卡軌車緊急制動器關(guān)鍵零件的選型設(shè)計

賈 瑞

（西山煤電建筑工程集團有限公司礦建分公司， 山西 太原 030053）

引言

運輸系統(tǒng)為煤礦的重要組成部分，分為主運輸系統(tǒng)和輔助運輸系統(tǒng)。其中，主運輸系統(tǒng)主要運輸對象為原煤；輔助運輸系統(tǒng)的運輸對象為煤礦生產(chǎn)所需的材料、設(shè)備、煤矸石以及人員。卡軌車作為輔助運輸系統(tǒng)的一種形式，在實際應(yīng)用由于其制動性能不佳導(dǎo)致制動不穩(wěn)定、發(fā)生跑車、掉道等事故的發(fā)生。根據(jù)《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，要求卡軌車具有穩(wěn)定的制動裝置，保證其在正常、復(fù)雜工況下確?？ㄜ壾囘\行的安全性和可靠性。本文重點對卡軌車緊急制動器的關(guān)鍵零件進行選型設(shè)計。

1 卡軌車緊急制動器的設(shè)計

以卡軌車為代表的輔助運輸系統(tǒng)，其軌道除了承受車體的重量外，還需在卡軌車出現(xiàn)跑車、斷繩等事故時實現(xiàn)對其緊急制動。隨著工作面生產(chǎn)能力的增加，對傳統(tǒng)卡軌車的運輸能力、安全性和可靠性提出了更高的要求。本小節(jié)重點完成包括制動器在內(nèi)的制動系統(tǒng)的設(shè)計。

1.1 卡軌車制動軌道的選型

目前，可作為開軌車制動軌道的類型包括有普通軌道、槽鋼軌道以及異性軌道。為保證最終卡軌車緊急制動系統(tǒng)的安全性和可靠性，對當(dāng)前軌道的綜合性能進行對比，對比結(jié)果如表1 所示。

表1 卡軌車緊急制動軌道的綜合性能對比

綜上所述，對比SMJ 異形軌道、SMT 異形軌道、普通軌道以及槽鋼軌道的承載能力、在制動情況下抱軌的穩(wěn)定性、卡軌的性能以及其與普通軌道連接的難易程度等性能；最終確定選用SMJ 異形軌道為卡軌車的緊急制動軌道。

1.2 卡軌車緊急制動器的總體設(shè)計

根據(jù)《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，對卡軌車緊急制動系統(tǒng)的安全制動系統(tǒng)提出如下要求：

1）為保證卡軌車在正常工況和非正常工況下的穩(wěn)定停車，要求制動器提供的制動力為卡軌車額定牽引力的1.5～2 倍；同時，每輛卡軌車均需配套安全制動裝置，并且每套安全制動裝置具備自動限速功能。

2）卡軌車制動系統(tǒng)具備自動和手動控制兩種功能。當(dāng)卡軌車的運行速度超過其額定速度15%后要求制動系統(tǒng)實現(xiàn)自動制動功能；卡軌車制動系統(tǒng)在制動操作過程中要求其空動時間小于0.7 s[1]。

結(jié)合上述《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，卡軌車制動系統(tǒng)包括有液壓彈簧蓄能制動器、液壓系統(tǒng)和離心式限速器。其中，液壓彈簧蓄能制動器選用失效安全性，并在液壓系統(tǒng)和離心式限速器的共同作用下實現(xiàn)卡軌車的緊急制動?？ㄜ壾嚲o急制動器的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 卡軌車緊急制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2 緊急制動器主要零件設(shè)計

緊急制動器在制動過程中，其主要依靠摩擦力實現(xiàn)制動[2]。因此，本節(jié)主要對緊急制動器的主要零件，包括摩擦襯墊材料、制動彈簧進行設(shè)計。本文所研究卡軌車的具體參數(shù)如下頁表2 所示。

表2 卡軌車關(guān)鍵參數(shù)

