一种适用于煤矿井下整体式支架搬运车的转向系统设计*

王娜

(山西天地煤机装备有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

支架搬运车作为能将煤矿支护用液压支架长距离运输的主力车型，在煤矿应用十分广泛，尤其在搬家倒面过程中起着极其重要的作用。因矿井路面宽度有限，现有绝大部分支架搬运车均设计为铰接结构[1]，前、后机架通过销轴铰接，后机架为U型框架，支架装入U型框架，通过提升机构进行提升，最终实现支架的运输。但随着科技的进步，煤层采高的不断增加，支护支架已然从最初的30 t级发展到100 t级左右，支架吨位的增大导致其外形尺寸也随着变大。受此影响，支架搬运车因整车外形尺寸的增大，井下通过能力持续降低。现80 t级支架搬运车的转弯半径已发展到8.6 m以上，而煤矿井下大巷有效路面宽度约5 m左右，且因支架重量增加，导致支架搬运车整车重心后移，行驶过程中，尤其上坡路段，支架搬运车前轮附着力不足的缺陷日益凸显，若增加配重，不仅增加支架搬运车整车外形尺寸，降低其通过性能[2-3]，且会严重影响支架搬运车的轮胎磨损、能源消耗等，增加其运行成本。因此，提高支架搬运车转弯性能十分必要。

1 整体式支架搬运车转弯性能较差原因分析

整体式支架搬运车前机架与后机架通过锁销等连接方式直接相连。前机架紧凑布置动力及辅助装置，整机长度小，装载支架后整车重心位置较为居中，能较好地避免“翘头”现象。但因其无铰接连接，整机转弯性能较差，合理的转向系统设计是保证整体式支架搬运车的通过性能及操控稳定性的基础。

2 整体式支架搬运车转向系统方案选择

整体式支架搬运车转向系统应使整车通过巷道抹角时，具有较好的通过性能；整车高速行驶时，具有较好的操纵稳定性能；支架装卸时，车尾姿态可进行调节，方便支架装卸到位。因此，全轮转向为理想选择[4]，全自动全轮转向分为电控电子全轮转向和电控液压全轮转向，电控电子全轮常用于轻型车辆。电控液压全轮转向若想保证整车高速行驶时的稳定性，一般需要加设转向锁止装置[5-6]，成本较高，且需考虑液压泄露补偿等多方面因素[7]，元部件较多，需要装配空间较大，不利于整车的精简布置。综合考虑全轮转向使用频率、系统可靠性、使用及维护成本、整车整体尺寸控制等因素，采用半自动全轮转向系统较为合理。

3 半自动全轮转向系统设计

3.1 半自动全轮转向系统

半自动全轮转向系统将整体式支架搬运车转向分为主、副转向系统两部分，分别通过驾驶员控制主、副转向器实现。主转向系统控制前轮转向，实现基本转向功能；副转向系统用于主转向器极限位置时，整车转向能力的补充及装卸支架时整车姿态的调整，通过驾驶员操作副转向器激活，驾驶员同时操作主、副转向器，结合控制器中输入的控制策略，实现前后轮的全轮转向；驾驶员单独操作副转向器，还可实现后轮的单独转向，方便装卸支架时整车状态的调整。半自动全轮转向系统中还设置了双向液压锁，以防止外力作用下后轮转向的误动作，影响整车行驶稳定性。综上，该转向系统可实现主转向器控制前轮单独转向，主、副转向器控制全轮转向及副转向器后轮单独转向3种状态，具体原理如图1所示。

1-副转向器;2-角度传感器;3-控制中心;4-液压油缸;5-双向液压锁;6-电液比例阀;7-主转向器;8-动力液压泵。图1 半自动全轮转向系统原理

半自动全轮转向系统由主、副转向器，角度传感器、控制中心、液压油缸、双向液压锁、电液比例阀、动力液压泵等组成[8-10]。主、副转向器用于驾驶员进行转向操作，各个转向轮上设置角度传感器，负责各轮转向角度的实时测定，并将角度数据传送给控制中心，控制中心根据已输入控制策略，结合角度传感器传递的实时数据，通过对电液比例阀进行控制，驾驶员对副转向器输入的转向角度进行补偿和限制，进而实现整车的全轮平稳转向。

3.2 副转向器转向控制策略研究

前后轮同时转向的方式有多种控制方式，包括前后轮转角正比控制、前后轮转向力正比控制、与横摆角速度成正比的后轮转向控制等。结合前后轮数据采集模式及使用工况，本文选用与前轮转角为正比的后轮转向控制。通过调整前后轮转角的比例系数，使整车全轮转向时，质心侧偏角为零，保证整车的稳态转向。

如图2所示，以车辆质心P为原点，车身方向为x轴建立直角坐标系，建立整车运动方程，其中，βf1,βf2,βr1,βr2为前后轮胎侧偏角；Yf1,Yf2,Yr1,Yr2为作用于前后轮胎的侧偏力。

图2 整车平面运动坐标系

整体式支架搬运车需适应煤矿井下复杂路况，因此多采用聚氨酯或橡胶实芯轮胎，根据其材质性质，其在轮胎侧向力作用下，侧偏角产生非常小，因此，作用于轮胎的侧偏力可近似认为与轮胎航向垂直。

由此可得，整车侧向运动方程：

(1)

式中：m为车辆的惯性质量，kg；V为车速，km/h；β为车辆质心侧偏角，(°)；r为回转半径，m。

其中：

(2)

(3)

式中：Kf,Kr为轮胎侧偏刚度；lf,lr为前后轴线中心距离车辆质心的直线距离，m；δf,δr为前后轮实际转角，(°)。

(4)

(5)

控制中心根据角度传感器反馈所得前后轮转角，进行计算后，将其比值与设定k值进行对比，以此来决定对后轮转向进行控制或者补偿。

3.3 副转向器转向控制模式

半自动全轮转向系统中，液压泵通过分流块将油液传至主转向器及2个前转向油缸，控制前轴转向，实现主转向的转向功能，同时2个前转向油缸两侧腔体相互连通，保证两轮转向角度一致。驾驶员不操作副转向器时，双向液压锁关闭，后轮转向油缸压力不变，辅助后轮在受外力或其它状态下仍保持平衡状态。

驾驶员单独操作副转向器，可实现后轮的单独转向。同时，后轮转向油缸两侧腔体相互连通，保证两轮转向角度的一致。

驾驶员同时操作主、副转向器，可实现整车的全轮转向，后轮的转向角度由控制中心最终控制。控制中心根据既定的控制策略，结合对后轮实际转向角度的采集，对后轮转向角进行补偿或者限制，实现整车全轮的平稳转向。整车转向控制流程如图3所示。

图3 整车转向控制流程

4 结论

本文设计了一种适合于煤矿井下整体式支架搬运车的转向系统。该系统设置主、副两个转向器来实现整车的转向。主、副转向器的启动通过驾驶员的输入进行激活。整车转向系统可实现前轮单独转向，前、后轮“八字”转向及后轮单独转向3种功能。既解决了特殊工况下整车转弯的灵活性，又可在支架搬运车双向驾驶或者装卸支架时单独进行后轮转向，以调整整车的姿态。同时，副转向系统还通过双向锁止阀进行了隔离，防止整车受到外力后的误动作，保证整车转向系统的可靠性。该系统的设计可使整体式支架搬运车更好地适应煤矿井下运行条件，对推进整体式支架搬运车的批量应用具有重要的意义。