支架搬運(yùn)車機(jī)構(gòu)與液壓復(fù)合聯(lián)動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

郭愛軍

(國(guó)能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)研究院，陜西 榆林 719315)

0 引言

隨著近幾年井下大采高工作面的不斷開發(fā)，綜采設(shè)備越來越趨于大功率、大采高、智能化發(fā)展。液壓支架作為頂板支護(hù)和管理的一種液壓動(dòng)力裝置，基于大采高需要，其噸位越來越大。液壓支架搬運(yùn)車是專門針對(duì)綜采工作面搬家倒面過程中液壓支架的倒運(yùn)或長(zhǎng)距離運(yùn)輸而研制開發(fā)的一種新型特種工具，是現(xiàn)代化采煤工藝必不可少的輔助運(yùn)輸設(shè)備。

在工作面鋪設(shè)和回撤時(shí)，支架搬運(yùn)車是用于液壓支架轉(zhuǎn)運(yùn)的專用設(shè)備，保障液壓支架的快速搬遷，提高工作效率。液壓支架搬運(yùn)車，根據(jù)其承重部分結(jié)構(gòu)的區(qū)別，可以將其分為3種類型：平板拖車式、鏟板式以及U型框架式[1]。其中，U型框架式具有重心低、裝卸簡(jiǎn)單及重量小的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外煤礦區(qū)域中。

傳統(tǒng)的液壓支架搬運(yùn)車一般為鉸接形式，整車分為前機(jī)架和U型框架，前機(jī)架和U型框架通過鉸接銷軸連接，在鉸接部位設(shè)置2個(gè)轉(zhuǎn)向油缸，轉(zhuǎn)向過程中，通過一側(cè)油缸伸出同時(shí)另一側(cè)油缸縮進(jìn)，迫使前機(jī)架和U型框架產(chǎn)生角度而實(shí)現(xiàn)整車轉(zhuǎn)向，傳統(tǒng)鉸接式支架搬運(yùn)車在轉(zhuǎn)向過程中輪胎與地面產(chǎn)生滑移運(yùn)動(dòng)，存在安全性、通過性和生產(chǎn)、使用成本過高的問題。

傳統(tǒng)的液壓支架搬運(yùn)車由于采用鉸接轉(zhuǎn)彎形式，在整車重載大坡度彎道行駛工況，由于U型框架承載大，整車載荷后移，前機(jī)架輪胎附著力小甚至無附著力，易出現(xiàn)前輪附著力降低，尤其是在大坡度轉(zhuǎn)彎過程中轉(zhuǎn)向易失效，造成在煤礦井下巷道大坡度爬坡過程中的載運(yùn)安全事故；采用鉸接轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向油缸直接在前機(jī)架和U型框架上施加轉(zhuǎn)向力，通過車輛左右車輪差速轉(zhuǎn)彎，輪胎與地面呈滑動(dòng)摩擦，輪胎磨損大，尤其在重載低速轉(zhuǎn)彎過程中，輪胎磨損更加劇烈，使用成本增加。隨著技術(shù)的發(fā)展，整體式支架搬運(yùn)車應(yīng)運(yùn)而生，其具有重心低、裝卸簡(jiǎn)單及重量小的特點(diǎn)。大噸位液壓支架達(dá)60 t、80 t、100 t，以井下80 t U型整體式支架搬運(yùn)車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為設(shè)計(jì)研究對(duì)象。整體式支架搬運(yùn)車相較于傳統(tǒng)鉸接式液壓支架搬運(yùn)車，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有較大先進(jìn)性，不局限于鉸接轉(zhuǎn)向模式，采用的是全輪連桿液壓聯(lián)動(dòng)轉(zhuǎn)向模式，車輪接近滾動(dòng)，基本無滑動(dòng)，輪胎磨損小；轉(zhuǎn)彎半徑小，車輛通過性好。

1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)功能

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用來保持或者改變車輛行駛方向的機(jī)構(gòu)，在車輛行駛時(shí)，保證各轉(zhuǎn)向輪之間有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)角關(guān)系。駕駛員通過操縱轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，使車輛保持在直線或者轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向拉桿等基本部分組成。

