重型卡车转向系统智能化升级改造

刘振乾

（国能准能集团有限责任公司 哈尔乌素露天煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 010300）

煤矿生产过程中重型卡车是主要运输设备，哈尔乌素露天煤矿现服役的重型卡车运行时间已超过10 年有余，设备部件老化严重作业效率低，作业人员和维修人员工作风险持续增高。目前卡车智能化运行已是大趋势，为此，结合生产工作实际需求对重型卡车进行智能化改造，利用转向位移传感器使转向控制系统进行精准操作。操作人员在驾驶室操作设备时视野受限存在大片盲区，改造后利用捕捉雷达探测车辆运行过程中遇到的障碍物并对障碍物大小进行分析做出是否对车辆运行安全造成危害的预判，能够精准高效的预防交通事故发生。经过对卡车转向系统智能化升级改造，使操作人员对转向盲区的运行状况有充分的辨识，减轻车辆盲区运行危害，使车辆运行更加安全。

1 卡车转向系统构造及运行原理

卡车转向系统是控制卡车安全行驶的3 大运行系统之一，转向系统由液压油箱、转向泵、转向油缸、转向控制装置、转向蓄能器、转向蓄能器排放电磁线圈、流量放大阀、排放分油器、液压管路构成[1]。

1.1 转向系统各构造部件的功能

1）排放分油器阀。排放分油器阀位于左侧车架梁的内侧，刚好在蓄能器之后。排放分油器阀内部排放阀配备有2 个溢流阀，1 个压力为4.1 MPa，另1个压力为27.6 MPa。排放分油器接收来自转向油路泵的油，通过1 个高压过滤器将油引导至蓄能器、流量放大器和自动润滑系统液压泵，用于转向控制装置和转向油缸的油经由流量放大器而被供给。

2）转向蓄能器排放电磁线圈。在卡车停止时，每次钥匙开关转至OFF 时，转向蓄能器排放电磁线圈即通电。当电磁线圈被通电时[2]，包括蓄能器在内的所有液压转向压力都被排放回液压油箱。排放分油器中的内部单向阀在被排放90 s 之后，电磁线圈将失电并关闭至油箱的回流油口。在卡车起动时，转向油路将被充油，转向压力低报警灯和蜂鸣器将会打开，直到转向压力达到15.8 MPa 为止。报警灯由转向压力低开关控制，在工作期间，如果转向压力低于15.8 MPa，转向压力低报警灯将会点亮，直到压力回到正常。如转向蓄能器排放电磁线圈出现故障直接更换新件。

3）转向蓄能器。2 个转向蓄能器是气囊式蓄能器，每个容量为62 L。蓄能器用于顶端的充气阀充9.6 MPa 的纯干氮气，进入蓄能器的油压缩气囊内的氮气，氮气压力将直接随转向油路压力一起增加。当转向油路压力达到21 MPa 时，卸荷阀将会使泵卸荷。蓄能器将包含一定量的压力油，并由排放分油器内的单向阀保持。当系统压力降至19 MPa 时，泵输出将再次增加以重新加注蓄能器和增加转向系统压力。蓄能器还提供有限时间段内的油供给，用于泵不能工作时的情况。基于成本及维修技术等原因如转向蓄能器出现故障直接更换新的转向蓄能器。

4）转向控制装置。转向控制装置安装在驾驶室内并被直接连接至转向柱的下端。转向控制装置的操作实际上既是手动的又是液压的。本部件由液压控制阀组成。操作员向方向盘施加的转向力激发该阀，反过来该阀引导液压油通过流量放大阀，至转向油缸，为操作员提供动力转向。

