王娜

(山西天地煤機裝備有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

支架搬運車作為能將煤礦支護用液壓支架長距離運輸?shù)闹髁囆?，在煤礦應用十分廣泛，尤其在搬家倒面過程中起著極其重要的作用。因礦井路面寬度有限，現(xiàn)有絕大部分支架搬運車均設計為鉸接結構[1]，前、后機架通過銷軸鉸接，后機架為U型框架，支架裝入U型框架，通過提升機構進行提升，最終實現(xiàn)支架的運輸。但隨著科技的進步，煤層采高的不斷增加，支護支架已然從最初的30 t級發(fā)展到100 t級左右，支架噸位的增大導致其外形尺寸也隨著變大。受此影響，支架搬運車因整車外形尺寸的增大，井下通過能力持續(xù)降低。現(xiàn)80 t級支架搬運車的轉彎半徑已發(fā)展到8.6 m以上，而煤礦井下大巷有效路面寬度約5 m左右，且因支架重量增加，導致支架搬運車整車重心后移，行駛過程中，尤其上坡路段，支架搬運車前輪附著力不足的缺陷日益凸顯，若增加配重，不僅增加支架搬運車整車外形尺寸，降低其通過性能[2-3]，且會嚴重影響支架搬運車的輪胎磨損、能源消耗等，增加其運行成本。因此，提高支架搬運車轉彎性能十分必要。

1 整體式支架搬運車轉彎性能較差原因分析

整體式支架搬運車前機架與后機架通過鎖銷等連接方式直接相連。前機架緊湊布置動力及輔助裝置，整機長度小，裝載支架后整車重心位置較為居中，能較好地避免“翹頭”現(xiàn)象。但因其無鉸接連接，整機轉彎性能較差，合理的轉向系統(tǒng)設計是保證整體式支架搬運車的通過性能及操控穩(wěn)定性的基礎。

2 整體式支架搬運車轉向系統(tǒng)方案選擇

整體式支架搬運車轉向系統(tǒng)應使整車通過巷道抹角時，具有較好的通過性能；整車高速行駛時，具有較好的操縱穩(wěn)定性能；支架裝卸時，車尾姿態(tài)可進行調節(jié)，方便支架裝卸到位。因此，全輪轉向為理想選擇[4]，全自動全輪轉向分為電控電子全輪轉向和電控液壓全輪轉向，電控電子全輪常用于輕型車輛。電控液壓全輪轉向若想保證整車高速行駛時的穩(wěn)定性，一般需要加設轉向鎖止裝置[5-6]，成本較高，且需考慮液壓泄露補償?shù)榷喾矫嬉蛩豙7]，元部件較多，需要裝配空間較大，不利于整車的精簡布置。綜合考慮全輪轉向使用頻率、系統(tǒng)可靠性、使用及維護成本、整車整體尺寸控制等因素，采用半自動全輪轉向系統(tǒng)較為合理。

3 半自動全輪轉向系統(tǒng)設計

3.1 半自動全輪轉向系統(tǒng)

半自動全輪轉向系統(tǒng)將整體式支架搬運車轉向分為主、副轉向系統(tǒng)兩部分，分別通過駕駛員控制主、副轉向器實現(xiàn)。主轉向系統(tǒng)控制前輪轉向，實現(xiàn)基本轉向功能；副轉向系統(tǒng)用于主轉向器極限位置時，整車轉向能力的補充及裝卸支架時整車姿態(tài)的調整，通過駕駛員操作副轉向器激活，駕駛員同時操作主、副轉向器，結合控制器中輸入的控制策略，實現(xiàn)前后輪的全輪轉向；駕駛員單獨操作副轉向器，還可實現(xiàn)后輪的單獨轉向，方便裝卸支架時整車狀態(tài)的調整。半自動全輪轉向系統(tǒng)中還設置了雙向液壓鎖，以防止外力作用下后輪轉向的誤動作，影響整車行駛穩(wěn)定性。綜上，該轉向系統(tǒng)可實現(xiàn)主轉向器控制前輪單獨轉向，主、副轉向器控制全輪轉向及副轉向器后輪單獨轉向3種狀態(tài)，具體原理如圖1所示。

