支架搬运车差速控制装置的设计

安四元

(中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

支架搬运车是用于综采工作面液压支架整体下井、整体搬家、倒面作业的一种新型特种车辆。行走液压系统作为支架搬运车的整车技术参数的重要组成部分，其性能直接决定了支架搬运车在行走过程中的操作品质以及稳定性和安全性[1-2]。

差速控制是支架搬运车闭式行走液压系统最重要的组成部分，决定了车辆转向特性和轮胎的使用寿命。支架搬运车在转弯时，每侧车轮转速不同，两侧分别采用独立驱动。如果控制不合适，就会造成左右两侧车速不同步，引起轮胎磨损，甚至出现安全事故。为了避免这个情况，设计了支架搬运车液压驱动系统差速控制装置，以提高车辆行驶的稳定性，使车辆在行驶过程中自动调节各驱动轮的行驶速度，驱动轮在行驶过程中始终和地面保持纯滚动，达到自动控制差速的目的。

1 框架式支架搬运车液压驱动系统原理

如图1所示，煤矿井下支架搬运车的液压驱动系统左右相互独立，主要由先导控制阀1、凸轮2、先导控制阀3、液压泵4和液压马达5组成。左右侧液压驱动系统都相同，中间通过凸轮组件相关联。单侧液压泵4给单侧液压系统提供高压油，马达5由高压油推动旋转输出动力，带动车轮转动。先导控制阀1为机械控制阀，通过凸轮2控制先导控制阀1阀芯的位移，改变输出给先导控制阀3压力控制油。先导控制阀3控制车辆的前进和后退[3-5]。

2 支架搬运车差速控制装置设计

由于支架搬运车液压驱动系统左右相互独立，车辆在转向时不容易实现差速，需设计差速控制装置。支架搬运车在转弯时，内侧车轮转速慢，外侧车轮转速快，由于车速快慢取决于液压系统流量，所以在转弯时外侧系统流量大于内侧系统流量，液压系统流量等于发动机转速与泵排量乘积，由于发动机转速相对于左右两侧系统是一样的，如果要实现差速，只能控制泵排量。基于上述分析理论，在系统中增加先导控制阀和凸轮机构来实现支架搬运车差速。其中凸轮的设计是支架搬运车差速控制装置设计的重点和难点。

1-先导控制阀；2-凸轮；3-先导控制阀；4-液压泵；5-液压马达

图1支架搬运车液压驱动系统原理图

(a)

(b)

为了能够准确地设计凸轮，将支架搬运车简化成如图2所示，框架式支架搬运车多数为铰接式车辆，前机架为从动轮，后机架全为驱动轮，由于外侧马达1和3共用一个泵，内侧马达2和4共用另外一个泵，系统流量决定马达转速，现将后面4个马达简化为2个马达，假设前机架轮间距d1，转弯半径为R3、R4，轮胎半径r1，后机架轮间距d2，转弯半径为R1、R2，轮胎半径为r2，O1O2长度为a，O2O3长度为b，OO3长度为c，外侧系统流量Q1，马达排量为q1，内侧系统流量为Q2，内侧马达排量为q2，根据几何三角形相似定理可以得出：

(1)

θ=α+β

(2)

由式(1)和式(2)得出：

(3)

(4)

(5)

式(4)、(5)中：vw为外车轮线速度，vn为内车轮线速度。

在理想情况下，车轮1和车轮2围绕圆心O转动，具有相同的角速度，得出：

(6)

(7)

假设内外侧马达排量相等,即q1=q2,外侧系统流量大于内侧系统流量，Q2=Q1-ΔQ，代入上式中得出：

(8)

对上式求微分、整理得出：

dQ=2Q1(b+acosθ)d2/[(a+bcosθ)2+

4d2(a+bcosθ)sinθ+d2sin2θ]dθ

(9)

式(9)是支架搬运车转向角度与左右两侧系统流量差函数关系式，由于支架搬运车左右两侧液压系统发动机转速相同，两个系统流量关系式即为左右两侧泵排量关系式[6-8]。

支架搬运车液压驱动系统闭式泵控制方式为液压先导控制，控制闭式泵的排量就可以通过改变先导控制压力来控制两个闭式泵的排量。这两个先导控制压力需要两个机械控制阀提供，并且还需要一个机构实现上面公式得出的函数关系。该机构根据上述关系式以及机械控制阀压力位移特性曲线得出，这两个机械控制阀和凸轮构成了支架搬运车差速控制装置。

表1 某型支架搬运车设计参数

差速控制装置中凸轮将左右两侧独立的液压驱动系统连接起来，是个很关键的元部件，凸轮设计的好坏决定了车辆差速转向控制性能，决定了车辆转向时左右两侧车轮的协调性，表1是某型支架搬运车凸轮设计所需参数，将这几个参数值代入公式(9)中，得出:

结合先导控制阀特性曲线设计出凸轮如图3所示，凸轮是由1、2、3三段曲线弧生成的扇形结构，这三段弧形曲线决定了两个先导控制阀顶杆伸出的位移。

1-凸轮弧线a；2-凸轮弧线b；3-凸轮弧线c

如图4所示，液压驱动系统中差速控制装置主要包括两个先导控制阀2和凸轮3，先导控制阀为普通的机械控制阀，将这两个先导控制阀安装在后机架1上，凸轮3装在前机架5上，前后机架通过铰接销轴4连接。车辆在转向时，凸轮跟随前机架一起转动，两个先导控制阀随着凸轮的转动，其顶杆的位移发生变化，两个先导控制阀的出口压力也发生相应地变化，进而引起两个液压泵的排量发生变化，左右两侧的马达实现了差速。

1-后机架；2-先导控制阀；3-凸轮；4-销轴；5-前机架

3 结论

框架式支架搬运车液压驱动系统差速控制装置可有效地解决煤矿井下支架搬运车转向时左右两侧车轮的差速问题，很好地满足矿井下狭窄巷道车辆转弯半径小的要求。此外，该装置为车辆轮胎的使用寿命提供了强有力的保障，随着井下车辆的普及应用，该装置对煤矿井下安全生产具有积极意义。