煤礦井下運輸車液壓轉向系統的研究與優化

摘要：煤礦井下輔助運輸是井下運輸系統中的關鍵構成部分，薄煤層井下運輸車能夠高效地確保物料輔助運輸的安全性，對WCJ5CE型煤礦井下運輸車車架液壓轉向系統開展研究。深入剖析液壓轉向系統原理，設計了優化后的兩級先導控制流量放大器式液壓轉向系統，有效克服了重載轉向難題。同時，對液壓油缸進行多方面優化，包括密封系統、結構以及防護措施等。這些優化措施能夠有效應對煤礦運輸巷道惡劣環境所致的問題，保障運輸車輛井下作業的可靠運行，提高了車輛的運輸能力，增強了井下運輸的安全性。

關鍵詞：礦井；運輸車；液壓系統；液壓缸

中圖分類號：TP211+.31；TD52文獻標志碼：B文章編號：1001-5922（2025）01-0153-04

Research and optimization of hydraulic steering system for coal mine underground transport vehicle

FENG Zewei，ZHAO Li，WU Hongbing，WANG Yongliang，GAO Botao

（Hanjiawan Coal Mine Co.，Ltd.，Shenmu 719300，Shaanxi China）

Abstract：The underground auxiliary transportation of coal mine is the key component of underground transporta?tionsystem.The thin coal bed underground transportation vehicle can effectively ensure the safety of auxiliary trans?portation of materials.The principle of the hydraulic steering system was deeply analyzed，and the optimized two-stage pilot control flow amplifier hydraulic steering system was designed，which effectively overcame the prob?lem of heavy-duty steering.At the same time，the hydraulic cylinder was optimized in many aspects，including the sealing system，structure and protective measures.These optimization measures can effectively deal with the prob?lems caused by the harsh environment of coal transportation roadway，ensure the reliable operation of underground operation of transportation vehicles，improve the transportation capacity of vehicles，and enhance the safety of under?ground transportation.

Key words：mine；truck；hydraulic system；hydraulic cylinder

我國智慧礦山的飛速建設，更多先進的技術及煤礦裝備不斷地投入和使用。煤礦井下除了運輸作業工人，還需運輸工作面設備、材料等其他物品，這類運輸車輛均叫做輔助運輸車輛。以膠輪或者履帶實現行走的車輛稱作無軌運輸，以鋪設或者安裝軌道為主要行走執行機構稱為有軌運輸[1-3]。

煤礦井下運輸車主要用于井下設備及材料的輔助運輸，車輛采用鉸接式車身，具有轉彎半徑小、通過能力強、運輸效率高等優點，有利于增強運輸安全，減少輔助運輸設備的投入[4-5]。運輸車輛液壓轉向系統直接關系到車輛的操控性能和運行安全[7]。但由于煤礦井下特殊的環境條件對液壓轉向系統提出了嚴苛要求，如何克服惡劣的地質條件、粉塵污染、濕度、溫度及振動沖擊等問題，提升系統穩定性能，保障運輸作業的順利進行，成為井下運輸系統迫切需要解決的問題。

本文針對陜西陜北礦業韓家灣煤礦薄煤層井下環境，設計了WCJ5CE型煤礦井下輔助運輸車輛，對其車輛液壓轉向系統及轉向油缸進行研究分析，為實現安全高效運輸工作有著決定性的作用。

1井下環境對液壓轉向系統的影響

1.1地質條件

井下巷道寬度有限，對車輛的轉向靈活性要求極高，液壓轉向系統需要精確控制車輛轉向角度，以確保車輛能夠順利通過狹窄彎道。

巷道地面凹凸不平，車輛在運輸作業過程中會產生較大的沖擊或振動，對車輛的穩定運輸有著極大的考驗。嚴重時可造成車輛側傾、懸掛系統損壞、加劇輪胎磨損、傳動系統故障等問題。

1.2粉塵方面

煤礦井下工作面進行采煤作業時，避免不了會產生粉塵顆粒[9]。這些粉塵顆粒極小，很容易通過油缸的縫隙、油封等部位進入液壓油缸內部。當粉塵進入后，在活塞的往復運動過程中，粉塵會像研磨劑一樣，夾在活塞、活塞桿和缸筒之間，加劇它們之間的機械磨損，影響其與缸筒的配合精度。

液壓油缸的內部有一些油道用于液壓油的流動，以實現活塞的平穩運動。粉塵進入油缸后，可能會在油道中堆積。當堆積到一定程度時，會堵塞油道，影響液壓油的正常流通，如果被粉塵堵塞，會導致液壓油不能及時準確地進入油缸的工作腔，甚至可能導致整個液壓系統的故障。

