煤矿井下运输车液压转向系统的研究与优化

摘要：煤矿井下辅助运输是井下运输系统中的关键构成部分，薄煤层井下运输车能够高效地确保物料辅助运输的安全性，对WCJ5CE型煤矿井下运输车车架液压转向系统开展研究。深入剖析液压转向系统原理，设计了优化后的两级先导控制流量放大器式液压转向系统，有效克服了重载转向难题。同时，对液压油缸进行多方面优化，包括密封系统、结构以及防护措施等。这些优化措施能够有效应对煤矿运输巷道恶劣环境所致的问题，保障运输车辆井下作业的可靠运行，提高了车辆的运输能力，增强了井下运输的安全性。

关键词：矿井；运输车；液压系统；液压缸

中图分类号：TP211+.31；TD52文献标志码：B文章编号：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

我国智慧矿山的飞速建设，更多先进的技术及煤矿装备不断地投入和使用。煤矿井下除了运输作业工人，还需运输工作面设备、材料等其他物品，这类运输车辆均叫做辅助运输车辆。以胶轮或者履带实现行走的车辆称作无轨运输，以铺设或者安装轨道为主要行走执行机构称为有轨运输[1-3]。

煤矿井下运输车主要用于井下设备及材料的辅助运输，车辆采用铰接式车身，具有转弯半径小、通过能力强、运输效率高等优点，有利于增强运输安全，减少辅助运输设备的投入[4-5]。运输车辆液压转向系统直接关系到车辆的操控性能和运行安全[7]。但由于煤矿井下特殊的环境条件对液压转向系统提出了严苛要求，如何克服恶劣的地质条件、粉尘污染、湿度、温度及振动冲击等问题，提升系统稳定性能，保障运输作业的顺利进行，成为井下运输系统迫切需要解决的问题。

本文针对陕西陕北矿业韩家湾煤矿薄煤层井下环境，设计了WCJ5CE型煤矿井下辅助运输车辆，对其车辆液压转向系统及转向油缸进行研究分析，为实现安全高效运输工作有着决定性的作用。

1井下环境对液压转向系统的影响

1.1地质条件

井下巷道宽度有限，对车辆的转向灵活性要求极高，液压转向系统需要精确控制车辆转向角度，以确保车辆能够顺利通过狭窄弯道。

巷道地面凹凸不平，车辆在运输作业过程中会产生较大的冲击或振动，对车辆的稳定运输有着极大的考验。严重时可造成车辆侧倾、悬挂系统损坏、加剧轮胎磨损、传动系统故障等问题。

1.2粉尘方面

煤矿井下工作面进行采煤作业时，避免不了会产生粉尘颗粒[9]。这些粉尘颗粒极小，很容易通过油缸的缝隙、油封等部位进入液压油缸内部。当粉尘进入后，在活塞的往复运动过程中，粉尘会像研磨剂一样，夹在活塞、活塞杆和缸筒之间，加剧它们之间的机械磨损，影响其与缸筒的配合精度。

液压油缸的内部有一些油道用于液压油的流动，以实现活塞的平稳运动。粉尘进入油缸后，可能会在油道中堆积。当堆积到一定程度时，会堵塞油道，影响液压油的正常流通，如果被粉尘堵塞，会导致液压油不能及时准确地进入油缸的工作腔，甚至可能导致整个液压系统的故障。

1.3湿度方面

井下高湿度环境容易使液压油缸的金属部件生锈腐蚀。特别是暴露在空气中的部分，更容易受到湿气的侵袭。当活塞杆表面生锈后，一方面会使活塞杆的表面质量下降，另一方面，锈层会在活塞杆的往复运动过程中脱落，若侵入油缸内部，在缸筒内壁以及活塞表面避免不了造成划伤，影响其结构完整性和安全性。

其次导致液压油混入水分。液压油里掺杂的水分，会削减其润滑功效，增强油液的侵蚀性。同时，水分还会使液压油发生乳化现象，乳化后的液压油其黏度和流动性发生改变，无法有效地传递压力，导致液压油缸的工作效率降低，运行不稳定等问题。

