支架搬運(yùn)車差速控制裝置的設(shè)計(jì)

安四元

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

支架搬運(yùn)車是用于綜采工作面液壓支架整體下井、整體搬家、倒面作業(yè)的一種新型特種車輛。行走液壓系統(tǒng)作為支架搬運(yùn)車的整車技術(shù)參數(shù)的重要組成部分，其性能直接決定了支架搬運(yùn)車在行走過(guò)程中的操作品質(zhì)以及穩(wěn)定性和安全性[1-2]。

差速控制是支架搬運(yùn)車閉式行走液壓系統(tǒng)最重要的組成部分，決定了車輛轉(zhuǎn)向特性和輪胎的使用壽命。支架搬運(yùn)車在轉(zhuǎn)彎時(shí)，每側(cè)車輪轉(zhuǎn)速不同，兩側(cè)分別采用獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。如果控制不合適，就會(huì)造成左右兩側(cè)車速不同步，引起輪胎磨損，甚至出現(xiàn)安全事故。為了避免這個(gè)情況，設(shè)計(jì)了支架搬運(yùn)車液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)差速控制裝置，以提高車輛行駛的穩(wěn)定性，使車輛在行駛過(guò)程中自動(dòng)調(diào)節(jié)各驅(qū)動(dòng)輪的行駛速度，驅(qū)動(dòng)輪在行駛過(guò)程中始終和地面保持純滾動(dòng)，達(dá)到自動(dòng)控制差速的目的。

1 框架式支架搬運(yùn)車液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理

如圖1所示，煤礦井下支架搬運(yùn)車的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)左右相互獨(dú)立，主要由先導(dǎo)控制閥1、凸輪2、先導(dǎo)控制閥3、液壓泵4和液壓馬達(dá)5組成。左右側(cè)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都相同，中間通過(guò)凸輪組件相關(guān)聯(lián)。單側(cè)液壓泵4給單側(cè)液壓系統(tǒng)提供高壓油，馬達(dá)5由高壓油推動(dòng)旋轉(zhuǎn)輸出動(dòng)力，帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。先導(dǎo)控制閥1為機(jī)械控制閥，通過(guò)凸輪2控制先導(dǎo)控制閥1閥芯的位移，改變輸出給先導(dǎo)控制閥3壓力控制油。先導(dǎo)控制閥3控制車輛的前進(jìn)和后退[3-5]。

2 支架搬運(yùn)車差速控制裝置設(shè)計(jì)

由于支架搬運(yùn)車液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)左右相互獨(dú)立，車輛在轉(zhuǎn)向時(shí)不容易實(shí)現(xiàn)差速，需設(shè)計(jì)差速控制裝置。支架搬運(yùn)車在轉(zhuǎn)彎時(shí)，內(nèi)側(cè)車輪轉(zhuǎn)速慢，外側(cè)車輪轉(zhuǎn)速快，由于車速快慢取決于液壓系統(tǒng)流量，所以在轉(zhuǎn)彎時(shí)外側(cè)系統(tǒng)流量大于內(nèi)側(cè)系統(tǒng)流量，液壓系統(tǒng)流量等于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與泵排量乘積，由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)于左右兩側(cè)系統(tǒng)是一樣的，如果要實(shí)現(xiàn)差速，只能控制泵排量?；谏鲜龇治隼碚?，在系統(tǒng)中增加先導(dǎo)控制閥和凸輪機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)支架搬運(yùn)車差速。其中凸輪的設(shè)計(jì)是支架搬運(yùn)車差速控制裝置設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1-先導(dǎo)控制閥；2-凸輪；3-先導(dǎo)控制閥；4-液壓泵；5-液壓馬達(dá)

圖1支架搬運(yùn)車液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖

(a)

(b)

為了能夠準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)凸輪，將支架搬運(yùn)車簡(jiǎn)化成如圖2所示，框架式支架搬運(yùn)車多數(shù)為鉸接式車輛，前機(jī)架為從動(dòng)輪，后機(jī)架全為驅(qū)動(dòng)輪，由于外側(cè)馬達(dá)1和3共用一個(gè)泵，內(nèi)側(cè)馬達(dá)2和4共用另外一個(gè)泵，系統(tǒng)流量決定馬達(dá)轉(zhuǎn)速，現(xiàn)將后面4個(gè)馬達(dá)簡(jiǎn)化為2個(gè)馬達(dá)，假設(shè)前機(jī)架輪間距d1，轉(zhuǎn)彎半徑為R3、R4，輪胎半徑r1，后機(jī)架輪間距d2，轉(zhuǎn)彎半徑為R1、R2，輪胎半徑為r2，O1O2長(zhǎng)度為a，O2O3長(zhǎng)度為b，OO3長(zhǎng)度為c，外側(cè)系統(tǒng)流量Q1，馬達(dá)排量為q1，內(nèi)側(cè)系統(tǒng)流量為Q2，內(nèi)側(cè)馬達(dá)排量為q2，根據(jù)幾何三角形相似定理可以得出：

