王娜

(1.中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006；2.山西天地煤機裝備有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

礦用防爆運人車作為將人員從地面運輸?shù)矫旱V井下的主要工具，在煤礦生產(chǎn)輔助運輸中起著重要的作用。結(jié)合煤礦生產(chǎn)安排，每天平均利用人車運輸人員入井2～3趟。目前運人車多為19座及29座，轉(zhuǎn)向形式主要以前輪轉(zhuǎn)向為主，運行最高車速設(shè)計為25 km/h[1]。單純前輪轉(zhuǎn)向，整車轉(zhuǎn)彎半徑大，遇到巷道抹角、人車折返調(diào)頭等工況，消耗時間多，嚴重影響人車在井下的通行效率。電控四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在防爆人車上的應(yīng)用，能極大地提高整車通過性能，有效縮短人車往返運行時間，提升人員運輸效率，對煤礦人員輔助運輸具有重要的意義。

1 防爆運人車運行現(xiàn)狀

1.1 防爆運人車運行現(xiàn)狀

防爆運人車主要負責(zé)地面及煤礦井下之間人員的運輸，其在井下主要行走于大巷及聯(lián)絡(luò)巷之間。國內(nèi)大部分煤礦大巷斷面寬度約為5.5 m，聯(lián)絡(luò)巷斷面寬度更小。而在用人車，以29座為例，常見29座人車整車長度約為6.5 m，軸距從3.5 m到4.0 m不等，單一依靠前輪轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)彎半徑需達到8.0 m及以上。而現(xiàn)有巷道很難滿足人車8.0 m轉(zhuǎn)彎條件，人車在井下調(diào)頭困難。盡管大巷路面已硬化，但由于長期運行重型車輛，加之譬如煤矸石等各種雜物拋灑，巷道坑洼較多，路面情況比較惡劣。

1.2 前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

目前在用的防爆運人車主要以前輪轉(zhuǎn)向為主。司機通過操縱方向盤，經(jīng)由轉(zhuǎn)向器和機械轉(zhuǎn)向機構(gòu)控制轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)彎中心點位于前輪兩主銷延長線與后輪中心線延長線交點[2-3]，如圖1所示。轉(zhuǎn)彎半徑和軸距與整車長度息息相關(guān)。

圖1 前輪轉(zhuǎn)向

2 電控電動式四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

2.1 電控電動四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

電控電動四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以電控控制單元為核心，通過對前、后輪角度傳感器及速度傳感器采集的信號進行分析，控制單元按標定控制策略對后橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)發(fā)送命令，實現(xiàn)四輪轉(zhuǎn)向[4-5],如圖2所示。電控電動四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還設(shè)有反饋機制，通過對前、后輪實際轉(zhuǎn)角與控制策略中設(shè)定的轉(zhuǎn)角[6]進行比較，進而對實際轉(zhuǎn)向角進行補償或控制，從而實現(xiàn)四輪動態(tài)轉(zhuǎn)向。

1-前輪轉(zhuǎn)角傳感器;2-前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu);3-前輪;4-方向盤;5-車速傳感器;6-橫擺角速度傳感器;7-電控控制單元;8-電機;9-減速器;10-后輪;11-后輪轉(zhuǎn)向機構(gòu);12-后輪轉(zhuǎn)角傳感器。圖2 電控電動式四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

為保證電動電控四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失效時整車的行駛安全，以及車速較高時整車的運行平穩(wěn)性，電控電動四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)都有鎖死功能，即在緊急或既定狀態(tài)下對后輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)進行鎖死，恢復(fù)原始單一前橋轉(zhuǎn)向功能。一般后橋?qū)χ墟i死通過液壓缸對中鎖死裝置進行實現(xiàn)。

