礦用膠輪車濕式制動器液壓系統設計

王 淵，苗 旺

（西安科技大學 機械工程學院，陜西 西安 710054）

防爆無軌膠輪車有較強的爬坡能力、靈活快捷的轉向及操作，經常被應用在礦井下的運輸種[1]。隨著煤礦綜采能力的提升，礦用膠輪車朝著高運行速度和高運載能力的方向迅速發展，同時也給制動系統的可靠性提出更高要求[2]。傳統的制動器防爆性能不好并且維護成本較高[3]。濕式制動器的散熱性和密封性都比較好，因此使用時間更長，基本不需要維護[4]。濕式多盤制動器由美國在20世紀80年代研發，主要在煤礦中得到廣泛的應用[5]。但是我國對濕式制動系統的研究始終沒有形成統一的標準，制動器的制動性能及其液壓系統的好壞對制動系統的穩定性有著舉足輕重的作用[6]。國內對濕式制動器液壓系統的研究較少，相應的研究成果也不是很多[7-11]。為此對國內某種礦用膠輪車上的濕式制動器液壓系統進行研究。

1 礦用膠輪車濕式制動器液壓系統工作原理

濕式制動器液壓系統原理圖如圖1。系統主要由雙路制動閥，雙路充液閥，蓄能器和手柄閥組成。

液壓系統的工作原理：液壓泵給雙路充液閥提供液壓油，雙路充液閥將得到的液壓油分3路給3個不同的蓄能器充液，2個行車制動蓄能器分別為前橋和后橋制動器提供行車制動壓力，1個駐車制動蓄能器向前后橋制動器駐車制動提供能量，每個蓄能器都會獨立地給所在的回路提供壓力。進行行車制動時，前后橋制動器分別獲得各自回路上的蓄能器提供的壓力。進行駐車制動時，由于手柄閥將制動器內高壓腔體的油液釋放，制動器內的彈簧恢復形變達到制動的目的；回路中的溢流閥主要是防止回路中出現壓力過大的情況，將超壓的油液引流回油箱；假如液壓系統有故障，駐車制動會自動工作保證車輛安全。雙路制動閥使前后橋分別進行獨立工作，保證它們互不影響。因此和其他的液壓系統相比，安全系數較高。

2 關鍵元件選型

2.1 蓄能器選型

在此膠輪車的制動系統中，前后橋一共有4個制動器，前后橋分別有1個行車制動蓄能器給各自回路的2個制動器提供壓力，已知該礦用膠輪車每個制動器高壓腔的排量V1大約為V1=39 mL，所以每個蓄能器制動1次所需的液壓油量V0大約為：

圖1 液壓制動系統原理圖

此液壓系統要求在發動機停止之后仍然可以進行制動，當蓄能器作為出現故障時的動力源來計算時，1個蓄能器的油液容量大小至少為：

式中：VP1為蓄能器容量；n為熄火后制動次數，n=8次。

由式（2）得VP1=624 mL。因為在實際中的制動過程中壓力會有損失，所以在理論計算中要比實際的高一點，設定最小放液壓力為3.5 MPa。然后依照型號對照表，選擇最大容積，最后查表得出最大的容量為 2.5 L。根據各個條件，最終選 NXQA2.5/31.5-L型蓄能器，并且此蓄能器也同樣適合駐車制動。

2.2 雙路充液閥選型

在對蓄能器進行選型之后，可以對和其相配套的充液閥進行選擇，以保證蓄能器的充放液保持一定范圍內的平衡，滿足使用的需要。在前人使用的基礎上進行調研，選用MICO公司的雙路充液閥，型號為06-463-214，此雙路充液閥上限額定充液壓力為 8.3 MPa,下限額定充液壓力為 6.4 MPa，額定上限和下限的充液壓力公差為±0.35 MPa，充液速率為10 L/min。所以可以得出單個蓄能器工作時所排出的油液體積V2[6]：

式中：pC2為雙路充液閥下限額定充液壓力，選6.4 MPa；K 為熱力學常數指，K＝1.4；VP為蓄能器最大容量，L；p1為蓄能器的最低下限工作壓力，3.6 MPa；p2為最高上限工作壓力，4.6 MPa；p0為蓄能器的充氣壓力，通常為（0.8～0.9）p1，選取 p0＝3.0 MPa。

計算得出排出的油液體積V2≈707.5 mL。

當充液閥到達額定上限充液壓力，車輛發動機停止工作時，蓄能器可以實施的行車制動次數n為：

9.1次大于所選取制動次數8次，滿足開始設定的次數，蓄能器和雙路充液閥符合使用要求。

2.3 雙路制動閥選型

車輛正常行車時，制動器制動活塞不受油液的壓力，開始進行行車制動時，所受的壓力pX為：

式中：FX為制動時所受的力，N；AX為力作用面的面積，即為行車制動活塞的面積，mm2；DX1為行車制動活塞外環直徑，mm；DX2為行車制動活塞內環直徑，mm。

通過比較，選擇MICO公司的型號為06-466-234的雙路制動閥，其額定最大輸入壓力為20.68 MPa，最大額定制動壓力設定值為2.67 MPa，額定制動壓力公差為±0.35 MPa。經過計算，活塞完全打開的壓力為 2.4 MPa＜2.67 MPa，在允許的額定壓力范圍內，所以滿足設計要求。

