渣罐车转向系统设计_李福生.pdf

Total No 280December 2022冶金设备METALLURGICAL EQUIPMENT总第 280 期2022 年 12 月第 6 期渣罐车转向系统设计李福生(1:中冶宝钢技术服务有限公司上海 200941;2:重机研究所上海 200941)摘要介绍渣罐车几种典型的转向机构，对比分析了铰接式转向机构各自组成及特点。针对流量放大阀，转向器等转向系统核心元件，重点分析其在全液压流量放大转向系统中的具体工作原理。依据系统设计要求，归纳转向系统匹配参数的重要计算方法与要点，据此进一步提出转向系统一般性能评价指标。最后总结实践经验及应用现状，指出当前应用之不足，并展望未来转向技术发展之方向。关键词渣罐车转向系统设计应用中图法分类号TF086文献标识码BDoi:10.3969/j.issn.1001 1269.2022.06.015Design of Slag Pot Carrier Steering SystemLi Fusheng(1:MCC Baosteel Technology Service Co，Ltd，Shanghai 200941;2:Heavy Machinery Research Institute，Shanghai 200941)ABSTRACTSeveral typical steering mechanisms for Slag Pot Carrier are introduced，and the respectivecomponents and characteristics of articulated steering mechanisms are compared and analyzed Aiming at the corecomponents of the steering system such as the flow amplifying valve and the steering gear，the specific workingprinciple of the full hydraulic flow amplifying steering system is analyzedAccording to the system designrequirements，the important calculation methods and key points of steering system matching parameters aresummarized，and the general performance evaluation index of steering system is further proposed accordinglyFinally，summarize the practical experience and application status，point out the shortcomings of the currentapplication，and look forward to the direction of future technology developmentKEYWORDSSlag pot carrierSteering systemDesignApplication1前言20 世纪 90 年代，国内出现了轮胎式渣罐车(又称抱罐车、渣包车)。作为典型的冶金物流工程车辆，轮胎式渣罐车是冶金企业渣处理工艺中的关键运输设备，能够实现从地坪、台车或地坪以下自行装卸渣罐、倾翻罐、载运等功能。从整车机械结构上分类，渣罐车大致可分为:第一类是以日本公司为代表的整体式渣罐车，第二类是以德国公司为代表的 P 型渣罐车，第三类是以美国公司为代表的 U 型渣罐车1。第一类的转向机构为偏转轮式转向。且基于汽车整体式底盘而开发，多用于小吨位。这种类型的转向特点是借助转向梯形来满足阿克曼定理，较容易形成相对稳定的转向中心，可使轮胎在转向过程中处于纯滚动状态，转向阻力小、轮胎使用寿命长。后两种类型的转向机构均属铰接式转向，主要适用于大中型吨位渣罐车。这种类型的转向特点是不需要转向梯形，其前后桥轴线在水平面内的交汇点就是转向86作者简介:李福生，男，1979 年生，工程师，邮箱:lifsh6300163 com中心，转向机构相对简单。多年来基于这种分体式车架的全液压转向技术，相对集中论述的公开文献不多，而针对冶金物流特种车辆的转向技术文献就更少。故此，对全液压转向技术在冶金物流工程车辆上的具体设计与应用，尝试阶段的总结与梳理，以期为业内技术上的快速更迭与升级提供有益参考。