井下防爆無軌車制動強制冷卻系統的設計

程思越，汪達勇

（國家能源集團寧夏靈武發電有限公司，寧夏銀川 750002）

0 引言

國家能源寧夏煤業下轄生產礦井，例如羊場灣煤礦、梅花井煤礦和紅柳煤礦等，巷道具有坡道較大并且距離長的特點，其輔助運輸車輛采用WCJ5E 和WCJ8E 無軌膠輪車。無軌膠輪車一般配備濕式多盤制動器，車輛在重載下長坡的時候，駕駛員需要頻繁踩制動來控制車速，制動系統的負荷比較大，制動器摩擦片磨損快，需經常更換摩擦片，車輛也存在安全隱患。亟需一種能夠給摩擦片降溫的辦法，濕式橋強制冷卻系統將制動器摩擦片浸在冷卻油里，通過齒輪泵給冷卻油提供動力，冷卻油與散熱器間不斷循環，將摩擦片產生的熱量帶走，解決摩擦片高溫、磨損快、漏油等問題。

1 制動器發熱量估算

煤礦井下巷道的路況由于地質因素復雜多變，防爆無軌車輛橋制動器高溫現象主要發生在長距離下坡工況，短距離下陡坡時由于行車時間短，一般不會出現制動器高溫現象。通過調研，司機在長距離坡道時，一般會采用掛低擋滑行，由于在車輛沿坡道下滑分力的作用下，車輛柴油機反拖力和地面滾動阻力之和小于車輛的下滑分力，車輛速度會越來越快，司機會踩剎車來控制車速，使車輛保持在較勻速的速度下行駛完整個路程。在下坡行駛過程中，當坡道較大時，通過踩剎車控制車速，頻繁踩剎車會使制動器摩擦片溫度升高，車輛的部分勢能轉化為內能，即發熱量。同時，車輛在下坡時掛抵擋，利用柴油機的反拖扭矩，可以平衡掉部分車輛重力的下滑力。所以，車輛在整個過程中，車輛的勢能、制動系統的發熱量、柴油機反拖扭矩做的功有以下關系：

式中 Q1——車輛的總勢能，J

Q2——制動器的發熱量，J

W——柴油機反拖扭矩做的功，J

車輛從坡頂運行到坡底總勢能與車輛的質量、坡道長度、坡道角度等有關，其關系為：

式中 m——車輛重載時的總重量，kg

g——重力加速度，m/s2；取9.8 m/s2

L——坡道總長，m

α——坡道角度，°

μ——滾動摩擦因數；一般取0.04

車輛下坡時司機一般掛低擋行駛，同時利用柴油機的反拖扭矩起輔助制動作用。柴油機在反拖工況下，其反拖功率一般不超過其總功率的30%，在整個行駛過程中，柴油機反拖扭矩做的功與反拖功率的大小和車輛行駛的時間有關，在整個過程中做的功為：

式中 P——反拖扭矩產生的功率，W

t——行駛時間，s

結合式（1）、式（2）、式（3），橋制動器的發熱量為：

則發熱功率為總發熱量與車輛總運行時間之間的比值為：

式中

v——車速，m/s

由式（5），制動器的發熱功率與車輛的總重、車速、坡道角度成正比，柴油機的反拖功率的大小也影響制動系統的熱平衡。為了保證橋制動器在下長坡時不會高溫，濕式橋強制冷卻系統的散熱功率應大于其發熱功率，才能保證制動器的溫升保持穩定。

2 橋制動器結構的改進

防爆無軌膠輪車驅動橋工作制動器一般采用濕式多盤制動器，濕式多盤式制動器的主要由動摩擦片、靜摩擦片、活塞、彈簧、制動殼、半軸等組成，固定盤和制動殼通過花鍵連接，摩擦盤裝在固定盤之間，隨著車輪旋轉。制動時，活塞壓向摩擦片，動靜摩擦片之間產生摩擦力，動摩擦片與半軸相連接，以降低車輪轉速，達到制動的目的。

