郭太清，韓美香，蔡新盛，張 敏，解 康，暢 寧

(山西北方機(jī)械制造有限責(zé)任公司，山西 太原 030009)

一種礦用機(jī)械的行走直線功能改進(jìn)方法

郭太清，韓美香，蔡新盛，張 敏，解 康，暢 寧

(山西北方機(jī)械制造有限責(zé)任公司，山西 太原 030009)

履帶式行走底盤的結(jié)構(gòu)是在底盤的行走架上安裝有左、右2條履帶的行走裝置，其行走功能的實(shí)現(xiàn)方法是在左、右2條履帶上各裝1套行走驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，每條履帶的行走驅(qū)動(dòng)力是由各自結(jié)構(gòu)中安裝的馬達(dá)(馬達(dá)由來自泵的壓力油驅(qū)動(dòng))的輸出軸旋轉(zhuǎn)而形成的。單泵供油使2個(gè)馬達(dá)同時(shí)工作時(shí)，馬達(dá)會(huì)因受到各自所驅(qū)動(dòng)的阻力的不同，而呈現(xiàn)出承受阻力小的馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)，承受阻力大的馬達(dá)無法同步運(yùn)轉(zhuǎn)或不轉(zhuǎn)的情況，這就形成機(jī)械設(shè)備不能直線行走的問題。針對(duì)這種情況，進(jìn)行了分析研究，最終采用負(fù)載敏感多路閥解決了這一問題。

履帶；行走；直線；換向閥

根據(jù)煤礦生產(chǎn)建設(shè)應(yīng)用市場的需求，筆者開展了一種礦用機(jī)械的研制工作。該礦用機(jī)械的行走工況是煤礦等的巷道，巷道的最窄寬度是3.5 m，道路是具有石塊或煤塊的土質(zhì)路面。由于煤礦的巷道場地所限，所以對(duì)這種礦用機(jī)械的行走直線功能要求較高。該礦用機(jī)械必須能夠在3.5 m寬的巷道內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行駛并能轉(zhuǎn)彎。

1 礦用機(jī)械的行走裝置結(jié)構(gòu)

工程機(jī)械的行走裝置有多種形式，常見的主要有履帶式、輪式和步履式等3種，其主要功能是支承和移動(dòng)。而履帶式行走裝置是最常應(yīng)用的一種形式，其突出的優(yōu)點(diǎn)是牽引力大、接地比壓小、附著系數(shù)大、越野性能及穩(wěn)定性好、爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小和機(jī)動(dòng)靈活?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，履帶式行走裝置更適合在煤礦等的巷道內(nèi)運(yùn)行。

履帶式行走裝置的結(jié)構(gòu)是在底盤的行走架上安裝有左、右2條履帶，而整個(gè)履帶式行走裝置是由2組“四輪一帶”(即引導(dǎo)輪、支重輪、托鏈輪、驅(qū)動(dòng)輪和履帶)、張緊裝置、行走機(jī)構(gòu)和1個(gè)行走架組成。其中，行走機(jī)構(gòu)包括行走馬達(dá)、行走減速機(jī)裝置和行走制動(dòng)閥。行走馬達(dá)由來自泵的壓力油驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，并將扭矩傳遞到行走減速裝置。行走減速裝置為多級(jí)行星齒輪減速結(jié)構(gòu)，作用是降低行走馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，增大驅(qū)動(dòng)扭矩，使驅(qū)動(dòng)輪和履帶轉(zhuǎn)動(dòng)[1]，從而驅(qū)動(dòng)整車的行走運(yùn)動(dòng)。

履帶式行走裝置機(jī)械行走時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪在驅(qū)動(dòng)力矩的作用下產(chǎn)生一個(gè)拉力，企圖把履帶從支重輪下拉出。由于支重輪下的履帶與地面間有足夠的附著力，阻止履帶的拉出，迫使整機(jī)克服阻力向前移動(dòng)，使驅(qū)動(dòng)輪卷動(dòng)履帶，導(dǎo)向輪再把履帶鋪設(shè)到地面上，從而使整機(jī)沿著履帶軌道向前持續(xù)運(yùn)行。整機(jī)轉(zhuǎn)向時(shí)，通過對(duì)安裝在2條履帶上、由液壓泵供油的行走馬達(dá)的油路控制，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向或就地轉(zhuǎn)彎，以適應(yīng)整機(jī)在各種地面上的轉(zhuǎn)向。

