趙海興

(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；3.煤礦采掘機械裝備國家工程實驗室，山西 太原 030006)

鉸接式雙橋驅(qū)動物料運輸車輛是一種適應(yīng)于煤礦井下巷道運行的專用設(shè)備，前車體布置設(shè)計動力傳動系統(tǒng)和駕駛操縱系統(tǒng)，后車體布置設(shè)計后翻自卸式貨廂，主要為井下運輸沙子、水泥、磚塊、錨索、錨桿、水管、電纜及小型機電設(shè)備等，具有運輸效率高的特點。據(jù)不完全統(tǒng)計，神東煤炭集團13個井工煤礦在用的鉸接式雙橋驅(qū)動物料運輸車輛合計約900輛，載荷有5t、8t和10t三種，單個礦井的車輛平均每天運行30趟，是煤礦高產(chǎn)高效的必要設(shè)備之一。國內(nèi)其他煤炭集團公司配置的物料運輸車型及數(shù)量與神東煤炭集團相當。

由于鉸接式雙橋驅(qū)動物料運輸車輛數(shù)量多、井下運行時間長，近幾年直接或間接引發(fā)了多起人員傷亡事故。2017年7月4日，神東布爾臺煤礦掘錨一隊駕駛員駕駛國內(nèi)某公司5t鉸接式物料運輸車從地面供應(yīng)站裝載錨索及錨網(wǎng)等支護材料，運送到掘進工作面，在掘進巷道內(nèi)由人員指揮倒車行駛至指定地點卸載貨物；在車輛前行時，由于巷道狹窄，司機從駕駛室車門處將頭部伸出駕駛室外觀察車輛與左側(cè)運輸設(shè)備的安全間隙，指揮人員沒有及時提醒，在運行中頭部被碰撞擠壓在駕駛室與橋式轉(zhuǎn)載機的電機風(fēng)葉罩之間，顱骨骨折，顱內(nèi)損傷。2019年1月2日陜西永隴能源開發(fā)建設(shè)有限責(zé)任公司崔木煤礦機運部3人分別駕駛同上公司的3輛5t鉸接式物料運輸車到北翼輔運大巷拉運22盤區(qū)變電所和水泵房起底渣料；其中有兩輛車在變電所巷口接受裝渣，第三輛車停在距前車后3.5m處的8°斜坡上熄火等待，駕駛員見前方車輛即將裝滿，便要離開駕駛室到鉸接部位打開車輛儲氣罐氣閥、啟動車輛，在下車時隨身物件將駐車手柄拉到運行位置，車輛下滑，將從變電所巷口出來從兩車之間通過的綜采隊工人撞擊、擠壓，導(dǎo)致死亡。

由上可知，駕駛操縱系統(tǒng)是鉸接式雙橋驅(qū)動物料運輸車輛設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一，合理的駕駛操縱系統(tǒng)設(shè)計，可減少、避免上述類型的井下運輸事故。本文以5t運輸車為研究對象，詳細闡述駕駛操縱系統(tǒng)設(shè)計。

1 駕駛室布置設(shè)計

1.1 駕駛室布置方式

20世紀90年代末期，國內(nèi)研制成功的第一臺煤礦鉸接式物料運輸車參考和借鑒了進口車輛技術(shù)。整車采用前橋驅(qū)動，后從動輪安裝在貨廂外側(cè)，后車體低矮；其駕駛室布置設(shè)計在前車架右前側(cè)(符合國外駕駛操縱習(xí)慣)，采用了全金屬鋼板焊接而成的半封閉結(jié)構(gòu)[1]；駕駛室內(nèi)部長度為1450mm，方向盤、變速操縱系統(tǒng)、儀表和按鈕等布置設(shè)計在駕駛員左側(cè)的面板上，沿方向盤的中心線前后對稱布置兩個座椅，對稱布置有兩套加速和制動操縱裝置，駕駛員可面向車輛運行方向雙向駕駛操縱。該結(jié)構(gòu)型式可增大前驅(qū)動輪的附著力和驅(qū)動力，增強爬坡能力。當面向后車體駕駛時，駕駛員視線好，同時在駕駛室內(nèi)可同時操縱車輛和卸載物料，運輸效率和安全性更高；尤其適合在不能調(diào)頭的狹窄巷道中運行。2001年研制成功的汽車改裝型防爆物料運輸車輛，駕駛操縱系統(tǒng)布置在左側(cè)，與公路汽車駕駛習(xí)慣相同，由此很快得到了煤礦的認可和推廣應(yīng)用。