1.3濕度方面

井下高濕度環境容易使液壓油缸的金屬部件生銹腐蝕。特別是暴露在空氣中的部分，更容易受到濕氣的侵襲。當活塞桿表面生銹后，一方面會使活塞桿的表面質量下降，另一方面，銹層會在活塞桿的往復運動過程中脫落，若侵入油缸內部，在缸筒內壁以及活塞表面避免不了造成劃傷，影響其結構完整性和安全性。

其次導致液壓油混入水分。液壓油里摻雜的水分，會削減其潤滑功效，增強油液的侵蝕性。同時，水分還會使液壓油發生乳化現象，乳化后的液壓油其黏度和流動性發生改變，無法有效地傳遞壓力，導致液壓油缸的工作效率降低，運行不穩定等問題。

1.4溫度方面

煤礦井下的溫度環境較為復雜，可能存在局部高溫或低溫情況。液壓油缸的密封系統在高溫環境中會受到影響甚至失效。許多密封件是由橡膠等高分子材料制成，高溫會使橡膠密封件加速老化，導致其彈性降低、硬度增加。油缸的密封件出現老化、龜裂等現象，造成密封失效[10]。

溫度的極端變化決定著液壓油的特性。在高溫時，液壓油的黏度會降低，可能導致液壓油缸在工作時出現內泄現象[11-12]。相反，溫度越低，致使油液的黏度增大，流動性減弱，可能不易將油缸啟動。影響煤礦井下的生產作業效率。

1.5沖擊和振動方面

井下運輸車輛在作業過程中會產生沖擊和振動，液壓油缸作為這些設備的重要部件也會受到影響。頻繁的沖擊和振動可能會使液壓油缸的缸筒、活塞等部件發生變形。產生的振動會傳遞給油缸，如果油缸的結構強度不夠，可能會導致缸筒出現局部凹陷或活塞的導向環損壞，影響油缸的直線運動性能和密封性能。另其連接件也會出現松動，影響其工作精度，甚至可能會引發安全事故。

2液壓轉向系統

2.1液壓轉向系統基本原理

WCJ5CE型煤礦井下運輸車主要采用液力機械傳動、前輪驅動方式運行。前、后車采用鉸接式車身，前車為動力部分，由駕駛室電氣系統和液壓系統構成。后車由車架總成和集裝行組成。

煤礦井下集裝箱運輸車的液壓轉向系統一般基于液壓助力原理。前、后車鉸接處裝置對稱的轉向油缸，方向盤轉向軸與液壓泵控制閥相連，當方向盤發生動作變化時，通過轉軸的控制閥接通液壓油缸的相應腔室，高壓油液流入推動活塞移動，完成車輛的轉向動作。

2.2液壓轉向系統

WCJ5CE型煤礦井下運輸車主要采用先導驅動式雙級控制液壓轉向系統，其系統組成與液壓原理見圖1。

液壓泵通過負載信號實現油液的變量輸出，油液經過換向閥選擇給轉向系統或同時給工作回路及轉向系統供液，轉向器接收到轉向動作信號，使油液控制主換向閥動作。未動作時，主換向閥處于中位功能，轉向系統保持在一定的狀態。朝左進行轉向動作時，高壓油從L口至主換向閥左邊腔室，使主換向閥閥芯向右換位，高壓油液從液壓泵出來經過換向閥、交替閥、主換向閥CL口，進而推動執行油缸運動。油缸回液由主換向閥CR口流入，再通過背壓閥，背壓閥可實現回油處于一定的平衡狀態，保證了系統穩定運行。當執行油缸行程到達最大時，回油量減少，背壓閥回歸節流功能，可使駕駛員感受到轉向結束變化。向右轉換方向時與上述過程相反。

3液壓轉向系統的優化

運輸車轉向作業過程中，通流主換向閥的的流量最大也僅為120 L/min，最大壓力為25 MPa，不能滿足系統迅速響應的作業要求，為此需要優化設計出可以增大流量的液壓轉向系統，即先導驅動式大流量雙級控制液壓轉向系統。

先導驅動式大流量雙級控制液壓轉向系統組成及原理見圖2。

液壓泵可以通過負載信號實現油液的變量輸出，油液經過換向閥可以選擇給轉向系統或同時給工作回路及轉向系統供液，油液經過轉向閥、同時進入轉向器和流量放大閥，其余流量則流入工作回路中，轉向器動作使油液控制主換向閥，轉向器未動作時，主換向閥處于中位功能，轉向系統維持在某種狀態。向左進行轉向時，高壓油從L口流入至主換向閥，使主換向閥閥芯向右換位，油液同時流入流量放大閥右側，流出CF口的油液經過流量放大閥后打開液控開關換向，流入流量放大閥的流量與轉向器的壓力油合并一同流出CL口進入執行油缸，增大主換向閥的通流面積從而實現流量放大的功能。執行油缸回液由主換向閥CR口流入，再通過背壓閥。過濾器回到油箱。與優化前方案相似。

