WJ-7FB礦用多功能鏟運機全液壓轉向系統設計

賀克偉

(中國煤炭科工集團太原研究院，山西太原030006)

礦用鏟運機用于煤礦井下輔助材料的運輸，作為無軌運輸設備，它具有鏟、叉、運等多種功能，擔負著井下裝卸料和運輸的任務，某些鏟運機配備液壓破碎錘，還可用于井下路面的修建。相對于井下其他裝載設備，礦用鏟運機具有機動靈活、活動范圍廣、生產能力大等特點［1］。

礦用鏟運機采用前后機架中央鉸接式結構，經上下兩根銷軸對聯，允許前后機架左右相對轉動。對采用雙缸轉向的鏟運機，整機的轉向通過兩端分別固定在前后機架上的油缸來完成，轉向時一根油缸活塞桿伸出、一根油缸活塞桿縮回。采用鉸接式液壓轉向方式理論上可以獲得轉向靈活、轉彎半徑小的轉向性能［2］。但礦井底下地面復雜、巷道窄而彎道多，鏟運機經常要行駛在凹低不平路面、松軟的泥煤或是碎石場地。為了適應復雜的井底環境，要求礦用鏟運機的轉向系統具備操作靈活、操作力小、動作可靠、性能穩定等特點，因此設計合理的液壓轉向系統十分重要。

1 全液壓轉向系統構成及分析

1.1 全液壓轉向系統構成

全液壓轉向系統由液壓泵、轉閥式轉向器(以下稱轉向器)、液壓缸及液壓輔助元件組成，系統構成如圖1 所示。轉向器與液壓缸通過管路連接，轉向器作為全液壓轉向系統最重要的元件由駕駛人員經方向盤進行操控，方向盤與轉向柱、轉向柱與轉向器控制閥芯分別經花鍵配合，液壓系統工作時，液壓泵輸出油液至轉向器，方向盤轉動帶動轉向器內部控制閥芯隨之旋轉，油液經控制閥芯和閥套間的過流截面流向計量馬達，然后經計量馬達輸出至液壓缸，進而實現整機轉向。轉向器輸出油液的多少與方向盤轉動的快慢有關，方向盤轉動速度快，轉向器單位時間輸出至液壓缸的油液就多［3］。

圖1 液壓轉向系統構成

1.2 液壓轉向系統油路分析

轉向器中位狀態下工作油路R、L 口存在不同的油口狀態，R、L 口互通狀態，見圖1 (a)，外界負荷作用在整機上的力可以反饋至方向盤，操作人員釋放方向盤后，方向盤可以自動復位，設備不能維持方向盤釋放時的狀態;R、L 口封閉狀態，將此稱之為無反應狀態［4］，如圖1 (b)，在此狀態下外界負荷作用在整機上的力不會反饋至方向盤上，配置此種機能轉向器的設備，操作人員釋放向盤后，設備能夠保持方向盤釋放時的狀態;中位R、L、T 口互通狀態，此中位機能轉向器可作為先導元件，與液控操作轉向閥匹配使用，用在重型車輛的轉向上［5］。

轉向器位于中位時P、T 口存在導通和封閉狀態，P、T 口導通機能可以用于定量泵供油系統，如圖1 (a);P、T 口封閉機能可用于定量泵系統，如圖2 (a)，或用于變量泵供油系統，如圖1 (b)和圖2 (b)。與圖1 相比較，圖2 所示為具備優先轉向功能的負載敏感轉向系統，在定量泵優先轉向系統中，優先閥作為定壓差閥感應轉向LS 信號優先保證CF 口的油液供給，多余油液經EF 口流向工作回路［6－7］，工作回路必須采用開芯式結構或是采用旁通溢流結構，以保證待命時定量泵系統處于低壓卸荷狀態。變量泵優先負載敏感系統，轉向LS 信號與工作回路LS 信號比較后反饋至變量泵排量控制機構上，變量泵根據轉閥閥口和工作回路閥口開度提供與之相匹配的流量輸出［8－9］。

圖2 負載敏感液壓轉向系統

1.3 全液壓轉向系統比較

定量泵和變量泵全液壓轉向系統油路簡圖如圖3所示，定量泵供油全液壓轉向系統可視為節流調節的閥控缸調速系統，定量泵在轉速恒定時輸出的流量為一定值，在轉向器動作時，定量泵的輸出流量一部分流向轉向器實現整機轉向，一部分油液供給工作回路動作，多余的油液以高于兩個回路之中壓力較高值約1 ～2 MPa 的壓力卸荷至油箱，卸荷的油液因壓力損失將造成液壓油油溫的升高，整機設計時需考慮加大液壓油箱的容量或加裝散熱裝置以便將油溫控制在合理范圍內。