在阿克曼原理里，將輪胎看作剛性，忽略輪胎側(cè)偏等影響，車輛在轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，最好的情況是保證全部車輪繞同一個(gè)瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心行駛，使在不同圓周上運(yùn)動(dòng)的車輪，做純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)轉(zhuǎn)向輪在最大轉(zhuǎn)角下，獲得最小的轉(zhuǎn)彎半徑，滿足車輛通過性要求。因此車輛內(nèi)外輪有不同的轉(zhuǎn)角。

2 復(fù)合聯(lián)動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理

提出一種機(jī)構(gòu)與液壓聯(lián)動(dòng)復(fù)合全輪轉(zhuǎn)向技術(shù)。80 t整體式支架搬運(yùn)車為四軸結(jié)構(gòu)，前兩軸通過轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)，油缸推動(dòng)轉(zhuǎn)向節(jié)臂，帶動(dòng)懸架和車輪實(shí)現(xiàn)輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)，梯形機(jī)構(gòu)連桿安裝在節(jié)臂上，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外側(cè)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的協(xié)同；后兩軸通過液壓系統(tǒng)控制油缸并配合以縱拉桿，實(shí)現(xiàn)與前兩軸的輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)角度相同；通過這種機(jī)械與液壓復(fù)合聯(lián)動(dòng)全輪轉(zhuǎn)向技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)整車具有很好的通過性，且整車在空滿載大坡度運(yùn)行過程中輪胎附著力變化小，不存在轉(zhuǎn)向失效現(xiàn)象，同時(shí)機(jī)械與液壓復(fù)合聯(lián)動(dòng)全輪轉(zhuǎn)向技術(shù)在轉(zhuǎn)彎過程中是輪胎自主轉(zhuǎn)動(dòng)，而不是輪胎與地面的滑移，輪胎使用壽命長(zhǎng)，尤其在煤礦井下低速大扭矩運(yùn)行過程中，輪胎具有更長(zhǎng)的使用壽命。

3 復(fù)合聯(lián)動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案

全輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)向油缸、橫拉桿轉(zhuǎn)向節(jié)臂、橫拉桿、斜拉桿、縱拉桿轉(zhuǎn)向節(jié)臂、縱拉桿；液壓系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)向油缸、轉(zhuǎn)向器、多路閥、梭閥、液壓鎖等。傳統(tǒng)四軸線車輛的全輪八字轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，前面第一、二軸線作為一組，后面第三、四軸線作為一組，橫拉桿和縱拉桿前后對(duì)稱布置，因車架為U型框架式結(jié)構(gòu)，因此除第一軸線外，其余軸線不能布置橫向拉桿，因此按照全輪轉(zhuǎn)向原理，將前面第一、二軸線作為一組，后面第三、四軸線作為一組，實(shí)現(xiàn)全輪八字對(duì)轉(zhuǎn)向原理，通過轉(zhuǎn)向油缸的聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)四軸線車輛全輪轉(zhuǎn)向一樣的全輪轉(zhuǎn)向功能。

3.1 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

3.1.1 機(jī)構(gòu)原理

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)布置如圖1所示，軸距L為1 550 mm，輪距B為3 400 mm，依據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向原理，模擬出在全輪八字轉(zhuǎn)向時(shí)，各車輪的理想轉(zhuǎn)角，在1°～40°之間，各輪的理想轉(zhuǎn)角見表1。

