礦用蓄電池電機(jī)車液壓制動系統(tǒng)研究

李 永

（山西焦煤西山煤電西銘礦， 山西 太原 030052）

引言

隨著綜采工作面采煤效率的提高，井下煤炭運(yùn)輸?shù)男枨笠苍絹碓礁?。蓄電池電機(jī)車是一種以電池為動力來源的井下運(yùn)煤設(shè)備，目前應(yīng)用最廣泛的是手輪閘瓦和氣動式制動兩類，在電機(jī)車制動時(shí)，車身的動能被消耗在制動盤上，既造成機(jī)械磨損又浪費(fèi)蓄電池電能。氣壓制動和液壓制動是目前電機(jī)車制動方式的發(fā)展方向，特別是液壓制動，在制動時(shí)通過車輪、離合器、變量泵等元件進(jìn)行力矩傳動，將車輪動能轉(zhuǎn)化為液壓能，存儲在高壓蓄能器內(nèi)，在機(jī)車起動時(shí)釋放能量，減少電機(jī)車起動時(shí)的電機(jī)出力，達(dá)到節(jié)約能源，減少機(jī)械損耗的目的。本文研究了液壓式制動系統(tǒng)的原理和設(shè)計(jì)思路，對蓄電池電機(jī)車制動系統(tǒng)改造具有一定意義。

1 液壓制動

礦用電機(jī)車的制動方式有很多，根據(jù)其原理可分為機(jī)械閘瓦式、電氣制動式、氣壓制動、液壓制動、壓軌式制動。過去很長一段時(shí)間，電機(jī)車主流的制動方式為手輪閘瓦與電氣控制相結(jié)合的方式。目前國內(nèi)大多數(shù)電機(jī)車已經(jīng)從緊急制動換代為機(jī)械與氣動相結(jié)合的方式，常規(guī)制動仍然采用機(jī)械閘瓦方式。由于制動力在液體中的傳播速度遠(yuǎn)大于氣體中的傳播速度，且負(fù)載能力不受電機(jī)磁性材料的影響，因此相較于氣壓傳動，采用液壓制動的效率更高。液壓油在液壓泵的驅(qū)動下被儲存在高壓蓄能器中，當(dāng)電氣控制單元向液壓控制單元輸出制動指令后，直流電機(jī)和調(diào)壓閥組控制制動夾鉗夾緊制動盤，使車輪減速或剎車。由于井下電機(jī)車使用環(huán)境特殊，對安裝空間和安全性能具有特殊要求，液壓制動系統(tǒng)具有體積小、質(zhì)量輕、安全性高的優(yōu)點(diǎn)，因此特別適用于礦用蓄電池電機(jī)車。

2 液壓制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1 所示為電機(jī)車液壓制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，由電氣控制單元、液壓控制單元和基礎(chǔ)制動單元三部分組成，具體介紹如下：

圖1 電機(jī)車液壓制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1）電氣控制單元就是液壓制動系統(tǒng)的控制器，主要功能是接收電機(jī)車的制動指令，并通過對比例閥、電機(jī)油泵的控制輸出制動信號，在制動過程中，通過壓力和溫度傳感器感知基礎(chǔ)制動單元的執(zhí)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)。除了主要控制功能，電氣控制單元還能進(jìn)行拖車防滑控制、數(shù)據(jù)存儲和總線通信等[1-3]。

2）液壓控制單元由電機(jī)、液壓泵、蓄能器、比例電磁閥和液壓閥等組成，主要功能是在接收到電氣控制單元發(fā)出的制動信號后，在管路中建立工作壓力并在蓄能器中存儲下來，通過比例電磁閥調(diào)整輸出壓力。除了壓力建立和調(diào)整功能，液壓控制單元還能夠?qū)崿F(xiàn)手動卸壓、電機(jī)保護(hù)等安全功能。

3）基礎(chǔ)制動單元?；A(chǔ)制動單元由離合器和變量伺服單元組成，液壓控制單元輸出的液壓力被轉(zhuǎn)化為變量泵輸出的動能，通過離合器與車輪轉(zhuǎn)軸耦合，阻礙車輪的慣性力，使電機(jī)車減速制動。

3 工作原理

如圖2 所示為電機(jī)車液壓制動系統(tǒng)能量回收原理圖，由電氣控制單元、液壓控制單元和基礎(chǔ)制動單元組成，具體介紹如下：

圖2 電機(jī)車液壓制動系統(tǒng)能量回收原理圖

1）電氣控制單元由控制器及其外圍通信電路、電機(jī)和電磁閥的驅(qū)動電路組成，相較于空氣閥，比例閥的驅(qū)動功率較高，一般采用脈寬調(diào)制方式進(jìn)行驅(qū)動。驅(qū)動電路由隔離電路、功率放大電路、電流反饋電路組成?？刂破鹘邮找簤合到y(tǒng)壓力傳感器的數(shù)據(jù)，判斷此時(shí)的輸出壓力是否滿足，通過輸出電流控制變量泵的排量和出力，能夠?qū)崿F(xiàn)對制動力的閉環(huán)調(diào)節(jié)，通過增加另外程序，還能為電機(jī)車制動系統(tǒng)提供防滑功能。

