滑移轉向式防爆膠輪車參數(shù)匹配及操縱控制的研究*

吉強

(中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

防爆無軌膠輪車在煤礦輔助運輸中得到了廣泛的應用，但井下狹窄巷道中的輔助運輸仍是制約運輸效率的瓶頸之一。近年來地面滑移轉向車輛傳動及控制技術得到了長足發(fā)展，為煤礦順槽輔助運輸車輛的發(fā)展提供了新的技術支持。由于輪式差動轉向(即滑移轉向)車輛結構簡單且具有全地形適應能力，受到了國內外學者的廣泛關注[1]。滑移轉向方式可實現(xiàn)原地轉向，轉彎半徑較小，簡化了轉向的機械操縱系統(tǒng)和結構，適合煤礦井下狹窄巷道的條件[2]。

1 驅動系統(tǒng)的組成和特點

液壓驅動滑移轉向式防爆無軌膠輪車驅動部分通常采用左右雙液壓馬達驅動，分別由2個變量泵控制。受巷道條件的制約，車體較窄，2個變量泵通常前后串聯(lián)布置，并直接與防爆發(fā)動機飛輪連接，2個變量泵分別驅動左、右液壓馬達，左、右液壓馬達通過減速裝置和鏈輪、鏈條驅動車輪,傳動路線如圖1所示。

圖1 傳動路線

液壓傳動系統(tǒng)的原理如圖2所示，車輛的行駛速度主要由2個變量泵的排量決定。車輛的行駛方向由2個變量泵的排量和輸出流量的方向共同決定，這也是滑移轉向車輛的特點。

圖2 液壓系統(tǒng)原理

由于具有全輪驅動和原地轉向功能，該傳動方式可以使車輛具有良好的井下巷道和底板適應能力。該傳動方式?jīng)]有離合器，變速箱等機械部件，完全依靠靜液壓傳遞動力并控制方向，具有無級變速、工況適應能力強的特點。通過設置變量控制方式，使車輛在整個運行速度區(qū)間內充分利用發(fā)動機的輸出功率，適應外負載的劇烈變化，實現(xiàn)發(fā)動機與傳動系統(tǒng)的合理匹配。

2 液壓行走驅動系統(tǒng)參數(shù)匹配設計

2.1 整車參數(shù)的確定

1) 車速和牽引力的確定。受車輛底盤結構形式的制約，此類車輛無法安裝避振裝置，只能采用剛性懸架，最高車速一般控制在15 km/h以內。驅動力的選擇可按下式確定：

Fφ≥Ft≥ΣF

(1)

式中：Ft為驅動力；Fφ為地面提供的附著力；ΣF為膠輪車行駛的阻力和。

由式(1)可知，最大驅動力應大于各阻力之和，同時小于等于地面附著力，在工程設計中各工況阻力最大值并不會同時發(fā)生，需根據(jù)各工況分別校核。

2) 幾何約束的確定。滑移轉向輪式車輛在行駛中能夠平穩(wěn)轉向，除滿足上述動力學條件外，還需要滿足車體尺寸關系組成的幾何條件，下式為四輪驅動滑移轉向車輛的幾何約束條件[3]：

(2)

式中：B為輪距；L為軸距；μ為側向阻力系數(shù)；φ為地面附著系數(shù)；f為滾動阻力系數(shù)。

在工程設計中，在軸距L較大的條件下，四輪車輛滑移轉向困難。實際設計中，一般取L≤0.8B[2]。六輪及六輪以上滑移車輛幾何約束條件，通常參照履帶車輛的幾何約束條件進行設計。

2.2 液壓行走驅動系統(tǒng)工作壓力的匹配

液壓驅動車輛行走驅動系統(tǒng)設計選型時，在總功率確定的情況下，提高驅動系統(tǒng)的額定工作壓力，可以降低泵和馬達的排量，從而降低車輛的配置成本。但系統(tǒng)額定壓力過高容易影響相關元部件的可靠性和工作壽命，因此參考液壓元件允許的最高壓力和車輛的負荷特性兩個因素來確定。系統(tǒng)的額定壓力一般參考元件的最高持續(xù)壓力pm，在此基礎上降低1.5～2.0 MPa作為選型的基礎依據(jù)，以兼顧元件和附件的預期壽命。

