摘要：煤礦井下輔助運(yùn)輸是井下運(yùn)輸系統(tǒng)中的關(guān)鍵構(gòu)成部分，薄煤層井下運(yùn)輸車能夠高效地確保物料輔助運(yùn)輸?shù)陌踩?，對WCJ5CE型煤礦井下運(yùn)輸車車架液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開展研究。深入剖析液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理，設(shè)計(jì)了優(yōu)化后的兩級先導(dǎo)控制流量放大器式液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，有效克服了重載轉(zhuǎn)向難題。同時(shí)，對液壓油缸進(jìn)行多方面優(yōu)化，包括密封系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)以及防護(hù)措施等。這些優(yōu)化措施能夠有效應(yīng)對煤礦運(yùn)輸巷道惡劣環(huán)境所致的問題，保障運(yùn)輸車輛井下作業(yè)的可靠運(yùn)行，提高了車輛的運(yùn)輸能力，增強(qiáng)了井下運(yùn)輸?shù)陌踩浴?/p>

關(guān)鍵詞：礦井；運(yùn)輸車；液壓系統(tǒng)；液壓缸

中圖分類號：TP211+.31；TD52文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號：1001-5922（2025）01-0153-04

Research and optimization of hydraulic steering system for coal mine underground transport vehicle

FENG Zewei，ZHAO Li，WU Hongbing，WANG Yongliang，GAO Botao

（Hanjiawan Coal Mine Co.，Ltd.，Shenmu 719300，Shaanxi China）

Abstract：The underground auxiliary transportation of coal mine is the key component of underground transporta?tionsystem.The thin coal bed underground transportation vehicle can effectively ensure the safety of auxiliary trans?portation of materials.The principle of the hydraulic steering system was deeply analyzed，and the optimized two-stage pilot control flow amplifier hydraulic steering system was designed，which effectively overcame the prob?lem of heavy-duty steering.At the same time，the hydraulic cylinder was optimized in many aspects，including the sealing system，structure and protective measures.These optimization measures can effectively deal with the prob?lems caused by the harsh environment of coal transportation roadway，ensure the reliable operation of underground operation of transportation vehicles，improve the transportation capacity of vehicles，and enhance the safety of under?ground transportation.

Key words：mine；truck；hydraulic system；hydraulic cylinder

我國智慧礦山的飛速建設(shè)，更多先進(jìn)的技術(shù)及煤礦裝備不斷地投入和使用。煤礦井下除了運(yùn)輸作業(yè)工人，還需運(yùn)輸工作面設(shè)備、材料等其他物品，這類運(yùn)輸車輛均叫做輔助運(yùn)輸車輛。以膠輪或者履帶實(shí)現(xiàn)行走的車輛稱作無軌運(yùn)輸，以鋪設(shè)或者安裝軌道為主要行走執(zhí)行機(jī)構(gòu)稱為有軌運(yùn)輸[1-3]。

煤礦井下運(yùn)輸車主要用于井下設(shè)備及材料的輔助運(yùn)輸，車輛采用鉸接式車身，具有轉(zhuǎn)彎半徑小、通過能力強(qiáng)、運(yùn)輸效率高等優(yōu)點(diǎn)，有利于增強(qiáng)運(yùn)輸安全，減少輔助運(yùn)輸設(shè)備的投入[4-5]。運(yùn)輸車輛液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)直接關(guān)系到車輛的操控性能和運(yùn)行安全[7]。但由于煤礦井下特殊的環(huán)境條件對液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提出了嚴(yán)苛要求，如何克服惡劣的地質(zhì)條件、粉塵污染、濕度、溫度及振動沖擊等問題，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性能，保障運(yùn)輸作業(yè)的順利進(jìn)行，成為井下運(yùn)輸系統(tǒng)迫切需要解決的問題。

本文針對陜西陜北礦業(yè)韓家灣煤礦薄煤層井下環(huán)境，設(shè)計(jì)了WCJ5CE型煤礦井下輔助運(yùn)輸車輛，對其車輛液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及轉(zhuǎn)向油缸進(jìn)行研究分析，為實(shí)現(xiàn)安全高效運(yùn)輸工作有著決定性的作用。

1井下環(huán)境對液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響

1.1地質(zhì)條件

井下巷道寬度有限，對車輛的轉(zhuǎn)向靈活性要求極高，液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要精確控制車輛轉(zhuǎn)向角度，以確保車輛能夠順利通過狹窄彎道。