2.1 摩擦襯墊材料的選型

在實際制動過程中，系統(tǒng)的制動液壓系統(tǒng)中的液壓油缸卸掉載荷，制動閘靴在制動彈簧的作用下將其與軌道表面接觸，并通過摩擦力實現(xiàn)制動。即在制動過程中制動閘靴與軌道由于摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱，并出現(xiàn)一定程度的磨損。因此，選擇高性能、耐磨且具有較好制動性能的摩擦襯墊非常重要。

摩擦襯墊可以分為金屬和非金屬兩大類。結(jié)合卡軌車的實際工況和緊急制動功能，要求摩擦襯墊滿足如下具體要求：具有較高的摩擦系數(shù)、可靠的安全性、合理的使用壽命。同時，由于綜采工作面相對惡劣的工作環(huán)境，應(yīng)選用各向同性的摩擦襯墊材料[3]。

綜上所述各類要求和目前市面上摩擦襯墊產(chǎn)品，本方案選用銅基粉末冶金材料為核心制備摩擦襯墊。銅基粉末冶金材料不僅具有較好的耐磨性，而且其較高的導(dǎo)熱性也能夠滿足工作面的防爆要求。

2.2 制動彈簧的設(shè)計

根據(jù)《煤炭安全規(guī)程》中規(guī)定的：為保證卡軌車在正常工況和非正常工況下的穩(wěn)定停車，要求制動器提供的制動力為卡軌車額定牽引力的1.5～2 倍。得出，滿足上述卡軌車制動效果的制動力為135 kN。

綜合對比當(dāng)前市面上各類彈簧性能，本方案選用壓縮螺旋彈簧作為緊急制動器的制動彈簧，該彈簧擬采用60Si2MnA 材料制備，其對應(yīng)的許用切應(yīng)力為590 MPa。

結(jié)合緊急制動器的制動力為135 kN，并結(jié)合螺旋式彈簧的結(jié)構(gòu)形式確定滿足制動功能的彈簧剛度為405 N/mm，壓縮載荷為41.85 kN。

根據(jù)彈簧鋼絲的計算公式，如式（1）所示：

式中：d 為彈簧鋼絲直徑；K 為曲度系數(shù)；C 為彈簧旋繞比，取5；F2為彈簧所承受的壓縮載荷，取41.85 kN；τp為彈簧材料的許用切應(yīng)力，取值為590 MPa。

將參數(shù)代入式（1）得出，彈簧鋼絲直徑為34.5 mm；對應(yīng)的彈簧中徑D 為34.5 mm×5=175 mm。

結(jié)合卡軌車的制動工況需求，確定彈簧的有效圈數(shù)，如式（2）所示：

式中：G 為彈簧材料切變模量；k 為彈簧剛度。

將參數(shù)代入式（2）中得出，彈簧的有效圈數(shù)為6.74 圈，圓整為7 圈。

綜上所述，最終確定制動彈簧的材料為60Si2MnA、彈簧形式為壓縮螺旋彈簧，彈簧中徑為175 mm，有效圈數(shù)為7 圈。

3 結(jié)論

1）卡軌車緊急制動器的設(shè)計綜合滿足《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，保證其能夠真正服務(wù)煤礦生產(chǎn)；

2）綜合對比各類軌道的承載能力、在制動情況下抱軌的穩(wěn)定性、卡軌的性能以及其與普通軌道連接的難易程度，最終確定SMJ 型制動軌道；

3）采用液壓彈簧蓄能制動器、液壓系統(tǒng)和離心式限速器相結(jié)合實現(xiàn)制動器的緊急制動功能；

4）選用銅基粉末冶金材料為核心制備摩擦襯墊，所設(shè)計制動彈簧的結(jié)構(gòu)形式為壓縮螺旋彈簧，對應(yīng)材料為60Si2MnA，彈簧中徑為175 mm，有效圈數(shù)為7 圈。