2.4 其他元件選型

1）溢流閥選型。溢流閥的主要作用是進行穩壓溢流和安全保護，分為直動式和先導式2種，直動式反應靈敏、成本低并且調節范圍小。先導式反應靈敏度低，但是調節范圍大。經過對比調研，直動式溢流閥可以滿足本液壓系統的使用要求，并且經過對比后選擇上海維嘉液壓氣動元件有限公司的直動式溢流閥，型號為D-T02-3-30，調壓范圍在7～25 MPa之間，將溢流壓力調定為10 MPa。

2）過濾器選擇。由于系統中的各個閥件對油液的精度有著較高的要求，因此在液壓系統的出口處選取型號為OUI-E63×10P的過濾器。

3 液壓系統動態仿真分析

3.1 蓄能器充液動態性能仿真分析

對蓄能器的充液動態性能進行仿真，先將2個蓄能器充滿，然后每5 s制動1次，一共制動3次，觀察蓄能器的壓力變化。行車制動狀態下蓄能器壓力變化曲線圖如圖2。

圖2 行車制動狀態下蓄能器壓力變化曲線圖

由圖2，前后橋蓄能器的初始壓力為8.4 MPa，可以看出前2次進行制動時，每制動1次蓄能器的壓力減少約0.9 MPa，第3次制動時蓄能器的壓力減小到6.4 MPa，達到蓄能器的額定下線充液壓力，此時雙路充液閥開始對前后橋的蓄能器進行充液，從而壓力開始上升，到達初始壓力后處于穩定的狀態，并且2個蓄能器的狀態基本處于同步，說明前后橋的制動時間基本同步，從而滿足了設計要求。

3.2 行車制動過程仿真分析

在行車過程中，前后橋制動器工作時是相互獨立的，因此制動器工作時，安全起見，假如有其中1路發生故障，另1路可以正常工作，2路工作互不影響。假設在車輛行進的過程中，由于某些故障前橋的回路不能夠提供高壓油，對此工況下行車制動進行仿真分析，故障狀態下雙路制動閥出口壓力曲線如圖 3。在初始狀態下，后橋雙路制動閥的壓力最大為3.1 MPa，而前橋雙路制動閥的出口一直沒有壓力，但是車輛仍可以正常制動，由此可知，雙路制動閥的選型符合使用要求。

圖3 故障狀態下雙路制動閥出口壓力曲線

3.3 停泵行車制動次數仿真分析

由MT T989—2006《礦用防爆柴油機無軌膠輪車通用技術條件標準》可知，當汽車制動系統發生故障后，制動系統不能立刻失效，要保證還能進行至少5次上的行車制動。但是由于在實際的工作中能量會有損失，所以選8次作為發生故障后的行車制動次數。停泵后行車制動次數仿真如圖4。

圖4 停泵后行車制動次數仿真

由圖4，前后橋的蓄能器壓力在前8次制動過程中都在3 MPa以上，且蓄能器的壓力在制動時下降符合蓄能器的壓降規律，前后橋基本同步，并且在整個制動過程中，雙路制動閥的前后橋出口壓力同步，都在3 MPa附近，可以看出在停泵后至少可進行8次有效制動，固證明選型符合使用要求。

4 液壓系統試驗

4.1 充液動態性能試驗

將踏板力設置為500 N，制動時間設置為10 s，制動次數為10次，返回時間為1 s，加力速度為200 N/s。蓄能器充液動態性能試驗曲線變化趨勢圖如圖5，截取前30 s進行分析，在制動未開始之前，蓄能器的壓力為8 MPa以上，每隔1 s進行1次制動，當開始第1次行車制動時，蓄能器的壓力下降約0.9 MPa，之后蓄能器的壓降稍微變小，可能是液壓管路中有未排完的壓力，直到蓄能器的壓力減小到6.1 MPa時，蓄能器重新進行充液，因而試驗結果基本與仿真的結果基本一致，達到使用要求。

圖5 蓄能器充液動態性能曲線變化趨勢圖

4.2 行車制動過程試驗

將踏板力設置為500 N，制動時間設置為1 s，制動次數為10次，其余參數不變。對后橋行車制動過程進行試驗,后橋行車制動過程試驗曲線如圖6，此時試驗沒有前橋制動器參與，可以認為其發生故障，試驗完成之后，截取前6 s的試驗結果，可以從圖中看出，3次行車制動的壓力基本都在3 MPa左右，最大的壓力3.1 MPa，由此可以看出后橋制動器完全不受前橋制動器的影響，可以正常進行工作，試驗結果與仿真結果基本一致，達到使用的要求。

圖6 后橋行車制動過程試驗

4.3 停泵后制動次數試驗

將踏板力設置為500 N，制動時間設置為5 s，制動次數為15次，其余參數不變。停泵后制動次數試驗如圖7，截取前75 s進行觀察，蓄能器壓力最大值為8.8 MPa，一共的有效制動次數為8次，第1次制動延后的主要原因是由于液壓管路中的壓力偏低，經過蓄能器分給壓力之后，開始第1次制動，也就是說在正常情況下，可以進行8次有效制動，并且制動壓力基本都在3.1 MPa左右，證明試驗結果和仿真結果基本一致，達到使用要求。

圖7 停泵后制動次數試驗

5 結語

設計了一種適用于礦用膠輪車多功能濕式制動器的液壓系統,通過對濕式制動器的液壓系統進行選型和仿真，最后再進行試驗，并將3種結果進行對比，得出的計算分析及試驗結果雖然稍有偏差，但是都在允許的范圍之內，并且所得的壓力都在礦用安全規程所規定的范圍之內，證明設計的液壓系統選型合理。