陈庆贺

1中国煤炭科工集团太原研究院有限公司 山西太原 030006

2山西天地煤机装备有限公司 山西太原 030006

矿山井下物料运输车辆多采用前、后车体铰接联接，前轮和后轮分别支撑前、后车体，车体左右两侧分别有一根转向液压缸连接；前轮转向的同时，在转向液压缸的推动下，后轮带动后车体绕铰接点转向。此结构较为简单，易于实现；缺点为后轮轮胎磨损严重，车辆整体尺寸较长，转弯半径大，仅适于在井下主巷道运行。

矿用梭车是一种往复穿梭在井下采掘巷道内的运输车辆，主要功能是将掘锚一体机或连续采煤机截割并收集的矿物转运至给料破碎机或带式输送机处，完成物料的转运[1-2]。矿山井下采掘巷道狭窄、巷道间转弯抹角小，在满足单程运输量的前提下，矿用梭车需具备结构紧凑、转弯半径小等特点。梯形转向机构多应用于汽车领域，可减少轮胎磨损，实现全轮转向，故将梯形转向机构应用于矿用梭车，并对其转向性能进行了分析、验证。

1 梯形转向机构组成及工作原理

根据矿用梭车车体排布，将梯形转向机构设计为一种反对称式空间四连杆结构的四轮同步全轮转向机构，如图1 所示。梯形转向机构主要由上转向臂、同步轴、转向块、转向液压缸、横拉杆、纵拉杆、下转向臂等组成。上、下转向臂与轮边减速器通过螺栓连接固定，轮胎固定在轮边减速器上，轮边减速器转动轮胎转向，各轮胎与地面视为铰接，同步轴及转向块通过花键连接固定。横拉杆 7 分别与下转向臂Ⅰ9 和下转向臂Ⅱ6 铰接，横拉杆 7、下转向臂Ⅰ9 和轮边减速器Ⅰ10、下转向臂Ⅱ6 和轮边减速器Ⅱ2、地面组成了一个梯形机构。纵拉杆 8 分别与上转向臂 1 和转向块 4 铰接，纵拉杆、同步轴、转向块、上转向臂及轮边减速器构成了空间四连杆结构。

图1 梯形转向机构Fig.1 Trapezoidal steering mechanism

当转向液压缸 5 伸出时，另一转向液压缸回缩，同步轴 3 及转向块 4 顺时针转动，纵拉杆 8 牵动上转向臂 1 向同步轴 3 及转向块 4 位置方向运动，同时反对称位置的纵拉杆推动上转向臂，向远离同步轴及转向块位置的方向运动；由于上转向臂 1、下转向臂Ⅰ9 均固定于轮边减速器Ⅰ10 上，故上转向臂 1 的运动同步驱动下转向臂Ⅰ9 一起移动；通过横拉杆 7 的力学传递，下转向臂Ⅱ6 转动驱动轮边加速器Ⅱ2 作同方向运动，从而完成了车辆一个方向的转向。同理，转向液压缸 5 回缩，另一转向液压缸伸出，车辆可完成另一方向的转向。

2 梯形转向机构设计要素

依据 Ackermann 转向理论，车辆转向时，为了减少轮胎磨损及行驶阻力，各车轮应垂直于地面，且所有车轮的中轴线延长线须交于一点，如图2 所示，从而实现车辆在转向时车轮均处于纯滚动状态[3]，内外侧车轮的转向角度须满足以下关系。

图2 四轮转向车辆的 Ackermann 转向理论Fig.2 Ackermann steering theory of four-wheel steering vehicle

式中：α为外侧轮胎转向角度，α=14.6°；β为内侧轮胎转向角度，β=24.5°；B为回转销中心距，B=2.8 m；L为轮距的一半，L=1.7 m。

2.1 同侧车体两车轮转向角度绝对值差

车辆转弯过程中，车体会受到一个由回转中心向外的离心力，轮胎与地面的侧向摩擦力与之平衡。由汽车动力学理论可知轮胎具有侧偏性，转向时轮胎所受侧向力的作用点不在轮胎中轴线上，而是偏后于车辆行驶方向。车轮受到了回转力矩，具体表现为：前轮转向不足，后轮转向过度[4]，如图3 所示。O1为内侧轮胎理论回转中心；O2为外侧轮胎理论回转中心；O0为车辆实际回转中心；θ1、θ2分别为内、外侧轮胎的强制侧偏角。