巷道地面凹凸不平，車輛在運(yùn)輸作業(yè)過程中會產(chǎn)生較大的沖擊或振動，對車輛的穩(wěn)定運(yùn)輸有著極大的考驗(yàn)。嚴(yán)重時(shí)可造成車輛側(cè)傾、懸掛系統(tǒng)損壞、加劇輪胎磨損、傳動系統(tǒng)故障等問題。

1.2粉塵方面

煤礦井下工作面進(jìn)行采煤作業(yè)時(shí)，避免不了會產(chǎn)生粉塵顆粒[9]。這些粉塵顆粒極小，很容易通過油缸的縫隙、油封等部位進(jìn)入液壓油缸內(nèi)部。當(dāng)粉塵進(jìn)入后，在活塞的往復(fù)運(yùn)動過程中，粉塵會像研磨劑一樣，夾在活塞、活塞桿和缸筒之間，加劇它們之間的機(jī)械磨損，影響其與缸筒的配合精度。

液壓油缸的內(nèi)部有一些油道用于液壓油的流動，以實(shí)現(xiàn)活塞的平穩(wěn)運(yùn)動。粉塵進(jìn)入油缸后，可能會在油道中堆積。當(dāng)堆積到一定程度時(shí)，會堵塞油道，影響液壓油的正常流通，如果被粉塵堵塞，會導(dǎo)致液壓油不能及時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)入油缸的工作腔，甚至可能導(dǎo)致整個(gè)液壓系統(tǒng)的故障。

1.3濕度方面

井下高濕度環(huán)境容易使液壓油缸的金屬部件生銹腐蝕。特別是暴露在空氣中的部分，更容易受到濕氣的侵襲。當(dāng)活塞桿表面生銹后，一方面會使活塞桿的表面質(zhì)量下降，另一方面，銹層會在活塞桿的往復(fù)運(yùn)動過程中脫落，若侵入油缸內(nèi)部，在缸筒內(nèi)壁以及活塞表面避免不了造成劃傷，影響其結(jié)構(gòu)完整性和安全性。

其次導(dǎo)致液壓油混入水分。液壓油里摻雜的水分，會削減其潤滑功效，增強(qiáng)油液的侵蝕性。同時(shí)，水分還會使液壓油發(fā)生乳化現(xiàn)象，乳化后的液壓油其黏度和流動性發(fā)生改變，無法有效地傳遞壓力，導(dǎo)致液壓油缸的工作效率降低，運(yùn)行不穩(wěn)定等問題。

1.4溫度方面

煤礦井下的溫度環(huán)境較為復(fù)雜，可能存在局部高溫或低溫情況。液壓油缸的密封系統(tǒng)在高溫環(huán)境中會受到影響甚至失效。許多密封件是由橡膠等高分子材料制成，高溫會使橡膠密封件加速老化，導(dǎo)致其彈性降低、硬度增加。油缸的密封件出現(xiàn)老化、龜裂等現(xiàn)象，造成密封失效[10]。

溫度的極端變化決定著液壓油的特性。在高溫時(shí)，液壓油的黏度會降低，可能導(dǎo)致液壓油缸在工作時(shí)出現(xiàn)內(nèi)泄現(xiàn)象[11-12]。相反，溫度越低，致使油液的黏度增大，流動性減弱，可能不易將油缸啟動。影響煤礦井下的生產(chǎn)作業(yè)效率。

1.5沖擊和振動方面

井下運(yùn)輸車輛在作業(yè)過程中會產(chǎn)生沖擊和振動，液壓油缸作為這些設(shè)備的重要部件也會受到影響。頻繁的沖擊和振動可能會使液壓油缸的缸筒、活塞等部件發(fā)生變形。產(chǎn)生的振動會傳遞給油缸，如果油缸的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠，可能會導(dǎo)致缸筒出現(xiàn)局部凹陷或活塞的導(dǎo)向環(huán)損壞，影響油缸的直線運(yùn)動性能和密封性能。另其連接件也會出現(xiàn)松動，影響其工作精度，甚至可能會引發(fā)安全事故。

2液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

2.1液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基本原理

WCJ5CE型煤礦井下運(yùn)輸車主要采用液力機(jī)械傳動、前輪驅(qū)動方式運(yùn)行。前、后車采用鉸接式車身，前車為動力部分，由駕駛室電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)構(gòu)成。后車由車架總成和集裝行組成。

