劉振乾

（國能準能集團有限責(zé)任公司 哈爾烏素露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

煤礦生產(chǎn)過程中重型卡車是主要運輸設(shè)備，哈爾烏素露天煤礦現(xiàn)服役的重型卡車運行時間已超過10 年有余，設(shè)備部件老化嚴重作業(yè)效率低，作業(yè)人員和維修人員工作風(fēng)險持續(xù)增高。目前卡車智能化運行已是大趨勢，為此，結(jié)合生產(chǎn)工作實際需求對重型卡車進行智能化改造，利用轉(zhuǎn)向位移傳感器使轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)進行精準操作。操作人員在駕駛室操作設(shè)備時視野受限存在大片盲區(qū)，改造后利用捕捉雷達探測車輛運行過程中遇到的障礙物并對障礙物大小進行分析做出是否對車輛運行安全造成危害的預(yù)判，能夠精準高效的預(yù)防交通事故發(fā)生。經(jīng)過對卡車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)智能化升級改造，使操作人員對轉(zhuǎn)向盲區(qū)的運行狀況有充分的辨識，減輕車輛盲區(qū)運行危害，使車輛運行更加安全。

1 卡車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)構(gòu)造及運行原理

卡車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是控制卡車安全行駛的3 大運行系統(tǒng)之一，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由液壓油箱、轉(zhuǎn)向泵、轉(zhuǎn)向油缸、轉(zhuǎn)向控制裝置、轉(zhuǎn)向蓄能器、轉(zhuǎn)向蓄能器排放電磁線圈、流量放大閥、排放分油器、液壓管路構(gòu)成[1]。

1.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各構(gòu)造部件的功能

1）排放分油器閥。排放分油器閥位于左側(cè)車架梁的內(nèi)側(cè)，剛好在蓄能器之后。排放分油器閥內(nèi)部排放閥配備有2 個溢流閥，1 個壓力為4.1 MPa，另1個壓力為27.6 MPa。排放分油器接收來自轉(zhuǎn)向油路泵的油，通過1 個高壓過濾器將油引導(dǎo)至蓄能器、流量放大器和自動潤滑系統(tǒng)液壓泵，用于轉(zhuǎn)向控制裝置和轉(zhuǎn)向油缸的油經(jīng)由流量放大器而被供給。

2）轉(zhuǎn)向蓄能器排放電磁線圈。在卡車停止時，每次鑰匙開關(guān)轉(zhuǎn)至OFF 時，轉(zhuǎn)向蓄能器排放電磁線圈即通電。當電磁線圈被通電時[2]，包括蓄能器在內(nèi)的所有液壓轉(zhuǎn)向壓力都被排放回液壓油箱。排放分油器中的內(nèi)部單向閥在被排放90 s 之后，電磁線圈將失電并關(guān)閉至油箱的回流油口。在卡車起動時，轉(zhuǎn)向油路將被充油，轉(zhuǎn)向壓力低報警燈和蜂鳴器將會打開，直到轉(zhuǎn)向壓力達到15.8 MPa 為止。報警燈由轉(zhuǎn)向壓力低開關(guān)控制，在工作期間，如果轉(zhuǎn)向壓力低于15.8 MPa，轉(zhuǎn)向壓力低報警燈將會點亮，直到壓力回到正常。如轉(zhuǎn)向蓄能器排放電磁線圈出現(xiàn)故障直接更換新件。

3）轉(zhuǎn)向蓄能器。2 個轉(zhuǎn)向蓄能器是氣囊式蓄能器，每個容量為62 L。蓄能器用于頂端的充氣閥充9.6 MPa 的純干氮氣，進入蓄能器的油壓縮氣囊內(nèi)的氮氣，氮氣壓力將直接隨轉(zhuǎn)向油路壓力一起增加。當轉(zhuǎn)向油路壓力達到21 MPa 時，卸荷閥將會使泵卸荷。蓄能器將包含一定量的壓力油，并由排放分油器內(nèi)的單向閥保持。當系統(tǒng)壓力降至19 MPa 時，泵輸出將再次增加以重新加注蓄能器和增加轉(zhuǎn)向系統(tǒng)壓力。蓄能器還提供有限時間段內(nèi)的油供給，用于泵不能工作時的情況?；诔杀炯熬S修技術(shù)等原因如轉(zhuǎn)向蓄能器出現(xiàn)故障直接更換新的轉(zhuǎn)向蓄能器。

