礦用液壓驅動行走系統優化設計*

馬艷衛

(山西天地煤機裝備有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

礦用液壓驅動車作為井下運輸液壓支架的主要設備，具有快速、靈活、高效的特點，已在生產中得到了廣泛應用。為方便液壓支架的裝卸，采用了框架式結構，這使得傳統的機械傳動驅動方式不能適用于目前的車輛，創新性地設計了液壓驅動。液壓驅動具有無級調速和布局靈活的特點。通過分流閥確保同側驅動輪的同步性。車輛鉸接處安裝有比例減壓閥,車輛轉向時對內外側液壓馬達實現差速控制，減小車輛的轉向半徑，更符合煤礦井下巷道的使用條件。此外,液壓驅動本身還具有制動功能，在減小油門時車輛本身帶有制動效果。在使用過程中，液壓驅動車的輪胎出現過度磨損，縮短了輪胎的使用壽命，增加了使用、維修成本。為解決出現的問題，對輪胎磨損的原因進行了分析，并提出了相應的解決方案。

1 輪胎磨損原因分析

液壓驅動系統原理如圖1所示。液壓驅動系統主要由閉式變量柱塞泵、驅動馬達、沖洗閥和控制手柄等組成。通過操作控制手柄，達到控制閉式變量柱塞泵斜盤擺角的目的，從而實現車輛的前進和后退。通過控制發動機油門，改變發動機轉速，實現控制車輛行走速度的目的。閉式變量柱塞泵本身還集成了一個內嚙合的齒輪泵，即補油泵。其主要功能是：向液壓系統補充柱塞泵和行走馬達的泄漏油液，同時將冷油補進系統，降低系統溫度；給控制手柄提供壓力油，控制車輛的行走方向；增加液壓系統回油路的背壓，同時增加主泵進油口處壓力，防止大流量時產生氣蝕，可有效地防止泵吸空[1-2]。

1-閉式變量柱塞泵; 2-補油泵; 3-沖洗閥; 4-驅動馬達; 5-控制手柄。

通過跟蹤液壓驅動車在井下的實際運行情況發現，車輛下坡過程中，在慣性的作用下，車速越來越快。這時駕駛員一般會直接松油門，快速踩下制動踏板。這種情況下經常出現車輛的兩個后輪倒轉的現象。車輛自重40 t，載重40 t，滿載條件下車速為18 km/h。由于煤礦井下的巷道受地質條件的限制，常會有坡度在10°以上的下坡路段，滿載的重型液壓驅動車在這樣的下坡路段上行駛時，在重力分量的作用下，車速會越來越快。此外，駕駛員會松油門緊急制動，使發動機轉速瞬間降到怠速狀態，閉式變量柱塞泵排量緊跟著也會驟降。而在慣性作用下，驅動馬達仍有做高速運轉的趨勢。但因閉式變量柱塞泵排量突然變小，所以在驅動馬達到閉式變量柱塞泵的回油路中形成高壓,阻止驅動馬達旋轉，最終通過輪胎倒轉的形式將壓力釋放出來。輪胎倒轉會引起液壓驅動車擺尾、方向難以控制等危險情況[3-4]。

2 液壓系統優化改進

2.1 改進原理

根據驅動馬達到閉式變量柱塞泵的回油路中形成高壓阻止驅動馬達旋轉的情況，可以提前降低或釋放這個壓力，通過在馬達的進、出油口設置液壓閥來實現。由伯努利方程：

(1)

(2)

式中，Cv為流經閥孔液壓油的速度系數;Δp為流經閥孔液壓油的壓差。由此,流經閥孔的流量為：

(3)

式中:A0為閥孔的截面積;Cc為此截面積的收縮系數；Cd為流量系數。

根據以上公式，可以計算出馬達Ma、Mb口設置閥孔的流量，這是選擇液壓閥的重要依據[5]。

2.2 調整驅動馬達進、出油口壓力

在驅動馬達的進出油路中分別增加一組單向閥和液控換向閥，通過控制手柄前進后退操作，控制液控換向閥換向，實現驅動馬達Ma、Mb油路直接連通，使框架行走時的回油背壓卸荷，見圖2。同時還增加單向閥使得液壓驅動車正常行駛時高壓油不能直接進入低壓回油路，確保了車輛的正常運行。

1-閉式變量柱塞泵; 2-補油泵; 3-沖洗閥; 4-驅動馬達; 5-控制手柄; 6、8-液控換向閥; 7、9-單向閥。

驅動馬達自由輪狀態的液壓系統原理如下：當液壓驅動車控制手柄前進操作時，控制閉式變量柱塞泵斜盤變化，使得Ma油路為高壓油路，Mb油路為回油路；同時,控制手柄的換向操作提供的高壓油液,使得液控換向閥6換向，此時Ma油路中的油液壓力高于Mb油路中的油液，單向閥7和液控換向閥8均處于關閉狀態，確保Ma、Mb油路不相通。