為了滿足負載波動的要求井下運輸車輛一般需要滿足兩種典型工況：

1) 在井下順槽使用時，車輛原地轉向的工況頻繁出現(xiàn)，此時為液壓傳動系統(tǒng)承受最大負載狀態(tài)。為滿足車輛最小轉彎的半徑需求，液壓泵持續(xù)輸出峰值壓力，變量馬達處于最大排量位置，車輪的牽引力最大，所以系統(tǒng)的最高工作壓力應滿足此時的工況要求。

2) 井下運輸類車輛原地轉向工況占全部作業(yè)時間的比重較小，大部分情況下被用作長距離運輸設備，應按照常用工況來確定系統(tǒng)的額定壓力，避免額定壓力過高車輛元部件長時間在低功率區(qū)工作，造成元件配置過高，增加設備成本。

因此，滑移轉向車輛行走驅動液壓系統(tǒng)的額定工作壓力應依據(jù)車輛行駛時的阻力ΣF確定，同時原地轉向工況下系統(tǒng)壓力不超過主要元件的峰值壓力，滿足短時峰值壓力運行的條件，從而兼顧可靠性與經(jīng)濟性。

2.3 液壓泵和馬達的匹配

因為馬達排量過小會造成減速器輸入轉速過高，需要加大減速器的速比和級數(shù)，增加傳動裝置的成本，所以在設計過程中應盡可能將車輛運行的絕大多數(shù)工況控制在液壓泵和馬達的高效工作區(qū)域內，且馬達排量應大于液壓泵的排量，另外，馬達輸出轉速過高，將造成液壓傳動總效率降低，車速平順性變差，工作壓力過高等現(xiàn)象。

馬達排量大成本較高，根據(jù)匹配經(jīng)驗，馬達的排量在液壓泵排量的2倍左右較為理想[4]。液壓泵和馬達參數(shù)匹配應綜合考慮轉速、排量和壓力，以REXROTH、SAUER公司的軸向變量柱塞泵和彎軸式柱塞馬達為例，見圖3、圖4，變量泵排量在(0.7～1)Vmax，壓力在(0.2～0.851)pmax時，泵的總效率ηt可保持在90%以上。

變量馬達工作壓力在(0.4～0.85)pmax，排量在(0.8～1.0)Vmax時，轉速在(0.3～0.7)nmax范圍內，馬達的總效率ηt可保持在90%以上。

3 發(fā)動機與液壓系統(tǒng)的匹配

發(fā)動機與液壓系統(tǒng)匹配的目的是使車輛發(fā)動機在各種工況下均能在正常轉速范圍內穩(wěn)定運行，同時保持較高的功率輸出，且發(fā)動機不能熄火，同時液壓系統(tǒng)能保持較高的效率，實現(xiàn)動力性和經(jīng)濟性的統(tǒng)一。因液壓傳動裝置在很大的工作區(qū)間內可以實現(xiàn)無級變速，車輛中液壓系統(tǒng)和發(fā)動機的匹配不需要考慮檔位的設定，只需考慮在全部工作區(qū)間內，液壓系統(tǒng)可根據(jù)外負荷變化來調節(jié)輸入和輸出的轉速之比與扭矩之比，使發(fā)動機輸出扭矩與負荷扭矩相平衡，發(fā)動機始終在最佳工作點附近工作。

適合于液壓傳動系統(tǒng)使用的發(fā)動機控制方式有兩種：發(fā)動機恒功率控制和發(fā)動機變功率控制[5]，為更好地適應外負載的變化，將兩種控制方式結合使用，兼顧動力性和經(jīng)濟性，即根據(jù)外負荷的大小，通過控制發(fā)動機的功率來控制車速，同時調整泵的排量使其適應外負荷的變化，充分發(fā)揮發(fā)動機在該轉速下的功率，在滿足車輛動力性能的同時，具有良好的燃油經(jīng)濟性。與之對應的發(fā)動機應采用帶有全程式調速器的防爆電噴柴油機，最佳工作范圍是1 600～2 200 r/min。

(a) 液壓泵最大排量總效率

(a) 馬達最大排量總效率

(a) 液壓泵負荷控制特性曲線 (b) 發(fā)動機外特性和目標值負荷率

(a)

(a)

