電控電動四輪轉向系統在煤礦井下防爆運人車上的應用

王娜

(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)

0 引言

礦用防爆運人車作為將人員從地面運輸到煤礦井下的主要工具，在煤礦生產輔助運輸中起著重要的作用。結合煤礦生產安排，每天平均利用人車運輸人員入井2～3趟。目前運人車多為19座及29座，轉向形式主要以前輪轉向為主，運行最高車速設計為25 km/h[1]。單純前輪轉向，整車轉彎半徑大，遇到巷道抹角、人車折返調頭等工況，消耗時間多，嚴重影響人車在井下的通行效率。電控四輪轉向系統在防爆人車上的應用，能極大地提高整車通過性能，有效縮短人車往返運行時間，提升人員運輸效率，對煤礦人員輔助運輸具有重要的意義。

1 防爆運人車運行現狀

1.1 防爆運人車運行現狀

防爆運人車主要負責地面及煤礦井下之間人員的運輸，其在井下主要行走于大巷及聯絡巷之間。國內大部分煤礦大巷斷面寬度約為5.5 m，聯絡巷斷面寬度更小。而在用人車，以29座為例，常見29座人車整車長度約為6.5 m，軸距從3.5 m到4.0 m不等，單一依靠前輪轉向，轉彎半徑需達到8.0 m及以上。而現有巷道很難滿足人車8.0 m轉彎條件，人車在井下調頭困難。盡管大巷路面已硬化，但由于長期運行重型車輛，加之譬如煤矸石等各種雜物拋灑，巷道坑洼較多，路面情況比較惡劣。

1.2 前輪轉向系統

目前在用的防爆運人車主要以前輪轉向為主。司機通過操縱方向盤，經由轉向器和機械轉向機構控制轉向輪的偏轉，轉彎中心點位于前輪兩主銷延長線與后輪中心線延長線交點[2-3]，如圖1所示。轉彎半徑和軸距與整車長度息息相關。

圖1 前輪轉向

2 電控電動式四輪轉向系統

2.1 電控電動四輪轉向系統

電控電動四輪轉向系統以電控控制單元為核心，通過對前、后輪角度傳感器及速度傳感器采集的信號進行分析，控制單元按標定控制策略對后橋轉向機構發送命令，實現四輪轉向[4-5],如圖2所示。電控電動四輪轉向系統還設有反饋機制，通過對前、后輪實際轉角與控制策略中設定的轉角[6]進行比較，進而對實際轉向角進行補償或控制，從而實現四輪動態轉向。

1-前輪轉角傳感器;2-前輪轉向機構;3-前輪;4-方向盤;5-車速傳感器;6-橫擺角速度傳感器;7-電控控制單元;8-電機;9-減速器;10-后輪;11-后輪轉向機構;12-后輪轉角傳感器。圖2 電控電動式四輪轉向系統

為保證電動電控四輪轉向系統失效時整車的行駛安全，以及車速較高時整車的運行平穩性，電控電動四輪轉向系統都有鎖死功能，即在緊急或既定狀態下對后輪轉向機構進行鎖死，恢復原始單一前橋轉向功能。一般后橋對中鎖死通過液壓缸對中鎖死裝置進行實現。

2.2 后橋對中鎖死裝置

后橋對中鎖死裝置對整車運行安全性及穩定性意義重大。鎖死機構應能在實現后橋轉向功能鎖死的前提下，保證兩后輪運行方向及兩后輪與整車運行方向的一致性。后橋對中鎖死機構常通過液壓缸來實現。典型的后橋對中鎖死機構有機械對中、機械鎖死或機械對中、液壓鎖死兩種形式，分別如圖3和圖4所示。將對中鎖死機構兩端連接于后橋轉向連桿上，當接收到后橋轉向鎖定信號后，對后橋轉向進行鎖定。

1-缸體；2，3-油口，4-活塞桿；5，6-活塞；7-密封；8-缸蓋；9，10-耳環；11-凸臺；12-楔形口；13，14-左右油腔；15-活塞頭；16-控制腔體；17-缸體結合面；18-控制腔端蓋；19-油道；20-信號處理；21-彈簧體；22-透氣塞；23-控制腔結合面。圖3 機械對中、機械鎖死對中機構示意圖

1-球銷；2-接頭體；3-活塞桿；4，8-左右油缸端蓋；5-缸體；6，7-左右浮動活塞；P1，P2-油液通道；3a,5a-環形凸臺；A,B-左右油腔；C-中間油腔圖4 機械對中、液壓鎖死對中機構示意圖

圖3機械對中、機械鎖死對中機構[7]中，油缸活塞桿頭兩側采用浮動活塞，轉向時可進行滑動。當需要鎖定后橋轉向時，油缸活塞恢復中位，鎖死機構通過彈簧推動限位凸臺，使其正好卡于活塞桿頭凹槽之中，進行機械鎖定。轉向時，限位凸臺又可通過彈簧進行復位。

圖4機械對中、液壓鎖死對中機構[8]與圖3對中機構原理相似，后橋無需轉向時通過活塞兩側液體壓力平衡使活塞桿處于中位。但此類對中鎖死機構對液壓壓力精度要求較高，液壓泄露會影響其可靠性[9]。因此，增加液壓泄露補償裝置會更為理想。

3 電控電動四輪轉向系統在整車上的應用

3.1 試驗條件

本文在某煤礦對電控電動四輪轉向系統在防爆運人車上的應用進行了初步試驗。該煤礦每天利用人車運輸入井400～450人，巷道單程往返約24 km，巷道斷面為拱形，寬5.3 m，高3.9 m，斷面積21 m2左右。運輸人員采用防爆29座人車。選用其中兩臺29座人車分別在原狀態及安裝電控電動四輪轉向系統的狀態下進行了試驗，試驗周期一個月。

3.2 試用效果

試驗過程中，兩車均往返運行55次，記錄每臺車每趟往返所需時間，取平均值，得其往返時間數據。兩車在地面進行原地轉向試驗，測其外轉彎半徑，取三次結果的平均值。防爆人車基本參數及最終試驗對比數據如表1所示。

由表1可見，整車轉彎半徑明顯降低，極大地改善了整車的通過性能。整車通過性能的改善也節約了運送人員所需的時間，提高了運輸效率。經統計，若井口到工作面距離為12 km，加裝整車電控電動四輪轉向系統后，防爆運人車一個往返要比之前節約10～20 min。

表1 試驗結果分析

4 結論

電控電動四輪轉向系統在煤礦井下防爆運人車上的成功應用，對煤礦人員輔助運輸而言具有重要的意義，改善了整車的通過性能，提高了人員的運輸效率，延長了前輪胎的使用壽命，降低了整車的維護成本。