當液壓驅動車在下坡路段高速運行時，在松油門、踩剎車的操作下，閉式變量柱塞泵的排量減小，泵的輸出流量下降，而馬達在車輛慣性作用下轉速反而增加。因此,會在Mb油路中形成較高的背壓，而Ma油路壓力逐步降低。當Mb油路壓力高于Ma油路壓力時，Mb處高壓油液會通過液控換向閥6和單向閥7進入Ma油路，使驅動馬達處于自由狀態，消除液壓驅動在回油路建立的高壓[6-7]。

2.3 增加驅動馬達回油背壓

在Ma、Mb油路分別增加一組溢流閥和液控換向閥,用于卸載液壓驅動車行走時回油的背壓至補油回路,消除松油門、踩剎車制動時驅動馬達帶動輪胎倒轉的現象。圖3為驅動馬達背壓側改進液壓系統原理圖。

1-閉式變量柱塞泵; 2-補油泵; 3-沖洗閥; 4-驅動馬達; 5-控制手柄; 6、8-液控換向閥; 7、9-溢流閥。

工作原理如下：首先給溢流閥預設一定的壓力。控制手柄控制液壓驅動車前進時，Ma為高壓，Mb為低壓回油路；同時,控制手柄的換向操作提供的高壓油液,使得液控換向閥6換向。閉式變量柱塞泵驅動車輛行走時，Ma油壓高于Mb油壓。即使在溢流閥7工作時，液控換向閥8不動作，仍處于截止狀態，Ma處高壓油不能進入補油路。因此,高壓油只能流入驅動馬達，車輛保持前行。

當液壓驅動車在下坡路段高速運行時，在突然松油門、踩剎車的操作下，閉式柱塞泵排量迅速減小，其吸油量也相應地迅速減小，而驅動馬達在車輛慣性作用下仍做高速運轉，仍有大量的油液流回閉式變量柱塞泵的吸油口處，會在Mb回油路中形成高壓。而Ma油路得不到油液,壓力而降低。當Mb油路中的背壓高于溢流閥7的設定值時，Mb處高壓油會經過換向閥8流入補油回路，從而避免了車輛輪胎倒轉。溢流閥7的壓力設定就要兼顧輪胎不會倒轉，又要確保馬達對車輛保持一定的反向液壓制動力[8]。

3 裝機測試

為了確認改進后的使用效果，分別按照以上兩種方案對液壓驅動車進行了相應的改造。試驗狀態為液壓驅動車在坡道高速行駛的狀態下突然松油門，踩剎車。通過測試改造后的控制系統到馬達之間的壓力流量變化，并與改造前測量的數據進行比較，驗證上述兩種方案是否達到預期效果。圖4為裝機測試技術路線。圖5為整車測試照片。

圖4 裝機測試技術路線

圖5 整車測試照片

采用進口的HMG3000型液壓測試儀進行數據采集。首先,對改進前的液壓驅動車進行了測量，結果如圖6所示。測量時，液壓驅動車在坡道高速行駛的狀態下突然松油門，踩剎車。從圖6中可以看出,回油路壓力峰值最高位33 MPa，這是導致液壓驅動車輪胎倒轉的主要原因。

圖6 改進前液壓驅動車回油路壓力曲線

圖7為增加液控換向閥和單向閥后試驗測得的壓力曲線。圖8為增加溢流閥和換向閥后試驗測得的壓力曲線。根據圖7和圖8可知，與改進前相比，回油壓力降低，不足以驅動馬達倒轉[9-10]。

圖7 增加液控換向閥和單向閥后試驗測得的壓力曲線

圖8 增加溢流閥和換向閥后試驗測得的壓力曲線

4 結語

在液壓驅動車的液壓驅動系統的Ma、Mb管路中安裝液控換向閥和單向閥，或者安裝液控換向閥和溢流閥。通過前進后退控制手柄的操作實現了液控換向閥的換向動作，能夠避免在井下大坡度路面高速行駛的狀態下突然松油門、踩剎車導致的輪胎倒轉，以及由此引起的液壓驅動車擺尾、方向難以控制等這些危險情況，使液壓驅動車在大坡度路面運行得更平穩。但試驗中發現松油門、踩剎車制動時驅動馬達變為自由狀態，出現了液壓驅動車制動力消失的情況。這種改進設計對液壓驅動車的制動系統提出了更高的要求。

液壓驅動車的液壓驅動系統中Ma、Mb管路中安裝液控換向閥和溢流閥，不僅能減少車輛高速行駛過程中回油的沖擊壓力，還能使驅動馬達保持一定的液壓制動力。在井下實際使用中，車輛不再因輪胎倒轉而擺尾，使駕駛員的操作更加方便，更好地適應了井下大坡度路面工況，得到了煤礦用戶的認可。