繩牽引軌道運輸車輛液壓制動系統的設計

彭元帥， 胡軍科， 肖連平， 彭鈺峰

(1.中南大學 機電工程學院， 湖南 長沙 410083； 2.湘潭恒欣實業有限公司, 湖南 湘潭 411300)

引言

繩牽引軌道運輸車輛在煤礦生產中具有重要作用，能夠實現長距離連續運輸，并且安裝方便，易于操作[1]，其本身沒有動力裝置，如圖1所示，通過與絞車滾筒摩擦的鋼絲繩牽引制動車，制動車端部掛接載重車，適合在距離長、坡度大、噸位重的條件下代替傳統對拉運輸方式，雖然在煤礦生產中得到了廣泛的應用，但是仍存在以下的問題：

1.絞車 2.張緊裝置 3.制動車 4.載重車 5.尾輪 6.壓繩輪 7.托繩輪

(1) 若牽引鋼絲繩的張緊力較小，特別是當巷道起伏角度大于9°時，容易出現鋼絲繩在絞車滾筒的摩擦襯墊上打滑的現象，車輛會有超速溜坡的危險；

(2) 在設備運行過程中，尤其是下放重物時，在張緊裝置處鋼絲繩產生應力集中，另外軌道的道岔口會摩擦鋼絲繩，容易導致斷繩現象。

如果上述現象發生，制動車就可以及時進行制動，避免車輛出現超速、掉道和側翻等危險情況,確保運輸安全性。目前的繩牽引軌道運輸車輛多為卡軌形式，卡軌式車載重量大、爬坡能力強、可在小半徑彎道行駛，其特殊的軌道和行車結構對煤礦井下的工作環境具有較強的適應性，繩牽引卡軌運輸車的安全性被越來越多的人重視，國內外許多學者和專家也對制動裝置進行了研究和設計。

FIA型卡軌車制動時，超速離合器打開液壓閥門，制動缸中的制動碟簧推動，活塞桿上的制動閘塊壓緊軌道，使閘座上移，閘塊與閘座同時夾緊槽鋼軌道進行[2]。石家莊煤機廠研發的普通軌道制動器，制動時，碟簧會帶動活塞桿上的制動塊壓緊軌道上表面，同時使軌道兩側的抱軌制動鉗抱住軌道下側面，完成抱軌制動[3]。趙炟[4]研究了異形卡軌車的制動裝置，利用AMESim軟件對液壓制動系統進行了建模和仿真分析，模擬了供油過程和制動過程的液壓系統完整動態響應工況；張釗[5]研究了無極繩連續牽引車的防滑安全制動系統，提出并確定以蓄能器作為動力源的液壓系統，利用AMESim軟件仿真分析，驗證了液壓系統的可行性；高萬普[6]研究了牽引絞車的防滑制動，實現對絞車運行狀態的連續監測，設備打滑時，既可以讓牽引絞車停機，又可以對無極繩進行制動;于騰飛[7]對繩牽引單軌吊制動系統進行了設計與研究，使用SolidWorks軟件建立制動系統模型，優化液壓制動系統并對相關液壓元件選型;王進超等[8]研究了井下軌道牽引車制動系統，提出空間凸輪連桿機構結合鼓式制動器的機械制動方案，分析了空載和滿載的制動性能，利用ADAMAS仿真軟件建立模型并對結果進行分析;馬艷衛[9]以雙回路液壓制動系統為研究對象，使用充液閥為兩個回路的蓄能器充液，建立液壓系統仿真模型，并進行響應特性仿真；曹艷等[10]為驗證礦井提升機液壓制動系統設計的準確性，進行了建模與仿真，并分析了正常開車和停車時的油壓、碟簧力和制動正壓力。

目前應用于繩牽引軌道運輸車輛的制動方式可以分為兩大類，即靠碟簧力實施制動液壓解除制動和制動車靠自身重力與輪軌摩擦制動，主要有如下不足：

(1) 安裝在缸筒內的碟簧所占體積較大，當需要較大的制動力時，必須要加大碟簧體積，體積過大的碟簧又不便于布置，制動力不能實現靈活調節控制，并且碟簧效率低，彈力衰減嚴重，載荷偏差難以保證；