4）轉(zhuǎn)向控制裝置。轉(zhuǎn)向控制裝置安裝在駕駛室內(nèi)并被直接連接至轉(zhuǎn)向柱的下端。轉(zhuǎn)向控制裝置的操作實際上既是手動的又是液壓的。本部件由液壓控制閥組成。操作員向方向盤施加的轉(zhuǎn)向力激發(fā)該閥，反過來該閥引導(dǎo)液壓油通過流量放大閥，至轉(zhuǎn)向油缸，為操作員提供動力轉(zhuǎn)向。

5）轉(zhuǎn)向泵運行。轉(zhuǎn)向泵安裝在起升系統(tǒng)泵的后側(cè)，當泵被螺栓固定入位時，驅(qū)動軸通過內(nèi)部花鍵與起升泵內(nèi)部聯(lián)軸器連接，泵為壓力補償柱塞式，工作方式有3 種形式。全泵流量：控制柱塞控制斜盤的角度；當控制柱塞移動至最右側(cè)的位置時，泵處于最大泵容量；驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動帶花鍵的殼體，殼體內(nèi)包含泵柱塞；當殼體旋轉(zhuǎn)時，柱塞移入并移出它們的孔，柱塞滑靴接觸有角度的斜盤；當缸體旋轉(zhuǎn)時，單獨的柱塞孔被交替地連接至配油盤內(nèi)的左和右月牙形油口，當連接至左側(cè)油口時，每個柱塞都向外移動，將油從左側(cè)油口吸入到柱塞孔中，直到達到其最靠外的行程為止；行駛至此位置柱塞孔從左月牙油口通至右月牙油口，當轉(zhuǎn)過右側(cè)月牙時，每個柱塞在有角度的斜盤面上向下移動；由此每個柱塞被向內(nèi)壓迫，每個柱塞通過右側(cè)月牙將油排出至右側(cè)油口，直到達到其最內(nèi)側(cè)的行程為止，在該位置柱塞孔再次從右側(cè)通至左側(cè)月牙，工作循環(huán)被重復(fù)。半泵流量：當控制柱塞的位置在其行程中央附近；斜盤的角度不再與之前一樣陡，柱塞產(chǎn)生較短的行程，當柱塞行程變短時，泵輸出也降低。中位位置：當控制柱塞在斜盤上居中時，得到中位位置，斜盤角度現(xiàn)在為零并且斜盤面現(xiàn)在與缸體面平行；當柱塞滑靴繞著斜盤面旋轉(zhuǎn)時，泵柱塞不存在入或出的動作；缺少入或出的動作將導(dǎo)致沒有油從柱塞孔中排出至配油盤的月牙，結(jié)果泵油口不會輸出油液。基于成本及維修技術(shù)等原因如轉(zhuǎn)向泵出現(xiàn)故障直接更換新的轉(zhuǎn)向泵。

6）流量放大器。流量放大器位于蓄能器的前側(cè)的左車架梁上。流量放大器用在轉(zhuǎn)向油路中以提供轉(zhuǎn)向油缸所需的大量的油。流量放大器使用來自轉(zhuǎn)向控制裝置的油流量來決定自排放分油器至轉(zhuǎn)向油缸要輸送的比例流量。

1.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理

來自油箱的液壓油被供給至柱塞式壓力補償轉(zhuǎn)向泵，該泵額定流量為250 L/min。泵壓力被1 個位于轉(zhuǎn)向泵殼體底部的卸荷閥將系統(tǒng)壓力保持在19～21 MPa。來自泵的油液被引導(dǎo)至高壓過濾器。來自排放分油器的油壓被送回至泵并被卸荷閥上的“ACC”油口傳感到。排放分油器上的轉(zhuǎn)向壓力開關(guān)連接到1 個裝在駕駛室內(nèi)的轉(zhuǎn)向壓力低報警燈，如果系統(tǒng)壓力降到15.8 MPa 以下，該燈則會警示操作員。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)油被引導(dǎo)至轉(zhuǎn)向蓄能器，以允許操作員在出現(xiàn)轉(zhuǎn)向油路缺油時將卡車駛離運輸?shù)缆凡⑼７旁谝惶幇踩珔^(qū)域。在每次鑰匙開關(guān)被轉(zhuǎn)至OFF 位置時將蓄能器內(nèi)加壓的液壓油排放回液壓油箱。如果在工作中出現(xiàn)轉(zhuǎn)向壓力損失，則必須立即停住卡車，蓄能器內(nèi)的壓力使得操作員能夠在短期內(nèi)使卡車轉(zhuǎn)向。排放分油器和蓄能器將油供給至流量放大閥。油被引導(dǎo)至流量放大閥以供轉(zhuǎn)向控制裝置和轉(zhuǎn)向油缸使用。相對少量的油被從流量放大器供給至轉(zhuǎn)向控制裝置，該裝置安裝在駕駛室內(nèi)的轉(zhuǎn)向柱上。