采用先導驅動式大流量雙級控制液壓轉向系統時，進入到執行油缸的油液約為400 L/min、工作壓力為24 MPa，能夠實現90噸以下的大型車輛的轉向能力。

4液壓油缸的優化

轉向系統液壓油缸作為液壓轉向系統中最重要的執行單元，油缸處于不斷地直線往復響應調整[13]，井下惡劣的環境是造成液壓油缸失效因素，為避免油缸的失效造成運輸車轉向系統的失靈，可對該系統執行油缸進一步優化設計。

4.1密封系統優化

用高性能密封材料，如氟橡膠（FKM）和聚氨酯橡膠（PU）[14]。氟橡膠在抗化學腐蝕性、抗高溫性和抗油性，適用于液壓油環境和高溫工況；聚氨酯橡膠則具有高耐磨性和高彈性恢復能力，能有效抵抗密封件在活塞往復運動中的磨損。對于在低溫環境下工作的液壓轉向油缸，可采用硅橡膠（VMQ），它在低溫時仍能保持良好的彈性，確保密封效果。

用多層密封結構，如在活塞處設置主密封和副密封。主密封負責主要的液壓油密封功能，副密封作為備份，在主密封失效時防止液壓油大量泄漏。優化密封件的裝配工藝，確保密封件組裝作業中受到不必要的損傷。可以采用專用的安裝工具和工藝，保證密封件均勻地嵌入密封槽內。

4.2結構優化

對缸筒內表面進行鍍鉻處理，鍍鉻層具有高硬度、低摩擦系數和良好的耐磨性，能有效減少活塞與缸筒之間的磨損。還可以采用陶瓷涂層技術，陶瓷涂層具有更高的硬度和耐腐蝕性，能適應更惡劣的工作環境[15]。

優化活塞的結構形狀，采用流線型設計，減少活塞在運動過程中的阻力，可提高轉向油缸的響應速度。對活塞桿與導向套接觸部分做表面硬化，提高其抗腐蝕性和耐磨性。

4.3防護措施

在液壓油缸的外部設計防護擋板，可以采用金屬板或工程塑料板制作。擋板的形狀和尺寸應根據油缸的工作姿態和粉塵來源方向進行設計，使其能夠有效地阻擋從正面和側面襲來的粉塵及石塊。與油缸之間應保持一定的間隙，以避免在油缸運動過程中產生干涉。

增加橡膠、帆布或金屬波紋管保護套。橡膠保護套有著出色的彈性、耐磨性和耐腐蝕性[16]。它能夠有效地緩沖外界對活塞桿的沖擊，防止活塞桿因碰撞而受損。帆布保護套具有較高的強度和耐用性，還具有較好的透氣性，有防水需求的工作環境，可以選擇經過防水處理的帆布，如涂覆有聚氯乙烯（PVC）涂層的帆布，以防止水分侵入對活塞桿造成腐蝕。金屬波紋管保護套有著一定的強度和剛度，有效防止活塞桿受到大的外力擠壓和沖擊[17]。金屬波紋管保護套具有良好的伸縮性，不會對活塞桿的運動產生阻礙。

5結語

井下特殊環境對液壓轉向系統帶來了諸多挑戰。通過對運輸車液壓轉向系統原理的剖析，對其系統進行優化，設計了先導驅動式大流量雙級控制液壓轉向系統，該系統能實現更大流量和壓力的負載，可適配90 t以下的大型車輛的轉向能力，極大地提升了系統的轉向性能。

對于轉向系統中的關鍵執行單元液壓油缸，采取了多方面的優化措施。在密封系統方面，選用氟橡膠、聚氨酯橡膠、硅橡膠等高性能材料。在結構方面，對缸筒進行鍍鉻處理或采用陶瓷涂層，優化活塞形狀，加強活塞桿強度并進行表面硬化處理，顯著改善了油缸的耐磨性和工作周期。此外，通過在液壓油缸外部設置防護擋板，以及增加橡膠、帆布或金屬波紋管保護套等防護措施，能夠有效抵御井下粉塵、水分和外力對油缸的侵害。

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（責任編輯：平海，蘇幔）