一般情況下，摩擦片所處的腔體與半軸、主減速器所在的腔體是連通的，為了保證工作制動器的循環順暢和散熱效率，摩擦片所處腔體內循環用油需改為液壓油，主減速器所在腔體仍然用齒輪油。所以，在實施安裝強制冷卻系統時，需考慮將兩個腔體之間隔開，工作制動器要進行結構的改進，改進后的結構如圖1 所示。

圖1 制動器結構

制動器摩擦片所在的腔體使用密封結構與外部隔開，制動器在上側和下側分別設計冷卻出油口和冷卻進油口，冷卻油循環時下進上出，摩擦片基本都浸在冷卻油中，使摩擦片與冷卻介質充分接觸，增強冷卻效果。

3 制動強制冷卻系統的核算

根據式（5）可測算整個系統的散熱功率，從而確定散熱器的大小。m=14 000 kg，g=9.8 m/s2，L=6000 m，α=7°，P=60×30%=18 kW，車輛1 擋行駛最大速度約11 km/h，運行完6 km 的坡道，時間約為t=1963.6 s，將上述數值帶入式（5）得：

散熱器的散熱能力必須大于P2，散熱器的散熱功率設計為20 kW，冷卻油經過散熱器進行散熱器，散熱量為：

式中 P0——散熱功率，W

C——液壓油比熱容，J/（kg·℃）

q——散熱油流量，m3/s

ρ——散熱油密度，kg/m3

Δt——散熱器進出油口溫差，℃

系統選用的散熱介質為46#抗磨耐壓油，其比熱容約為C=2.09×103J/（kg·℃），密度約為ρ=0.87×103 kg/m3，散熱器進出口溫差多次測得最高約Δt=20 ℃，將以上參數帶入式（6），算得強制冷卻系統的流量約為：

考慮到油箱的自身散熱、制動器的自身散熱和管路的散熱，冷卻系統的流量設計為30 L/min 左右，這樣濕式橋冷卻系統能夠滿足絕大多數礦井的使用工況要求。

4 制動強制冷卻系統的設計

濕式橋制動強制冷卻系統設計有齒輪泵、散熱器、過濾器，分流閥、安全閥、油箱和管路等，齒輪泵置于變矩器取力口處，齒輪泵泵出的油經過散熱器散熱，再經過分流閥使冷卻油均勻的分配給4 個橋制動器，橋制動器處設置有溢流閥，防止制動器內部壓力過高，避免漏油。濕式橋制動強制冷卻系統液壓原理如圖2 所示。

圖2 制動強制冷卻系統原理圖

從實際裝車使用情況來看，制動強制冷卻系統設計時應注意以下要點：①系統循環流量要與實際工況的最大坡度下需要的散熱功率匹配，考慮各部件自身散熱的情況下，循環齒輪泵排量不宜過大，防止系統內部各部件壓力過高引起油封和散熱器等部件漏油；②液壓油箱做成獨立安裝油箱或從大油箱內做成隔腔獨立的方式，可以避免摩擦片長期制動生成的摩擦粉末進入其他系統；③過濾器的設置方面，粗濾和精濾都是必要的，尤其要把精濾設置在方便檢修的位置，這樣可以定期檢查和維護，保持工作介質的清潔；④制動器處的單個溢流閥流量選擇不低于系統流量，同時其溢流壓力設定不高于制動器隔腔油封耐壓的1/2。

5 應用效果

目前安裝濕式橋強制冷卻系統的無軌膠輪車約300 余臺，主要在寧煤羊場灣礦、梅花井礦、紅柳礦等礦井使用，這些煤礦井下巷道坡度多、坡度大，發揮了強制冷卻系統的作用。最早的一批在2018 年初投入使用，經過近3 年的使用情況表明，該系統能夠有效降低車輛制動器摩擦片磨損快、摩擦片燒結、密封圈漏油等問題，提高了防爆無軌膠輪車制動系統的可靠性和車輛的行車安全性。