國內(nèi)大多數(shù)煤礦為統(tǒng)一所有物料運輸車輛的駕駛方式，要求鉸接式雙橋驅(qū)動物料運輸車輛的駕駛操縱系統(tǒng)設(shè)計在左側(cè)，5t運輸車駕駛室只能布置設(shè)計在前輪胎左前側(cè)[2，3]。如果在左前側(cè)駕駛室內(nèi)將方向盤側(cè)向布置，沿方向盤的中心線前后對稱布置兩個座椅，當駕駛員面向后車體駕駛車輛時，由于后車體高度尺寸大，盲區(qū)范圍大，存在較大的安全隱患，由此方向盤布置在駕駛員正前方是首選方案，如圖1所示。整車須具有流暢的外觀造型和駕駛安全性，所以要求駕駛室與車架一體化設(shè)計且駕駛室設(shè)計為全封閉結(jié)構(gòu)，駕駛室的框架由橫梁、立柱組成，其底部連接于剛性車體上，再由薄鋼板拼焊圍成封閉空間。

圖1 鉸接式雙橋驅(qū)動物料運輸車左側(cè)駕駛操縱布置

為了適應(yīng)煤礦低矮巷道條件，需降低鉸接式雙橋驅(qū)動物料運輸車輛的高度，要適當加大車輛的前懸尺寸，但又得保證整車的接近角大于14°，同時通過人體建模及駕駛姿勢仿真[4]和試驗驗證，駕駛室長度為1200mm、內(nèi)部寬度尺寸為570mm時，駕駛員乘坐較舒適。為了使駕駛員在駕駛室內(nèi)保持自然的姿勢，將防爆柴油機偏離車輛縱向中心線布置[5-7]，盡量增大駕駛室寬度。在整車高度一定時，駕駛室底板距地面高度范圍為400～500mm，駕駛室門高度范圍為1400～1500mm，寬度范圍為600～800mm；當車門最大開度時，其內(nèi)邊緣與座椅前端的距離要大于450mm，方向盤中心線底邊距未壓座椅上部的距離要大于300mm，保證駕駛員出入方便[8]。

依據(jù)國際先進技術(shù)標準，對封閉駕駛室進行防落物和防擠壓測試，確保駕駛員安全。為了保證駕駛視野，盡量增大駕駛室玻璃的面積，減小窗棱寬度，玻璃與框架通過專用復(fù)合膠粘結(jié)在一起，駕駛員左右兩側(cè)的玻璃設(shè)計為推拉式結(jié)構(gòu)，既方便通風(fēng)又能使駕駛員與車外人員無障礙交流；同時在駕駛室外左右兩側(cè)安裝可折疊的后視鏡。駕駛室前擋風(fēng)玻璃配置手動刮水器；門鎖安裝位置與駕駛員的肘部不干涉。

1.2 駕駛室振動分析及車輛減振系統(tǒng)設(shè)計

1.2.1 駕駛室振動分析

由于駕駛室與前車架設(shè)計為一體，需要對前車體的有限元模型進行約束模態(tài)分析，得到的模態(tài)頻率與不同路面的最大激勵頻率進行比較，評價前車體的振動特點和結(jié)構(gòu)剛度。前車體由ANSYS軟件分析得到的前十階約束模態(tài)頻率見表1。

表1 前十階約束模態(tài)頻率

1)路面激勵的影響。為防止路面激勵頻率引起前車體的共振，需滿足如下要求：

f1≥V/(Lw×3.6)

(1)