當操作員移動方向盤時，根據(jù)方向盤的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速[3]，油被從轉(zhuǎn)向控制裝置輸送回至流量放大器。根據(jù)來自轉(zhuǎn)向控制裝置的輸入，流量放大器將油流引導(dǎo)至轉(zhuǎn)向油缸上合適的油口，進入轉(zhuǎn)向控制裝置的油被堵塞，直到方向盤被轉(zhuǎn)動至一個想要的方向。操作員反向移動方向盤時，流量放大器反過來將大量的油供給至轉(zhuǎn)向油缸以轉(zhuǎn)動前輪，轉(zhuǎn)向油缸相反端的液壓油通過流量放大器和排放分油器流回至液壓油箱。

2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)智能化改造

卡車原有轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是通過方向盤控制轉(zhuǎn)向器輸出油液至流量放大器，流量放大器輸出液壓油到轉(zhuǎn)向油缸，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向動作[4]。整個轉(zhuǎn)向運行工作方式是通過油液壓力變化實現(xiàn)，油路長時間運行存在油液滲漏壓力緩慢釋放，液壓部件損耗狀況，存在不可控風(fēng)險，運行過程中產(chǎn)生不易察覺的小故障隨時間積累會產(chǎn)生大型突發(fā)故障，給設(shè)備和操作人員造成損害。

依據(jù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)存在的問題對系統(tǒng)進行智能化升級改造，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由油路控制改造為雙控雙駕線路控制，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)線控化的目的是實現(xiàn)前軸轉(zhuǎn)向的線性閉環(huán)控制。因轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是通過轉(zhuǎn)向器、流量放大器、轉(zhuǎn)向油缸實現(xiàn)前輪轉(zhuǎn)向，為此在轉(zhuǎn)向油缸外側(cè)增加轉(zhuǎn)向位移傳感器，在轉(zhuǎn)向蓄能器附近布置轉(zhuǎn)向電比例換向閥，轉(zhuǎn)向電比例閥安裝在車輛左側(cè)蓄能器下側(cè)支架背面與轉(zhuǎn)向器并聯(lián)，轉(zhuǎn)向位移傳感器與電比例換向閥在相關(guān)油路上的布置使線性控制更加精準。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與無人感知系統(tǒng)相結(jié)合，無人駕駛感知系統(tǒng)由前向感知傳感器、后向感知傳感器和車載攝像頭等組成，在傳統(tǒng)激光雷達＋毫米波雷達融合感知方式的基礎(chǔ)上，增加4D 光場相機，充分利用4D 光場相機1 次成像即同時可獲得二維、三維一體化數(shù)據(jù)，免標定、無匹配誤差、無融合誤差、不受震動影響等優(yōu)勢，使感知系統(tǒng)具有極強的穩(wěn)定性和高度的兼容性，并且惡劣環(huán)境適應(yīng)性強、具有雨雪霧穿透能力，滿足礦區(qū)粉塵、雨雪霧、劇烈震動和極端低溫等惡劣工況使用需求，能夠在全無人駕駛的情況下對道路、落石、凹坑、擋墻、車輛、行人等障礙物進行準確感知識別。

雙控雙駕線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在原轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)上[5]，不改變原車的轉(zhuǎn)向器、流量放大器、轉(zhuǎn)向油缸及其管路連通原理，額外并聯(lián)電比例換向閥，用于向流量放大器輸出流量，進而控制轉(zhuǎn)向油缸動作；當進入駕駛模式，感知系統(tǒng)通過CAN 總線發(fā)送轉(zhuǎn)向角度指令，線控系統(tǒng)接收到指令后，控制轉(zhuǎn)向比例電磁閥驅(qū)動轉(zhuǎn)向油缸從而控制車輪轉(zhuǎn)向，并通過安裝在轉(zhuǎn)向油缸上的角度位移傳感器實時反饋轉(zhuǎn)向角度，實現(xiàn)角度的閉環(huán)實時控制。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)智能化改造原理框圖如圖1。