图3 四轮转向车辆轮胎强制侧偏角Fig.3 Forced sideslip angle of tire for four-wheel steering vehicle

车辆转弯时，同侧车体前后车轮实际转向角度均有差异，导致一个车轮滚动，另一个车轮出现滚动+滑移现象，加剧轮胎磨损。所以在车辆转向时，应确保同侧车体两车轮中轴线交于一点，即同侧车体两车轮转向角度的绝对值应尽量小，从而减小轮胎磨损，提高矿用梭车的适用性。

2.2 Ackermann 转角校正率

若车辆同轴内外侧车轮转向角度完全依照 Ackermann 转向原理设计，则车辆转弯半径较大，适用性差。另外，轮胎磨损速率与轮胎强制侧偏角的平方至四次方成正比关系，具体取决于轮胎强度、地面状况、车轮定位参数等因素[5]。所以需对 Ackermann 转角进行适当校正，控制各轮胎强制侧偏角不宜过大，且趋于一致，保证各轮胎磨损速率趋于相同。美国米其林公司应用汽车操纵模拟软件得出 Ackermann 转角校正率为 73%～93% 时[5]，车辆内外车轮强制侧偏角趋于一致，轮胎磨损最小。Ackermann 转角校正率

式中：θ内为内侧轮胎实际转角，(°)；θ外为外侧轮胎实际转角，(°)；θ外理论为外侧轮胎理论转角，(°)。

3 转向分析与实际对比

按设计参数建立梯形转向机构仿真模型，如图4 所示。设定同步轴及转向块为固定副，上转向臂、下转向臂分别与轮胎为固定副，横拉杆、纵拉杆分别与各转向臂间为球铰接副，转向液压缸与转向块间为圆柱副，根据液压系统参数计算，并给定转向液压缸对转向块的驱动力，然后进行仿真分析。

图4 梯形转向机构仿真模型Fig.4 Simulation model of trapezoidal steering mechanism

应用仿真分析软件，设置运动时间及步数，解算得到随转向液压缸行程变化各车轮的理论偏转角度。车轮转角的仿真分析曲线如图5 所示。横坐标为 2 个转向液压缸在一个转向周期内的行程，纵坐标为 4 个车轮在一个转向周期内的转向角度。以图5 中间位置曲线交点为原点，将平面曲线分为 4 个部分，以左上方区域为第一象限，按照逆时针方向旋转，依次为第二象限、第三象限和第四象限。在第一象限、第三象限，实线为内侧前轮转向角度、虚线代表外侧前轮转向角度；在第二象限和第四象限，实线为内侧后轮转向角度、虚线为外侧后轮转向角度；区间原点代表2 个转向液压缸行程相同、4 个车轮处于平行状态，车轮转角最大时，车辆的转弯半径最小。由图5 可以看出，曲线基本对称，同侧车轮转角绝对值趋于相同，转角变化平滑均匀、无突变，符合梯形转向机构设计要求。

图5 车轮转角仿真分析Fig.5 Simulation analysis of wheel angle

经过对矿用梭车左前车轮转角实际应用测试，得出理论分析转角与实际测试转角对比曲线，如图6 所示。由图6 可以看出，实际测试转角变化曲线与理论分析转角变化曲线基本重合，说明 Ackermann 转角校正率合理，车轮滑移量小，在保证转弯半径的前提下，可有效减少车轮磨损和行驶阻力；由于轮胎具有侧偏特性，转弯过程中存在转向过度现象，导致车轮在最大转角处实际测试转角较理论分析转角大 1.5°。聚氨酯填充轮胎不仅可以增强轮胎的耐磨性，而且可以提高轮胎的侧偏刚度。

图6 车轮理论转角与实际转角对比曲线Fig.6 Comparison curve between theoretical and actual wheel rotation angles

4 结语

将梯形转向机构引入并应用于矿用梭车，同时对其转向性能进行仿真分析及验证，通过掌握其结构要点、设计要素并进行合理应用，解决了矿用梭车全轮转向及轮胎寿命问题。目前该矿用梭车在国内陕煤集团、榆神集团、国能集团及老挝钾岩矿等均有实际应用，运煤效率有了较大提升，整车寿命长、运行稳定可靠、性价比较高。梯形转向机构的成功应用，对我国矿山井下运输车辆转向技术发展具有一定的推进作用。