圖3 液壓轉向系統油路簡圖

變量泵全液壓轉向系統為容積節流調節的閥控缸調速系統，對配備恒壓變量泵的液壓轉向系統，恒壓變量泵實時以壓力切斷值的待命壓力給轉向器供油，只要轉向器動作，恒壓泵能快速地供給壓力油，并及時調整泵的排量以匹配轉向系統的流量和壓力需求，雖然待命時壓力高，但此時恒壓泵僅輸出少量流量，以滿足泵本身和系統的泄漏，系統泄漏因壓力損失引起的熱量小。采用變量泵LS 反饋優先轉向系統，轉向和工作回路未動作時，變量泵以1.5 ～3 MPa 的壓力處于待命狀態，轉向或工作回路動作時變量泵可提供系統需要的壓力和流量，但系統LS 管路長短、布置及走向在一定程度上會減弱LS 反饋信號，對系統靈敏度造成影響，同時采用此系統必須滿足待命狀態下LS 信號能夠及時卸荷。

對比定量泵和變量泵全液壓轉向系統的特點，根據WJ-7FB 鏟運機整機設計與布置，并考慮到整機在井下運行時地面情況復雜、作用在整機上的外作用力大，采取恒壓泵供油中位閉芯，R、L 口封閉的全液壓轉向系統。

2 WJ-7FB 鏟運機恒壓閉芯無反應轉向系統設計

2.1 系統功能分析

WJ-7FB 多功能鏟運機的全液壓轉向原理如圖4所示，恒壓變量泵采用壓力補償柱塞變量泵(以下簡稱柱塞變量泵)，轉向回路配置轉向蓄能器5，轉動方向盤時，柱塞變量泵和轉向蓄能器同時給閉芯轉向器供油實現整機轉向;此系統還包含制動回路，柱塞變量泵和制動蓄能器13 給制動回路供油，實現整機制動釋放。轉向和制動回路分別經氣控換向閥9 和14 與整機氣路系統實現相互閉鎖。

圖4 WJ-7FB 全液壓轉向系統原理

2.2 工作原理和系統特點

整機啟動時柱塞變量泵輸出的油液經高壓過濾器3、單向閥4 和12 分別向轉向蓄能器5 和制動蓄能器13 充液，充液完畢后柱塞泵處于高壓等待狀態，設定柱塞變量泵的壓力切斷值為16 MPa，系統安全閥7設定壓力19 MPa。

轉向回路配置轉向蓄能器5 后，整機轉向時獲得壓力油的速度相對于單柱塞泵供油時更快，系統響應時間縮短，轉向靈活。在轉向過程中外界負荷引起轉向壓力突升時，可經R、L 口的緩沖溢流閥卸荷，緩沖溢流閥壓力設定值高于安全閥5 ～7 MPa，此時轉向蓄能器可吸收系統壓力沖擊和振動。

整機或柱塞變量泵出現故障，系統失去動力時，轉向蓄能器5 可作為緊急動力源供給轉向器，轉向器此時可以作為手動泵使用，操縱方向盤轉動，轉向器通過P、T 口間的單向閥經T 口從油箱吸油，同時轉向缸的回液輸送到P 口，實現車輛緊急轉向。

轉向系統與整機氣路系統經氣控換向閥9 進行閉鎖，整機未解制動時氣控換向閥9 切斷轉向器油液的供給，車輛無法轉向，可以防止車輛在制動器制動狀態下操作方向盤時磨損輪胎。

轉向回路配備截止閥6，設定為常閉狀態，在車輛故障檢修和吊裝整機運輸時，操作截止閥可人為釋放轉向蓄能器的壓力油液，以防止誤操縱方向盤造成周邊設備損壞和人員傷害。

另外，制動回路經柱塞泵和制動蓄能器13 向腳踏制動閥供液，與整機氣路系統經氣控換向閥14進行閉鎖，操作此閥實現車輛的緊急制動與制動釋放功能。蓄能器卸荷閥15 控制信號取自傳動系統壓力油，車輛熄火后傳動壓力消失，蓄能器卸荷閥自動釋放掉制動蓄能器內壓力油，實現彈簧制動器動作。

轉向回路與制動回路配合使用，在滿足整機轉向性能時，又保證了整機的安全性。

3 結束語

采用恒壓變量泵，并配備轉向蓄能器的全液壓轉向系統，響應時間短，轉向靈敏，系統節能，可實現整機正常行駛和系統失去動力緊急狀態下的轉向，與制動回路相配合滿足了WJ-7FB 多功能鏟運機的現場使用。

［1］張棟林．地下鏟運機［M］．北京:冶金工業出版社，2002．

［2］高夢熊．地下裝載機［M］．北京:冶金工業出版社，2011．

［3］Rexroth Bosch Group．RC 14 365/01．98．1457－1461．

［4］Eaton Char-Lynn．C-STOV-MC001－E 2003，6－11．

［5］柳玉龍．WC40EJ 井下重型支架搬運車液壓轉向分析［J］．煤礦機械，2011(2):82－83．

［6］馮波，李巖，石磊．負荷傳感轉向系統在鉸接式礦用車輛的應用［J］．煤礦機械，2010(5):177－179．

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［9］王先鋒，陳利東，田晉躍．負荷傳感轉向系統在隧道施工專用搬運車輛上的應用［J］．液壓與氣動，2011(9):59－61．