井下運輸車濕式制動系統(tǒng)設(shè)計

趙天明,安曉波

(金誠信礦業(yè)管理股份有限公司,北京 101500)

0 引言

無軌膠輪運輸車長時間在井下環(huán)境作業(yè),承擔著運輸人員、物料及設(shè)備等工作。由于巷道環(huán)境復雜且狹窄、高低起伏不平,路面還時常伴有泥沙和積水,因此要求井下運輸車的制動系統(tǒng)具有可靠的制動性能,以此來保證人員安全及車輛的行駛安全。目前礦用車輛的制動系統(tǒng)多數(shù)采用濕式多盤制動器,具有可靠性高,制動能力強,性能穩(wěn)定等優(yōu)點,代表了今后礦用車輛制動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

1 濕式制動車橋制動器簡介

濕式制動車橋的制動器為多盤制動器,動靜摩擦片處于封閉殼體內(nèi),油液循環(huán)冷卻,避免了制動組件與外界雜質(zhì)的接觸。其抗污染能力強,冷卻能力強,正常使用壽命長;多盤式制動摩擦片處于密封殼體冷卻油液中,無泥沙等雜質(zhì)造成的磨料磨損,摩擦片使用過程中損耗小,工作性能穩(wěn)定。

濕式制動車橋的多盤濕式制動器根據(jù)制動方式的不同可分為兩種:液壓制動彈簧釋放制動器和彈簧制動液壓釋放制動器[1]。相比之下,彈簧制動液壓釋放制動器從結(jié)構(gòu)原理和實際使用過程中,安全性更高,系統(tǒng)更加簡單,可靠性更好。下面以金安拓公司研發(fā)的KATG05 底盤運輸車為例,研究濕式彈簧制動器結(jié)構(gòu)及原理。

彈簧制動液壓釋放制動器(文中簡稱為濕式彈簧制動器)結(jié)構(gòu)如圖1 所示,主要由動摩擦片、靜摩擦片、制動器殼體、制動活塞、螺旋彈簧等組成[2]?；钊b在殼體里,活塞上均勻開有若干圓柱孔槽,圓柱孔槽中裝有螺旋彈簧;靜摩擦片通過花鍵槽與制動器殼體連接,動摩擦盤通過花鍵與輪轂連接;油塞座連接制動油管;端蓋與制動器殼體通過連接螺栓相連。當制動器處于制動狀態(tài)時,制動器內(nèi)液壓油通過腳踏閥后回油箱,制動器內(nèi)制動活塞無壓力。此時螺旋彈簧推動制動活塞壓緊動靜摩擦片,動摩擦片和靜摩擦片壓緊后無法相對轉(zhuǎn)動,由此實現(xiàn)制動。油管通高壓油時,高壓油液作用在制動活塞上,當活塞上的液壓力大于彈簧力時,活塞移動,靜摩擦盤和動摩擦片之間不再壓緊,動靜摩擦片間可相對轉(zhuǎn)動,此時制動器解除制動,輪轂可自由轉(zhuǎn)動。當液壓力達到某數(shù)值時,制動活塞克服彈簧力后對動靜摩擦片有一固定數(shù)值大小的壓緊力,動靜摩擦片可克服摩擦力相對運動,實現(xiàn)車輛減速。減速能力大小可通過調(diào)節(jié)輸入至制動器的液壓系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)。

圖1 彈簧制動液壓釋放制動器結(jié)構(gòu)

動靜摩擦片的冷卻通過液壓油的強制循環(huán)沖洗完成,冷卻效果好。且循環(huán)的液壓油可以帶走摩擦片在使用過程中產(chǎn)生的磨粒等雜質(zhì),保證了制動器內(nèi)清潔,避免了摩擦片間的異常磨損,延長了摩擦片使用壽命。

從濕式彈簧制動器原理及結(jié)構(gòu)可以得知,濕式彈簧制動器依靠彈簧彈力進行制動,為機械結(jié)構(gòu),而液壓系統(tǒng)僅作為解除制動的手段。相對于其他制動方式,制動安全性更高;最大程度上避免了液壓系統(tǒng)的突發(fā)故障而引起的事故。因此濕式彈簧制動器安全性更好。