2 初始設(shè)計(jì)的行走操作閥原理

煤礦用機(jī)械的履帶式行走裝置所應(yīng)用的具體工況要求其具有防爆功能，所以在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，不能選用電磁換向閥，且由于工作流量不很大，可以直接操作，所以也不必增加先導(dǎo)操作等。手動(dòng)換向閥是依靠手動(dòng)杠桿的作用力驅(qū)動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)油路通斷或切換的方向控制閥。由于手動(dòng)換向閥操作簡便，工作可靠，又能使用在沒有電力的場合，因而在行走機(jī)械液壓系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[2]。本文選擇了四川長江液壓有限責(zé)任公司的兩聯(lián)手動(dòng)Z系列多路換向閥。其液壓原理圖如圖1所示。

圖1 Z系列多路換向閥原理圖

Z系列多路換向閥是由多個(gè)換向閥和安全閥及各種附加閥組合而成的片式組合閥，根據(jù)工作機(jī)構(gòu)需要，可組合為10聯(lián)以內(nèi)的多路閥組。它具有工作壓力高、結(jié)構(gòu)緊湊、安全閥性能好、可靠性高和通用性好等特點(diǎn)。它主要用于挖掘機(jī)、裝載機(jī)、起重機(jī)械和礦山機(jī)械等的液壓系統(tǒng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的集中控制。

3 問題現(xiàn)象及原因分析

產(chǎn)品試制完成后，進(jìn)行行走試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，其行走時(shí)很難做直線運(yùn)動(dòng)，且操作行走操縱閥后，整車是左右晃動(dòng)著前進(jìn)，晃動(dòng)的幅度很大、很猛，不適應(yīng)在坑道中自行運(yùn)動(dòng)。針對(duì)上述問題，通過認(rèn)真研究和分析后發(fā)現(xiàn)，由于原系統(tǒng)是單泵供油，所以普通手動(dòng)換向閥換向后，若左右行走馬達(dá)同時(shí)供油行走，受阻力大小的影響就會(huì)出現(xiàn)單邊行走的狀況。

4 行走直線功能改進(jìn)方法

在液壓閥中有分流—集流閥，可以使2個(gè)或2個(gè)以上的執(zhí)行元件在承受不同負(fù)載時(shí)，仍能獲得相等(或成一定比例)的流量，從而實(shí)現(xiàn)執(zhí)行元件的同步運(yùn)動(dòng)，故也稱為同步閥[3]。此閥可以保證2條履帶的直線運(yùn)行功能，但該礦用機(jī)械還有轉(zhuǎn)彎、回轉(zhuǎn)等功能要求，即2條履帶既有行走直線時(shí)需同步的要求，又有轉(zhuǎn)彎等時(shí)需不同步的要求，所以分流—集流閥還不適合該礦用機(jī)械的底盤行走裝置的要求。

有一種負(fù)載傳感控制系統(tǒng)是采用壓力補(bǔ)償閥，使多路閥前、后(上、下游)的壓差ΔP為定值。根據(jù)節(jié)流孔流量公式，即：

(1)

式中，K是流量系數(shù)，與油的容重有關(guān)；A是節(jié)流孔面積(即多路閥芯的開度)；ΔP是節(jié)流孔前、后壓差(即多路閥芯前、后壓差)。

由式1可知，若保持壓差ΔP不變，則流經(jīng)節(jié)流孔(多路閥芯的節(jié)流邊)的流量只與過流面積成正比。這就是說，實(shí)現(xiàn)各聯(lián)節(jié)流閥前、后壓差均保持在設(shè)定的相等值，進(jìn)而保證多路閥各聯(lián)通流量只與閥芯位移相關(guān)，而與各聯(lián)負(fù)載無關(guān)[4]。在履帶式底盤的行走過程中，即使左、右履帶的阻力變化不定，只要使閥芯兩端壓差ΔP為定值，那么，流進(jìn)2個(gè)液壓馬達(dá)的流量也不改變，因而底盤上2條履帶的轉(zhuǎn)速也保持不變。即負(fù)載傳感控制可保證2個(gè)馬達(dá)的輸出軸的轉(zhuǎn)速不受負(fù)載變化的影響，兩馬達(dá)互不干擾；因此負(fù)載傳感系統(tǒng)只需采用單泵并聯(lián)回路，即可實(shí)現(xiàn)各聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作要求。

