劉德寧

(中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

液壓驅(qū)動具有布置靈活且能量密度大的優(yōu)點(diǎn)，在井下無軌輔助運(yùn)輸車輛中有較為廣泛的應(yīng)用。某礦用車輛為實(shí)現(xiàn)了液壓支架的快速裝卸，該種驅(qū)動方式，已經(jīng)成為井下工作面搬家倒面的重要無軌運(yùn)輸工具，極大的提高了綜采工作面的搬家效率[1]。車輛采用了前后機(jī)架鉸接的連接方式，后機(jī)架左右兩個各布置兩個輪胎，輪胎安裝在擺動梁上，確保車輛行駛過程中每個輪胎都有足夠的附著力。轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向油缸前后機(jī)架繞銷軸相對轉(zhuǎn)過一定角度，屬于滑移轉(zhuǎn)向?；妻D(zhuǎn)向?qū)喬サ哪p較大，同時(shí)車輛在運(yùn)行中松油門工況下，后輪胎會有倒轉(zhuǎn)或抱死現(xiàn)象，從而導(dǎo)致后輪胎產(chǎn)生非滾動摩擦，加劇了后輪胎的磨損，尤其是車輛在重載下坡工況下此現(xiàn)象會越發(fā)明顯，對輪胎造成的磨損量也越大。車輛在質(zhì)保期內(nèi)運(yùn)行一段時(shí)間后，經(jīng)常出現(xiàn)輪胎偏磨現(xiàn)象，降低了輪胎的使用壽命，而輪胎價(jià)值較高，因此造成了很高的運(yùn)行成本。目前國內(nèi)外學(xué)者對該類型車輛的閉式系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)優(yōu)化[2，3]，仍沒有解決輪胎偏磨問題。

1 液壓制動力形成機(jī)理

車輛通常采用后四輪驅(qū)動的方式，左右兩側(cè)的馬達(dá)分別由一個閉式泵驅(qū)動，這樣就形成了單泵雙馬達(dá)的閉式行走系統(tǒng)。六驅(qū)車輛在大部分工況下也是處于四驅(qū)運(yùn)行狀態(tài)，因此本文重點(diǎn)討論單泵雙馬達(dá)驅(qū)動系統(tǒng)。

目前液驅(qū)車輛所采用的閉式泵均為德國力士樂公司的DA泵，其優(yōu)勢在于通過純液控的方式實(shí)現(xiàn)了泵與發(fā)動機(jī)的匹配，既能充分吸收發(fā)動機(jī)的功率又確保發(fā)動機(jī)不熄火[4，5]。

DA泵的工作原理如圖1所示。

圖1 DA泵的工作原理圖

閉式泵中內(nèi)置一個齒輪泵，其作用是補(bǔ)充閉式系統(tǒng)中泄露的油液和沖洗閥沖出的高溫油液，同時(shí)也可為先導(dǎo)手柄提供壓力。齒輪泵的流量全部流經(jīng)DA閥的節(jié)流孔進(jìn)入閉式系統(tǒng)。DA閥的本質(zhì)是定差減壓閥，工作原理如圖2所示，其出口壓力與節(jié)流孔兩端的壓差及彈簧預(yù)緊力有如下關(guān)系：

(p1-p2)-F=pst(1)

即：

Δp-F=pst(2)

式中，p1為節(jié)流孔的進(jìn)口壓力，bar；p2為節(jié)流孔的出口壓力，bar；F為彈簧預(yù)緊力，bar；pst為DA閥出口壓力，bar；Δp為節(jié)流孔兩側(cè)的壓差，bar。

從圖2可知pst最終作用于閉式泵變量機(jī)構(gòu)，壓力值越大，泵斜盤的擺角越大，泵的排量相應(yīng)增大。

圖2 DA閥的工作原理示意圖

節(jié)流孔兩側(cè)的壓差與通過節(jié)流孔的流量之間的關(guān)系如下[6]：

式中，q為通過節(jié)流孔的流量，L/min；K為與介質(zhì)密度及節(jié)流孔的通流面積及閥口形狀相關(guān)的常數(shù)。

由于齒輪泵為定量泵，其輸出流量q僅與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速n正相關(guān)；通過式(3)可得，流量q與壓差Δp正相關(guān)；通過式(2)可得控制壓力pst與壓差Δp正相關(guān)；由此可得控制壓力pst與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速n正相關(guān)，即發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速越高，泵的排量越大。