圖1 全輪轉(zhuǎn)向車輪轉(zhuǎn)角關(guān)系

表1 各輪理想轉(zhuǎn)向角度

3.1.2 轉(zhuǎn)向油缸

一端與固定在車架縱梁上層盒型結(jié)構(gòu)上的銷軸鉸接連接，另一端與縱拉桿轉(zhuǎn)向節(jié)臂鉸接；2個(gè)橫拉桿轉(zhuǎn)向節(jié)臂一端與車架關(guān)于車架中心對(duì)稱銷接，另一端有上下2個(gè)鉸接位，橫拉桿兩端分別與2個(gè)橫拉桿轉(zhuǎn)向節(jié)臂下鉸接位鉸接，斜拉桿一端與橫拉桿轉(zhuǎn)向節(jié)臂上鉸接位鉸接，另一端與縱拉桿轉(zhuǎn)向節(jié)臂鉸接；縱拉桿轉(zhuǎn)向節(jié)臂中間設(shè)置有花鍵孔，與液壓獨(dú)立懸架主軸銷花鍵軸裝配，邊緣設(shè)置有油缸鉸接孔和拉桿鉸接孔，通過軸與油缸和縱拉桿、斜拉桿鉸接安裝，縱拉桿兩端分別與縱拉桿轉(zhuǎn)向節(jié)臂鉸接。

因整車為全輪轉(zhuǎn)向模式，轉(zhuǎn)向中心位于第二、三軸線之間，前面第一、二軸線和后面第三、四軸線車輪轉(zhuǎn)角對(duì)稱，基于此基本布置建立仿真模型，如圖2所示。利用ADAMS使用交互式圖形環(huán)境和零件庫(kù)，創(chuàng)建參數(shù)化的機(jī)械模型，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)轉(zhuǎn)向虛擬系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，輸出時(shí)間、轉(zhuǎn)角，對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行快速有效地建模與仿真分析。

圖2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)ADAMS動(dòng)力學(xué)模型

利用ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)點(diǎn)位布置進(jìn)行迭代仿真，得到機(jī)構(gòu)各連接點(diǎn)的點(diǎn)位見表2。

表2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)各連接點(diǎn)點(diǎn)位

經(jīng)過仿真計(jì)算，得出各車輪轉(zhuǎn)角曲線如圖3所示。由各輪轉(zhuǎn)向角度曲線可以看到，油缸從初始位置伸長(zhǎng)到最長(zhǎng)位置時(shí)，一橋左輪最大轉(zhuǎn)角為40°，二橋左輪最大轉(zhuǎn)角為16.7°，一橋右輪最大轉(zhuǎn)角為21.1°，二橋右輪最大轉(zhuǎn)角為7.1°。二橋左輪與理想轉(zhuǎn)角差值為1.1°，一橋右輪與理想轉(zhuǎn)角差值為1°，二橋右輪與理想轉(zhuǎn)角差值為0.15°，因此實(shí)際轉(zhuǎn)角與理想轉(zhuǎn)角的最大差值為1.1°，因此按照以上連接點(diǎn)位，各車輪實(shí)際轉(zhuǎn)角與理想轉(zhuǎn)角差值較小，能夠保證車輪具有良好的轉(zhuǎn)動(dòng)功能。

圖3 各輪實(shí)際轉(zhuǎn)向角度

3.2 液壓系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)原理

液壓系統(tǒng)傳動(dòng)的基本原理是用油液做工作介質(zhì)，通過油液內(nèi)部的壓差來傳遞機(jī)械力，液壓系統(tǒng)分為動(dòng)力部分、控制部分、輔助部分。動(dòng)力部分是將動(dòng)力機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為油液的壓力能；例如各種液壓泵。控制部分是用來控制和調(diào)節(jié)油液的壓力、流量和流動(dòng)方向；輔助部分包括軟硬管路、接頭、油箱、濾油器、蓄能器、密封件和顯示儀器等。

液壓聯(lián)動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)向器推動(dòng)轉(zhuǎn)向油缸，通過8個(gè)轉(zhuǎn)向油缸的聯(lián)動(dòng)作用，采用前部轉(zhuǎn)向油缸左、右拉桿聯(lián)動(dòng)、前后轉(zhuǎn)向油缸液壓聯(lián)通的方式實(shí)現(xiàn)整車八字轉(zhuǎn)向，布置及點(diǎn)位如圖1所示。車輛的一、二軸的轉(zhuǎn)向由方向盤控制、轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)，按駕駛員的操作進(jìn)行轉(zhuǎn)向，三、四軸的轉(zhuǎn)向通過液壓聯(lián)動(dòng)推動(dòng)三、四軸的轉(zhuǎn)向油缸動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)三、四軸的轉(zhuǎn)向。