2 制動液壓系統(tǒng)設(shè)計

礦用運輸車濕式彈簧制動器液壓原理如圖2所示,該液壓系統(tǒng)由制動泵、高壓過濾器、安全閥、單回路充液閥、駐車制動電磁閥、自動卸荷電磁閥、反向調(diào)節(jié)制動閥、蓄能器、壓力開關(guān)、輪邊制動器等組成。

圖2 制動液壓系統(tǒng)原理圖

安全閥作用是保護液壓系統(tǒng)避免系統(tǒng)超壓,當液壓系統(tǒng)發(fā)生堵塞或液壓元件故障引起系統(tǒng)壓力升高時溢流閥進行泄壓,保護管路及齒輪泵,一般溢流閥選用響應迅速的直動式溢流閥,且所選型號一般會選擇在溢流時產(chǎn)生明顯噪音的型號,以便于駕駛員及時發(fā)現(xiàn)故障。

高壓過濾器作用是對來自齒輪泵的液壓油進行過濾,將細小雜質(zhì)富集在濾芯內(nèi),避免由于雜質(zhì)參與液壓系統(tǒng)循環(huán)造成的液壓元件損壞。當濾芯內(nèi)雜質(zhì)過多時,高壓過濾器前后壓差≥0.35 MPa,壓差發(fā)訊器發(fā)出信號,儀表臺故障報警,提示駕駛員更換濾芯。

充液閥為單回路充液閥,其作用是對蓄能器進行充液,維持蓄能器內(nèi)的壓力在規(guī)定范圍內(nèi),并且在充液完成后低壓卸荷,以節(jié)約能源,減少系統(tǒng)發(fā)熱。當蓄能器內(nèi)壓力低于充液閥預設(shè)定的壓力下限時,齒輪泵泵送液壓油通過充液閥向蓄能器內(nèi)充液。當蓄能器內(nèi)壓力達到充液閥預設(shè)定的壓力上限時,齒輪泵泵送液壓油通過充液閥O 口去往下一級液壓系統(tǒng)。

蓄能器的作用是與充液閥配合,儲存能量并維持系統(tǒng)壓力穩(wěn)定在一定范圍內(nèi),保證系統(tǒng)的迅速響應。蓄能器另一作用是在發(fā)動機或齒輪泵發(fā)生故障時作為制動系統(tǒng)應急動力源。

蓄能器壓力開關(guān)作用是在蓄能器壓力低于安全壓力時報警,提醒駕駛員檢查車輛。因為若系統(tǒng)發(fā)生故障,蓄能器內(nèi)部壓力持續(xù)低于安全壓力,駕駛員在未察覺情況下駕駛車輛,制動器長時間處于半制動狀態(tài)運行,易造成制動器異常磨損,液壓系統(tǒng)高溫等故障[3]。

反向調(diào)節(jié)制動閥后壓力開關(guān)作用時根據(jù)制動閥輸出壓力輸出開關(guān)信號,控制車輛制動燈。

自動釋放電磁閥為兩位兩通電磁閥,車輛啟動后得電,斷開P 口與T 口之間油路,車輛停止運行后延時斷電,釋放制動液壓系統(tǒng)中蓄能器壓力,下次啟動時制動泵將從零壓力開始對蓄能器充液,液壓系統(tǒng)在車輛啟動初期逐漸加載,此設(shè)計目的在于減小發(fā)動機啟動阻力。另一個作用是在車輛長時間停機時,保護密封件,延長液壓系統(tǒng)用壽命。

停車制動電磁閥為兩位三通電磁閥,通過控制液壓系統(tǒng)油液流向通斷實現(xiàn)停車制動及解除制動狀態(tài)的切換。當駐車時,停車制動電磁閥不得電,P 口與A 口不通,A 口與T 口互通,輪邊制動器無壓力輸入,制動器通過螺旋彈簧的彈力壓緊動靜摩擦片使之無法相對運動,完成駐車制動。當解除制動時,駐車制動電磁閥通電,P 與A 連通。反向調(diào)節(jié)制動閥無動作時,蓄能器向輪邊制動器輸入壓力。制動器內(nèi)施加在制動活塞的液壓力大于彈簧力時,活塞不再壓緊摩擦片,動靜摩擦片間可相對自由運動,此時制動解除。