車輛正常行駛過程中，由于左右兩側(cè)的驅(qū)動系統(tǒng)相同，因此僅分析一側(cè)的單泵雙馬達(dá)閉式系統(tǒng)回路，其油液的循環(huán)路線如圖3所示。

圖3 正常行駛狀態(tài)下閉式回路油液循環(huán)路線

從圖3可以看出，油液經(jīng)高壓側(cè)向低壓側(cè)流動。閉式泵出口的高壓管路AB一分為二，分別通過BC管路和BD管路進(jìn)入馬達(dá)1和馬達(dá)2，驅(qū)動馬達(dá)轉(zhuǎn)動，馬達(dá)1的回油和馬達(dá)2的回油分別通過管路EG和管路FG經(jīng)由管路GJ回流至閉式泵的進(jìn)油口。系統(tǒng)的循環(huán)流量取決于閉式泵的輸出流量。

松油門時(shí)，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降，瞬間回到怠速狀態(tài)，而整車由于慣性繼續(xù)向前以較快的速度運(yùn)動，拖動馬達(dá)持續(xù)轉(zhuǎn)動，此時(shí)馬達(dá)變?yōu)椤氨谩惫r，泵變?yōu)椤榜R達(dá)”工況，由前文可知，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速降低閉式泵的排量減小，閉式泵的流量即轉(zhuǎn)速與排量的乘積變得更小，而馬達(dá)的輸出流量由于整車慣性拖動不能瞬間降低，因此在圖3中所示的低壓側(cè)形成回油背壓。松油門工況下閉式系統(tǒng)的循環(huán)油路如圖4所示。

由于馬達(dá)的回油量在松油門過程中瞬間維持不變，而閉式泵的排量減小，如果馬達(dá)的所有回油量全通過閉式泵，則相當(dāng)于強(qiáng)行拖動發(fā)動機(jī)超怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)發(fā)動機(jī)會產(chǎn)生“制動力矩”，因此在管路的G點(diǎn)會形成很大的回油背壓，該壓力會阻礙馬達(dá)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，迫使車輛減速，稱為液壓制動力。如果液壓制動力超過輪胎的附著力，則會發(fā)生輪胎抱死或倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

圖4 松油門工況下閉式回路油液循環(huán)示意圖

進(jìn)口該類型車輛采用了低速大扭矩馬達(dá)直接驅(qū)動輪胎的方案，運(yùn)行過程中馬達(dá)的轉(zhuǎn)速較低，松油門工況下慣性較小，因此幾乎不存在輪胎偏磨的情況，但是由于低速大扭矩馬達(dá)上自帶的行車制動器制動力矩較小，且頻繁使用容易失效，因此沒有在國內(nèi)推廣應(yīng)用。

2 后輪胎偏磨原因

同一側(cè)的前后輪胎都安裝在擺動梁上，確保車輛能自動適應(yīng)路面，兩個輪胎都有足夠的附著力。擺動梁的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 擺動梁的結(jié)構(gòu)

以輪胎和擺動梁為研究對象，車輛正常行駛過程中的受力如圖6所示。

圖6 車輛正常運(yùn)行過程中擺動梁受力圖

忽略擺動梁轉(zhuǎn)動過程中的摩擦阻力矩，以上各力對擺動梁的鉸點(diǎn)O處求力矩，取順時(shí)針方向的力矩為正值，可得：

FN2·l-Fa2·d-Fa1·d-FN1·l=0(4)

式中，F(xiàn)N1為前輪胎所受的地面支持力，N；Fa1為前輪胎牽引力，N；FN2為后輪胎所受的地面支持力，N；Fa2為前輪胎牽引力，N；l為輪胎到擺動梁鉸點(diǎn)O的中心距，mm；d為擺動梁鉸點(diǎn)O到地面的距離，mm。