(2) 在正常運行過程中，液壓系統為了解除制動，必須長期處于高壓狀態以克服碟簧力，但是如果發生意外泄漏，車輛就會出現非正常制動，甚至會造成嚴重的安全事故；

(3) 如果拖動的貨物質量較大，依靠制動車自身重量不能有效制動。

為解決以上問題，本研究提出采用液壓制動方式來提高繩牽引車輛的制動性能，設計了以蓄能器作為動力源的液壓控制系統，并對系統主要元件建立數學模型進行理論分析，設計了合理的正壓式制動機構，該制動裝置可以實現制動力和制動行程無級調節，滿足繩牽引軌道車輛安全制動的要求。

1 液壓制動系統設計

液壓制動系統由油箱、雙向定量泵、液壓橋、蓄能器充液閥、蓄能器、手動液壓泵、超速發訊裝置、單向閥、液壓缸等組成，如圖2所示。雙向定量泵由與車輪連接的取速輪驅動，通過蓄能器充液閥給蓄能器充油，在非制動狀態時，制動執行機構因彈簧力而離開軌道制動面，當需要緊急制動時，通過手動或自動兩種方式打開液壓閥，蓄能器的高壓油驅動制動執行機構夾緊軌道上下面實施制動。

1.雙向定量泵 2.液壓橋 3.過濾器 4.充液閥總成 5.油箱 6.蓄能器 7.壓力表 8.駐車制動閥 9.手動液壓泵 10.超速發訊裝置 11.制動液壓缸 12.截止閥

為了實現緊急情況下快速有效制動，使用2個規格相同的蓄能器作為動力源，極大地提高了工作的可靠性，系統設置有充液閥，液壓系統通過雙向定量泵、液壓橋、過濾器、充液閥給蓄能器充液，當達到充液閥的設定壓力時，系統卸荷，蓄能器壓力在一定范圍內保持穩定。

1.1 液壓系統充液原理

充液閥是液壓系統的重要部件，可以及時地給蓄能器充液并且使其壓力穩定在一定范圍之內。充液閥分單回路和雙回路，本研究使用的是單回路充液閥，其結構主要是由控制充液壓力上下限的先導閥和充液主閥組成，充液系統如圖3所示。

1.換向閥 2.控制閥 3.阻尼閥 4.單向閥 5.充液蓄能器

蓄能器充液過程中，泵通過單向閥給蓄能器供油，泵壓力通過控制閥的下位被引導至換向閥的彈簧側，由于換向閥下端比上端多了彈簧力，故換向閥工作在下位，此時換向閥對泵節流，使泵出口壓力升高；蓄能器壓力又被引導至控制閥的上端，當系統的壓力克服彈簧C的彈簧力時，控制閥變成上位工作，換向閥的彈簧側連接到T口，與油箱連通，換向閥的閥芯在P口壓力下克服下端彈簧力向下移動，將泵流量引導至T口，泵出口壓力降低，實現系統卸荷，單向閥關閉，充液完成；當蓄能器回路壓力低于設定值時，控制閥的閥芯在彈簧力的作用下上移，控制閥下位工作，P口壓力再次被引導至換向閥的彈簧側，重復對蓄能器充液。

1.2 蓄能器分析

蓄能器具有穩定性好、響應速度快、功率密度高的特點[15]，液壓系統中應用十分普遍。囊式蓄能器慣性小，響應速度快，不易泄漏，易于維護[16]，在使用前都會充入一定壓力的氮氣，其存儲能量受體積和壓力影響[17]。在系統蓄能時，油泵泵油壓縮皮囊中的氣體實現能量轉換，當緊急制動時，皮囊中的氣體內能轉換為壓力能，驅動執行機構進行做功，其工作過程與彈簧壓縮釋放類似，在對蓄能器進行分析和建模時，可以將其等效為彈簧-阻尼模型。

蓄能器的流量方程：

(1)

由氣體波義耳定律可得：

(2)

對式(2)求導并在(V0,p0)處展開可得：

(3)

在不考慮蓄能器油液彈性模量時，油液動力學方程為：

(4)

聯立式(2)～式(4)并進行拉氏變換，可得到蓄能器充液過程中的傳遞函數：

(5)

式中,qa—— 蓄能器出口流量

Va—— 蓄能器內部某一時刻氣體體積

pa—— 蓄能器內部某一時刻氣體壓力

k—— 氣體多變指數

V0—— 蓄能器充氣體積

p0—— 蓄能器充氣壓力

px—— 蓄能器出口壓力

Aa—— 蓄能器內橫截面積

ma—— 蓄能器液體當量質量

B—— 當量油腔阻尼系數

Ca—— 氣體阻尼系數

Ka—— 氣體彈簧剛度

通過分析可以得出，若不考慮管路連接以及油液與氣體阻尼系數等參數的影響，蓄能器的變化響應與充氣壓力、氣體體積和流量等有關。

囊式蓄能器選擇的主要依據是壓力和容積，蓄能器容積V0由充氣壓力p0、有效工作容積ΔV、系統最低工作壓力p1和最高工作壓力p2決定。

有效工作容積ΔV計算公式：

(6)

