修井机转向系统分析和优化.pdf

.-78-2023年第2 6 卷技术交流石油和化工设备修井机转向系统分析和优化王淑仪（中石化四机石油机械有限公司，湖北荆州4 34 0 2 4）摘要】转向系统作为修井机底盘的重要组成部分，使用过程中常出现转向沉重等问题，影响零部件寿命的同时也影响驾驶，可能会危及行车安全。本文从转向系统组成入手，对其常见问题进行原因分析并提出相应优化改进措施，希望能为提高修井机转向系统设计质量和改善使用感受提供参考。【关键词】修井机，转向系统，问题分析，优化引言由于我国大多数油田对修井设备需求越来越大，且国内发动机与变速箱等关键件国产化技术及液气电控制技术相对成熟，车载修井机一步步成为油田修井作业的主要设备。修井机作为大吨位重型特种车辆，一旦转向助力系统失效，驾驶员无法仅靠人力和机械传动完成转向，尤其是一些大型修井机，多用多轴转向。为了使转向系统不影响整车灵活性和稳定性，增加轮胎的使用寿命，提前预防和故障发生后快速消除故障是非常有必要的。1修井机转向系统的组成油田修井机底盘的转向系统多为机械转向加液压助力型式，由转向控制机构、转向传动机构和转向车轮组成；一般由驾驶员直接操作方向盘，将转向力由方向盘通过转向轴传递给转向器，借助液压助力系统，将转向动作传递给转向拉杆，再传递到桥的节臂上，带动转向轮偏转。9880000000000008000000000000003600000000000M00000001.转向器总成2.转向拉杆3.转向摇臂4.转向器支座5.液压油缸6.转向操纵机构图1.1 转向系统组成示意图图2.1 前轮转向示意图2多轴转向系统原理多轴转向系统可以在低速时与前轮逆向转向，减小转弯半径，也可以在高速时与前轮同向转向，减少侧滑和扭摆，有助于平衡车辆，增强操纵稳定性!。作者简介：王淑仪（1 9 9 5-），女，湖北荆州人，硕士，毕业于长江大学，助理工程师，研究方向：特种车底盘技术。-79-王淑仪 修井机转向系统分析和优化第8 期当前轮转向时，左右前轮的转轴中心延长线与后轮中心延长线交于一点，此点成为转向中心；外侧前轮行进的圆弧半径称为转向半径。图2.2 同向转向示意图当前轮后轮同向转向时，四个轮胎的转轴中心线交于后轮斜后方。显然，转弯半径较大，车身方向与实际行驶方向相近，当高速行驶时，更不易扭摆，稳定感更好。图2.3反向转向示意图当前轮后轮反向转向时，四个轮胎的转轴中心线交于前轮斜后方和后轮斜前方，较小的转弯半径使车辆行进更加灵活，尤以空间小时优势更加突出。多轴转向需要保证所有车轮绕一个圆心做等速回转运动，才能做到让所有车轮做纯滚动运动或者滑移距离小，尽可能避免滑动摩擦，提高轮胎的使用寿命，降低修井机使用成本。为了实现该目标，一般采用转向梯形机构，实际应用中还有诸多因素如车轮并非刚性车轮、侧偏角等导致转向梯形设计还不能完全满足转向梯形理论特性曲线（转向理论特性曲线），只能尽力使实际特性曲线和其一致 2-3。3修井机转向系统常见问题及原因分析3.1转向系统构件设计问题传递转向力和运动的转向系统构件有强度和刚度要求。尤其修井机常用的机械式液压助力转向系统，其本身特点之一就是当一轴受卡转向阻力很大时，其他轴转向油缸便通过系统构件辅助一轴车轮转向，该过程增加了系统构件的承载需求。在转向动力传递的过程中，转向拉杆受力情况相对简单，一般满足强度要求即可，而转向摇臂受力情况复杂，在多轴转向车辆中更甚，摇臂在不同部位会受到来自不同方向的力和力矩，且一旦运动副周围出现应力集中，会有断裂的风险4往往存在两种情况：一种是设计阶段未进行有限元精细化分析，计算不充分，车辆转弯至极限位置时，安全余量不足，导致摇臂断裂；一种是为了良好的驾驶体验，保证转向系统在车辆正常使用周期内不出现故障，将设计余量留得过大，转向系统构件看起来相对笨重不美观，同时也增加了制造成本。