5）转向泵运行。转向泵安装在起升系统泵的后侧，当泵被螺栓固定入位时，驱动轴通过内部花键与起升泵内部联轴器连接，泵为压力补偿柱塞式，工作方式有3 种形式。全泵流量：控制柱塞控制斜盘的角度；当控制柱塞移动至最右侧的位置时，泵处于最大泵容量；驱动轴转动带花键的壳体，壳体内包含泵柱塞；当壳体旋转时，柱塞移入并移出它们的孔，柱塞滑靴接触有角度的斜盘；当缸体旋转时，单独的柱塞孔被交替地连接至配油盘内的左和右月牙形油口，当连接至左侧油口时，每个柱塞都向外移动，将油从左侧油口吸入到柱塞孔中，直到达到其最靠外的行程为止；行驶至此位置柱塞孔从左月牙油口通至右月牙油口，当转过右侧月牙时，每个柱塞在有角度的斜盘面上向下移动；由此每个柱塞被向内压迫，每个柱塞通过右侧月牙将油排出至右侧油口，直到达到其最内侧的行程为止，在该位置柱塞孔再次从右侧通至左侧月牙，工作循环被重复。半泵流量：当控制柱塞的位置在其行程中央附近；斜盘的角度不再与之前一样陡，柱塞产生较短的行程，当柱塞行程变短时，泵输出也降低。中位位置：当控制柱塞在斜盘上居中时，得到中位位置，斜盘角度现在为零并且斜盘面现在与缸体面平行；当柱塞滑靴绕着斜盘面旋转时，泵柱塞不存在入或出的动作；缺少入或出的动作将导致没有油从柱塞孔中排出至配油盘的月牙，结果泵油口不会输出油液。基于成本及维修技术等原因如转向泵出现故障直接更换新的转向泵。

6）流量放大器。流量放大器位于蓄能器的前侧的左车架梁上。流量放大器用在转向油路中以提供转向油缸所需的大量的油。流量放大器使用来自转向控制装置的油流量来决定自排放分油器至转向油缸要输送的比例流量。

1.2 转向系统工作原理

来自油箱的液压油被供给至柱塞式压力补偿转向泵，该泵额定流量为250 L/min。泵压力被1 个位于转向泵壳体底部的卸荷阀将系统压力保持在19～21 MPa。来自泵的油液被引导至高压过滤器。来自排放分油器的油压被送回至泵并被卸荷阀上的“ACC”油口传感到。排放分油器上的转向压力开关连接到1 个装在驾驶室内的转向压力低报警灯，如果系统压力降到15.8 MPa 以下，该灯则会警示操作员。转向系统油被引导至转向蓄能器，以允许操作员在出现转向油路缺油时将卡车驶离运输道路并停放在一处安全区域。在每次钥匙开关被转至OFF 位置时将蓄能器内加压的液压油排放回液压油箱。如果在工作中出现转向压力损失，则必须立即停住卡车，蓄能器内的压力使得操作员能够在短期内使卡车转向。排放分油器和蓄能器将油供给至流量放大阀。油被引导至流量放大阀以供转向控制装置和转向油缸使用。相对少量的油被从流量放大器供给至转向控制装置，该装置安装在驾驶室内的转向柱上。

当操作员移动方向盘时，根据方向盘的旋转方向和转速[3]，油被从转向控制装置输送回至流量放大器。根据来自转向控制装置的输入，流量放大器将油流引导至转向油缸上合适的油口，进入转向控制装置的油被堵塞，直到方向盘被转动至一个想要的方向。操作员反向移动方向盘时，流量放大器反过来将大量的油供给至转向油缸以转动前轮，转向油缸相反端的液压油通过流量放大器和排放分油器流回至液压油箱。

2 转向系统智能化改造

卡车原有转向系统是通过方向盘控制转向器输出油液至流量放大器，流量放大器输出液压油到转向油缸，实现转向动作[4]。整个转向运行工作方式是通过油液压力变化实现，油路长时间运行存在油液渗漏压力缓慢释放，液压部件损耗状况，存在不可控风险，运行过程中产生不易察觉的小故障随时间积累会产生大型突发故障，给设备和操作人员造成损害。

