李永安

(中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西太原 030006)

车辆动力转向系统一般都采用随动系统。液压随动系统具有质量轻、结构紧凑、工作宁静及对地面能起缓冲作用、动作迅速、启动平稳等优点而应用广泛［1］。无论是液压助力转向还是全液压转向，其基本原理都是保证方向盘旋转给定一个转向信号，转向油缸 (或转向轮)随动一个输出量，信号消失，转向结束。运煤车受井下巷道尺寸因素的影响，要求转向系统反应灵敏，且驾驶操作空间小，要求司机完成车辆转向动作幅度小。由于井下工况恶劣且有防爆要求，制约了电控或电液控制转向方案在矿用车辆上的应用。因此，在借鉴现有同类车辆转向系统技术特点的基础上，自行设计了一套机液伺服转向系统。

1 运煤车机液伺服转向系统的原理

图1为机液伺服系统的原理图，当司机操作手柄2绕销轴Ⅰ顺时针旋转θr角度时，在连杆7的带动下，转向控制阀阀芯位移Xr，此时输出流量Q，转向油缸输出位移Xp;由于软轴的作用，油缸活塞杆带动反馈块4绕销轴逆时针旋转θi，此时，由于销轴Ⅰ与反馈块4相对固定，则转向手柄也绕销轴Ⅰ逆时针旋转θi。此时阀芯位移为Xf;当Xf和Xr两者相互抵消为0时，控制阀关闭，一个转向随动过程结束。要想改变轮胎转向角度，只有重新扳动转向手柄。

图1 机液伺服反馈控制系统原理图

根据转向系统的组成和原理，可以绘制机液伺服转向系统工作原理方框图，见图2。

图2 机液伺服转向系统工作原理方框图

2 运煤车机液伺服转向系统数学模型的建立

图3为机液伺服机构运动的几何关系图。为了便于理解，认为手动手柄θr角度后，阀芯位移量为Xr，而由于惯性、管路等因素，油缸活塞不能马上动作，经过一瞬间后，输入点即操作手柄不动了，活塞开始运动，活塞的运动通过反馈机构又使阀芯反向移动而使阀口关小，某一时刻，当油缸位移Xp时，阀芯反向位移量Xf，阀芯绝对位移量为

图3 机构运动几何关系图

根据图3，在机液伺服机构中，方向控制阀阀芯9、连杆7和转向手柄2组成一个三连杆机构，所以阀芯位移Xr和手柄转角θr为非线性关系，但由于阀芯位移较小，阀芯位移可以近似等效看成销轴6质点的位移，则阀芯输入位移

当油缸位移Xp时，反馈块逆时针转动θi，阀芯反向位移Xf

由于摆动角度小，可近似认为L4=L1+L2，且θi=Xp/L3，根据式 (3)

根据式 (1)、式 (2)和式 (4)，阀芯绝对位移

图4 转向油缸液压连接原理图

为了简化图面，图1中只出现了一个非对称转向油缸，实际车辆转向系统中有两个转向油缸，分别位于车体两侧，液压连接方式如图4所示。正是基于此种连接方式，所以两个非对称油缸可以等效成一个新的对称油缸，所以该系统的阀控液压缸数学模型可以按阀控对称油缸处理。由于阀控液压缸传递函数推导较为繁琐，且阀控对称液压缸数学模型已经十分完善［2－3］，由文献 ［4－5］ 可知，油缸位移Xp对输入指令Xv的传递函数为:

根据式(1)—(6)可以绘出系统的方块图，见图5。

图5 机液伺服统的方块图

令G(s)为前向通道传递函数，H(s)为反馈通道传递函数，由图5所示方块图可得系统开环传递函数:

式中:Kv为开环放大系数 (也称速度放大系数)，Kv=(L1+L2)Kq/ApL3;ωh为液压系统固有频率;ζh为液压系统阻尼比。

其中:βe为油液体积弹性模量，可查资料获得;Ap、Vt、mt分别为两个转向油缸的等效活塞面积、等效总压缩容积、等效折算到活塞上的总质量。当转向油缸设计完成后Ap、Vt、mt就可以确定，所以ωh可以求得。

转向阀的流量增益系数kq可通过产品样本获得。

液压阻尼比ζh一般介于0.1～0.2之间，Kv＜(0.2 ～0.4) ωh［4－5］。综合考虑液压阻尼比 ζh、开环放大系数Kv、连杆机构空间尺寸以及控制系统的稳定性要求等因素可以确定L1、L2、L3的值，完成设计。

3 结论

设计了一种机液伺服液压转向系统，具有结构简单、工作可靠、易于维护等优点，对井下恶劣的工况具有很好的适应性。建立该伺服系统的数学模型和传递函数，为进一步分析系统相关参数对转向系统性能的影响以及系统的优化设计提供理论指导。

［1］同济大学.工程机械地盘构造与设计［M］.北京:中国建筑工业出版社，1980.

［2］王占林.近代液压控制［M］.北京:机械工业出版社，1997.

［3］蒙争争.四通阀控非对称液压缸传递函数的分析和建立［J］.合肥学院学报:自然科学版，2006，16(2):23 －27.

［4］王春行，徐渌.液压控制系统［M］.北京:机械工业出版社，1998.

［5］李洪人.液压控制系统［M］.北京:国防工业出版社，1990.