1.4温度方面

煤矿井下的温度环境较为复杂，可能存在局部高温或低温情况。液压油缸的密封系统在高温环境中会受到影响甚至失效。许多密封件是由橡胶等高分子材料制成，高温会使橡胶密封件加速老化，导致其弹性降低、硬度增加。油缸的密封件出现老化、龟裂等现象，造成密封失效[10]。

温度的极端变化决定着液压油的特性。在高温时，液压油的黏度会降低，可能导致液压油缸在工作时出现内泄现象[11-12]。相反，温度越低，致使油液的黏度增大，流动性减弱，可能不易将油缸启动。影响煤矿井下的生产作业效率。

1.5冲击和振动方面

井下运输车辆在作业过程中会产生冲击和振动，液压油缸作为这些设备的重要部件也会受到影响。频繁的冲击和振动可能会使液压油缸的缸筒、活塞等部件发生变形。产生的振动会传递给油缸，如果油缸的结构强度不够，可能会导致缸筒出现局部凹陷或活塞的导向环损坏，影响油缸的直线运动性能和密封性能。另其连接件也会出现松动，影响其工作精度，甚至可能会引发安全事故。

2液压转向系统

2.1液压转向系统基本原理

WCJ5CE型煤矿井下运输车主要采用液力机械传动、前轮驱动方式运行。前、后车采用铰接式车身，前车为动力部分，由驾驶室电气系统和液压系统构成。后车由车架总成和集装行组成。

煤矿井下集装箱运输车的液压转向系统一般基于液压助力原理。前、后车铰接处装置对称的转向油缸，方向盘转向轴与液压泵控制阀相连，当方向盘发生动作变化时，通过转轴的控制阀接通液压油缸的相应腔室，高压油液流入推动活塞移动，完成车辆的转向动作。

2.2液压转向系统

WCJ5CE型煤矿井下运输车主要采用先导驱动式双级控制液压转向系统，其系统组成与液压原理见图1。

液压泵通过负载信号实现油液的变量输出，油液经过换向阀选择给转向系统或同时给工作回路及转向系统供液，转向器接收到转向动作信号，使油液控制主换向阀动作。未动作时，主换向阀处于中位功能，转向系统保持在一定的状态。朝左进行转向动作时，高压油从L口至主换向阀左边腔室，使主换向阀阀芯向右换位，高压油液从液压泵出来经过换向阀、交替阀、主换向阀CL口，进而推动执行油缸运动。油缸回液由主换向阀CR口流入，再通过背压阀，背压阀可实现回油处于一定的平衡状态，保证了系统稳定运行。当执行油缸行程到达最大时，回油量减少，背压阀回归节流功能，可使驾驶员感受到转向结束变化。向右转换方向时与上述过程相反。

3液压转向系统的优化

运输车转向作业过程中，通流主换向阀的的流量最大也仅为120 L/min，最大压力为25 MPa，不能满足系统迅速响应的作业要求，为此需要优化设计出可以增大流量的液压转向系统，即先导驱动式大流量双级控制液压转向系统。

先导驱动式大流量双级控制液压转向系统组成及原理见图2。

液压泵可以通过负载信号实现油液的变量输出，油液经过换向阀可以选择给转向系统或同时给工作回路及转向系统供液，油液经过转向阀、同时进入转向器和流量放大阀，其余流量则流入工作回路中，转向器动作使油液控制主换向阀，转向器未动作时，主换向阀处于中位功能，转向系统维持在某种状态。向左进行转向时，高压油从L口流入至主换向阀，使主换向阀阀芯向右换位，油液同时流入流量放大阀右侧，流出CF口的油液经过流量放大阀后打开液控开关换向，流入流量放大阀的流量与转向器的压力油合并一同流出CL口进入执行油缸，增大主换向阀的通流面积从而实现流量放大的功能。执行油缸回液由主换向阀CR口流入，再通过背压阀。过滤器回到油箱。与优化前方案相似。