2典型转向机构随着冶金物流工程车辆技术的发展和特殊工况要求，其转向机构也随之多样化。渣罐车按照车架结构可分为整体式、拖拉式、铰接式。目前30t 往下的小吨位车辆转向多以偏转车轮转向机构为主，30t 120t 大中型车辆多以铰接式车架转向为主。其中铰接式转向渣罐车一般由前车架、中间铰接式转向机构和后车架三部分组成，中间铰接式转向机构常见也有两种典型形式，一种是带四连杆的鹅颈转向机构，如图 1 所示。总体上由前鹅颈和后鹅颈两部分组成，并通过中间立销轴相连。前鹅颈与前车架由卧销相连，且能作一定角度的左右摆动。后鹅颈与后车架焊接成为一体，通过转向油缸使前、后车架围绕中间立销轴2，来完成改变或恢复车辆的行驶方向。该转向机构的特点在于不再需要转向梯形机构和转向驱动桥，且能实现折腰转向，转向扭矩变化小，转向平稳。另一种就是转盘铰接式转向机构，如图2 所示。其由左右转向油缸 1、回转支撑座 2、球式回转支撑 3、油缸前后支座等组成。前车架通过卧销与回转支撑座连接，同理也应确保前车架能作一定角度的左右摆动(一般在 10)，而回转支撑座通过螺栓与回转支撑的内座圈固定，并与前车架一起形成可整体回转的主体部分。后车架通过螺栓与回转支撑的外座圈固定，从而在对称油缸的推拉作用下实现前车架的左右转向动作。当然转向油缸既可以安装在回转支撑的内圈里，也可以根据设计需要安装在外圈(图 2 所示结构为安装在内圈)。此种结构转向力矩变化较大，因此转向过程的平稳性会受此一定影响。不过转盘式转向机构，转向惯性质量较小，转向灵活，多用于中小吨位的 P 型渣罐车。当然，相对整体车架用的偏转车轮转向，用于分体式车架的铰接式转向也有自身固有的缺点，如图 3 所示，铰接式转向机构缺少转向轮定位，直线行驶的稳定性差，当外力不平衡时，车辆有跑偏的可能。另一个就是因受限于车架结构特点，前后桥与转向铰接中心距 L1 L2，故 R1 R2，所以转向时承重桥车轮难以做到纯滚动，故一般磨损也较快3，运输数月即须更换。图 1鹅颈式转向机构图 2转盘式转向机构图 3铰接转向几何示意图96李福生:渣罐车转向系统设计2022 年 12 月第 6 期3典型转向液压系统以渣罐车为代表的冶金物流工程车辆的转向系统一般多为节能型的负荷传感流量放大液压转向系统，该系统主要由双转向油缸 1、流量放大阀2、转向限位阀 3、换向阀 4、应急动力单元 5、梭阀6、前后转向器 7、负载敏感泵 8 等组成，对应原理图如图 4 所示。图 4全液压转向系统原理图 5OSQ 全液压转向流量放大阀图 6OSPB 转向器31流量放大阀部分其中流量放大阀 2 一般以丹佛斯 OSQ 型(相当国产 LF 型流量放大阀)全液压转向流量放大阀为典型代表，内部具体原理组成如图 5 所示。其主要由缓冲阀 1、补油阀 2、液控比例主换向阀3、压力补偿单元 4、优先阀 5、LS 溢流阀 6、背压阀7 等组成。其中压力补偿单元 4 是对来自优先阀5 及转向器 L(或 R)两路流量的独立压力补偿，保证各路流量经过比例换向阀 3 时，建立起与转向负载无关的的比例流量控制。值得注意的是，该补偿阀常态位是关闭的，仅当有来自转向器的压力油时，并达到一定值克服补偿阀阀芯阀套弹簧时，才能导通。故转向器反馈的 LS 压力始终是大于一定值的正压力，保证负载敏感泵始终工作在有效变排的线性控制中。32转向器部分转向系统中的转向器 7 以 OSPB(相当国产BZZ E 系列)型转向器为典型代表，标准原理图如图6 所示(图4 为简化形式)。这种液压转向器具有操作轻便、转向灵活和安装布置方便等诸多优点，目前在工程机械上应用也较为广泛。其主要由阀芯、阀套、传动轴、补油阀、流量计量器、销轴、中位弹簧等组成。该转向器实质是以转阀与计量马达通过建立内在的机械反馈组成的组合阀体。其计量马达输出轴通过销轴与阀套连接，实现机械伺服反馈功能。也即当方向盘通过花键轴转动阀芯，实现一定角度的转阀开度面积，其输出的流量通过计量马达后，马达输出轴通过拨销拨动阀芯向相同方向转动，由于阀芯上的孔径大于拨销的直径，因而阀芯与阀套可相对转动约 8角左右。故可转动到将阀套与阀芯之间的相对转角消除为止。因此，只有不断转动方向盘，才能使阀芯、阀套一直处于转向开启的状态，方向盘的转角越大，转向轮偏转角也随之增大。其中的优先阀5 本质上定差减压阀，通过转向器反馈的 LS 压力，来保证转向优先，并仅受转向器的压力信号控制，当转向器回中后，其 LS 压力信号将与转向器T 口连通，瞬间卸荷，并阻止 HP 端进口流量。于此同时，由于转向器的输出流量为零，主换向比例阀 3 也由于其 L 端或 R 端先导流量的消失，而在阀芯复位弹簧的作用下回到中位。