具備全輪八字轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)向?qū)χ泄δ堋⒇?fù)載敏感控制功能，并避免了上坡轉(zhuǎn)向失效問題。

3.2.1 全輪八字轉(zhuǎn)向

方向盤操作轉(zhuǎn)向器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能，當(dāng)轉(zhuǎn)向器液壓油通過轉(zhuǎn)向器L口進(jìn)入油缸，通過油缸內(nèi)油液容積的流動(dòng)，油缸的伸縮，實(shí)現(xiàn)連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)車輪聯(lián)動(dòng)。

對(duì)轉(zhuǎn)向器進(jìn)行選型時(shí)，應(yīng)使轉(zhuǎn)向器的功能能夠使作用在方向盤上的手力在駕駛員操控范圍內(nèi)；緩解路面對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的沖擊；使駕駛員具有路感；工作安全可靠。

轉(zhuǎn)向油缸為單活塞油缸，其工作行程是靠工作容積變化來實(shí)現(xiàn)，是一種容積式工作執(zhí)行元件，油缸作為系統(tǒng)中的助力轉(zhuǎn)向元件，實(shí)際是將輸入液體的壓力能轉(zhuǎn)換為活塞直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，進(jìn)而推動(dòng)轉(zhuǎn)向連桿，轉(zhuǎn)向連桿帶動(dòng)車輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。

如圖4和圖5所示，車輛101油缸、102油缸、203油缸、204油缸大腔推動(dòng)車輪轉(zhuǎn)向時(shí)，101油缸、102油缸小腔的液壓油分別進(jìn)入103油缸、104油缸的小腔，203油缸、204油缸小腔的液壓油分別進(jìn)入201油缸、202油缸的小腔，通過前后2個(gè)獨(dú)立連通腔的聯(lián)動(dòng)，推動(dòng)后部車輪反方向轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)整車向右八字轉(zhuǎn)向。液壓油通過轉(zhuǎn)向器R口進(jìn)入201油缸、202油缸、103油缸、104油缸的大腔時(shí)，轉(zhuǎn)向過程與上述相反，車輛向左八字全輪轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向過程中，轉(zhuǎn)向油缸的負(fù)載通過梭閥傳導(dǎo)至負(fù)載敏感變量泵，使變量泵的輸出流量、壓力與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需求相匹配。

1-斜拉桿；2-橫拉桿轉(zhuǎn)向節(jié)臂；3-橫拉桿；4-縱拉桿轉(zhuǎn)向節(jié)臂；5-轉(zhuǎn)向油缸；6-縱拉桿

1-101轉(zhuǎn)向油缸；2-102轉(zhuǎn)向油缸；3-103轉(zhuǎn)向油缸；4-104轉(zhuǎn)向油缸；5-201轉(zhuǎn)向油缸；6-202轉(zhuǎn)向油缸；7-203轉(zhuǎn)向油缸；8-204轉(zhuǎn)向油缸；9-轉(zhuǎn)向器；10-左路梭閥；11-左路溢流閥；12-右路梭閥；13-右路溢流閥；14-斜拉桿；15-橫拉桿轉(zhuǎn)向節(jié)臂；16-橫拉桿；17-縱拉桿轉(zhuǎn)向節(jié)臂；18-縱拉桿

3.2.2 轉(zhuǎn)向?qū)χ泄δ?/p>

由于80 t整體式支架搬運(yùn)車的轉(zhuǎn)向模式為全輪轉(zhuǎn)向，所以設(shè)計(jì)有對(duì)中調(diào)節(jié)油路用于調(diào)節(jié)車輪轉(zhuǎn)向角度，保持前后車輪轉(zhuǎn)向角度的一致性。

