電動推桿在礦用電機車制動系統的應用

閆高飛

（安徽理工大學機械工程學院，安徽淮南 232000）

0 引言

現今煤炭行業飛速發展，煤礦井下運輸壓力上升，電機車運輸是煤礦井下有軌運輸極其重要的組成部分，負責礦石、材料和人員的運轉。《煤礦安全規程》對電機車進行物料運輸或人員運輸的制動距離有明確規定，因此，礦用電機車中制動系統的制動性能對其安全運行及運輸效率至關重要?，F有電機車制動系統一般是利用液壓或者氣壓制動，該制動系統結構復雜煩瑣、不易安裝、后期維護成本較高，管道中氣壓或液壓壓力上升與下降較慢，空行程較長，制動時間滯后，空駛距離與停車距離加長，影響行車安全。在煤礦井下實際運輸過程中，電機車多存在制動距離超限等問題，因此，有必要對電機車制動系統進行優化。為解決礦用電機車制動距離超限等問題，消除液壓與氣壓制動的缺點，設計了一種電機車電動推桿制動系統。

20世紀90年代之前，國內機械行業選用執行結構時會優先考慮氣缸、液壓缸；90年代后期，電動推桿這種電動直線傳動設備慢慢被國內機械技術人員所了解和使用，這要歸因于進口設備的引入和國外技術的吸收和引進。因為電動推桿結構簡單，不需要相應的氣源、液壓源等額外動力設備，響應迅速，操作及維修簡易，自鎖性能優于氣缸、液壓缸，所以得以廣泛應用。由此，基于電動推桿原理及特點，將電動推桿應用于煤礦井下電機車制動系統。

1 防爆電動推桿原理及特點

1.1 防爆電動推桿的原理

電動推桿又稱直線驅動器，當馬達通過齒輪或其他變速機構減速時，啟動絲桿副，從而將螺旋動作轉化為直線運動。推桿的伸縮動作可通過發電機的正反轉完成，可作為在各種機械設備中的執行機制。限位保護和過載保護則由電動推桿本身完成。電機在運轉時會帶動蝸桿軸承也做相應旋轉，而蝸桿軸承則推動蝸輪機構旋轉，從而驅動蝸輪機構中的絲桿來進行軸向往復運動，當絲桿運動到固定位置時，調整螺絲通過驅動限位開關桿壓下微動行程控制器，關閉電源，電機停止運行，從而完成限位保護功能。過載保護裝置則位于電動推桿內部，當推桿進行直線運動時，達到長行程控制器設定的限制位置或達到電動推桿額定推力值，電動推桿自行停止，并由此進行過載保護，電動推桿才不致于因過載而受損[1]。

防爆電動推桿整體結構如圖1所示，其設計符合《煤礦安全規程》規定，可應用在礦用電機車制動系統中。防爆電動推桿整體主要由進線口、出線口、煤礦安全標志、安裝底板、銘牌安裝板、推桿軸、推桿等組成。

圖1 防爆電動推桿整體結構圖

1.2 防爆電動推桿的特點

（1）結構簡單緊湊：防爆電動推桿結構緊湊，體積較小，作為執行機構安裝于其他設備上較方便。

（2）性價比高：防爆電動推桿整機成本低，省電效益好，在同等條件下與氣動和液動機構相比，省去了不少復雜管路，因此可大幅降低生產成本。

（3）易控制：防爆電動推桿易于遠程控制，有利于實現電機車無人駕駛。

（4）高負載：螺旋傳動機構是防爆電動推桿的主要支撐機構，可以為電機車提供足夠的制動力。

（5）高速度：防爆電動推桿不需要液體或氣體作為媒介，響應快，減少了電機車制動空行程，提高了制動性能。

（6）高精度：防爆電動推桿內部減速機構為齒輪減速，精度較高。

基于以上特點，將防爆電動推桿應用在礦用電機車制動系統上，具有其他執行裝置難以比擬的優越性，具有極好的使用價值[1]。本文結合電動推桿的機械原理與特點，分析電機車制動原理，設計出電機車電動推桿制動系統。

2 電機車制動原理

2.1 電機車受力分析

電機車制動是依靠制動系統閘瓦與車輪之間的摩擦力產生的制動力矩，該制動力矩與車輪前進方向相反，同時軌道對車輪施加正壓力與切向力，切向力是制動力。對電機車車輪進行受力分析，得制動力方程為：

式中：m為電機車質量（kg）；v為電機車運行速度（m/s）；F為電機車制動力（N），制動力的大小取決于電機車重量、電機車運行軌道坡度等因素；G為電機車所受重力（N）；θ為軌道坡度（°）。