(1)

θ=α+β

(2)

由式(1)和式(2)得出：

(3)

(4)

(5)

式(4)、(5)中：vw為外車輪線速度，vn為內(nèi)車輪線速度。

在理想情況下，車輪1和車輪2圍繞圓心O轉(zhuǎn)動(dòng)，具有相同的角速度，得出：

(6)

(7)

假設(shè)內(nèi)外側(cè)馬達(dá)排量相等,即q1=q2,外側(cè)系統(tǒng)流量大于內(nèi)側(cè)系統(tǒng)流量，Q2=Q1-ΔQ，代入上式中得出：

(8)

對(duì)上式求微分、整理得出：

dQ=2Q1(b+acosθ)d2/[(a+bcosθ)2+

4d2(a+bcosθ)sinθ+d2sin2θ]dθ

(9)

式(9)是支架搬運(yùn)車轉(zhuǎn)向角度與左右兩側(cè)系統(tǒng)流量差函數(shù)關(guān)系式，由于支架搬運(yùn)車左右兩側(cè)液壓系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相同，兩個(gè)系統(tǒng)流量關(guān)系式即為左右兩側(cè)泵排量關(guān)系式[6-8]。

支架搬運(yùn)車液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)閉式泵控制方式為液壓先導(dǎo)控制，控制閉式泵的排量就可以通過(guò)改變先導(dǎo)控制壓力來(lái)控制兩個(gè)閉式泵的排量。這兩個(gè)先導(dǎo)控制壓力需要兩個(gè)機(jī)械控制閥提供，并且還需要一個(gè)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上面公式得出的函數(shù)關(guān)系。該機(jī)構(gòu)根據(jù)上述關(guān)系式以及機(jī)械控制閥壓力位移特性曲線得出，這兩個(gè)機(jī)械控制閥和凸輪構(gòu)成了支架搬運(yùn)車差速控制裝置。

表1 某型支架搬運(yùn)車設(shè)計(jì)參數(shù)

差速控制裝置中凸輪將左右兩側(cè)獨(dú)立的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)連接起來(lái)，是個(gè)很關(guān)鍵的元部件，凸輪設(shè)計(jì)的好壞決定了車輛差速轉(zhuǎn)向控制性能，決定了車輛轉(zhuǎn)向時(shí)左右兩側(cè)車輪的協(xié)調(diào)性，表1是某型支架搬運(yùn)車凸輪設(shè)計(jì)所需參數(shù)，將這幾個(gè)參數(shù)值代入公式(9)中，得出:

結(jié)合先導(dǎo)控制閥特性曲線設(shè)計(jì)出凸輪如圖3所示，凸輪是由1、2、3三段曲線弧生成的扇形結(jié)構(gòu)，這三段弧形曲線決定了兩個(gè)先導(dǎo)控制閥頂桿伸出的位移。

1-凸輪弧線a；2-凸輪弧線b；3-凸輪弧線c

如圖4所示，液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中差速控制裝置主要包括兩個(gè)先導(dǎo)控制閥2和凸輪3，先導(dǎo)控制閥為普通的機(jī)械控制閥，將這兩個(gè)先導(dǎo)控制閥安裝在后機(jī)架1上，凸輪3裝在前機(jī)架5上，前后機(jī)架通過(guò)鉸接銷軸4連接。車輛在轉(zhuǎn)向時(shí)，凸輪跟隨前機(jī)架一起轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)先導(dǎo)控制閥隨著凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，其頂桿的位移發(fā)生變化，兩個(gè)先導(dǎo)控制閥的出口壓力也發(fā)生相應(yīng)地變化，進(jìn)而引起兩個(gè)液壓泵的排量發(fā)生變化，左右兩側(cè)的馬達(dá)實(shí)現(xiàn)了差速。

1-后機(jī)架；2-先導(dǎo)控制閥；3-凸輪；4-銷軸；5-前機(jī)架

3 結(jié)論

框架式支架搬運(yùn)車液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)差速控制裝置可有效地解決煤礦井下支架搬運(yùn)車轉(zhuǎn)向時(shí)左右兩側(cè)車輪的差速問(wèn)題，很好地滿足礦井下狹窄巷道車輛轉(zhuǎn)彎半徑小的要求。此外，該裝置為車輛輪胎的使用壽命提供了強(qiáng)有力的保障，隨著井下車輛的普及應(yīng)用，該裝置對(duì)煤礦井下安全生產(chǎn)具有積極意義。