依据转向系统存在的问题对系统进行智能化升级改造，转向系统由油路控制改造为双控双驾线路控制，转向系统线控化的目的是实现前轴转向的线性闭环控制。因转向系统是通过转向器、流量放大器、转向油缸实现前轮转向，为此在转向油缸外侧增加转向位移传感器，在转向蓄能器附近布置转向电比例换向阀，转向电比例阀安装在车辆左侧蓄能器下侧支架背面与转向器并联，转向位移传感器与电比例换向阀在相关油路上的布置使线性控制更加精准。转向系统与无人感知系统相结合，无人驾驶感知系统由前向感知传感器、后向感知传感器和车载摄像头等组成，在传统激光雷达＋毫米波雷达融合感知方式的基础上，增加4D 光场相机，充分利用4D 光场相机1 次成像即同时可获得二维、三维一体化数据，免标定、无匹配误差、无融合误差、不受震动影响等优势，使感知系统具有极强的稳定性和高度的兼容性，并且恶劣环境适应性强、具有雨雪雾穿透能力，满足矿区粉尘、雨雪雾、剧烈震动和极端低温等恶劣工况使用需求，能够在全无人驾驶的情况下对道路、落石、凹坑、挡墙、车辆、行人等障碍物进行准确感知识别。

双控双驾线控转向系统是在原转向系统基础上[5]，不改变原车的转向器、流量放大器、转向油缸及其管路连通原理，额外并联电比例换向阀，用于向流量放大器输出流量，进而控制转向油缸动作；当进入驾驶模式，感知系统通过CAN 总线发送转向角度指令，线控系统接收到指令后，控制转向比例电磁阀驱动转向油缸从而控制车轮转向，并通过安装在转向油缸上的角度位移传感器实时反馈转向角度，实现角度的闭环实时控制。

转向系统智能化改造原理框图如图1。

图1 转向系统智能化改造原理框图

电比例阀用于实现转向的比例控制，在转向油缸上增加直线位移传感器用于反馈转向角度，线控系统控制器通过CAN 总线接收上位机系统下发的目标转向角度指令，结合转向油缸位移传感器信号，输出电流信号，驱动电磁比例阀换向，油液通过电比例换向阀进入流量放大器、油缸，进而控制车辆转向角度，使实时角度迅速迫近目标转向角度，并通过油缸直线位移传感器实现闭环控制。压力传感器通过监测方向盘动作时液压系统压力变化，实行监测方向盘动作功能，用于实现人工操作的优先控制。

3 转向系统部件维护

1）转向控制装置维护。关闭发动机并等待90 s以便蓄能器排放压力。转动方向盘以确定没有油处于压力之下。将检修盖固定到操作员驾驶室前侧的帽螺钉和锁紧垫圈，拆下检修盖，在所有液压管路上贴标签以便于安装时正确识别，在转向控制装置处断开液压管路，塞住所有软管。拆下安装帽螺钉拆下转向控制装置，将转向控制装置放到一处清洁。花键检查：当转向控制装置被拆下维修时，应该检查转向柱轴是彻底清洁转向柱轴上的花键[6]。检查是否损坏或换转向柱将转向控制装置移动就位看转向柱轴花键能否对准。用安装帽螺钉将转向控制装置固定入位，检查方向盘的旋转是否正确，确保方向盘不黏住，并且在向左和向右旋转1/4 圈之后返回中位，将所有的帽螺钉拧紧至标准扭矩。拔掉液压路的塞子并将它们连接至转向控制装置上正确的油口。起动发动机并检查转向是否正确地起作用和是否有泄漏，安装检修盖并用帽螺钉和锁紧垫圈将其固定。用干净的清洁溶剂小心地清洁所有零件仔细检查所有零件，如有损坏必须更换。

2）排放分油器阀维护。进行正常的卡车关闭步骤，等待90 s 以便蓄能器减压。用于液压部件箱内的针阀手动排放蓄能器压力。从分油器上拆下保护盖，断开电磁线圈和压力开关的电线，断开、识别、并塞住各液压管路，以防止污染。拆卸安装帽螺钉并拆卸排放分油器进行分解，清洁分油器的内外。将排放分油器置于卡车上，安装并将帽螺钉拧紧至标准扭矩，拔下管口的塞子并将它们连接至正确的油口牢固地拧紧连接处。在法兰管接头处安装新的O 形圈。如果单向阀或溢流阀被拆下，则安装新的O 形圈密封。起动发动机并检查是否正确工作存在泄漏，最后安装保护盖。

