取10 MPa；D為轉(zhuǎn)向油缸活塞直徑；d為轉(zhuǎn)向油缸活塞桿直徑；rmin為折腰角達(dá)到最大時(shí)，轉(zhuǎn)向油缸相對(duì)于鉸接點(diǎn)的最小力臂距。

根據(jù)轉(zhuǎn)向油缸在整車(chē)中的布置位置，當(dāng)折腰角達(dá)到最大時(shí)，rmin=0.16 m，若能夠滿足式（2）的要求，取D=63mm，d=35 mm即可。

5 轉(zhuǎn)向性能試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)儀器及方法

CHPM智能液壓測(cè)試儀可測(cè)試液壓系統(tǒng)壓力、流量、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等重要參數(shù)，試驗(yàn)過(guò)程中，在鉸接式雙向駕駛混凝土濕噴車(chē)轉(zhuǎn)向油缸的進(jìn)、出油口各安裝1個(gè)量程為40 MPa的壓力傳感器，通過(guò)操作方向盤(pán)使整車(chē)在水平混凝土路面緩慢地進(jìn)行原地轉(zhuǎn)向，將測(cè)試的相關(guān)參數(shù)利用配套使用的HTDA數(shù)據(jù)分析與處理軟件進(jìn)行處理。

5.2 原地轉(zhuǎn)向試驗(yàn)曲線分析

圖4是駕駛員分別在前駕駛室和后駕駛室緩慢勻速轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)使車(chē)輛進(jìn)行原地轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向折腰角從0°逐漸變?yōu)?5°所測(cè)得壓力曲線。

從圖4（a）中可以看出，在前駕駛室操縱時(shí)，轉(zhuǎn)向油缸進(jìn)口的最大壓力約8.4 MPa。當(dāng)轉(zhuǎn)向折腰角達(dá)到最大時(shí)，此時(shí)由于前后鉸接車(chē)架之間的限位裝置開(kāi)始起作用，使得轉(zhuǎn)向油缸進(jìn)口的壓力值迅速達(dá)到溢流設(shè)定值16 MPa，在該轉(zhuǎn)向過(guò)程中，液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供的轉(zhuǎn)向力矩為7.09 kN·m，與計(jì)算結(jié)果7.23 kN·m的誤差為1.97%。

從圖4（b）可以看出，在后駕駛室操縱時(shí)，轉(zhuǎn)向油缸進(jìn)口的最大壓力約8.2 MPa。此后也是由于前后鉸接車(chē)架之間的限位裝置不能繼續(xù)轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向油缸進(jìn)口的壓力發(fā)生了突變，在該轉(zhuǎn)向過(guò)程中，液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供的轉(zhuǎn)向力矩為6.92 kN·m，與計(jì)算結(jié)果7.23 kN·m的誤差為4.48%。

6 結(jié)論

（1）采用轉(zhuǎn)向閉鎖閥能夠有效地實(shí)現(xiàn)前后駕駛操縱的閉鎖功能，提高了車(chē)輛行駛的安全性，降低了事故發(fā)生的概率。

（2）利用虛位移原理理論計(jì)算的整車(chē)最大轉(zhuǎn)向阻力矩與試驗(yàn)結(jié)果相比，誤差小于5%。

（3）在前駕駛操縱和后駕駛操縱，整車(chē)的轉(zhuǎn)向性能基本一致。