圖1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)智能化改造原理框圖

電比例閥用于實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的比例控制，在轉(zhuǎn)向油缸上增加直線位移傳感器用于反饋轉(zhuǎn)向角度，線控系統(tǒng)控制器通過CAN 總線接收上位機系統(tǒng)下發(fā)的目標轉(zhuǎn)向角度指令，結(jié)合轉(zhuǎn)向油缸位移傳感器信號，輸出電流信號，驅(qū)動電磁比例閥換向，油液通過電比例換向閥進入流量放大器、油缸，進而控制車輛轉(zhuǎn)向角度，使實時角度迅速迫近目標轉(zhuǎn)向角度，并通過油缸直線位移傳感器實現(xiàn)閉環(huán)控制。壓力傳感器通過監(jiān)測方向盤動作時液壓系統(tǒng)壓力變化，實行監(jiān)測方向盤動作功能，用于實現(xiàn)人工操作的優(yōu)先控制。

3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)部件維護

1）轉(zhuǎn)向控制裝置維護。關(guān)閉發(fā)動機并等待90 s以便蓄能器排放壓力。轉(zhuǎn)動方向盤以確定沒有油處于壓力之下。將檢修蓋固定到操作員駕駛室前側(cè)的帽螺釘和鎖緊墊圈，拆下檢修蓋，在所有液壓管路上貼標簽以便于安裝時正確識別，在轉(zhuǎn)向控制裝置處斷開液壓管路，塞住所有軟管。拆下安裝帽螺釘拆下轉(zhuǎn)向控制裝置，將轉(zhuǎn)向控制裝置放到一處清潔。花鍵檢查：當轉(zhuǎn)向控制裝置被拆下維修時，應(yīng)該檢查轉(zhuǎn)向柱軸是徹底清潔轉(zhuǎn)向柱軸上的花鍵[6]。檢查是否損壞或換轉(zhuǎn)向柱將轉(zhuǎn)向控制裝置移動就位看轉(zhuǎn)向柱軸花鍵能否對準。用安裝帽螺釘將轉(zhuǎn)向控制裝置固定入位，檢查方向盤的旋轉(zhuǎn)是否正確，確保方向盤不黏住，并且在向左和向右旋轉(zhuǎn)1/4 圈之后返回中位，將所有的帽螺釘擰緊至標準扭矩。拔掉液壓路的塞子并將它們連接至轉(zhuǎn)向控制裝置上正確的油口。起動發(fā)動機并檢查轉(zhuǎn)向是否正確地起作用和是否有泄漏，安裝檢修蓋并用帽螺釘和鎖緊墊圈將其固定。用干凈的清潔溶劑小心地清潔所有零件仔細檢查所有零件，如有損壞必須更換。

2）排放分油器閥維護。進行正常的卡車關(guān)閉步驟，等待90 s 以便蓄能器減壓。用于液壓部件箱內(nèi)的針閥手動排放蓄能器壓力。從分油器上拆下保護蓋，斷開電磁線圈和壓力開關(guān)的電線，斷開、識別、并塞住各液壓管路，以防止污染。拆卸安裝帽螺釘并拆卸排放分油器進行分解，清潔分油器的內(nèi)外。將排放分油器置于卡車上，安裝并將帽螺釘擰緊至標準扭矩，拔下管口的塞子并將它們連接至正確的油口牢固地擰緊連接處。在法蘭管接頭處安裝新的O 形圈。如果單向閥或溢流閥被拆下，則安裝新的O 形圈密封。起動發(fā)動機并檢查是否正確工作存在泄漏，最后安裝保護蓋。

