礦用救援運載車制動過程研究

王 劍

（同煤集團大斗溝煤業公司， 山西 大同 037000）

引言

煤礦救援運載車作為運載人及救援設備的主要運輸工具，其在行駛過程中，時常會根據不同的環境需求進行整車的制動，電磁制動器的制動效果影響著整車的行駛安全和設備安全運行的效率。掌握整車的制動原理以及對制動過程進行分析，并開展整車制動過程理論的研究十分必要。

1 煤礦救援運載車制動系統制動原理

在制動系統設計過程中，驅動制動器的動力源主要來自于電磁鐵的吸力作用，所設計的電磁制動器是一種最近廣泛使用的制動器模式，其工作特點表現為結構簡單易維修、制動效果良好、制動響應速度及時、制動動作控制靈活、安裝和拆卸方便等。其結構組成如圖1所示。其制動原理為：當制動控制系統發出制動操作命令時，煤礦救援運載車的電磁鐵線圈處于通電狀態，在電磁感應作用下產生電磁力，通過吸合銜鐵產生相對滑移運動，連桿在銜鐵的運動下沿水平方向進行滑移，從而推動活塞產生較大的滑移位移，帶動了活塞和制動外殼兩側安裝的剎車摩擦片，剎車片為克服彈簧阻力，對制動盤進行壓緊，利用摩擦片與制動盤的摩擦力作用，在制動盤上了產生較大的制動力矩，降低車輪的轉速，實現救援運載車的剎車制動。

2 煤礦救援運載車制動過程分析

煤礦救援運載車制動系統制動全過程的減速度變化曲線如圖2所示。圖中:ta為救援運載車制動系統的反應時間，是指救援運載車的制動系統發出制動命令后，電磁鐵通過吸附銜鐵裝置，將電磁感應產生的電能轉化為制動所需的機械能，增力機構在機械作用力下推動活塞，以此克服摩擦襯片與制動盤間隙、制動滯后、自身的自由行程等參數所需時間；tb為制動器開始制動的時間，是指摩擦片壓住制動盤后，在制動盤上產生制動力并開始制動所需的時間；tc為制動系統持續制動的時間；td為制動系統結束制動的時間。

圖1 電磁制動器的三維結構圖

圖2 救援運載車制動過程減速度變化曲線

3 制動系統制動過程受力分析

3.1 救援運載車主要參數

目前應用于煤礦的救援運載車種類較多，可實現不同工況條件下不同噸位機器人及設備的運輸。通過參考現有煤礦救援運載車主要型號規格，確定了一款煤礦救援運載車整車基本參數，如下頁表1所示。

表1 某煤礦救援運載車整車基本參數

3.2 救援運載車制動狀態時車輪與鋼軌黏著分析

救援運載車車輪在制動力作用下逐漸減速行駛，從而使車輪與輪軌之間了產生黏著式的相對接觸狀態。在黏著狀態下，由于車輪與軌道之間存在蠕滑現象，故車輪質心的前進速度大于輪周滾動速度Rω。蠕滑大小一般用無量綱的蠕滑率ζ來表示：

式中：R 為車輪半徑，m；ω 為角加速度，rad/s2；v為行駛速度，m/s。

在黏著狀態區間內，為保證車輪與輪軌之間的黏著狀態不發生接觸失效等破壞現象，需保證車輪與輪軌之間產生的切向制動力小于極限黏著力，即：

式中：P為救援運載車質量，kg；Ψ為黏著系數；g為重力加速度，N/kg。

車輪與鋼軌之間的黏著系數Ψ在不同工況下的推薦取值，如表2所示。

表2 救援運載車在不同工況下的黏著系數Ψ推薦值

3.3 救援運載車制動狀態時車輪受力分析

將車輪與軌道都視為剛體，當車輪沿傾斜軌道進行滾動時，由于車輪載荷作用，車輪在制動過程中，發生了壓縮變形。由此，得到制動系統的制動力矩方程：

式中：FTK為摩擦反力，N；JOK為車輪的轉動慣量，kg·m2；εB為制動時車輪角減速度，rad/s2；δ為移動距離，m。

車輪受力平衡方程：

式中：BTK為輪重載荷作用在鋼軌的縱向反力，N；m為救援運載車重量，kg；aB為救援運載車減速度，m/s2；PK為輪重載荷，kg；α為救援運載車所在直行鋼軌坡度，（°）。

由此得到：

3.4 救援運載車制動狀態時整車受力分析

在救援運載車制動狀態下，通過對整車進行受力分析，得到救援運載車的制動力為：

式中：BT1、BT2為左右車輪切向制動力，N；F0為運行阻力，N；Fa為慣性阻力，N；Fi為救援運載車垂直載荷的橫向分力，N；aB為救援運載車減速度，m/s2；γ為慣性系數；ω為運行阻力系數；i為軌道坡度/（°）。

4 煤礦救援運載車制動系統數學模型建立

4.1 制動減速度數學模型

結合前文公式，可得出制動減速度的數學模型，其公式如下：

4.2 制動角減速度數學模型

結合前文公式，可得出車輪制動角減速度的數學模型，其公式如下：

4.3 制動距離與制動時間數學模型

電磁制動器制動時間t主要由制動空行程時間t0和實際制動時間t1兩部分組成。同時，制動器的制動距離s主要由救援運載車的空行程距離s0和實際制動距離s1兩部分距離組成，由此得到如下公式。

式中：v0為制動前的速度，m/s；a'為制動空行程時的減速度，m/s2。

由此，得到救援運載車主要的制動參數，如表3所示。

表3 救援運載車主要制動參數

5 結論

通過建立救援運載車制動系統的數學模型，開展了不同質量條件下救援運載車制動性能的理論計算與運動分析，得出了救援運載車在該條件下的理論制動距離與制動時間。駕駛員可參考此參數進行剎車制動，并可結合制動距離和時間差，對整車制動進行性能調節。該研究成果可以為企業生產出高品質電磁制動器產品提供理論支撐，對提高煤礦救援運載車制動系統的制動效果、增加整車行駛安全性具有重要意義。