而转向系统中的应急动力单元及其方向阀等主要用于应急转向，当发动机或主泵损坏，可独立启动电控动力单元，满足短时间的拖车转向等应急操作。相关文献显示，该转向系统是基于转向器的机械内反馈的液压转向系统，流量放大阀的输出流量与转向器的输出流量的平方成正比4 5，建立的方框图控制原理如图 7 所示。4匹配与计算流量放大阀的流量与倍率，泵、方向器的排量等基本参数的选择是需要进行专门匹配计算的，072022 年 12 月第 6 期总第 280 期冶金设备以期达到经济、高效及合适的设计要求，并最大限度的提高性能价格比。针对油缸参数的确定，应根据转向阻力矩、系统压力等级、单侧最大转弯角度，铰接式转向几何结构等参数确定其油缸缸径 D、杆径 d 及转向有效行程 L，其中转向阻力矩具体可参考适用于铰接式转向系原地转向阻力矩计算公式:T=KG1fL2/4+r槡2;图 7机械内反馈液压转向方框原理图其中综合阻力系数 f=0.1 0.15，G1为前桥载荷(kN)，L 为前轮轮距(m)，r 为前桥轮轴线至铰接点的距离(m)5。当然车辆实际转向阻力矩的影响因素除以上参数外，还与与轮胎的气压、花纹，路面材质及其实际地面坡度变化，包括转向机构效率，转向角度，转速等诸多因素有关，故理论与实际难免存在偏差，针对具体车型配置，可根据调试测试的记录数据做适当系数修正。其它主要参数计算方法与步骤现归纳如下:1)确定极限转向油缸体积变化 V，如图 1 所示，其中 L=L1 L2，计算如式(1)。2)确定泵最大流量 Qb:对于渣罐车，考虑成本及安装空间，一般主泵排量优先考虑工作液压系统需求来定，做转向系统油源的适用性仅作校核，设主泵排量 qb，原地转向泵转速为 n，此转速应为发动机额定转速，计算如式(2)。3)确定依据泵能力的最少转向圈数 Nb，一般方向盘转速 nf:60r/min 40r/min 为宜。计算如式(3)。4)确定阀流量 Qf，一般规定方向盘单侧转角:2.5r 3r，计算如式(4)。5)确定依据阀能力的最少转向圈数 Nf，设转向器排量 qf，流量阀倍率为 k，计算如式(5)。6)转向传动比 i，设 为单侧最大转向角。其中 N=maxNbNf，渣罐车的实际转向传动比，计算如式(6)。V=0.785 (2D2 d2)L/1000(1)Qb=qb n/1000(2)Nb=3600V/Qb/nf(3)Qf=60kqfnf/1000(4)Nf=1000V/(kqf)(5)i=360N/(/180)(6)以上参数单位规定:长度单位 mm，体积单位L，流量单位 L/min，排量单位 cc/r，时间单位 s，转速单位 r/min。角速度单位 rad/s。若阀流量过大，应调小倍率 k 或降低转向器排量 qf以达到理想匹配效果。若阀配理论计算流量提前饱和，则部分泵流量或功率就没有充分发挥，若有必要，应进一步提高倍率或转向器排量。5转向性能指标车辆的转向性能是衡量车辆总体性能的一个重要指标，车辆的转向性能越好，则其工作效率越高，运行过程中的安全性和稳定性越好6。其中转向系统类型的选择和设计决定了其转向特性，一般转向系统的评价目标:主要包含转向操纵的稳定性、安全性及舒适性。转向行驶实验可分为原地转向及行驶转向，空载转向及满载转向，快速转向及慢速转向、平路转向及坡路转向等不同调试工况7。其中平路原地快速转向是评价转向设计参数的标准工况。对应调试参数将作为评价转向性能优劣的主要指标，具体可包括极限单侧转向角，极限转向圈数 N，转向传动比 i，转向压力P、方向盘转向力 F 等，实践表明，一般渣罐车的 值在 75，N 值在 6 7 之间;i 值渣罐车约 12 15(铁水运输车约 16 20)。原地转向压力 8MPa12MPa，行驶转向约为 4MPa 6MPa。方向盘转向操纵力 F 一般为12N 20N，根据不同的吨位及机型对应参数有一定浮动。除此之外，涉及安全的空载高速急转弯时的整车稳定性也是重要的指17李福生:渣罐车转向系统设计2022 年 12 月第 6 期标之一。另过于明显的转向响应滞后，也是应设法避免的8。6应用故障及处理实践表明，转向系统的故障多以转向沉重的外在表现形式出现，但问题的本质却又各有千秋。总结起来主要有:(1)转向泵损坏，泵流量及其压力异常所致。此时必须做更换处理;(2)LS 反馈压力损失相对偏大，泵流量受限，导致转向流量偏低，此时可适当调高 Ls 的待命压力。(3)流量放大阀 Ls 溢流阀压力设定出现松弛，可重新设定。(4)转向器内泄及卡滞所致，此时须清洗或替换方向器。(5)转向限位等控制线路异常，如流量放大阀先导压力出现异常，此时应检查控制线路及其电磁阀等。