礦用液驅(qū)車輛輪胎偏磨原因分析及優(yōu)化改進

劉德寧

(中國煤炭科工集團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，在井下無軌輔助運輸車輛中有較為廣泛的應(yīng)用。某礦用車輛為實現(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]。車輛采用了前后機架鉸接的連接方式，后機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，轉(zhuǎn)向油缸前后機架繞銷軸相對轉(zhuǎn)過一定角度，屬于滑移轉(zhuǎn)向?；妻D(zhuǎn)向?qū)喬サ哪p較大，同時車輛在運行中松油門工況下，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)運行一段時間后，經(jīng)常出現(xiàn)輪胎偏磨現(xiàn)象，降低了輪胎的使用壽命，而輪胎價值較高，因此造成了很高的運行成本。目前國內(nèi)外學者對該類型車輛的閉式系統(tǒng)進行了相關(guān)優(yōu)化[2，3]，仍沒有解決輪胎偏磨問題。

1 液壓制動力形成機理

車輛通常采用后四輪驅(qū)動的方式，左右兩側(cè)的馬達分別由一個閉式泵驅(qū)動，這樣就形成了單泵雙馬達的閉式行走系統(tǒng)。六驅(qū)車輛在大部分工況下也是處于四驅(qū)運行狀態(tài)，因此本文重點討論單泵雙馬達驅(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現(xiàn)了泵與發(fā)動機的匹配，既能充分吸收發(fā)動機的功率又確保發(fā)動機不熄火[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，同時也可為先導手柄提供壓力。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)動機轉(zhuǎn)速n正相關(guān)，即發(fā)動機轉(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管路進入馬達1和馬達2，驅(qū)動馬達轉(zhuǎn)動，馬達1的回油和馬達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，發(fā)動機轉(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動，拖動馬達持續(xù)轉(zhuǎn)動，此時馬達變?yōu)椤氨谩惫r，泵變?yōu)椤榜R達”工況，由前文可知，發(fā)動機轉(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，如果馬達的所有回油量全通過閉式泵，則相當于強行拖動發(fā)動機超怠速運轉(zhuǎn)，此時發(fā)動機會產(chǎn)生“制動力矩”，因此在管路的G點會形成很大的回油背壓，該壓力會阻礙馬達繼續(xù)運轉(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

進口該類型車輛采用了低速大扭矩馬達直接驅(qū)動輪胎的方案，運行過程中馬達的轉(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O處求力矩，取順時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O的中心距，mm；d為擺動梁鉸點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)向前運動，此時閉式系統(tǒng)會產(chǎn)生液壓制動力，其方向與整車運行方向相反，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

同樣取順時針方向的力矩為正值，將圖中各力對擺動梁的鉸點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)改進設(shè)計

液壓制動力可以輔助機械制動對車輛進行制動，其制動力越大，對機械制動的損耗相應(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，而輪胎的價值遠大于摩擦片的價格。因此，為解決輪胎偏磨問題，對閉式系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計，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。其實現(xiàn)原理如圖8所示。

圖8 改進后的閉式系統(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回路低壓側(cè)的壓力，因為車輛掛倒檔后，圖中前進回路低壓側(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手柄的信號控制，松油門前進回路低壓側(cè)的壓力可達30MPa以上，而液控單向閥的導壓比一般為1∶3，為確保液控單向閥打開，要求其控制壓力為10MPa以上，而前進先導壓力僅為3MPa，因此需通過液控換向閥將車上制動蓄能器的壓力引至液控單向閥的控制口。車輛掛前進檔后，液控單向閥開啟，松油門過程中，液壓制動力在前進回路的低壓側(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。改進后輪胎使用效果如圖9所示。

4 結(jié) 語

采用了單泵雙馬達驅(qū)動方式的礦用液驅(qū)車輛，由于液壓制動力的存在導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，當制動壓力超過溢流閥設(shè)定值時，高低壓回路連通。該裝置裝機應(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，降低了車輛的運行成本。