3）流量放大器維護。進行正常的卡車關(guān)閉步驟，等待90 s 以便蓄能器減壓，斷開、塞住、識別并在各液壓管路上貼標簽。拆下支撐流量放大閥安裝帽螺釘。將閥移至一處干凈的工作區(qū)域進行分解。在安裝之前用清潔液壓油徹底潤滑各內(nèi)部零件[7]，重新組裝放大器閥芯總成。安裝節(jié)流孔螺釘擰緊至1 N/m，安裝單向閥將單向閥擰緊至1 N/m。安裝鋼密封、溢流閥總成、螺塞，螺塞擰緊至2 N/m。安裝背壓閥總成，用新的O 形圈來安裝螺塞。2 個沖擊和吸油閥組裝后進行安裝。將彈簧座、彈簧和彈簧擋片裝入殼體，如需拆下則將節(jié)流孔螺釘裝入主閥芯。安裝主閥芯、放大器閥芯總成、優(yōu)先閥閥芯和彈簧。安裝彈簧擋片、彈簧和彈簧座時用潤滑脂潤滑O 形圈，并將它們安裝到端蓋和上。安裝端蓋、帽螺釘和緊墊圈，帽螺釘擰緊至3 N/m。安裝帽螺釘和鎖緊墊圈，帽螺釘擰緊至8 N/m，為防止污染，將塑料塞安裝至各敞開的閥油口，支撐流量放大閥并將其移入位，裝上帽螺釘并擰緊至標準扭矩。拔下液壓管路的塞子并將它們連接至正確的位置。在法蘭管接頭上使用新的O 形圈。拆下背壓閥總成、溢流閥螺塞和密封。使用8 mm 的內(nèi)六角扳手拆卸溢流閥總成密封。用13 mm的內(nèi)六角扳手從端蓋上拆下帽螺釘、鎖緊墊圈、端蓋。拆下彈簧擋片、主閥芯、優(yōu)先閥閥芯。拆下放大器閥芯總成，并將其擱置一邊以便在需要時進一步分解拆下沖擊和吸油閥。拆下節(jié)流孔螺釘和單向閥，擰松單向閥并拆下。最后從螺塞上拆下節(jié)流孔螺釘。仔細地清潔并檢查所有的零件，如有損壞需要更換。

4）轉(zhuǎn)向油缸維護。車輛停放在指定位置熄火泄壓，利用專用工具將轉(zhuǎn)向油缸從車體拆卸進行維護。從油缸殼體中拆下帽螺釘和拉桿和密封蓋，拆卸鎖緊螺母和活塞，從活塞上拆卸活塞軸承和活塞密封，將活塞桿拉出密封蓋并拆下支承環(huán)。拆下活塞桿密封和活塞桿刮油環(huán)分解軸承。檢查油缸殼體、密封蓋、活塞、和活塞桿是否有凹痕、刮傷或過度磨損的痕跡。用干凈的清潔溶劑清潔所有的零件并用液壓油潤滑。將新的活塞密封總成按如下安裝到活塞上：在沸水中加熱活塞密封3～4 min。從水里拆卸活塞密封并組裝到活塞上，完成此項不要超過5 s。活塞軸承用來將密封總成定位于凹槽中，均勻地施加壓力以避免密封翹起。如果密封在活塞上很松馳[8]，則可以用帶型扳手或類似工具來壓縮密封的外徑，直到其緊密地配合在活塞上為止。將活塞軸承裝入活塞凹槽，油缸組裝將新軸承、活塞桿密封、活塞桿刮油環(huán)、支承環(huán)、O 形圈裝入密封蓋，將活塞桿推過密封蓋的頂部，慢慢推進活塞桿，穿過活塞桿密封和活塞桿刮油環(huán)，活塞總成安裝到活塞桿上，用鎖緊螺母將活塞固定至活塞桿，鎖緊螺母擰緊至390 N/m。在密封蓋的安裝期間，要確保支承環(huán)和O 形圈不損壞，安裝帽螺釘均勻地將帽螺釘擰緊至420 N/m。最后進行測試在17.2 MPa 時油口塞的泄漏量不得超過1.6 cm3/min，活塞的起步阻力不得超過0.69 MPa。

4 結(jié)語

卡車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)智能化改造使車輛操控性危險識別能力得到提升，運行更加安全穩(wěn)定。經(jīng)過改造，以往出現(xiàn)的故障得到精準預(yù)防預(yù)判，將故障在萌芽狀態(tài)時進行處理，不產(chǎn)生事故或?qū)⑹鹿饰：抵磷畹?，實現(xiàn)了卡車運行過程中作業(yè)人員與設(shè)備的絕對安全。