(6)为保持转向阀、流量放大阀等的良好的工作状态，必须定期更换液压油，减少卡滞等异常情况的发生。除此之外，转向器自身效率、转向桥轮胎上的载荷、轮胎气压、轮胎力学特性、地面附着条件、转向盘转动惯量等都对转向操作力及其力矩产生一定的影响。总之，在排除转向沉重故障时，不能盲目更替元件，首先可从外表检视着手，按照由简单到复杂的排查思虑，认真分析，逐一排查。当然故障也可能是诸多因素导致的，故 应 作 全 面 检 查，诊 断，做 到 逐 个排除9 11。7应用现状与不足车辆转向系统发展，大致有传统的纯机械转向，液压动力转向(简称 HPS)，电控液压转向(简称 EHPS)，再到电动助力转向(简称 EPS)，包括当下热点的线控转向(简称 SBW)，各有特点及应用范围。经过多年的磨合，如今全液压转向技术在渣罐车、铁水车等大型冶金工程车辆上的应用也趋于成熟。迫于智能化，无人化的产业升级需要，电控液压转向系统也开始步入试用与推广阶段。不过当前应用的转向技术也存在一定的局限与不足，归纳起来主要有如下几点:(1)基于液压负荷传感技术的转向系统，响应皆稍有一定的滞后感，现多采用动态反馈式优先阀，缩短反馈管路，对此也有人提出采用定变量系统切换技术措施来改善这一不足12。(2)相对车轮偏转式转向，铰接式车架转向结构，因惯性质量大，转向启停负载激烈，冲击明显，一般通过安装双向缓冲阀，尽量缩小转向过程中转向矩的变化，或进行转向车架轻量化减重，或适度降低转向灵敏度等措施来缓解。对此也有人针对变量泵提出通过外控式溢流阀复制急剧变化的负载压力后再传递给柱塞泵的方案，来减缓系统因泵源因素的冲击影响13。(3)市场尚欠开发适应高压系统油源的方向器及流量放大阀等核心元件，若与高压系统共用油源时，不得不外加采取压力隔离措施，另适用于阻燃等特殊介质的转向核心元件，也相对欠缺，也使得该转向技术的应用受限。(4)使用传统的电机泵的应急转向，电动马达使用整车的蓄电池来驱动，蓄电池容量有限，应急转向持续性差14，另限于电机泵排量，实际转向速度较慢，操作比较吃力，目前一般选择大容积蓄能器储能加以改善。(5)近年来，随着 EHPS 技术的成熟，在助力遥控及智能化技术方面体现了明显的技术优势。此也为通过常规电液控制多路阀来实现对车辆转向的控制提供了市场空间。转向用的多路阀有手动操纵和先导阀控制两种形式。如果驾驶室的空间不允许布置方向盘转向机构，也可以选用多路阀转向15 16。但从目前市场来看，因经济性、安全型、可靠性等方面的限制，遥控转向或无人化转向技术完全替代当前人工液压转向在冶金物流大型工程车辆上还需时日。不过随着控制技术、信息技术和微电子技术的发展推广，冶金物流工程车辆的转向技术也必将向无人化、智能化、并基于低碳环保、更加安全可靠的方向发展。8结论综上所述，围绕渣罐车全液压转向技术，从其机械结构，系统原理，选型计算，调试性能，现状及发展等几方面，逐一加以论述与总结，以期对冶金物流工程车辆转向技术的设计、研发或应用提供有益参考。参考文献 1 李利民，蔡安江 轮胎式渣罐车发展现状与趋势分析 J 机电信息，2017(24):124 125 2 柯友金 铰接式渣罐车转向系统设计 J 湖北工业大学学报，2014(08):32 36 3 徐成东 轮胎式工程机械转向系统J 一重技术，2021(06):34 36 4 田晋跃，贾会星 大型工程机械全液压转向流量放大阀的技术特点分析J 中国工程机械学报，2006(01):43 46(转 9 页)272022 年 12 月第 6 期总第 280 期冶金设备 2 徐兆俊，郑忠，高小强 炼钢连铸生产调度的优先级策略混合遗传算法 J 控制与决策，2016，31(08):13941400 3 Peng K K，Pan Q K，Zhang B An improved artificial beecolony algorithm for steelmaking refining continuouscasting scheduling problem J Chinese Journal ofChemical Engineering，2018，26(8):1727 1735 4Li J Q，Pan Q K，Mao K A hybrid fruit fly optimizationalgorithm for the realistic hybrid flowshop reschedulingproblem in steelmaking systems J IEEE 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