一種管片運(yùn)輸車(chē)儲(chǔ)氣筒容積的計(jì)算方法

張建恒 崔軍祥

ZHANG Jian-heng et al

鄭州新大方重工科技有限公司 河南鄭州 450064

一種管片運(yùn)輸車(chē)儲(chǔ)氣筒容積的計(jì)算方法

張建恒 崔軍祥

ZHANG Jian-heng et al

鄭州新大方重工科技有限公司 河南鄭州 450064

介紹了一種用于運(yùn)輸隧道盾構(gòu)管片的管片運(yùn)輸車(chē)空氣制動(dòng)系統(tǒng)工作原理，并對(duì)管片運(yùn)輸車(chē)所需要的儲(chǔ)氣筒容積進(jìn)行了建模、計(jì)算，經(jīng)實(shí)際產(chǎn)品運(yùn)行驗(yàn)證，該系統(tǒng)制動(dòng)性能優(yōu)良，從未出現(xiàn)因儲(chǔ)氣筒壓力不夠?qū)е轮苿?dòng)失靈的現(xiàn)象。此計(jì)算方法為同類(lèi)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了相關(guān)思路和參考。

管片運(yùn)輸車(chē) 空氣制動(dòng)系統(tǒng) 儲(chǔ)氣筒 容積 計(jì)算

1 前言

專(zhuān)用車(chē)輛尤其是改裝、新制工程車(chē)輛所使用的剎車(chē)系統(tǒng)基本上都是空氣制動(dòng)系統(tǒng)，空氣制動(dòng)系統(tǒng)所選用的儲(chǔ)氣筒不僅需要保證車(chē)輛的剎車(chē)性能，還需保證其經(jīng)濟(jì)合理性。目前，我國(guó)關(guān)于空氣制動(dòng)系統(tǒng)儲(chǔ)氣筒的設(shè)計(jì)文獻(xiàn)較少，大多是根據(jù)實(shí)踐積累得到的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，但是尚缺少必要的計(jì)算數(shù)據(jù)支持。筆者結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，以某管片運(yùn)輸車(chē)為例進(jìn)行研究分析。

2 建模依據(jù)

根據(jù)《GB 12676-1999 汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能和試驗(yàn)方》法中相關(guān)要求和規(guī)定，對(duì)于最高設(shè)計(jì)車(chē)速高于25 km/h的汽車(chē)及其連接的掛車(chē)，當(dāng)空壓機(jī)失效時(shí)，儲(chǔ)氣筒存儲(chǔ)的高壓空氣必須保證連續(xù)全行程行車(chē)制動(dòng)4次后，做第五次制動(dòng)時(shí)仍能以規(guī)定的應(yīng)急制動(dòng)（駐車(chē)制動(dòng)）將車(chē)輛停住，每次制動(dòng)間隔為20～30 s。因此要求專(zhuān)用汽車(chē)的空氣制動(dòng)系統(tǒng)在一定時(shí)間內(nèi)需要連續(xù)制動(dòng)5次才為合格。

對(duì)于最高設(shè)計(jì)車(chē)速低于25 km/h的汽車(chē)及其連接的掛車(chē)，國(guó)家則沒(méi)有專(zhuān)門(mén)規(guī)定，各生產(chǎn)制造企業(yè)自行制定標(biāo)準(zhǔn)，滿(mǎn)足實(shí)際工作需要即可。

由于空氣具有壓縮性，溫度壓力和體積之間存在著一定關(guān)系，這種關(guān)系就是克拉伯龍方程，下面利用克拉伯龍方程進(jìn)行建模計(jì)算。

克拉伯龍方程如下：

式中，P為氣體的壓強(qiáng)，Pa；V為氣體的體積；m為氣體的質(zhì)量；M為氣體的摩爾質(zhì)量，m/M為摩爾數(shù)；R為氣體普適恒量，R=8.31 J/mol；T為氣體的溫度，T =(t+273.15) K；t為需要計(jì)算部分的空氣所處的外界大氣溫度。

為了便于計(jì)算，現(xiàn)將溫度T看作是不變量，一定量的壓縮空氣發(fā)生等溫過(guò)程，則P1·V1= P2·V2。

P1為一定量的空氣在溫度為T(mén)、體積為V1情況下的壓強(qiáng)；V1為一定量的空氣在溫度為T(mén)、壓強(qiáng)為P1情況下的體積；P2為一定量的空氣在溫度為T(mén)、體積為V2情況下的壓強(qiáng)；V2為一定量的空氣在溫度為T(mén)、壓強(qiáng)為P2情況下的體積。

3 管片運(yùn)輸車(chē)儲(chǔ)氣筒容積計(jì)算

3.1 管片運(yùn)輸車(chē)基本參數(shù)

某管片運(yùn)輸車(chē)如圖1所示。車(chē)長(zhǎng)為13 m，車(chē)寬為2.5 m，車(chē)輛整備質(zhì)量為20 t，最大載質(zhì)量為65 t，最大總質(zhì)量為85 t，縱坡度為3%，橫坡為2%。該車(chē)有5根車(chē)橋，每根車(chē)橋安裝2件30寸的鼓式制動(dòng)氣室，其中第一、四、五橋是轉(zhuǎn)向橋，安裝的是單排鼓式制動(dòng)氣室，第二、三橋?yàn)轵?qū)動(dòng)橋，安裝的是雙排鼓式制動(dòng)氣室，全行程均為45 mm，每個(gè)單排或者雙排制動(dòng)氣室的行車(chē)腔容積均為1.065 L，繼動(dòng)閥到單排或者雙排鼓式制動(dòng)氣室的管路行程均為2 m，內(nèi)徑為10 mm，雙排鼓式制動(dòng)氣室的駐車(chē)腔容積為1.993 L，發(fā)動(dòng)機(jī)安裝的空壓機(jī)排量為300 ml，空壓機(jī)效率為50%，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速為800 r/min，下面計(jì)算該車(chē)空氣制動(dòng)系統(tǒng)儲(chǔ)氣筒容積。