反向調(diào)節(jié)制動閥實際上為一個踏板控制的比例減壓閥,作用是在車輛行駛過程中對蓄能器輸入到制動器的壓力進行精準控制,從而實現(xiàn)對輪邊制動器制動力的控制。反向調(diào)節(jié)制動閥內(nèi)有回位彈簧,在踩至不同位置時反饋至踏板的彈簧力不同,駕駛員可以根據(jù)踏板反饋力度及踏板踩下角度對制動器進行準確控制。

濕式彈簧制動器采用的單回路制動系統(tǒng)與液壓制動器采用的雙回路制動系統(tǒng)相比,管路相對更少,裝配及維修更加簡單。系統(tǒng)元件更少,設(shè)計更加簡單可靠。濕式彈簧制動器由于行車制動與駐車制動為同一制動器,采用單回路制動,在出現(xiàn)液壓閥故障及液壓泵供油故障時,制動器都會進入制動狀態(tài)。在發(fā)生管路破損等故障時,制動器會迅速失壓完成制動。

因此車輛采用濕式彈簧制動器可以最大程度防止事故的發(fā)生,其安全性可靠性更高。

3 蓄能器計算

制動系統(tǒng)動力源出現(xiàn)故障時,需要整車依舊可以正常完成減速和制動動作。因此蓄能器的正確選擇是很重要的。根據(jù)《礦用防爆柴油機無軌膠輪車通用技術(shù)條件》(MT/T 989—2006)的要求,行車制動動力源應有儲備,儲備量應使車輛在柴油機熄火的情況下實施5 次(含5 次)以上的制動[4]。

根據(jù)車輛實際運行工況分析,車輛在正常使用過程中,所進行的多次制動并非連續(xù)完成,因此視為等溫過程。而在當車輛處于應急狀態(tài),車輛連續(xù)制動操作,蓄能器工作循環(huán)時間≤1 min,因此應急制動視為絕熱過程。

蓄能器內(nèi)氣體壓縮和膨脹過程符合玻義耳定律(氣體狀態(tài)多變規(guī)律):

由公式(1)推導出,蓄能器容積V0為:

式中 P0—蓄能器預充氮氣壓力,MPa;

P1—最低工作壓力,MPa;

P2—最高工作壓力,MPa;

V0—有效氣體容量,L;

V1—在P1時的氣體容量,L;

V2—在P2時的氣體容量,L;

ΔV—有效油液容量,L;

n—多變指數(shù),等溫過程n=1,絕熱過程n=1.4。

KATG05 井下運輸車,前后橋四輪驅(qū)動,整車共四個制動器,單個制動器排量18 mL,蓄能器預充氮氣壓力取P0=6.6 MPa;最低工作壓力P1=11 MPa;最高工作壓力P2=15 MPa;蓄能器內(nèi)所充注壓力油可保證獨立完成有效制動5 次;則:ΔV=360 mL=0.36 L。

根據(jù)蓄能器容積V0計算公式:

當正常使用過程中,蓄能器氣體壓縮處于等溫過程(n=1),V0近似計算結(jié)果為2.2 L。當車輛連續(xù)進行制動操作時,蓄能器氣體壓縮處于絕熱過程(n=1.4),V0近似計算結(jié)果為2.6 L。

根據(jù)計算保證在車輛動力源故障時蓄能器獨立完成5 次有效制動,要求蓄能器總?cè)莘e在2.6 L 以上。結(jié)合蓄能器相關(guān)標準,KATG05 制動系統(tǒng)選用2個1.6 L 蓄能器可滿足相關(guān)安全要求。

4 結(jié)論

濕式彈簧制動器動靜摩擦片置于封閉的冷卻腔內(nèi),與外界雜質(zhì)隔絕,其使用壽命不受雜質(zhì)等的影響。摩擦片使用過程中無磨料磨損,且散熱能力好,因此使用壽命長且工作穩(wěn)定;摩擦片由于在完全密封的油液中工作,摩擦片間的磨損非常小[5]。且濕式彈簧制動器在系統(tǒng)發(fā)生任何失壓故障時自動完成制動,且可同時作為行車制動和駐車制動使用,液壓系統(tǒng)簡單、布置方便。濕式彈簧制動系統(tǒng)安全性高、適應性強,可廣泛應用于井下無軌運輸車。