對(duì)中系統(tǒng)主要由多路閥、液壓鎖、雙向背壓閥、溢流閥組成。液壓鎖起封閉轉(zhuǎn)向回路的作用；背壓閥是一個(gè)由2個(gè)單向閥反向并聯(lián)的閥組，它的作用是使轉(zhuǎn)向回路里面保持一定的背壓，防止有真空時(shí)進(jìn)入空氣或油液；溢流閥為車輛在不平路面上行駛遇到較大沖擊時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)向聯(lián)通油路起保護(hù)作用。

當(dāng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中進(jìn)入空氣或者液壓油泄漏導(dǎo)致前后轉(zhuǎn)向油缸聯(lián)動(dòng)角度誤差大于允許范圍的時(shí)候，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)向?qū)χ小＾D(zhuǎn)向?qū)χ泄δ芡ㄟ^手動(dòng)操作多路閥實(shí)現(xiàn)，以104輪的對(duì)中為例介紹轉(zhuǎn)向?qū)χ泄δ堋．?dāng)104輪與101輪的角度誤差大于允許范圍的時(shí)候，操作左邊多路閥，使液壓油進(jìn)入左側(cè)油缸小腔，由于101油缸大腔被轉(zhuǎn)向器封死，101轉(zhuǎn)向油缸不動(dòng)作。104轉(zhuǎn)向油缸大腔油液液壓鎖與多路閥回油箱，104轉(zhuǎn)向油缸縮短，104車輪向左轉(zhuǎn)向，反之104車輪向右轉(zhuǎn)向。204橋車輪轉(zhuǎn)向?qū)χ辛鞒掏怼?/p>

3.2.3 負(fù)載敏感控制

轉(zhuǎn)向柱塞泵是活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)方向與缸體中心軸平行的柱塞泵，利用容積變化進(jìn)行工作，柱塞泵具有容積效率高，運(yùn)作平穩(wěn)，流量均勻性好、噪聲低，工作壓力高的特點(diǎn)，其額定壓力可到32～40 MPa，其具有負(fù)載敏感性，即當(dāng)車輪阻力增大時(shí)，其輸出壓力相應(yīng)增大，在車輪不轉(zhuǎn)向時(shí)，其處于待命狀態(tài)，不會(huì)造成有輸出而不做功等額外的能量損失，所以本轉(zhuǎn)向系統(tǒng)選用轉(zhuǎn)向柱塞泵。

3.2.4 避免大坡度轉(zhuǎn)向失效

傳統(tǒng)的液壓支架搬運(yùn)車由于采用鉸接轉(zhuǎn)彎形式，在整車重載大坡度彎道行駛工時(shí)，由于整車采用鉸接式，前后車架距離大，整體長(zhǎng)度較大，而液壓支架連接在后車架上，使載荷集中在后車架上，在上坡時(shí)，整車載荷后移，前車架輪胎附著力小甚至無附著力，易出現(xiàn)前車架上車輪附著力降低，尤其是在大坡度轉(zhuǎn)彎過程中轉(zhuǎn)向容易失效，容易導(dǎo)致支架搬運(yùn)車在煤礦井下巷道里大坡度爬坡過程中，因轉(zhuǎn)向失效造成的安全事故。

然而整體式支架搬運(yùn)車，因車架為一體式設(shè)計(jì)，整車緊湊，液壓支架載荷在各車輪上分布均勻，并且采用全輪轉(zhuǎn)向模式，在大坡度爬坡及轉(zhuǎn)向過程中，不會(huì)因車輪附著力不足引起的車輪打滑，避免了大坡度轉(zhuǎn)向失效問題，能夠使車輛更加安全地運(yùn)行。

4 結(jié)論

通過這種機(jī)械液壓復(fù)合聯(lián)動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了整體框架式支架搬運(yùn)車全輪轉(zhuǎn)向，相較于傳統(tǒng)的鉸接式支架搬運(yùn)車，提高輪胎使用壽命，節(jié)約輪胎采購(gòu)和維修成本，同時(shí)解決了大坡度運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)向失效問題，提高了整車在煤礦井下運(yùn)行的安全性，此液壓聯(lián)動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)為特殊車輛實(shí)現(xiàn)全輪轉(zhuǎn)向模式提供使用示例和理論依據(jù)。