礦用膠輪車濕式制動器液壓系統(tǒng)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(zhuǎn)向及操作，經(jīng)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(fā)展，同時也給制動系統(tǒng)的可靠性提出更高要求[2]。傳統(tǒng)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(fā)，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(tǒng)的研究始終沒有形成統(tǒng)一的標準，制動器的制動性能及其液壓系統(tǒng)的好壞對制動系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著舉足輕重的作用[6]。國內(nèi)對濕式制動器液壓系統(tǒng)的研究較少，相應的研究成果也不是很多[7-11]。為此對國內(nèi)某種礦用膠輪車上的濕式制動器液壓系統(tǒng)進行研究。

1 礦用膠輪車濕式制動器液壓系統(tǒng)工作原理

濕式制動器液壓系統(tǒng)原理圖如圖1。系統(tǒng)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(tǒng)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(nèi)高壓腔體的油液釋放，制動器內(nèi)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(xiàn)壓力過大的情況，將超壓的油液引流回油箱；假如液壓系統(tǒng)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(tǒng)相比，安全系數(shù)較高。

2 關(guān)鍵元件選型

2.1 蓄能器選型

在此膠輪車的制動系統(tǒng)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(tǒng)原理圖

此液壓系統(tǒng)要求在發(fā)動機停止之后仍然可以進行制動，當蓄能器作為出現(xiàn)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(shù)，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(jù)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(nèi)的平衡，滿足使用的需要。在前人使用的基礎上進行調(diào)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(shù)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(fā)動機停止工作時，蓄能器可以實施的行車制動次數(shù)n為：

9.1次大于所選取制動次數(shù)8次，滿足開始設定的次數(shù)，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(huán)直徑，mm；DX2為行車制動活塞內(nèi)環(huán)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(jīng)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(nèi)，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(wěn)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(diào)節(jié)范圍小。先導式反應靈敏度低，但是調(diào)節(jié)范圍大。經(jīng)過對比調(diào)研，直動式溢流閥可以滿足本液壓系統(tǒng)的使用要求，并且經(jīng)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(diào)壓范圍在7～25 MPa之間，將溢流壓力調(diào)定為10 MPa。

2）過濾器選擇。由于系統(tǒng)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(tǒng)的出口處選取型號為OUI-E63×10P的過濾器。

3 液壓系統(tǒng)動態(tài)仿真分析

3.1 蓄能器充液動態(tài)性能仿真分析

對蓄能器的充液動態(tài)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(tài)下蓄能器壓力變化曲線圖如圖2。

圖2 行車制動狀態(tài)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(wěn)定的狀態(tài)，并且2個蓄能器的狀態(tài)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(fā)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(tài)下雙路制動閥出口壓力曲線如圖 3。在初始狀態(tài)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(tài)下雙路制動閥出口壓力曲線

3.3 停泵行車制動次數(shù)仿真分析

由MT T989—2006《礦用防爆柴油機無軌膠輪車通用技術(shù)條件標準》可知，當汽車制動系統(tǒng)發(fā)生故障后，制動系統(tǒng)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(fā)生故障后的行車制動次數(shù)。停泵后行車制動次數(shù)仿真如圖4。

圖4 停泵后行車制動次數(shù)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(guī)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(tǒng)試驗

4.1 充液動態(tài)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(shù)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(tài)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(jié)果基本與仿真的結(jié)果基本一致，達到使用要求。

圖5 蓄能器充液動態(tài)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(shù)為10次，其余參數(shù)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(fā)生故障，試驗完成之后，截取前6 s的試驗結(jié)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(jié)果與仿真結(jié)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(shù)試驗

將踏板力設置為500 N，制動時間設置為5 s，制動次數(shù)為15次，其余參數(shù)不變。停泵后制動次數(shù)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(shù)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(jīng)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(jié)果和仿真結(jié)果基本一致，達到使用要求。

圖7 停泵后制動次數(shù)試驗

5 結(jié)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(tǒng),通過對濕式制動器的液壓系統(tǒng)進行選型和仿真，最后再進行試驗，并將3種結(jié)果進行對比，得出的計算分析及試驗結(jié)果雖然稍有偏差，但是都在允許的范圍之內(nèi)，并且所得的壓力都在礦用安全規(guī)程所規(guī)定的范圍之內(nèi)，證明設計的液壓系統(tǒng)選型合理。