式中，Ai—— 液壓缸的有效作用面積

Si—— 液壓缸的工作行程

m—— 液壓缸所需要的行程次數

蓄能器作為緊急能量存儲時的典型情況排放很快(絕熱)，總容積計算公式：

(7)

式中，p1—— 系統最低壓力

p2—— 系統最高壓力

n—— 指數，等溫時取1，絕熱時取1.4

1.3 制動執行機構設計

制動執行機構主要由制動臂、活塞桿、缸筒、彈簧、制動爪、摩擦片等組成，結構如圖4所示。

1.缸筒 2.油缸活塞 3.彈簧擋板 4.彈簧 5.制動臂 6.車架 7.制動爪 8.摩擦片 9.鋼軌

正壓式結構的制動裝置結構簡單，其底部安裝有摩擦片，在制動時，液壓油通過上端油口進入缸筒腔內，推動活塞桿與制動臂向下移動，帶動制動爪向上運動，制動臂和制動爪上下夾緊軌道產生制動力；當車輛需解除制動時，打開截止閥，缸筒內的液壓油回到油箱，在彈簧力的作用下，制動缸復位，制動爪離開軌道。

2 試驗研究

2.1 試驗目的

液壓系統需要為制動執行機構提供理想可靠的高壓油，在蓄能器壓力達到設定值時實現卸荷保壓，制動時制動機構迅速動作，為運輸設備提供足夠的制動力，故試驗目的在于：

(1) 驗證液壓系統的充液能力，當蓄能器達到設定最高壓力時，油液壓力是否穩定；

(2) 液壓缸實施制動的響應時間，制動結束后，蓄能器壓力是否高于最低壓力及此時的制動力。

2.2 試驗裝置

根據《煤礦安全規程》的第378條規定，單軌吊車、卡軌車、齒軌車和膠套輪車的牽引機車和驅動絞車,應該具有穩定可靠的制動系統，保險制動和停車制動的制動力是額定牽引力的1.5～2倍，運輸設備的牽引力是80 kN,故制動力大小范圍為120～160 kN，重要設計技術指標參數如表1所示。

表1 技術指標參數

在某制動梭車上進行試驗，為保證梭車制動時的平衡和降低液壓系統的壓力，制動車兩邊對稱布置4組制動裝置，試驗臺由動力單元電機、液壓泵、蓄能器、制動機構及輔助元件等組成，蓄能器公稱容積為16 L，對稱安裝在梭車左右兩邊，通過法蘭連接與梭車固定，如圖5所示。根據液壓原理圖，將部分液壓元件集成到閥塊上，整體試驗臺裝置如圖6所示。

圖5 蓄能器安裝位置

圖6 整體試驗臺裝置

2.3 試驗結論

為了驗證液壓系統是否有良好的充液保壓性能，對蓄能器出口處的壓力進行測試，得出其壓力變化曲線如圖7所示。當達到設定最高壓力9.4 MPa后，壓力能夠保持穩定，證明液壓系統安全可靠。

圖7 蓄能器充液壓力曲線

打開手動截止閥進行制動，液壓缸迅速響應，記錄該過程壓力，得到壓力在制動狀態下的變化曲線，如圖8所示。從制動開始到制動結束，響應時間為0.2 s，壓力為7.53 MPa，大于技術指標最低壓力6.63 MPa，滿足設計要求。對裝置進行拉伸測試其摩擦力，測試儀器顯示最終摩擦力為144 kN，在120～160 kN范圍中。

圖8 制動壓力曲線

3 結論

本研究設計并分析了以蓄能器作為動力源的液壓制動系統和合理的制動執行機構，并在某梭車上進行了靜態和動態試驗。結果表明，該液壓制動裝置可以大幅度提升制動力，對提高繩牽引軌道車輛的安全性具有較高的應用價值，和目前制動方式相比，有以下優點：

(1) 由液壓實施制動，能夠在有限的空間里對制動力和制動行程進行無級調節，提高了裝置在實際使用時的靈活性；

(2) 液壓系統可以自動補油，具有優秀的保壓性能，在制動時能夠提供穩定持續的制動力；

(3) 當壓力達到設定值時，系統可以卸荷，避免泵長期在高壓狀態下工作，既提高了泵的壽命，也節約了能源。