丹福斯的負(fù)載敏感多路閥是一種串聯(lián)定差減壓閥的負(fù)載敏感手動(dòng)換向閥。這種配置串聯(lián)定差減壓閥的負(fù)載敏感系統(tǒng)，其基本優(yōu)點(diǎn)是所控制負(fù)載速度只與輸入信號(hào)有關(guān)，不受負(fù)載壓力變化的影響，各聯(lián)之間互不干擾，速度只與各聯(lián)輸入信號(hào)相關(guān)；因此，該閥用來操作單泵供油控制2條履帶行走的液壓系統(tǒng)裝置很適合。但這種負(fù)載敏感多路閥的中位都是O型的封閉結(jié)構(gòu)，沒有中位回油通道，在各執(zhí)行機(jī)構(gòu)都不動(dòng)作時(shí)不能形成卸荷狀態(tài)，這樣就會(huì)增加無用功的損耗，增加系統(tǒng)發(fā)熱。如何將沒有回油通道的負(fù)載敏感閥組改變成有回油通道的閥組，就是解決問題的關(guān)鍵。

通過認(rèn)真分析和研究這種負(fù)載敏感閥組的結(jié)構(gòu)和原理圖，最終確定了采用多加1聯(lián)負(fù)載敏感閥，用多加的這一聯(lián)閥的一端工作位作為通道使用，形成回油通道，使得在行走機(jī)構(gòu)不工作時(shí)，系統(tǒng)是卸荷狀態(tài)，這樣可以減小功率損失和減少系統(tǒng)發(fā)熱；同時(shí)，該回油通道還可以當(dāng)作過橋通道進(jìn)行與其他閥組的連接，形成動(dòng)力油源的傳送。其原理圖如圖2所示。

圖2 負(fù)載敏感閥原理圖

具體實(shí)施方法是將負(fù)載敏感閥組中的一聯(lián)的操縱手柄，操縱為固定在某一端的工作狀態(tài)。而固定這一手柄在某一工作位的方法是通過將一支桿的一端固定在閥組上，另一端將這一聯(lián)的手柄操作桿支承為一種工作狀態(tài)，將對(duì)應(yīng)輸出壓力油的工作油口接至回油處，從而形成了卸荷回路。此卸荷回路也可作為過橋通道向其他閥組提供油源，便于和其他類型的閥組連接。該聯(lián)的負(fù)載敏感閥是作為通道功能使用；而當(dāng)其余聯(lián)的負(fù)載敏感閥工作時(shí)，此聯(lián)作為通道的負(fù)載敏感閥不影響其正常工作，只是分流一些油。工作時(shí)也可將該支桿旋開，即可不產(chǎn)生分流的作用。實(shí)際將負(fù)載敏感閥的某一聯(lián)操縱手柄固定在一個(gè)工作位的實(shí)施情況如圖3所示。

圖3 某一聯(lián)操縱手柄固定在一個(gè)工作位的實(shí)施情況

該礦用機(jī)械的履帶式行走裝置的液壓系統(tǒng)中按上述方法更換為負(fù)載敏感閥組后進(jìn)行試驗(yàn)， 其行走直線運(yùn)動(dòng)很穩(wěn)，且轉(zhuǎn)彎行駛也很靈活，達(dá)到了該產(chǎn)品在單泵供油的情況下其行走動(dòng)作適應(yīng)煤礦巷道環(huán)境的要求。