1-副轉向器;2-角度傳感器;3-控制中心;4-液壓油缸;5-雙向液壓鎖;6-電液比例閥;7-主轉向器;8-動力液壓泵。圖1 半自動全輪轉向系統(tǒng)原理

半自動全輪轉向系統(tǒng)由主、副轉向器，角度傳感器、控制中心、液壓油缸、雙向液壓鎖、電液比例閥、動力液壓泵等組成[8-10]。主、副轉向器用于駕駛員進行轉向操作，各個轉向輪上設置角度傳感器，負責各輪轉向角度的實時測定，并將角度數(shù)據(jù)傳送給控制中心，控制中心根據(jù)已輸入控制策略，結合角度傳感器傳遞的實時數(shù)據(jù)，通過對電液比例閥進行控制，駕駛員對副轉向器輸入的轉向角度進行補償和限制，進而實現(xiàn)整車的全輪平穩(wěn)轉向。

3.2 副轉向器轉向控制策略研究

前后輪同時轉向的方式有多種控制方式，包括前后輪轉角正比控制、前后輪轉向力正比控制、與橫擺角速度成正比的后輪轉向控制等。結合前后輪數(shù)據(jù)采集模式及使用工況，本文選用與前輪轉角為正比的后輪轉向控制。通過調整前后輪轉角的比例系數(shù)，使整車全輪轉向時，質心側偏角為零，保證整車的穩(wěn)態(tài)轉向。

如圖2所示，以車輛質心P為原點，車身方向為x軸建立直角坐標系，建立整車運動方程，其中，βf1,βf2,βr1,βr2為前后輪胎側偏角；Yf1,Yf2,Yr1,Yr2為作用于前后輪胎的側偏力。

圖2 整車平面運動坐標系

整體式支架搬運車需適應煤礦井下復雜路況，因此多采用聚氨酯或橡膠實芯輪胎，根據(jù)其材質性質，其在輪胎側向力作用下，側偏角產生非常小，因此，作用于輪胎的側偏力可近似認為與輪胎航向垂直。

由此可得，整車側向運動方程：

(1)

式中：m為車輛的慣性質量，kg；V為車速，km/h；β為車輛質心側偏角，(°)；r為回轉半徑，m。

其中：

(2)

(3)

式中：Kf,Kr為輪胎側偏剛度；lf,lr為前后軸線中心距離車輛質心的直線距離，m；δf,δr為前后輪實際轉角，(°)。

(4)

(5)

控制中心根據(jù)角度傳感器反饋所得前后輪轉角，進行計算后，將其比值與設定k值進行對比，以此來決定對后輪轉向進行控制或者補償。

3.3 副轉向器轉向控制模式

半自動全輪轉向系統(tǒng)中，液壓泵通過分流塊將油液傳至主轉向器及2個前轉向油缸，控制前軸轉向，實現(xiàn)主轉向的轉向功能，同時2個前轉向油缸兩側腔體相互連通，保證兩輪轉向角度一致。駕駛員不操作副轉向器時，雙向液壓鎖關閉，后輪轉向油缸壓力不變，輔助后輪在受外力或其它狀態(tài)下仍保持平衡狀態(tài)。

駕駛員單獨操作副轉向器，可實現(xiàn)后輪的單獨轉向。同時，后輪轉向油缸兩側腔體相互連通，保證兩輪轉向角度的一致。

駕駛員同時操作主、副轉向器，可實現(xiàn)整車的全輪轉向，后輪的轉向角度由控制中心最終控制?？刂浦行母鶕?jù)既定的控制策略，結合對后輪實際轉向角度的采集，對后輪轉向角進行補償或者限制，實現(xiàn)整車全輪的平穩(wěn)轉向。整車轉向控制流程如圖3所示。

圖3 整車轉向控制流程

4 結論

本文設計了一種適合于煤礦井下整體式支架搬運車的轉向系統(tǒng)。該系統(tǒng)設置主、副兩個轉向器來實現(xiàn)整車的轉向。主、副轉向器的啟動通過駕駛員的輸入進行激活。整車轉向系統(tǒng)可實現(xiàn)前輪單獨轉向，前、后輪“八字”轉向及后輪單獨轉向3種功能。既解決了特殊工況下整車轉彎的靈活性，又可在支架搬運車雙向駕駛或者裝卸支架時單獨進行后輪轉向，以調整整車的姿態(tài)。同時，副轉向系統(tǒng)還通過雙向鎖止閥進行了隔離，防止整車受到外力后的誤動作，保證整車轉向系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)的設計可使整體式支架搬運車更好地適應煤礦井下運行條件，對推進整體式支架搬運車的批量應用具有重要的意義。