煤礦井下集裝箱運(yùn)輸車的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般基于液壓助力原理。前、后車鉸接處裝置對稱的轉(zhuǎn)向油缸，方向盤轉(zhuǎn)向軸與液壓泵控制閥相連，當(dāng)方向盤發(fā)生動作變化時(shí)，通過轉(zhuǎn)軸的控制閥接通液壓油缸的相應(yīng)腔室，高壓油液流入推動活塞移動，完成車輛的轉(zhuǎn)向動作。

2.2液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

WCJ5CE型煤礦井下運(yùn)輸車主要采用先導(dǎo)驅(qū)動式雙級控制液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其系統(tǒng)組成與液壓原理見圖1。

液壓泵通過負(fù)載信號實(shí)現(xiàn)油液的變量輸出，油液經(jīng)過換向閥選擇給轉(zhuǎn)向系統(tǒng)或同時(shí)給工作回路及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)供液，轉(zhuǎn)向器接收到轉(zhuǎn)向動作信號，使油液控制主換向閥動作。未動作時(shí)，主換向閥處于中位功能，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)保持在一定的狀態(tài)。朝左進(jìn)行轉(zhuǎn)向動作時(shí)，高壓油從L口至主換向閥左邊腔室，使主換向閥閥芯向右換位，高壓油液從液壓泵出來經(jīng)過換向閥、交替閥、主換向閥CL口，進(jìn)而推動執(zhí)行油缸運(yùn)動。油缸回液由主換向閥CR口流入，再通過背壓閥，背壓閥可實(shí)現(xiàn)回油處于一定的平衡狀態(tài)，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)執(zhí)行油缸行程到達(dá)最大時(shí)，回油量減少，背壓閥回歸節(jié)流功能，可使駕駛員感受到轉(zhuǎn)向結(jié)束變化。向右轉(zhuǎn)換方向時(shí)與上述過程相反。

3液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)化

運(yùn)輸車轉(zhuǎn)向作業(yè)過程中，通流主換向閥的的流量最大也僅為120 L/min，最大壓力為25 MPa，不能滿足系統(tǒng)迅速響應(yīng)的作業(yè)要求，為此需要優(yōu)化設(shè)計(jì)出可以增大流量的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，即先導(dǎo)驅(qū)動式大流量雙級控制液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

先導(dǎo)驅(qū)動式大流量雙級控制液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)組成及原理見圖2。

液壓泵可以通過負(fù)載信號實(shí)現(xiàn)油液的變量輸出，油液經(jīng)過換向閥可以選擇給轉(zhuǎn)向系統(tǒng)或同時(shí)給工作回路及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)供液，油液經(jīng)過轉(zhuǎn)向閥、同時(shí)進(jìn)入轉(zhuǎn)向器和流量放大閥，其余流量則流入工作回路中，轉(zhuǎn)向器動作使油液控制主換向閥，轉(zhuǎn)向器未動作時(shí)，主換向閥處于中位功能，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)維持在某種狀態(tài)。向左進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)，高壓油從L口流入至主換向閥，使主換向閥閥芯向右換位，油液同時(shí)流入流量放大閥右側(cè)，流出CF口的油液經(jīng)過流量放大閥后打開液控開關(guān)換向，流入流量放大閥的流量與轉(zhuǎn)向器的壓力油合并一同流出CL口進(jìn)入執(zhí)行油缸，增大主換向閥的通流面積從而實(shí)現(xiàn)流量放大的功能。執(zhí)行油缸回液由主換向閥CR口流入，再通過背壓閥。過濾器回到油箱。與優(yōu)化前方案相似。

采用先導(dǎo)驅(qū)動式大流量雙級控制液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時(shí)，進(jìn)入到執(zhí)行油缸的油液約為400 L/min、工作壓力為24 MPa，能夠?qū)崿F(xiàn)90噸以下的大型車輛的轉(zhuǎn)向能力。

4液壓油缸的優(yōu)化

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓油缸作為液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中最重要的執(zhí)行單元，油缸處于不斷地直線往復(fù)響應(yīng)調(diào)整[13]，井下惡劣的環(huán)境是造成液壓油缸失效因素，為避免油缸的失效造成運(yùn)輸車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的失靈，可對該系統(tǒng)執(zhí)行油缸進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.1密封系統(tǒng)優(yōu)化

