礦用液驅車輛輪胎偏磨原因分析及優化改進

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)

液壓驅動具有布置靈活且能量密度大的優點，在井下無軌輔助運輸車輛中有較為廣泛的應用。某礦用車輛為實現了液壓支架的快速裝卸，該種驅動方式，已經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。轉向時，轉向油缸前后機架繞銷軸相對轉過一定角度，屬于滑移轉向?；妻D向對輪胎的磨損較大，同時車輛在運行中松油門工況下，后輪胎會有倒轉或抱死現象，從而導致后輪胎產生非滾動摩擦，加劇了后輪胎的磨損，尤其是車輛在重載下坡工況下此現象會越發明顯，對輪胎造成的磨損量也越大。車輛在質保期內運行一段時間后，經常出現輪胎偏磨現象，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。目前國內外學者對該類型車輛的閉式系統進行了相關優化[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動的方式，左右兩側的馬達分別由一個閉式泵驅動，這樣就形成了單泵雙馬達的閉式行走系統。六驅車輛在大部分工況下也是處于四驅運行狀態，因此本文重點討論單泵雙馬達驅動系統。

目前液驅車輛所采用的閉式泵均為德國力士樂公司的DA泵，其優勢在于通過純液控的方式實現了泵與發動機的匹配，既能充分吸收發動機的功率又確保發動機不熄火[4，5]。

DA泵的工作原理如圖1所示。

圖1 DA泵的工作原理圖

閉式泵中內置一個齒輪泵，其作用是補充閉式系統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DA閥的節流孔進入閉式系統。DA閥的本質是定差減壓閥，工作原理如圖2所示，其出口壓力與節流孔兩端的壓差及彈簧預緊力有如下關系：

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

即：

Δp-F=pst(2)

式中，p1為節流孔的進口壓力，bar；p2為節流孔的出口壓力，bar；F為彈簧預緊力，bar；pst為DA閥出口壓力，bar；Δp為節流孔兩側的壓差，bar。

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

圖2 DA閥的工作原理示意圖

節流孔兩側的壓差與通過節流孔的流量之間的關系如下[6]：

式中，q為通過節流孔的流量，L/min；K為與介質密度及節流孔的通流面積及閥口形狀相關的常數。

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

車輛正常行駛過程中，由于左右兩側的驅動系統相同，因此僅分析一側的單泵雙馬達閉式系統回路，其油液的循環路線如圖3所示。

圖3 正常行駛狀態下閉式回路油液循環路線

從圖3可以看出，油液經高壓側向低壓側流動。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，驅動馬達轉動，馬達1的回油和馬達2的回油分別通過管路EG和管路FG經由管路GJ回流至閉式泵的進油口。系統的循環流量取決于閉式泵的輸出流量。

松油門時，發動機轉速迅速下降，瞬間回到怠速狀態，而整車由于慣性繼續向前以較快的速度運動，拖動馬達持續轉動，此時馬達變為“泵”工況，泵變為“馬達”工況，由前文可知，發動機轉速降低閉式泵的排量減小，閉式泵的流量即轉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中所示的低壓側形成回油背壓。松油門工況下閉式系統的循環油路如圖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動機超怠速運轉，此時發動機會產生“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運轉，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，則會發生輪胎抱死或倒轉現象。

圖4 松油門工況下閉式回路油液循環示意圖

進口該類型車輛采用了低速大扭矩馬達直接驅動輪胎的方案，運行過程中馬達的轉速較低，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，因此沒有在國內推廣應用。

2 后輪胎偏磨原因

同一側的前后輪胎都安裝在擺動梁上，確保車輛能自動適應路面，兩個輪胎都有足夠的附著力。擺動梁的結構如圖5所示。

圖5 擺動梁的結構

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，FN1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，整車由于慣性繼續向前運動，此時閉式系統會產生液壓制動力，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生抱死或倒轉現象。

3 閉式系統改進設計

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的越少，但是基于前面的分析論證，液壓制動力過大會產生輪胎偏磨的情況，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，對閉式系統進行了優化設計，在回路中增加相應的控制裝置，從而限制松油門過程中液壓制動力的大小。其實現原理如圖8所示。

圖8 改進后的閉式系統原理圖

如圖8所示，在回路中的高壓側和低壓側之間并聯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的壓力，因為車輛掛倒檔后，圖中前進回路低壓側變為后退回路高壓側，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的現象發生。

該裝置在車上裝機應用半年，沒有發生偏磨現象，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 語

采用了單泵雙馬達驅動方式的礦用液驅車輛，由于液壓制動力的存在導致松油門過程中會產生輪胎抱死或倒轉現象，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，因此后輪胎容易產生倒轉。通過在系統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定值時，高低壓回路連通。該裝置裝機應用半年后沒有出現輪胎偏磨情況，大大極高了輪胎的使用壽命，降低了車輛的運行成本。