2）制動系統(tǒng)由控制器、壓力傳感器、蓄能器、常閉閥、液控溢流閥、三位四通閥、變量泵組成，通過變量伺服機(jī)構(gòu)與電機(jī)車離合器連接，通過離合器從車輪吸收動能或釋放液壓能，向車輪輸出動力。在電機(jī)車制動時(shí)，三位四通閥上位通電，在變量泵的作用下，油箱內(nèi)的液壓油被輸送至蓄能器內(nèi)，由于蓄能器的高壓儲能作用，車輪的動能被蓄能器吸收。在電機(jī)車啟動時(shí)，三位四通閥下位上電，蓄能器內(nèi)的液壓油釋放至油箱，在此過程中蓄能器存儲的能量推動變量泵做功，變量泵通過離合器向車輪輸出動能，起到了節(jié)省發(fā)動機(jī)輸出功率的作用。2 個(gè)常閉閥和液控溢流閥共同組成了液壓控制回路，液壓控制回路有兩方面作用，一是使蓄能器內(nèi)的液壓油直接流入油箱，給蓄能器卸壓；二是可以通過調(diào)節(jié)液控溢流閥的電流調(diào)節(jié)回路壓力。

3）基礎(chǔ)制動單元由離合器和變量伺服機(jī)構(gòu)組成，變量伺服機(jī)構(gòu)是一個(gè)完整的控制系統(tǒng)，控制對象為缸體，執(zhí)行元件為液壓缸，受控參數(shù)為變量泵輸出液壓油的流量和壓力。為了發(fā)揮電控系統(tǒng)的優(yōu)勢，選擇變量泵活塞的位移量轉(zhuǎn)化為電信號，輸送到控制器，以采集變量泵的出力數(shù)據(jù)。

4 元件設(shè)計(jì)

1）變量泵的選型與設(shè)計(jì)。由于變量泵在液壓系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，結(jié)構(gòu)不同實(shí)現(xiàn)排量不同，輸入信號有機(jī)械控制、液壓控制、電動控制、電液控制等，控制方式有恒壓控制、恒流控制、恒功率控制等，其種類和型號非常復(fù)雜。根據(jù)能量守恒定律和力學(xué)分析，電機(jī)車制動時(shí)的制動力矩與變量泵的壓力和排量成正比，由于蓄能器內(nèi)部壓力無法控制，因此制動力矩的控制是由泵的排量間接控制的。因此選擇排量控制泵，通過監(jiān)測液壓缸活塞的位移，推算出泵的排量，進(jìn)而計(jì)算出電機(jī)車的制動力。變量泵的結(jié)構(gòu)可以根據(jù)電機(jī)車的負(fù)載和功率確定，對于負(fù)載較大、速度較慢的電機(jī)車而言，選擇軸向柱塞式液壓泵。

2）蓄能器的選型與參數(shù)設(shè)計(jì)。蓄能器是存儲電機(jī)車制動能量的媒介，是液壓制動系統(tǒng)的關(guān)鍵元件。按照加載形式不同可分為重力式蓄能器、彈簧式蓄能器和充氣式蓄能器。重力式蓄能器適用于固定設(shè)備，彈簧式蓄能器適用于低壓小容量設(shè)備，只有充氣式蓄能器可供電機(jī)車液壓系統(tǒng)選擇。充氣式蓄能器的工作原理是利用液體壓力壓縮氮?dú)?，將電機(jī)車動能轉(zhuǎn)化為氣體內(nèi)能，在電機(jī)車起動時(shí)，液壓系統(tǒng)壓力降低，高壓氣體推動液體做功，實(shí)現(xiàn)能量釋放。充氣蓄能器有皮囊結(jié)構(gòu)、活塞結(jié)構(gòu)和隔膜結(jié)構(gòu)，根據(jù)電機(jī)車液壓制動系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的蓄能器需要滿足壓力高、響應(yīng)快、寬調(diào)壓、慣量小等，因此綜合考慮選擇皮囊結(jié)構(gòu)式蓄能器，這也是目前應(yīng)用最廣泛的一種蓄能器。蓄能器的參數(shù)有最低壓力、最高壓力、初始體積等，具體的選擇需要根據(jù)電機(jī)車的制動轉(zhuǎn)矩、安裝空間等進(jìn)行設(shè)計(jì)[4-6]。

5 結(jié)語

電機(jī)車液壓制動系統(tǒng)由電氣控制單元、液壓控制單元和基礎(chǔ)制動單元三部分組成，通過液壓制動系統(tǒng)能量回收裝置，能夠?qū)㈦姍C(jī)車制動時(shí)的動能存儲起來，在機(jī)車起動的時(shí)候作為輔助動力，減少蓄電池的電能損耗，起到了節(jié)能降耗，提高煤炭運(yùn)輸能力的目的。