用高性能密封材料，如氟橡膠（FKM）和聚氨酯橡膠（PU）[14]。氟橡膠在抗化學(xué)腐蝕性、抗高溫性和抗油性，適用于液壓油環(huán)境和高溫工況；聚氨酯橡膠則具有高耐磨性和高彈性恢復(fù)能力，能有效抵抗密封件在活塞往復(fù)運(yùn)動中的磨損。對于在低溫環(huán)境下工作的液壓轉(zhuǎn)向油缸，可采用硅橡膠（VMQ），它在低溫時(shí)仍能保持良好的彈性，確保密封效果。

用多層密封結(jié)構(gòu)，如在活塞處設(shè)置主密封和副密封。主密封負(fù)責(zé)主要的液壓油密封功能，副密封作為備份，在主密封失效時(shí)防止液壓油大量泄漏。優(yōu)化密封件的裝配工藝，確保密封件組裝作業(yè)中受到不必要的損傷?？梢圆捎脤Ｓ玫陌惭b工具和工藝，保證密封件均勻地嵌入密封槽內(nèi)。

4.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對缸筒內(nèi)表面進(jìn)行鍍鉻處理，鍍鉻層具有高硬度、低摩擦系數(shù)和良好的耐磨性，能有效減少活塞與缸筒之間的磨損。還可以采用陶瓷涂層技術(shù)，陶瓷涂層具有更高的硬度和耐腐蝕性，能適應(yīng)更惡劣的工作環(huán)境[15]。

優(yōu)化活塞的結(jié)構(gòu)形狀，采用流線型設(shè)計(jì)，減少活塞在運(yùn)動過程中的阻力，可提高轉(zhuǎn)向油缸的響應(yīng)速度。對活塞桿與導(dǎo)向套接觸部分做表面硬化，提高其抗腐蝕性和耐磨性。

4.3防護(hù)措施

在液壓油缸的外部設(shè)計(jì)防護(hù)擋板，可以采用金屬板或工程塑料板制作。擋板的形狀和尺寸應(yīng)根據(jù)油缸的工作姿態(tài)和粉塵來源方向進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其能夠有效地阻擋從正面和側(cè)面襲來的粉塵及石塊。與油缸之間應(yīng)保持一定的間隙，以避免在油缸運(yùn)動過程中產(chǎn)生干涉。

增加橡膠、帆布或金屬波紋管保護(hù)套。橡膠保護(hù)套有著出色的彈性、耐磨性和耐腐蝕性[16]。它能夠有效地緩沖外界對活塞桿的沖擊，防止活塞桿因碰撞而受損。帆布保護(hù)套具有較高的強(qiáng)度和耐用性，還具有較好的透氣性，有防水需求的工作環(huán)境，可以選擇經(jīng)過防水處理的帆布，如涂覆有聚氯乙烯（PVC）涂層的帆布，以防止水分侵入對活塞桿造成腐蝕。金屬波紋管保護(hù)套有著一定的強(qiáng)度和剛度，有效防止活塞桿受到大的外力擠壓和沖擊[17]。金屬波紋管保護(hù)套具有良好的伸縮性，不會對活塞桿的運(yùn)動產(chǎn)生阻礙。

5結(jié)語

井下特殊環(huán)境對液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)帶來了諸多挑戰(zhàn)。通過對運(yùn)輸車液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理的剖析，對其系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)了先導(dǎo)驅(qū)動式大流量雙級控制液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)更大流量和壓力的負(fù)載，可適配90 t以下的大型車輛的轉(zhuǎn)向能力，極大地提升了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向性能。

對于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的關(guān)鍵執(zhí)行單元液壓油缸，采取了多方面的優(yōu)化措施。在密封系統(tǒng)方面，選用氟橡膠、聚氨酯橡膠、硅橡膠等高性能材料。在結(jié)構(gòu)方面，對缸筒進(jìn)行鍍鉻處理或采用陶瓷涂層，優(yōu)化活塞形狀，加強(qiáng)活塞桿強(qiáng)度并進(jìn)行表面硬化處理，顯著改善了油缸的耐磨性和工作周期。此外，通過在液壓油缸外部設(shè)置防護(hù)擋板，以及增加橡膠、帆布或金屬波紋管保護(hù)套等防護(hù)措施，能夠有效抵御井下粉塵、水分和外力對油缸的侵害。

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（責(zé)任編輯：平海，蘇幔）