式中，f1為前車體的第一階頻率，Hz；V為行駛速度，km/h；Lw為路面不平度波長，m。

整車以常用速度30km/h行駛時，各種路面對車輛的最大激勵頻率計算見表2。

表2 不同路面的最大激勵頻率

由表1和表2可知，未鋪裝路面、搓板路和平坦公路對前車體的最大激勵頻率均低于第一階頻率。經(jīng)過碎石路時，最大激勵頻率為26.04Hz，處在前車架第一階和第二階固有頻率之間，有導(dǎo)致前車體共振的危險。考慮到通常情況下，車輛通過碎石路時車速將降低為15km/h左右，此時由式(1)計算出的最大激勵頻率值為12.93Hz，低于第一階頻率，能夠有效地避免共振。

2)柴油機激勵的影響。由于防爆柴油機動力系統(tǒng)布置在前車體上，后車體可視作拖車，所以只考慮柴油機激勵對前車體的影響，在設(shè)計時增加了橡膠減振墊，有效避免了共振。

1.2.2 整車減振系統(tǒng)設(shè)計

為了降低駕駛員在駕駛室內(nèi)的顛簸程度，提升乘座舒適性，須設(shè)計一種適合鉸接式雙橋驅(qū)動車輛的懸架系統(tǒng)。經(jīng)過比較鋼板彈簧、螺旋彈簧、扭桿彈簧、空氣彈簧、油氣彈簧、橡膠彈簧等彈性元件的結(jié)構(gòu)性能特點，確定前后車體的左右兩側(cè)分別采用縱置半橢圓鋼板彈簧非獨立懸架。鋼板彈簧懸架設(shè)計為板簧前端卷耳、末端滑動的結(jié)構(gòu)型式，利用鋼板彈簧多葉片之間的摩擦作為阻尼來衰減振動，由于前后車體載荷不同，前、后鋼板彈簧懸架的自由剛度分別為1276N/mm和1380N/mm；且采用海綿充填式橡膠輪胎，減小車架的垂直振動加速度，避免車輪垂直位移增大。同時要加大簧載質(zhì)量與非簧載質(zhì)量的比值，在整車的右前方設(shè)計布置燃油箱和廢氣處理箱，右前輪上部設(shè)計布置防爆柴油機補水箱；左前輪上部設(shè)計布置液壓油箱，如圖1所示。

通過上述設(shè)計，可以減小高頻共振區(qū)車身振動加速度、減少車輪離開地面的機率，避免車輛在緊急制動時會產(chǎn)生嚴重的“點頭”現(xiàn)象，避免在轉(zhuǎn)彎時會使車身產(chǎn)生較大的側(cè)傾角。

2 操縱系統(tǒng)設(shè)計

2.1 柴油機啟動和熄火

整車配置非道路國Ⅲ排放防爆電控單體泵柴油機，由氣動按鈕控制氣馬達啟動柴油機，通過氣動扳鈕關(guān)閉氣路、截斷燃油供給使柴油機熄火；氣源由防爆柴油機驅(qū)動氣泵提供。氣動系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 氣動系統(tǒng)原理

2.2 變速操縱

為了提高整車在井下狹窄巷道內(nèi)的通行能力，采用方便雙向駕駛操縱的液力機械傳動方式，由于滿載最大運行速度不大于40km/h，依據(jù)同類工程車輛檔位數(shù)的設(shè)計經(jīng)驗，動力換擋變速箱確定為三個檔位。變速操縱閥水平布置在變速箱上，方向和檔位切換的兩閥桿并排設(shè)計，通過雙聯(lián)軟軸操縱控制，如圖3所示。換向和換擋手柄設(shè)計在駕駛員右前側(cè)，換向手柄的運動方向同車輛的運行方向一致；換向和換擋手柄錯落布置設(shè)計，每個位置均能機械限位，可增強切換手感，方便操縱。

圖3 雙聯(lián)軟軸

單體泵燃油噴射系統(tǒng)由燃油控制裝置、傳感器和高速電磁閥組成。燃油控制裝置主機(以下簡稱ECU)由單片機系統(tǒng)及外圍的驅(qū)動電路、通信電路、數(shù)據(jù)處理電路、隔離電路等組成，通過電源DC24V供電。柴油機工作狀態(tài)通過傳感器將實時監(jiān)測的參數(shù)輸給ECU，接收到的數(shù)據(jù)與已存儲的設(shè)定參數(shù)值或參數(shù)MAP圖進行比較，經(jīng)過分析處理后得到最終的噴油定時和噴油量。噴油量由電子油門踏板控制(位置傳感器)，其角度行程為17.5°，對應(yīng)的電壓范圍為0～4.5V，不同電壓值的指令控制高速電磁閥的通和斷實現(xiàn)單體柱塞噴油泵的開和關(guān)，進而實現(xiàn)根據(jù)實時工況對噴油的智能控制。