2.2 后橋?qū)χ墟i死裝置

后橋?qū)χ墟i死裝置對整車運行安全性及穩(wěn)定性意義重大。鎖死機構(gòu)應(yīng)能在實現(xiàn)后橋轉(zhuǎn)向功能鎖死的前提下，保證兩后輪運行方向及兩后輪與整車運行方向的一致性。后橋?qū)χ墟i死機構(gòu)常通過液壓缸來實現(xiàn)。典型的后橋?qū)χ墟i死機構(gòu)有機械對中、機械鎖死或機械對中、液壓鎖死兩種形式，分別如圖3和圖4所示。將對中鎖死機構(gòu)兩端連接于后橋轉(zhuǎn)向連桿上，當(dāng)接收到后橋轉(zhuǎn)向鎖定信號后，對后橋轉(zhuǎn)向進行鎖定。

1-缸體；2，3-油口，4-活塞桿；5，6-活塞；7-密封；8-缸蓋；9，10-耳環(huán)；11-凸臺；12-楔形口；13，14-左右油腔；15-活塞頭；16-控制腔體；17-缸體結(jié)合面；18-控制腔端蓋；19-油道；20-信號處理；21-彈簧體；22-透氣塞；23-控制腔結(jié)合面。圖3 機械對中、機械鎖死對中機構(gòu)示意圖

1-球銷；2-接頭體；3-活塞桿；4，8-左右油缸端蓋；5-缸體；6，7-左右浮動活塞；P1，P2-油液通道；3a,5a-環(huán)形凸臺；A,B-左右油腔；C-中間油腔圖4 機械對中、液壓鎖死對中機構(gòu)示意圖

圖3機械對中、機械鎖死對中機構(gòu)[7]中，油缸活塞桿頭兩側(cè)采用浮動活塞，轉(zhuǎn)向時可進行滑動。當(dāng)需要鎖定后橋轉(zhuǎn)向時，油缸活塞恢復(fù)中位，鎖死機構(gòu)通過彈簧推動限位凸臺，使其正好卡于活塞桿頭凹槽之中，進行機械鎖定。轉(zhuǎn)向時，限位凸臺又可通過彈簧進行復(fù)位。

圖4機械對中、液壓鎖死對中機構(gòu)[8]與圖3對中機構(gòu)原理相似，后橋無需轉(zhuǎn)向時通過活塞兩側(cè)液體壓力平衡使活塞桿處于中位。但此類對中鎖死機構(gòu)對液壓壓力精度要求較高，液壓泄露會影響其可靠性[9]。因此，增加液壓泄露補償裝置會更為理想。

3 電控電動四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在整車上的應(yīng)用

3.1 試驗條件

本文在某煤礦對電控電動四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在防爆運人車上的應(yīng)用進行了初步試驗。該煤礦每天利用人車運輸入井400～450人，巷道單程往返約24 km，巷道斷面為拱形，寬5.3 m，高3.9 m，斷面積21 m2左右。運輸人員采用防爆29座人車。選用其中兩臺29座人車分別在原狀態(tài)及安裝電控電動四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的狀態(tài)下進行了試驗，試驗周期一個月。

3.2 試用效果

試驗過程中，兩車均往返運行55次，記錄每臺車每趟往返所需時間，取平均值，得其往返時間數(shù)據(jù)。兩車在地面進行原地轉(zhuǎn)向試驗，測其外轉(zhuǎn)彎半徑，取三次結(jié)果的平均值。防爆人車基本參數(shù)及最終試驗對比數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可見，整車轉(zhuǎn)彎半徑明顯降低，極大地改善了整車的通過性能。整車通過性能的改善也節(jié)約了運送人員所需的時間，提高了運輸效率。經(jīng)統(tǒng)計，若井口到工作面距離為12 km，加裝整車電控電動四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)后，防爆運人車一個往返要比之前節(jié)約10～20 min。

表1 試驗結(jié)果分析

4 結(jié)論

電控電動四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在煤礦井下防爆運人車上的成功應(yīng)用，對煤礦人員輔助運輸而言具有重要的意義，改善了整車的通過性能，提高了人員的運輸效率，延長了前輪胎的使用壽命，降低了整車的維護成本。