液壓泵變量機構根據(jù)外負荷變化和發(fā)動機的油門狀態(tài)調整泵的排量，使液壓泵的輸入扭矩維持在發(fā)動機的輸出扭矩目標值附近，實現(xiàn)液壓泵與發(fā)動機之間的功率匹配。調整發(fā)動機的轉速后，液壓泵控制裝置在外負荷的作用下壓力和排量重新建立平衡，液壓泵在新的平衡點附近工作。

根據(jù)各主要液壓元件供應商的產(chǎn)品供應情況，Rexroth公司柱塞泵產(chǎn)品中采用的DA控制，SAM公司柱塞泵中HVA控制和Linda公司的Au控制都是通過機械-液壓伺服控制裝置解決液壓行走系統(tǒng)中液壓泵與發(fā)動機的匹配問題。這些變量控制裝置工作原理相似，都是利用補油泵的流量通過轉速傳感節(jié)流環(huán)節(jié)產(chǎn)生的壓差Δp感知發(fā)動機的載荷引起的轉速變化，以此壓差Δp控制變量伺服機構活塞的運動，改變軸向柱塞泵的斜盤傾角，實現(xiàn)控制泵變量，具有結構簡單，工作可靠，成本低等特點。

整車設計時根據(jù)車輛控制目標參數(shù)和特征參數(shù)選擇即可實現(xiàn)發(fā)動機與液壓系統(tǒng)的全程功率匹配，滿足對行走速度穩(wěn)定性無特殊要求的煤礦防爆無軌膠輪車的使用需求。

4 操縱控制系統(tǒng)的選擇

煤礦順槽巷道狹窄、路況復雜，車輛行駛過程中駕駛員需頻繁調整車體位置，改變速度和方向，目前滑移轉向車輛的轉向和加減速主要通過液壓先導閥控制變量泵排量的方式來實現(xiàn)，駕駛操縱有雙手柄和單手柄兩種形式。

雙手柄操縱控制的原理是每個手柄彼此獨立，分別控制兩側的變量液壓泵排量，手柄的傾角大小與液壓泵的排量成正比。兩個手柄傾角的方向與大小相同時車輛直行或后退；手柄傾角的方向相同而大小不同時車輛普通轉向，并向傾角小的手柄側轉彎；兩個手柄傾角方向不同時，車輛原地轉向，并朝著向后的手柄側原地轉彎。這種操控方式在頻繁調整方向和速度的場合容易分散駕駛員的注意力，勞動強度較大，操作舒適性差，如圖6所示。

單手柄操縱的控制原理是通過一個可在360°范圍內擺動的手柄球壓迫4個比例壓力閥芯中的任何1個或2個閥芯，被壓迫的比例壓力閥芯輸出的油壓與未壓迫的比例壓力閥芯輸出的油壓通過梭閥比較后，分別進入2個液壓泵變量活塞的兩端，將手柄的偏轉方向和角度與液壓泵變量的排量建立比例函數(shù)關系，前、后閥芯決定車輛的行駛速度，左、右閥芯決定車輛的行駛方向，使操作裝置的機械結構簡化，操作動作更加直觀，駕駛室的設計布局趨于合理。同時，由于手柄的操縱力較小，可減輕駕駛員的疲勞感。另外，可根據(jù)駕駛人員對車輛速度和方向控制的平順性和舒適性要求，增加阻尼功能，方便調整單手柄操縱時車輛對速度和方向的不同靈敏度要求，如圖7所示。

5 結論

運輸類的滑移轉向防爆膠輪車整機參數(shù)的確定受車體結構和幾何尺寸的制約，幾何參數(shù)受煤礦順槽斷面的約束，設置不合理會增加動力系統(tǒng)設計難度，增加車體的受力，甚至無法使用。

滑移轉向式防爆膠輪車參數(shù)匹配的關鍵是防爆電噴發(fā)動機與液壓泵的功率和扭矩匹配，合理選擇液壓泵、馬達的參數(shù)和確定防爆發(fā)動機在各轉速下的扭矩目標值，可以提高傳動效率，并且使防爆發(fā)動機具有較高的燃油經(jīng)濟性和環(huán)保安全性。

滑移轉向式防爆膠輪車的駕駛操縱應簡潔直觀，減輕駕駛人員的勞動強度，并且根據(jù)車輛前后行駛與轉向對靈敏度的不同要求而進行單獨調校。