2.3 轉(zhuǎn)向操縱

由于鉸接式車輛缺乏自動回正力矩，尤其在煤礦井下崎嶇不平的路面上需要駕駛員頻繁調(diào)節(jié)方向盤，增加了駕駛員的勞動強度；由此整車轉(zhuǎn)向采用負荷傳感流量放大全液壓轉(zhuǎn)向器控制雙油缸轉(zhuǎn)向[9]，動力源由變矩器驅(qū)動液壓泵輸出，在優(yōu)先轉(zhuǎn)向的情況下，還要為制動系統(tǒng)提供動力，液壓轉(zhuǎn)向原理如圖4所示。方向盤與轉(zhuǎn)向器組件如圖5所示，轉(zhuǎn)向器最大輸入壓力17MPa，轉(zhuǎn)向力矩為：1.3～2.5N·m(與方向盤轉(zhuǎn)角成正比)。全液壓轉(zhuǎn)向器工作時，不論方向盤在那一個方向轉(zhuǎn)動，全液壓轉(zhuǎn)向器A或B口流出液壓油的容積與方向盤轉(zhuǎn)過的角度成正比。轉(zhuǎn)向器額定流量為75L/min，可保證防爆柴油機在低轉(zhuǎn)速時、車輛急轉(zhuǎn)彎的工況下，仍能保持有足夠的轉(zhuǎn)向性能；而且作用到方向盤上較小的力就可提高車輛的航向穩(wěn)定性。

圖4 液壓轉(zhuǎn)向原理

圖5 方向盤與轉(zhuǎn)向器組件

方向盤為鋼制結(jié)構(gòu)，圓盤與中心安裝座之間有3個夾角為120°的筋板，安裝座與轉(zhuǎn)向柱連接采用平鍵和螺紋鎖緊結(jié)構(gòu)；方向盤和轉(zhuǎn)向器通過圖6中的螺栓固定在操縱面板上，在駕駛員正前方，為了避免駕駛員在轉(zhuǎn)動方向盤時肘部和駕駛室封閉的側(cè)圍板相碰撞，方向盤直徑設(shè)計為400mm；左右轉(zhuǎn)向時順時針和逆時針各旋轉(zhuǎn)3圈[10]，可使前、后車架的最小夾角成135°。為了避免駕駛員操縱疲勞，方向盤平面與駕駛室底板夾角為150°，方向盤的中心離座椅靠背的距離為600mm。

2.4 制動操縱

圖6 制動操縱原理

由于鉸接式雙橋驅(qū)動物料運輸車輛須具有工作制動、駐車制動和緊急制動功能[11]，制動操縱原理如圖6所示。工作制動系統(tǒng)采用雙回路控制型式，即前、后制動分兩路獨立控制，采用串聯(lián)調(diào)節(jié)式液壓制動閥[12]。當駕駛員踩踏制動踏板時，蓄能器內(nèi)的高壓油通過液壓制動閥的上、下閥芯分別進入前、后驅(qū)動橋中的濕式制動器，對車輛實施減速或制動[13]。在0°～5.8°范圍內(nèi)為自由行程，之后制動閥輸出高壓油壓力的大小與踏板的行程成比例，可方便地控制車輛制動力的強弱。為了滿足整車滿載以20km/h速度在水平干硬路面上制動距離不大于8m的要求，制動閥壓力調(diào)定為3MPa。

制動踏板布置在加速踏板的左側(cè)，兩踏板的間距大于120mm；制動踏板平面與駕駛室底板的夾角為135°，踏板下端距駕駛室底板的相對高度為130mm，踏板被踩到極限位置時不與底板干涉。

駐車制動通過手柄操縱，采用切換鎖止的液壓換向閥；駐車制動與駕駛室門形成聯(lián)動閉鎖，即當車輛停止、駐車制動手柄沒有切換到位時，駕駛室門打開后發(fā)出聲光報警。緊急制動設(shè)計為氣動按鈕操縱方式，布置設(shè)計在駕駛員不易觸碰的位置且能明顯辨識，防止誤動作。

