鉸接式雙向駕駛混凝土濕噴車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設計與試驗

陳永峰 郭培燕

（1.陜西鐵路工程職業(yè)技術學院機電工程系，陜西渭南714000；2.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西太原 030006）

隨著國家對高等級公路、高鐵、地鐵發(fā)展需求的增大和能源問題的日益突出，隧道建設將會持續(xù)增長，同時，在推進煤炭結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型升級過程中，必將推進大型煤炭基地、大型現(xiàn)代化煤礦和安全高效礦井的建設。在隧道和煤礦井巷工程施工中，混凝土噴漿工程是不可缺少的一部分，為了適應施工領域的不斷發(fā)展，近年來涌現(xiàn)出了許多先進的噴射混凝土施工設備，如混凝土噴射車，而尤以濕噴車的應用最為普遍，特別是在地質(zhì)圍巖差的洞室安全支護過程中更能發(fā)揮出濕噴車的優(yōu)勢和特點［1-4］。

在隧道和煤礦井巷工程施工過程中，混凝土濕噴車工作效率的高低不僅與其噴射能力有關，同時與車輛行走系統(tǒng)的效率也息息相關，而整車的行走效率往往受到巷道寬度、高度、坡度、路面質(zhì)量等的影響，所以混凝土濕噴車能否在隧道和煤礦井巷中實現(xiàn)快速行走、靈活掉頭、安全制動等是關系到整車能否安全、高效完成作業(yè)的重要保證。因此，研究混凝土濕噴車的雙向駕駛轉(zhuǎn)向技術具有一定的實際應用價值。

1 鉸接式雙向駕駛混凝土濕噴車結(jié)構(gòu)特點

鉸接式雙向駕駛混凝土濕噴車的外形如圖1所示，主要由發(fā)動機裝置、傳動裝置、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、前后駕駛室、機架以及噴射裝置等組成。該車的特點是不僅配備有混凝土噴射裝置，使得噴射作業(yè)高效快捷，而且配備有互鎖功能的雙駕駛操縱系統(tǒng)，使得行車效率和操作安全性更高。

2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的原理設計

根據(jù)文獻［5］，目前鉸接式雙向駕駛車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要采取2種技術，這2種形式的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在使用過程中若操作不當將會出現(xiàn)整車無法轉(zhuǎn)向或者轉(zhuǎn)向狀態(tài)無法控制的現(xiàn)象，增大了事故發(fā)生的概率。

鉸接式雙向駕駛混凝土濕噴車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理如圖2所示，包括前后駕駛切換閥組1、前優(yōu)先閥2、前負荷傳感轉(zhuǎn)向器3、后優(yōu)先閥4、后負荷傳感轉(zhuǎn)向器5、前后轉(zhuǎn)向閉鎖閥6、左轉(zhuǎn)向油缸7、右轉(zhuǎn)向油缸8以及液壓泵9、液壓油箱、管路等。其中前負荷傳感轉(zhuǎn)向器3和前優(yōu)先閥布置在前駕駛室，后負荷傳感轉(zhuǎn)向器5和后優(yōu)先閥4布置在后駕駛室。

當駕駛員在前駕駛室操縱時，前后駕駛切換閥組中的二位四通電磁換向閥失電工作在上位、前后轉(zhuǎn)向閉鎖閥中的二位六通電磁換向閥失電工作在下位，轉(zhuǎn)向時，齒輪泵輸出的的壓力油依次通過前后駕駛切換閥組、前優(yōu)先閥、前負荷傳感轉(zhuǎn)向器進入左右轉(zhuǎn)向油缸，實現(xiàn)了車輛的鉸接轉(zhuǎn)向。與此同時，后優(yōu)先閥的進油口與油箱處于連通狀態(tài)且后負荷傳感轉(zhuǎn)向器壓力輸出口由于前后轉(zhuǎn)向閉鎖閥的存在與左右轉(zhuǎn)向油缸處于斷開狀態(tài)，所以后負荷傳感轉(zhuǎn)向器的任何動作都不會影響到整車的正常轉(zhuǎn)向，確保了車輛及人員運輸?shù)陌踩．旕{駛員在后駕駛室操縱時，前后駕駛切換閥組中的二位四通電磁換向閥得電工作在下位、前后轉(zhuǎn)向閉鎖閥中的二位六通電磁換向閥得電工作在上位，工作原理亦是如此。

3 整車最大轉(zhuǎn)向阻力矩的計算

鉸接式車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設計是以原地轉(zhuǎn)向工況為依據(jù)，因為在原地轉(zhuǎn)向狀態(tài)下整車的轉(zhuǎn)向阻力矩為最大［6-7］。鉸接式雙向駕駛混凝土濕噴車采用雙橋驅(qū)動，并且前橋負荷大于后橋負荷，其原地轉(zhuǎn)向力學模型如圖3所示。圖3中，O為前后車架鉸接點，O1、O2分別為前、后驅(qū)動橋的中心點，α為前后車架的轉(zhuǎn)向折腰角，β、γ分別為前、后車架分別與水平線之間的夾角，L1、L2分別為前、后車橋與鉸接點O之間的距離，B為前、后車橋的輪距，ω1、ω2分別為前、后車架繞鉸接點O的角速度，ui、vi分別為i（i=1，2，3，4）號車輪縱向及側(cè)向速度，F(xiàn)i、Si分別為i號車輪縱向及側(cè)向作用力，Mi為i號車輪相對地面的偏轉(zhuǎn)阻力矩。

