礦用電機車制動特性的研究

王金寶

（西山煤電西銘礦運輸科二隊， 山西 太原 030052）

引言

隨著我國采煤技術(shù)的進步和綜采設(shè)備自動化水平的提升，工作面的采煤效率已經(jīng)得到顯著的提升。為此，需要能力相匹配的運輸系統(tǒng)，這對綜采工作面運輸設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性及運輸能力提出了更高的要求，尤其是對其可靠性中制動性能提出了更高的要求。根據(jù)《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，要求運輸物料時其制動距離不能超過40 m；而運輸人員時其制動距離不能超過20 m[1]。但是，由于我國電機車制動技術(shù)相對落后，為了確保運輸?shù)陌踩裕Ｏ拗戚d重量和運輸速度，導致無法充分發(fā)揮電機車的運輸能力。因此，本文旨在對礦用電機車的制動系統(tǒng)的制動特性進行研究。

1 傳統(tǒng)制動系統(tǒng)的分析

經(jīng)研究可知，目前工作面電機車的制動是依據(jù)機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的，主要以閘瓦制動裝置為主。機械制動裝置具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢，但是其在應用中常出現(xiàn)制動不徹底、制動不及時的問題，嚴重威脅著電機車的安全運行。

為進一步提升電機車的制動性能，擬采用機械制動與氣動制動形式相結(jié)合的綜合制動手段，確保其在緊急制動時會加劇閘瓦與車輪踏面之間的摩擦，但使其使用壽命大打折扣[2]。后來，隨著變頻技術(shù)在電機車制動系統(tǒng)中應用可取得不錯的制動效果，但其成本較高。

綜上所述，設(shè)計一款氣動制動系統(tǒng)是電機車制動系統(tǒng)的發(fā)展方向。

2 氣動制動系統(tǒng)的設(shè)計

文中所涉及到的氣動制動系統(tǒng)的應用對象為某型電機車。該電機車的主要參數(shù)如表1 所示。

目前，應用于礦用電機車氣動制動系統(tǒng)的方式包括有單回路和雙回路。經(jīng)分析可知，單回路氣動制動系統(tǒng)管路結(jié)構(gòu)簡單，僅需極小的安裝控制；而對于雙回路氣動制動系統(tǒng)而言，其管路結(jié)構(gòu)相對復雜，但其具有較高的可靠性。對于電機車制動系統(tǒng)而言，管路復雜導致維修困難。

綜合分析礦用電機車單回路氣動制動系統(tǒng)和雙回路氣動制動系統(tǒng)的優(yōu)劣，決定采用單回路氣動制動系統(tǒng)，并具體確定電機車采用氣動蹄式制動系統(tǒng)。根據(jù)實際生產(chǎn)需求，系統(tǒng)中儲氣罐壓力的上限值為0.75 MPa，下限值為0.5 MPa。氣動蹄式制動系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)如表2 所示。

表1 電機車主要參數(shù)

表2 氣動蹄式制動系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)

3 影響氣動制動系統(tǒng)參數(shù)的分析

為準確掌握所設(shè)計的氣動蹄式制動系統(tǒng)的制動性能，基于Simulink 軟件搭建仿真模型，并對各類參數(shù)對系統(tǒng)制動性能的影響進行仿真分析[3]。

本章節(jié)主要對系統(tǒng)內(nèi)儲氣罐的氣罐壓力、閥口面積等氣動元件參數(shù)對制動性能的影響進行仿真分析。

根據(jù)實際生產(chǎn)需求所設(shè)定儲氣罐的上限壓力為0.75 MPa，下限壓力為0.5 MPa，對氣罐壓力為0.3 MPa、0.5 MPa 以及0.7 MPa 下制動器的輸出制動力進行仿真分析，仿真結(jié)果如圖1 所示。

圖1 不同氣罐壓力下制動器輸出制動力矩曲線

如圖1 所示，隨著氣罐壓力的增大，系統(tǒng)制動器的反應越來越迅速。其中，當氣罐壓力為0.7 MPa 時系統(tǒng)的制動性能過于靈敏容易導致車輪抱死；當氣罐壓力為0.3 MPa，系統(tǒng)輸出制動力的反應較慢，且峰值較小，導致系統(tǒng)的制動力不夠。因此，在實際生產(chǎn)中需根據(jù)情況合理調(diào)節(jié)氣罐壓力。

本節(jié)探討閥口面積對氣動蹄式制動系統(tǒng)性能的具體影響特性。設(shè)定儲氣罐的壓力為0.5 MPa，對閥口面積分別為160 mm2、200 mm2、240 mm2的制動性能進行分析，仿真結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同閥口面積系統(tǒng)輸出制動力曲線

如圖2 所示，隨著管路閥口面積的增大，系統(tǒng)達到設(shè)定制動力所需的時間減少，即說明制動器的反應變快[4]。因此，需綜合考慮各方面因素增大管路閥口面積，進而提升制動系統(tǒng)的響應速度。

4 氣動制動系統(tǒng)制動性能的測試

礦用電機車制動性能需與《煤炭安全規(guī)程》制動要求相符，尤其測試制動距離是否滿足要求。為此，本文設(shè)計了當電機車初始運行速度不同以及在不同軌面上運行時電機車所需的制動時間和制動距離進行測試[5]。此外，還需檢驗系統(tǒng)在制動過程中是否會存在嚴重的滑行現(xiàn)象。

4.1 不同初始速度下的測試結(jié)果

針對不同初始速度下電機車的制動時間和制動距離的測試結(jié)果如表3 所示。

表3 不同初始速度下制動性能的測試結(jié)果

如表3 所示，當電機車以其最大初始速度運行時，在本文所設(shè)計的氣動蹄式制動系統(tǒng)的作用下，電機車的制動距離僅為5.37 m，遠小于《煤炭安全規(guī)程》所規(guī)定的40 m，滿足要求。

4.2 不同軌面條件下的測試結(jié)果

當電機車的初始運行速度為12 km/h 時，測試設(shè)備在不同軌面時所需的制動距離和制動時間。本文對比撒沙制動和正常制動情況下的制動性能，測試結(jié)果如表4 所示。

表4 不同軌面條件下制動性能的測試結(jié)果

如表4 所示，撒沙制動的制動時間和制動距離明顯小于正常制動，主要由于在軌面上撒沙后提升了軌道的黏著系數(shù)，增加了軌面的黏著力，進而使得電機車能夠獲得更大的制動力。因此，在實際運輸時可根據(jù)現(xiàn)場情況適當采取撒沙操作，以提升其制動性能。

5 結(jié)語

電機車作為綜采工作面的主要的運輸設(shè)備，其制動性能直接影響工作面的采煤效率。綜合對比傳統(tǒng)制動系統(tǒng)的優(yōu)劣性，氣動制動系統(tǒng)為可應用于電機車制動的最優(yōu)系統(tǒng)。本文所設(shè)計的單回路蹄式制動系統(tǒng)不論是其制動距離還是其制動時間均能夠滿足相關(guān)要求，且可根據(jù)現(xiàn)場條件適當采取撒沙操作，以提升其制動性能。