3.2转向沉重（1）机械故障油田现场多路况不佳，行驶条件恶劣，易出现零部件磨损变形、转动部分不灵活、装配松动等等状况。部分旋转部位如果未及时补充黄油导致内阻力增加，或者油道不畅通都会导致转向沉重；颠簸路况下，转向器支撑面压溃和螺栓共振会产生塑性变形导致转向器螺栓松动松动；外载可能会使螺母自动回转也会导致螺栓松动。弯曲交变载荷会使松动的螺栓表面产生裂纹，严重时会发展成螺栓断裂影响车辆安全驾驶 5 。（2）氵液压助力转向系统故障(a)设计考虑不周角传动比设置不合理、方向机输出力矩小于阻力矩和动转泵参数匹配不当均可能导致转向助力不足，直接使用感受是转向不够轻便，“路感”差间。（b）欠缺维护保养护套等部位使用受损后，密封不严，会有水或者杂志进入液压管路，油液清洁度下降，超出液压元件最低清洁度要求，影响沿路润滑性能、阻碍油道等，导致泵压力不足 7。(3)装配问题-802023年第2 6 卷技术交流石油和化工设备底盘装配时如果未完全遵循相应标准或要求时可能会导致以下问题：（a）前轮定位不准、轮胎气压不正常、液压阀和控制阀不能正常工作等会导致方向盘难以回位；（b）一侧油缸有空气、两侧轴承松紧度和胎压不一致或者液压阀未正确装配等可能会导致方向盘左右轻重不同；（c）轮胎动平衡未校正、液压系统存在空气、钢板U型螺栓未做紧固处理、传动机构和转向器之间配合间隙超标等会导致前轮摆振 8 。4优化建议4.1在保证强度的情况下，对转向摇臂进行轻量化设计。建立转向摇臂的有限元模型，模拟实际约束和载荷，考虑轮胎、悬挂系统和液压转向助力系统进行精细化求解分析，优化结构和油缸布置等，减轻构件重量，提高产品经济性 9；4.2为了螺栓良好的防松效果，适当增加拧紧力矩值，减小摩擦系数，保证紧固力大于防松所需要的夹紧力；同时可增大螺栓接触面积减小相应连接件支撑面压强或者改善连接件材质提高其屈服强度；4.3液压助力系统参数选择需要考虑实际使用情况，参考设计手册中的推荐值，设置合理的角传动比，保证转向系统的输出扭矩大于转向系统阻力矩，动转泵控制流量适当大于转向系统所需总流量，保证转向助力充足；4.4形成系统的装配手册，明确细节处装配要求，做到装配过程中有“法”可依；4.5形成故障排查维修指导手册，列举常见故障问题及对应排查项，做到有“项”可查，提高维修效率和质量；4.6形成维护与保养手册，明确需要定期检查维护保养的零部件和其维护保养周期，在故障发生之前消除问题，防患于未然，避免严重问题的发生。5结语本文结合修井机转向系统的组成和多轴转向的工作原理，对修井机转向系统常出现的故障问题进行分析并给出了相应优化措施，希望能为提高转向系统的设计质量和减少修井机实际应用过程中转向系统故障提供帮助。参考文献1高秀华，张春秋，李炎亮,等.多轮转向系统转向控制模式综述 .起重运输机械,2 0 0 6(6):4.2王彦会.多轴转向汽车转向特性研究 D.吉林大学,2 0 0 5.3黄薇.基于多轴转向的特种车辆操纵稳定性研究 D.南京理工大学,2 0 1 1.4李智强.车辆转向系统构件强度分析及结构优化 .河北科技师范学院学报,2 0 1 9,33(3):5.5李海蛟，居刚，章健国,等.某特种车转向器螺栓松动实例分析与改进 .汽车实用技术,2 0 2 1.6李海蛟，居刚，陈兴华,等.某特种车转向沉重问题分析与改进 .汽车实用技术,2 0 2 1,4 6(2 3):4.7匡西友，陈清旺,孙印青,等.某特种车转向液压系统污染物控制 .重型汽车,2 0 2 2(4):2.8姜军霞，杨维娜.汽车液压助力转向故障诊断排除研究 .专用汽车,2 0 2 2(0 0 6):0 0 0.9豆龙，刘洲.多轴工程车辆转向系统故障分析及优化设计.采矿技术,2 0 2 2,2 2(5):4.收稿日期：2 0 2 3-0 3-0 9 修回日期：2 0 2 3-0 7-1 3