3）流量放大器维护。进行正常的卡车关闭步骤，等待90 s 以便蓄能器减压，断开、塞住、识别并在各液压管路上贴标签。拆下支撑流量放大阀安装帽螺钉。将阀移至一处干净的工作区域进行分解。在安装之前用清洁液压油彻底润滑各内部零件[7]，重新组装放大器阀芯总成。安装节流孔螺钉拧紧至1 N/m，安装单向阀将单向阀拧紧至1 N/m。安装钢密封、溢流阀总成、螺塞，螺塞拧紧至2 N/m。安装背压阀总成，用新的O 形圈来安装螺塞。2 个冲击和吸油阀组装后进行安装。将弹簧座、弹簧和弹簧挡片装入壳体，如需拆下则将节流孔螺钉装入主阀芯。安装主阀芯、放大器阀芯总成、优先阀阀芯和弹簧。安装弹簧挡片、弹簧和弹簧座时用润滑脂润滑O 形圈，并将它们安装到端盖和上。安装端盖、帽螺钉和紧垫圈，帽螺钉拧紧至3 N/m。安装帽螺钉和锁紧垫圈，帽螺钉拧紧至8 N/m，为防止污染，将塑料塞安装至各敞开的阀油口，支撑流量放大阀并将其移入位，装上帽螺钉并拧紧至标准扭矩。拔下液压管路的塞子并将它们连接至正确的位置。在法兰管接头上使用新的O 形圈。拆下背压阀总成、溢流阀螺塞和密封。使用8 mm 的内六角扳手拆卸溢流阀总成密封。用13 mm的内六角扳手从端盖上拆下帽螺钉、锁紧垫圈、端盖。拆下弹簧挡片、主阀芯、优先阀阀芯。拆下放大器阀芯总成，并将其搁置一边以便在需要时进一步分解拆下冲击和吸油阀。拆下节流孔螺钉和单向阀，拧松单向阀并拆下。最后从螺塞上拆下节流孔螺钉。仔细地清洁并检查所有的零件，如有损坏需要更换。

4）转向油缸维护。车辆停放在指定位置熄火泄压，利用专用工具将转向油缸从车体拆卸进行维护。从油缸壳体中拆下帽螺钉和拉杆和密封盖，拆卸锁紧螺母和活塞，从活塞上拆卸活塞轴承和活塞密封，将活塞杆拉出密封盖并拆下支承环。拆下活塞杆密封和活塞杆刮油环分解轴承。检查油缸壳体、密封盖、活塞、和活塞杆是否有凹痕、刮伤或过度磨损的痕迹。用干净的清洁溶剂清洁所有的零件并用液压油润滑。将新的活塞密封总成按如下安装到活塞上：在沸水中加热活塞密封3～4 min。从水里拆卸活塞密封并组装到活塞上，完成此项不要超过5 s。活塞轴承用来将密封总成定位于凹槽中，均匀地施加压力以避免密封翘起。如果密封在活塞上很松驰[8]，则可以用带型扳手或类似工具来压缩密封的外径，直到其紧密地配合在活塞上为止。将活塞轴承装入活塞凹槽，油缸组装将新轴承、活塞杆密封、活塞杆刮油环、支承环、O 形圈装入密封盖，将活塞杆推过密封盖的顶部，慢慢推进活塞杆，穿过活塞杆密封和活塞杆刮油环，活塞总成安装到活塞杆上，用锁紧螺母将活塞固定至活塞杆，锁紧螺母拧紧至390 N/m。在密封盖的安装期间，要确保支承环和O 形圈不损坏，安装帽螺钉均匀地将帽螺钉拧紧至420 N/m。最后进行测试在17.2 MPa 时油口塞的泄漏量不得超过1.6 cm3/min，活塞的起步阻力不得超过0.69 MPa。

4 结语

卡车转向系统智能化改造使车辆操控性危险识别能力得到提升，运行更加安全稳定。经过改造，以往出现的故障得到精准预防预判，将故障在萌芽状态时进行处理，不产生事故或将事故危害降至最低，实现了卡车运行过程中作业人员与设备的绝对安全。