防爆膠輪車全液壓制動系統設計研究

蔚志慧

（大同煤礦集團北辛窯煤業有限公司， 山西 忻州 036700）

引言

由于煤礦井下作業環境具有特殊性，作業中產生的可燃性氣體和煤灰粉塵隨時都可能引發爆炸事件，所以井下設備的防爆性能要求很高。膠輪車作為井下作業一種常見的運輸設備，一般用來搬運礦井產出的煤泥和煤渣、井下鋪設坑道用的水泥和石子，在礦隊完工搬家時還能運送一些小型設備，可見其使用范圍廣，使用頻率高，所以膠輪車的防爆性研究非常重要，尤其是膠輪車的制動系統更是生熱頻繁的位置，更值得進一步地開發[1]。

1 計算車輛額定載荷下制動力矩

1.1 額定載荷制動力矩

根據車輛牽引力和其他重要設計參數以及防爆型膠輪車的通用技術條件，可得知其正常的制動距離D=6.5m，車輛在額定載荷以速度v=25 km/h狀態開始實施制動，則可計算最大減速度為：

式中：t為制動延時，取 t＝0.3 s。

代入數據計算得a'=4.96m/s2。

整車所需的最大制動力矩為：

式中:G為車輛的額定載質量，G＝13 000 kg；r為驅動輪回轉半徑，r＝0.526m；δ為換算系數，δ＝1.2。

代入數據計算得M=4.07×104N·m。

1.2 額定載荷駐車制動力矩

根據礦用防爆型膠輪車的駐車制動要求，必須將車輛擺放在規定角度的斜坡上，并裝載1.5倍的額定載荷的情況下，不能產生位移。所以車輛額定載荷駐車制動力矩為：

式中：α為規定斜坡角度，α＝14°。

代入數據計算得M'=3.52×104N·m

2 制動器選型

根據膠輪車的最大運輸能力，制動器在車輛上安裝位置和安裝空間，以及國內外制動器的類別和質量，經過計算和對比，選用美國知名企業生產的CAT制動器，其安裝尺寸、駐車制動性能和行車制動性能都能夠滿足防爆型膠輪車的使用要求[2]。該制動器使用一套制動系統能同時滿足駐車制動、行車制動兩項功能，節省了安裝空間；液壓盤式制動，摩擦小、不升溫，不需要單獨散熱，結構簡單。內部結構如圖1所示。

圖1 CAT制動器內部結構圖

2.1 行車制動

行車制動是指在正常行車中減速或從行駛狀態緩慢減速制動。車輛啟動后，行駛之前的狀態為：碟簧推動活塞一向左移動壓緊光片與摩擦片，處于制動狀態；解除制動后制動油從B口進入，活塞一向右移動壓緊碟簧，使壓盤一向右移動，光片與摩擦片分開，進入制動解除狀態[3]。當車輛在行駛中減速或者到達目的地停車時，踩下制動踏板，開啟腳踏閥，制動油從A口進入推動活塞二向左移動，致使壓盤一推動光片與摩擦片接觸，再由盤座逐漸降低輸出軸轉速，就達到了減速或停車的目的。

2.2 駐車/緊急制動

利用CAT制動器，緊急制動和駐車制動可以同時使用一套制動結構來完成。其功能是車輛停止后制動，防止溜車，也可用于行駛中行車制動出現失靈現象時的應急制動。啟動這套系統使用氣閥控制，開啟氣控閥，制動油從B口迅速排出，碟簧復位推動活塞一向左移動，壓緊光片與摩擦片，再通過盤座使動力輸出軸停止轉動，而達到了緊急減速或駐車的目的[4]。

3 液壓控制系統的組成

CAT制動器采用世界最先進的制動技術，可靠耐用，制動效果好，但必須要有一套控制精準的液壓系統與之匹配才行，否則就不能把它的優點發揮出來，所以液壓系統的設計要精細，選用原件質量要高，控制操作靈活可靠[5]。

3.1 液壓控制系統的結構及原理

液壓控制系統的主要元件有腳踏控制閥、氣閥、溢流閥、蓄能器、泵、充液閥、梭閥等，液壓油循環壓力來自液壓泵，然后從充液閥壓入蓄能器。雙蓄能器中的其中一個壓力下降至11MPa以下時，充液閥自動開啟，對系統進行充液；當雙蓄能器壓力全部高于14MPa時，充液閥就全部關閉，停止充液。在充液過程中，制動壓力油從兩條油路壓入前橋回路蓄能器和后橋蓄能器，這兩條油路是獨立的，互不干涉，如果其中一條出現問題，另一條仍然能夠正常工作，從而增加了制動系統的安全性和可靠性。如圖2液壓控制原理圖所示。

3.2 元件的選取

1）腳踏控制閥的選取。腳踏控制閥是整個控制系統的起始控制點，用來控制前橋制動器和后橋制動器的工作和松懈以及動力輸出軸的扭矩輸出，主要根據整車的最大載荷能力和制動力的需求來選擇腳踏閥，使車輛制動平穩、有力。選用串聯調節、踏板操縱式全液壓動力制動閥。

圖2 液壓控制系統原理圖

2）充液閥的選取。充液閥在整個控制系統中的作用非常重要，它的功能是為蓄能器提供制動壓力油，并穩定蓄能器的壓力不超出有效范圍，同時還有給其他液壓元件供給液壓油的作用。選用的進口MICO充液閥完全符合使用要求和使用范圍。

3）蓄能器容積的選取。蓄能器的容積在液壓控制系統中是一個關鍵性的參數，容積過大導致蓄能時間過長，大大占用了行車動力功率，容量如果過小，那么制動壓力油就會很快升溫，而超出溫度使用范圍。車輛制動需要蓄能器快速排出制動壓力油，使蓄能器內的氮氣被壓或松壓時不能與周圍的空氣快速地交換熱量，此時的氮氣的壓力和體積改變過程可以按照隔絕熱量的形態來認定。所以確定蓄能器的容量時，讓車輛在熄火狀態下，踩下腳踏板進行實驗，實驗10次以上的熄火制動，確定蓄能器的容積在2 L左右。再次考慮到連接膠管存在一定的彈性因素，還有布置空間的要求，同時結合蓄能器的選用執行標準，最后選用的兩個蓄能器容積均為1.7 L。

4）液壓泵的選取。在液壓控制系統中，液壓泵只為蓄能器提供充液壓力，液壓泵的流量必須達到充液速度，而在整車液壓系統中的轉向動力和自卸動力都來源于這一個液壓泵，最后選用額定排量40mL/r、額定壓力為15MPa的柱塞式變量泵。

4 結論

將本文設計的全液壓制動系統運用在煤礦膠輪車上，運行結果顯示該系統具有良好的防爆性能。該系統選用進口MICO充液閥，蓄能器容積1.7 L，液壓泵使用的是額定排量40mL/r、額定壓力為15MPa的柱塞式變量泵，整個系統完全符合膠輪車制動系統的使用要求。