2.2 電機車制動減速度分析

電機車制動距離與制動時間的長短取決于電機車制動過程中減速度的大小。總結實際經驗得電機車制動期間減速度a方程為：

式中：a為電機車制動時減速度（m/s2）；F為電機車制動力（N）；P為電機車車重（kg）；Q為電機車粘著質量（kg），粘著系數取0.3；μ為阻力系數；θ為煤礦井下軌道坡度（°）；g為重力加速度（m/s2）；γ為慣性系數，取值0.07。

由公式可知，電機車減速度取決于電機車制動力、質量及阻力系數等因素[2]。

2.3 電機車制動距離分析

煤礦井下電機車制動分為兩個階段：（1）制動空行程階段；（2）實際制動階段[2]。制動空行程階段，閘瓦與車輪未發生接觸，電機車速度沒有改變，空行程階段較長，危害極大；實際制動階段，閘瓦與車輪接觸，直到電機車完成制動。以上述理論為基礎，得電機車制動距離方程為：

式中：S為電機車制動距離（m）；v為電機車運行速度（m/s）；t為空行程階段時間（s）；b為空行程階段減速度（m/s2）；s為空行程階段運行距離（m）。

由此可知，縮短電機車制動空行程階段對減小電機車制動距離至關重要。

由上述分析得到電機車的制動原理（受力分析、制動減速度、制動距離），基于該原理設計電機車電動推桿制動系統。

3 電機車電動推桿制動系統

3.1 制動系統設計

電動推桿制動系統主要由防爆電動推桿、制動杠桿、前支撐板、后支撐板、前閘瓦、后閘瓦、連接桿等組成，其整體結構如圖2所示。電機車制動時，防爆電動推桿做直線運動，推動制動杠桿依靠固定在車架上的支撐板擺動，至閘瓦緊壓車輪接觸面，閘瓦與車輪之間的摩擦力產生制動力矩。電機車啟動時，防爆電動推桿收回，帶動制動杠桿在支撐板的支撐下擺動，擺動過程中實現閘瓦與車輪的斷開，進而實現車輪的制動解除。工作過程為：駕駛員反應動作→電動推桿動作→閘瓦動作→持續過程動作→制動（解除制動）動作。

圖2 電機車電動推桿制動系統

3.2 電機車制動系統控制原理

電機車駕駛員在駕駛室使用操作臺對電機車制動系統進行集中控制，依據現實需求，實現電機車一鍵啟動和一鍵制動功能，其控制原理圖如圖3所示。當電機車需要啟動時，駕駛員按下啟動按鍵，電機制動轉矩消除，防爆電動推桿向后收回，電機和車輪制動解除，此時電機啟動，電機車啟動。當電機車需要制動時，駕駛員按下制動按鍵，電機電源關閉，同時電機制動轉矩生成，防爆電動推桿頂桿伸出，電機和車輪實現制動，電機車快速精確停車[3]。

圖3 電機車制動系統控制原理圖

4 電動推桿制動系統對電機車無人駕駛技術的意義

要減少司機與護航人員，提高礦井生產物料的轉運效率，減少或避免煤礦生產重大運輸安全事故，提高礦井生產運輸的信息化、自動化、無人化水平，實現井下電機車的無人駕駛是前提條件[4]?！笆濉币巹澰凇笆濉币巹澋幕A上，將對煤礦生產中各個方面能力和技術提升的要求，轉變為結合現代頂尖技術建立無人礦山的新要求，要求為實現無人礦山提高技術研究水平。我國還在強國戰略《中國制造2025》中對煤礦生產做出要求，即在煤炭開采這一制造業中，需要與現代高新技術進行深度融合，加快采礦技術的研究應用，打造智慧煤礦和無人礦山[5]。

電動推桿內部采用電機作為動力機構，具有精度高、響應速度快等特點，可實現一鍵啟動和一鍵制動，由此可見電動推桿制動系統易于實現遠程駕駛，駕駛員在調度中心就可以實現電機車安全駕駛，大大減少了安全隱患。而遠程駕駛是無人駕駛的基礎，遠程駕駛的實現是無人駕駛實現的重要一步，由此可見，電動推桿制動系統對于電機車無人駕駛技術的實現具有重要意義。

5 結語

傳統礦用電機車一般采用液壓或氣壓制動，通過對傳統的制動系統進行分析，本文提出了一種通過電動推桿進行制動的電機車制動系統，以電動推桿作為動力源的制動系統有很多優點，如性價比高、無復雜管路等。依據電動推桿機械原理，建立防爆電動推桿整體模型，提出電機車制動原理，設計電機車電動推桿制動系統，并分析其制動過程，以實現一鍵啟動與一鍵制動。該系統在滿足煤礦井下電機車生產運輸的前提下，能夠減員增效，大幅度提高電機車的安全性能。