采用先导驱动式大流量双级控制液压转向系统时，进入到执行油缸的油液约为400 L/min、工作压力为24 MPa，能够实现90吨以下的大型车辆的转向能力。

4液压油缸的优化

转向系统液压油缸作为液压转向系统中最重要的执行单元，油缸处于不断地直线往复响应调整[13]，井下恶劣的环境是造成液压油缸失效因素，为避免油缸的失效造成运输车转向系统的失灵，可对该系统执行油缸进一步优化设计。

4.1密封系统优化

用高性能密封材料，如氟橡胶（FKM）和聚氨酯橡胶（PU）[14]。氟橡胶在抗化学腐蚀性、抗高温性和抗油性，适用于液压油环境和高温工况；聚氨酯橡胶则具有高耐磨性和高弹性恢复能力，能有效抵抗密封件在活塞往复运动中的磨损。对于在低温环境下工作的液压转向油缸，可采用硅橡胶（VMQ），它在低温时仍能保持良好的弹性，确保密封效果。

用多层密封结构，如在活塞处设置主密封和副密封。主密封负责主要的液压油密封功能，副密封作为备份，在主密封失效时防止液压油大量泄漏。优化密封件的装配工艺，确保密封件组装作业中受到不必要的损伤。可以采用专用的安装工具和工艺，保证密封件均匀地嵌入密封槽内。

4.2结构优化

对缸筒内表面进行镀铬处理，镀铬层具有高硬度、低摩擦系数和良好的耐磨性，能有效减少活塞与缸筒之间的磨损。还可以采用陶瓷涂层技术，陶瓷涂层具有更高的硬度和耐腐蚀性，能适应更恶劣的工作环境[15]。

优化活塞的结构形状，采用流线型设计，减少活塞在运动过程中的阻力，可提高转向油缸的响应速度。对活塞杆与导向套接触部分做表面硬化，提高其抗腐蚀性和耐磨性。

4.3防护措施

在液压油缸的外部设计防护挡板，可以采用金属板或工程塑料板制作。挡板的形状和尺寸应根据油缸的工作姿态和粉尘来源方向进行设计，使其能够有效地阻挡从正面和侧面袭来的粉尘及石块。与油缸之间应保持一定的间隙，以避免在油缸运动过程中产生干涉。

增加橡胶、帆布或金属波纹管保护套。橡胶保护套有着出色的弹性、耐磨性和耐腐蚀性[16]。它能够有效地缓冲外界对活塞杆的冲击，防止活塞杆因碰撞而受损。帆布保护套具有较高的强度和耐用性，还具有较好的透气性，有防水需求的工作环境，可以选择经过防水处理的帆布，如涂覆有聚氯乙烯（PVC）涂层的帆布，以防止水分侵入对活塞杆造成腐蚀。金属波纹管保护套有着一定的强度和刚度，有效防止活塞杆受到大的外力挤压和冲击[17]。金属波纹管保护套具有良好的伸缩性，不会对活塞杆的运动产生阻碍。

5结语

井下特殊环境对液压转向系统带来了诸多挑战。通过对运输车液压转向系统原理的剖析，对其系统进行优化，设计了先导驱动式大流量双级控制液压转向系统，该系统能实现更大流量和压力的负载，可适配90 t以下的大型车辆的转向能力，极大地提升了系统的转向性能。

对于转向系统中的关键执行单元液压油缸，采取了多方面的优化措施。在密封系统方面，选用氟橡胶、聚氨酯橡胶、硅橡胶等高性能材料。在结构方面，对缸筒进行镀铬处理或采用陶瓷涂层，优化活塞形状，加强活塞杆强度并进行表面硬化处理，显著改善了油缸的耐磨性和工作周期。此外，通过在液压油缸外部设置防护挡板，以及增加橡胶、帆布或金属波纹管保护套等防护措施，能够有效抵御井下粉尘、水分和外力对油缸的侵害。

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（责任编辑：平海，苏幔）