參照文獻［8-10］，利用虛位移原理，對鉸接式雙向駕駛混凝土濕噴車的最大轉(zhuǎn)向阻力矩進行計算：

式中，Ti為i號車輪相對驅(qū)動橋中心滾動所引起的轉(zhuǎn)向阻力矩，Ti=BfGisgn(ui)/2，其中，Gi為i號車輪的垂直載荷，f為滾動阻力系數(shù)；Mi為車輪i相對地面繞自身所產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)阻力矩，，其中，x、y分別為輪胎在地面上橢圓印痕的長、短軸軸長，μ為輪胎與地面之間的滑動摩擦系數(shù)；F為在轉(zhuǎn)向過程中傳動件扭緊對后驅(qū)動橋所產(chǎn)生的切向力，F(xiàn)=λG'，其中，λ為輪胎與地面之間的綜合摩擦系數(shù)，G'為濕噴車后橋的負荷；δα、δβ、δγ分別為整車、前驅(qū)動橋、后驅(qū)動橋轉(zhuǎn)向阻力矩所對應的虛位移；δr為后驅(qū)動橋中點的虛位移。

將鉸接式雙向駕駛混凝土濕噴車的相關參數(shù)代入式（1），得出整車的最大轉(zhuǎn)向阻力矩為7.23 kN·m。

4 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)關鍵元部件參數(shù)的確定

對于鉸接式車輛而言，轉(zhuǎn)向油缸參數(shù)的確定至關重要，一旦選用不當，則會出現(xiàn)無法轉(zhuǎn)向或轉(zhuǎn)向費力的現(xiàn)象。鉸接式雙向駕駛混凝土濕噴車轉(zhuǎn)向機構(gòu)采用雙油缸對稱布置，當轉(zhuǎn)向折腰角達到最大時，液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠提供的最大轉(zhuǎn)向力矩MS應大于整車的最大轉(zhuǎn)向阻力矩M，即

式中，pmax為液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的最大工作壓力，取10 MPa；D為轉(zhuǎn)向油缸活塞直徑；d為轉(zhuǎn)向油缸活塞桿直徑；rmin為折腰角達到最大時，轉(zhuǎn)向油缸相對于鉸接點的最小力臂距。

根據(jù)轉(zhuǎn)向油缸在整車中的布置位置，當折腰角達到最大時，rmin=0.16 m，若能夠滿足式（2）的要求，取D=63mm，d=35 mm即可。

5 轉(zhuǎn)向性能試驗

5.1 試驗儀器及方法

CHPM智能液壓測試儀可測試液壓系統(tǒng)壓力、流量、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等重要參數(shù)，試驗過程中，在鉸接式雙向駕駛混凝土濕噴車轉(zhuǎn)向油缸的進、出油口各安裝1個量程為40 MPa的壓力傳感器，通過操作方向盤使整車在水平混凝土路面緩慢地進行原地轉(zhuǎn)向，將測試的相關參數(shù)利用配套使用的HTDA數(shù)據(jù)分析與處理軟件進行處理。

5.2 原地轉(zhuǎn)向試驗曲線分析

圖4是駕駛員分別在前駕駛室和后駕駛室緩慢勻速轉(zhuǎn)動方向盤使車輛進行原地轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向折腰角從0°逐漸變?yōu)?5°所測得壓力曲線。

從圖4（a）中可以看出，在前駕駛室操縱時，轉(zhuǎn)向油缸進口的最大壓力約8.4 MPa。當轉(zhuǎn)向折腰角達到最大時，此時由于前后鉸接車架之間的限位裝置開始起作用，使得轉(zhuǎn)向油缸進口的壓力值迅速達到溢流設定值16 MPa，在該轉(zhuǎn)向過程中，液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供的轉(zhuǎn)向力矩為7.09 kN·m，與計算結(jié)果7.23 kN·m的誤差為1.97%。

從圖4（b）可以看出，在后駕駛室操縱時，轉(zhuǎn)向油缸進口的最大壓力約8.2 MPa。此后也是由于前后鉸接車架之間的限位裝置不能繼續(xù)轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向油缸進口的壓力發(fā)生了突變，在該轉(zhuǎn)向過程中，液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供的轉(zhuǎn)向力矩為6.92 kN·m，與計算結(jié)果7.23 kN·m的誤差為4.48%。

6 結(jié)論

（1）采用轉(zhuǎn)向閉鎖閥能夠有效地實現(xiàn)前后駕駛操縱的閉鎖功能，提高了車輛行駛的安全性，降低了事故發(fā)生的概率。

（2）利用虛位移原理理論計算的整車最大轉(zhuǎn)向阻力矩與試驗結(jié)果相比，誤差小于5%。

（3）在前駕駛操縱和后駕駛操縱，整車的轉(zhuǎn)向性能基本一致。