2.5 自卸操縱

鉸接式雙橋驅(qū)動物料運輸車輛的工作裝置為液壓油缸直推式后翻自卸貨廂，由操縱手柄控制多路換向閥完成動作；自卸操縱手柄布置設(shè)計在駕駛室內(nèi)且有機械鎖止機構(gòu)，避免在車輛運行過程中誤動作使貨廂升起與巷道頂板或其他物體碰撞引發(fā)事故。

2.6 操縱力確定

除上述操縱外，喇叭采用氣動按鈕(同氣馬達啟動按鈕)控制，照明燈、行車信號燈和倒車語音報警裝置采用扳鈕控制，由設(shè)計及測試實驗可得出各操縱力見表3。

表3 操縱力 N

3 輔助駕駛系統(tǒng)設(shè)計

3.1 行車輔助監(jiān)控系統(tǒng)

由于整車設(shè)計為封閉駕駛室，車輛在井下黑暗環(huán)境下運行時視線較差，由此設(shè)計有行車輔助監(jiān)控系統(tǒng)，具有行車記錄、倒車雷達及影像和人員防接近等功能。行車記錄可實時存儲車輛行駛的視頻信息；倒車雷達及影像和人員防接近系統(tǒng)均采用紅外熱成像技術(shù)，可智能識別車輛附近的人員或物體，及時報警和停機[14]。

行車輔助監(jiān)控系統(tǒng)的攝像儀和雷達只能布置在后車架上，為了避免倒車攝像儀被散料或混凝土等遮掩，影響可視效果，設(shè)計開發(fā)了氣動控制的攝像儀防護裝置，在駕駛室內(nèi)可操作氣動閥使氣缸帶動攝像頭護板開啟和關(guān)閉[7]。

3.2 車輛定位及調(diào)度指揮

為了實時監(jiān)控整車在煤礦井下的運行狀態(tài)，在車輛上設(shè)置了無線發(fā)射裝置，其內(nèi)部存儲車號及類別等信息，通過4G網(wǎng)絡(luò)定時向巷道內(nèi)的有線基站發(fā)送信息，可實現(xiàn)車輛定位、限速報警及語音提示功能，在地面視頻監(jiān)控平臺上可以全方位直觀顯示車輛運行信息[15，16]；而且能實現(xiàn)駕駛員與地面調(diào)度之間視頻對講，強化了對車輛的調(diào)度指揮，促進煤礦安全高效生產(chǎn)。

4 人-機-環(huán)系統(tǒng)設(shè)計

由于鉸接式雙橋驅(qū)動物料運輸車輛的駕駛員在駕駛室內(nèi)的操縱時間較長，由此要進行NVH(噪聲、振動和聲振粗糙度，是衡量汽車制造質(zhì)量的一個綜合性指標)特性分析和設(shè)計，提高駕駛操縱舒適性和人機友好性。車輛儀器為防爆柴油機狀態(tài)監(jiān)測的安全保護顯示器，可顯示柴油機轉(zhuǎn)速、機油壓力、散熱系統(tǒng)溫度等；儀表為液壓系統(tǒng)油壓表、駐車制動解鎖油壓表、傳動系統(tǒng)油壓和油溫表、氣動系統(tǒng)壓力表等；受駕駛室結(jié)構(gòu)限制，儀器和儀表分類布置安裝，安裝板與駕駛室底板的夾角成60°，便于駕駛員觀察。從駕駛員的生理和心理特點出發(fā)，應(yīng)用“人機工程學(xué)”、通過三維仿真設(shè)計和實驗，完成操縱按鈕和手柄的排布。

為了降低防爆柴油機的噪聲，在駕駛室靠近防爆柴油機的圍板上和柴油機機罩內(nèi)側(cè)加裝玻璃纖維和泡沫類吸聲、隔熱材料；防止穿過駕駛室的軟管和纜線的孔隙傳聲、導(dǎo)熱，對孔周圍進行密封處理。為了使駕駛員的坐姿自然和穩(wěn)定，座椅的尺寸和形狀特殊設(shè)計，前后和高低位置可調(diào)節(jié)，采用氣阻尼減振技術(shù)，保證駕駛員具有良好的體壓分布?？紤]到駕駛員在運輸及卸載物料時，需要上下、來回移動，駕駛室外圍設(shè)計了防滑腳踏板和扶手。