5 結(jié)語

負(fù)載敏感閥在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用，主要是能夠?qū)崿F(xiàn)與負(fù)載無關(guān)地控制執(zhí)行元件的流量，所以閥的流量僅與控制信號(hào)成比例，而與負(fù)載大小無關(guān)；因此，采用該閥后，操縱行走控制閥的閥桿動(dòng)作時(shí)，行走速度只與操作的閥芯開口大小有關(guān)，而不受單邊履帶阻力大小的影響，這樣可以保證單泵供油的履帶式行走底盤的行走直線性和轉(zhuǎn)彎功能的要求。該方法適合于僅由單泵供油的情況下，通過壓力補(bǔ)償同時(shí)控制多個(gè)具有不同負(fù)載壓力的執(zhí)行器，可以僅通過改變各操作閥的操作量來調(diào)整各執(zhí)行器的速度，使控制速度不隨負(fù)載壓力而變化，避免低負(fù)載過快、高負(fù)載停止的現(xiàn)象。在車輛和工程機(jī)械中采用多執(zhí)行器負(fù)載敏感，可以大幅度提高其操作性能[5]。

[1] 陳國俊. 液壓挖掘機(jī)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2011.

[2] 范存德. 液壓技術(shù)手冊(cè)[M].沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2004.

[3] 雷天覺. 液壓工程手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

[4] 葛磊，趙虎，權(quán)龍. 基于SimulationX的多路閥負(fù)載補(bǔ)償閥建模分析[J].液壓與氣動(dòng)，2013(10)：11-14.

[5] 顧臨怡，謝英俊. 多執(zhí)行器負(fù)載敏感系統(tǒng)的分流控制發(fā)展綜述[J].機(jī)床與液壓，2001(3)：3-6.

責(zé)任編輯鄭練

南京欲建國際機(jī)床產(chǎn)業(yè)園區(qū)

從南京新工集團(tuán)主辦、機(jī)床集團(tuán)承辦的“現(xiàn)代機(jī)床制造業(yè)發(fā)展及市場論壇”上獲悉，南京機(jī)床產(chǎn)業(yè)正加大與全球頂尖企業(yè)的深度合作，未來南京還有計(jì)劃建立國際機(jī)床產(chǎn)業(yè)園區(qū)。上世紀(jì)70～80年代，南京的機(jī)床行業(yè)在全國領(lǐng)先，但是90年代后，南京的機(jī)床行業(yè)漸漸落后，相比沈陽、大連、重慶的機(jī)床產(chǎn)業(yè)有較大差距，相比德國西門子、日本法那科等全球頂尖企業(yè)則差距更大。為了縮小南京機(jī)床產(chǎn)業(yè)與世界先進(jìn)機(jī)床產(chǎn)業(yè)的差距，南京機(jī)床產(chǎn)業(yè)加大了與德國西門子、日本法那科等全球頂尖企業(yè)的深度合作，未來3年，南京機(jī)床集團(tuán)將加快技術(shù)引入和推進(jìn)全球市場化營銷，實(shí)現(xiàn)南京機(jī)床產(chǎn)業(yè)的升級(jí)換代，未來還有計(jì)劃在南京國際機(jī)床產(chǎn)業(yè)園，實(shí)現(xiàn)集高端機(jī)床生產(chǎn)和銷售于一體的產(chǎn)業(yè)化基地。

——摘自中國機(jī)床網(wǎng)

AMethodofMiningMachineryWalkStraightLineFunctionImprovement

GUO Taiqing, HAN Meixiang, CAI Xinsheng, ZHANG Min, XIE Kang, CHANG Ning

(Shanxi North Machinery Manufacturing Limited Liability Company, Taiyuan 030009, China)

Crawler walking chassis structure is setting up two crawler walking device on the chassis of walking, the walking function implementation of the method is: to set driving mechanism in each of two tracks, a driving force of each crawler walking by their structure is installed in the motor (motor driven by pressure from the pump oil) of the output shaft rotation. Single pump oil make two motors at work at the same time, the motor will be driven by their own resistance to the present. Under the small resistance of the motor running, the motor in the resistance can't work under synchronous operation or not, and it makes mechanical equipment can't walk straight. For this kind of situation, we have carried on the analysis of research, finally use the load sensitive multi-way valve solve this problem.

track, walk, a straight line, directional control valve

TH 15

:B

郭太清(1961-)，男，工程師，大專，主要從事工程機(jī)械的研發(fā)設(shè)計(jì)等方面的研究。

2015-02-09