化簡后可得：

FN2=(Fa1+Fa2)d/l+FN1(5)

由此可得：

FN2>FN1

通過以上分析可知：車輛正常前進(jìn)行駛工況下后輪胎的附著力好于前輪胎。

松油門工況下，整車由于慣性繼續(xù)向前運(yùn)動，此時(shí)閉式系統(tǒng)會產(chǎn)生液壓制動力，其方向與整車運(yùn)行方向相反，迫使車輛減速。擺動梁的受力如圖7所示。

圖7 車輛松油門工況下擺動梁受力圖

同樣取順時(shí)針方向的力矩為正值，將圖中各力對擺動梁的鉸點(diǎn)O處求力矩，可得：

FN1=(Ff1+Ff2)d/l+FN2(6)

式中：Ff1為前輪上的液壓制動力，N；Ff2前輪上的液壓制動力，N。

由此可得：

FN1>FN2

通過以上分析可知：車輛松油門工況下前輪胎的附著力好于后輪胎，因此只可能是后輪胎產(chǎn)生抱死或倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

3 閉式系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

液壓制動力可以輔助機(jī)械制動對車輛進(jìn)行制動，其制動力越大，對機(jī)械制動的損耗相應(yīng)的越少，但是基于前面的分析論證，液壓制動力過大會產(chǎn)生輪胎偏磨的情況，而輪胎的價(jià)值遠(yuǎn)大于摩擦片的價(jià)格。因此，為解決輪胎偏磨問題，對閉式系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在回路中增加相應(yīng)的控制裝置，從而限制松油門過程中液壓制動力的大小。其實(shí)現(xiàn)原理如圖8所示。

圖8 改進(jìn)后的閉式系統(tǒng)原理圖

如圖8所示，在回路中的高壓側(cè)和低壓側(cè)之間并聯(lián)接入了溢流閥和液控單向閥。其工作原理如下：液控單向閥的作用是確保溢流閥只限制前進(jìn)回路低壓側(cè)的壓力，因?yàn)檐囕v掛倒檔后，圖中前進(jìn)回路低壓側(cè)變?yōu)楹笸嘶芈犯邏簜?cè)，為不影響車輛倒車動力，需要加單向閥將油液阻斷。液控單向閥的控制壓力是由前進(jìn)手柄的信號控制，松油門前進(jìn)回路低壓側(cè)的壓力可達(dá)30MPa以上，而液控單向閥的導(dǎo)壓比一般為1∶3，為確保液控單向閥打開，要求其控制壓力為10MPa以上，而前進(jìn)先導(dǎo)壓力僅為3MPa，因此需通過液控?fù)Q向閥將車上制動蓄能器的壓力引至液控單向閥的控制口。車輛掛前進(jìn)檔后，液控單向閥開啟，松油門過程中，液壓制動力在前進(jìn)回路的低壓側(cè)形成高壓，通過溢流閥可限制該壓力的大小，可以起到防止輪胎倒轉(zhuǎn)的現(xiàn)象發(fā)生。

該裝置在車上裝機(jī)應(yīng)用半年，沒有發(fā)生偏磨現(xiàn)象，極大的提高了輪胎的使用壽命。改進(jìn)后輪胎使用效果如圖9所示。

4 結(jié) 語

采用了單泵雙馬達(dá)驅(qū)動方式的礦用液驅(qū)車輛，由于液壓制動力的存在導(dǎo)致松油門過程中會產(chǎn)生輪胎抱死或倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象，通過受力分析表明松油門時(shí)后輪胎的附著力小于前輪胎附著力，因此后輪胎容易產(chǎn)生倒轉(zhuǎn)。通過在系統(tǒng)回路中增加控制裝置，限制液壓制動力的峰值，當(dāng)制動壓力超過溢流閥設(shè)定值時(shí)，高低壓回路連通。該裝置裝機(jī)應(yīng)用半年后沒有出現(xiàn)輪胎偏磨情況，大大極高了輪胎的使用壽命，降低了車輛的運(yùn)行成本。