5 應(yīng)用情況

5t鉸接式雙橋驅(qū)動物料運輸車已批量應(yīng)用到內(nèi)蒙、陜西和山西等地區(qū)長距離緩坡斜井大型煤礦，車輛在8個典型煤礦的應(yīng)用情況見表4。

整車以常用速度30km/h行駛時，對駕駛室內(nèi)部環(huán)境進行測試，最大噪聲為78dB(A)，最高溫度為25℃。根據(jù)《汽車平順性試驗方法》(GB/T 4970—2009)規(guī)定，對車輛進行脈沖和隨機振動測試，依據(jù)《機械振動和沖擊 人體處于全身振動的評價》(ISO2631-1)，脈沖振動的最大加速度為19.6m/s2，低于31.44m/s2，對人體無危害；隨機振動最大加速度(x、y、z方向的加速度均方根值)為0.312m/s2，小于0.315m/s2，駕駛員沒有不舒適感覺。駕駛員持續(xù)駕駛2h無疲勞感，從未引發(fā)安全事故。

表4 5t物料運輸車應(yīng)用情況統(tǒng)計

整車駕駛操縱系統(tǒng)平均使用壽命為6a(除駕駛室門鎖、玻璃、手柄、按鈕、儀表和座椅等易損件)。

6 結(jié) 論

1)5t鉸接式雙橋驅(qū)動物料運輸車巷道適應(yīng)性好，被批量推廣應(yīng)用，是煤礦輔助運輸?shù)闹髁囆?。其駕駛操縱系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)包括：駕駛室布置設(shè)計，啟動、變速、轉(zhuǎn)向、制動操縱設(shè)計，輔助駕駛系統(tǒng)設(shè)計，“人-機-環(huán)”系統(tǒng)設(shè)計。要應(yīng)用“人機工程學(xué)”進行設(shè)計研究；要采用理論計算和測試試驗相結(jié)合的設(shè)計方法，確定出最優(yōu)技術(shù)性能參數(shù)，提高駕駛操縱的舒適性和安全性。

2)5t鉸接式雙橋驅(qū)動物料運輸車駕駛操縱系統(tǒng)設(shè)計須考慮配置行車記錄、倒車雷達及影像、人員防接近等行車輔助監(jiān)控系統(tǒng)，提高車輛運行安全性。

3)不同載荷的鉸接式雙橋驅(qū)動物料運輸車輛駕駛操縱系統(tǒng)均可按以上思路進行設(shè)計，要優(yōu)先采用駕駛室布置在前左側(cè)、方向盤布置在駕駛員正前方的方式。

煤礦鉸接式雙橋驅(qū)動物料運輸車輛駕駛操縱設(shè)計需對機械、液壓、氣動或防爆電氣控制技術(shù)進行深入攻關(guān)研究，如研發(fā)具有煤安認證的集成式電液控制轉(zhuǎn)向和電控換擋裝置；要設(shè)計防爆儀表背光顯示、駕駛員疲勞報警及空調(diào)系統(tǒng)等；要應(yīng)用基于深度相機和毫米波雷達的巷道環(huán)境感知技術(shù)，通過車載多傳感器信息采集、融合、傳輸，構(gòu)建5G網(wǎng)絡(luò)車載移動終端和云端數(shù)據(jù)儲存的車輛運行狀態(tài)管理平臺，實現(xiàn)車輛信息可視化交互、自動駕駛或無人駕駛操縱；從而進一步提升駕駛操縱的便捷性、舒適性和安全性。車輛實現(xiàn)無人駕駛操縱，則可去除常備駕駛室，在騰出的空間加裝其它作業(yè)機構(gòu)或者重新設(shè)計整車的結(jié)構(gòu)型式，保證整車前后驅(qū)動橋的載荷更接近，減小整車在運行時的循環(huán)功率，降低燃油消耗。