圖1 管片運(yùn)輸車(chē)

3.2 空氣制動(dòng)原理

管片運(yùn)輸車(chē)空氣制動(dòng)原理如圖2所示。該車(chē)為雙駕駛室運(yùn)輸車(chē)輛，每一頭均可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛的正常操作，且可以通過(guò)梭閥實(shí)現(xiàn)互鎖，即一頭駕駛室工作時(shí)另一頭不起作用。根據(jù)原理圖可以看出，一共有4個(gè)雙排鼓式制動(dòng)氣室和6個(gè)單排鼓式制動(dòng)氣室，需要2個(gè)儲(chǔ)氣筒為管路提供壓力能。

管片運(yùn)輸車(chē)空氣制動(dòng)工作原理如下：

需要行車(chē)制動(dòng)時(shí)，踩下腳制動(dòng)閥，所有車(chē)橋共10個(gè)制動(dòng)氣室全部起作用，此時(shí)高壓空氣通過(guò)腳制動(dòng)閥的控制氣路打開(kāi)繼動(dòng)閥控制口（4口）的同時(shí)，主氣路的高壓空氣從繼動(dòng)閥的1口進(jìn)入，從2口出去到達(dá)單排或者雙排鼓式制動(dòng)氣室的行車(chē)腔，行車(chē)腔的彈簧伸出，從而實(shí)現(xiàn)行車(chē)制動(dòng)。

當(dāng)行車(chē)制動(dòng)結(jié)束時(shí)，松開(kāi)腳制動(dòng)閥，控制氣路的高壓空氣從腳制動(dòng)閥的排氣口排向大氣，行車(chē)腔的高壓空氣返回至繼動(dòng)閥3口，進(jìn)而排到大氣中，行車(chē)腔彈簧復(fù)位，解除行車(chē)制動(dòng)。

當(dāng)需要駐車(chē)制動(dòng)時(shí)，向后扳動(dòng)手制動(dòng)閥的手柄，控制氣路的高壓空氣從手制動(dòng)閥的排氣口排到大氣中，第二、三橋上面的4個(gè)雙排鼓式制動(dòng)氣室駐車(chē)腔的高壓空氣通過(guò)繼動(dòng)閥的3口排到大氣中，駐車(chē)腔的彈簧伸出進(jìn)而實(shí)現(xiàn)駐車(chē)制動(dòng)。

當(dāng)駐車(chē)制動(dòng)結(jié)束時(shí)，向前扳動(dòng)手制動(dòng)閥的手柄，通過(guò)手制動(dòng)閥控制氣路的高壓空氣打開(kāi)繼動(dòng)閥控制口（4口）的同時(shí)，主氣路的高壓空氣從繼動(dòng)閥的1口進(jìn)入，2口出去到達(dá)雙排鼓式制動(dòng)氣室的駐車(chē)腔，駐車(chē)彈簧被壓縮，解除駐車(chē)制動(dòng)。

圖2 管片運(yùn)輸車(chē)空氣制動(dòng)系統(tǒng)原理圖

3.3 最高設(shè)計(jì)速度大于25 km/h的計(jì)算

若最高設(shè)計(jì)速度為空載40 km/h，為了計(jì)算簡(jiǎn)便，管路行程均計(jì)為2 m，內(nèi)徑均為10 mm，計(jì)算后每根管路容積為0.157 L，每行車(chē)制動(dòng)一次單個(gè)制動(dòng)氣室所消耗的容積為1.065+0.157=1.22 L。

雙排鼓式制動(dòng)氣室行車(chē)腔起作用的最低工作壓力為0.2 MPa，考慮到行車(chē)制動(dòng)失效時(shí)駐車(chē)制動(dòng)起作用，且車(chē)輛在坡道上能夠駐車(chē)制動(dòng)，在坡道上行車(chē)制動(dòng)性能必須達(dá)到駐車(chē)制動(dòng)的效能，因此要求第五次行車(chē)制動(dòng)后儲(chǔ)氣筒壓力等于駐車(chē)腔彈簧的最低工作壓力。根據(jù)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)，雙排鼓式制動(dòng)氣室駐車(chē)腔彈簧最低工作壓力是0.55 MPa或0.6 MPa，故分別對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。

3.3.1 按照P5=0.55 MPa計(jì)算

假設(shè)所需儲(chǔ)氣筒容積為X L，一般儲(chǔ)氣筒初始?jí)毫?.8 MPa，現(xiàn)規(guī)定第一次行車(chē)制動(dòng)前，儲(chǔ)氣筒初始?jí)毫镻0，則P0=0.8 MPa；第一次行車(chē)制動(dòng)后，第二次行車(chē)制動(dòng)前儲(chǔ)氣筒壓力變?yōu)镻1；第二次行車(chē)制動(dòng)后，第三次行車(chē)制動(dòng)前儲(chǔ)氣筒壓力變?yōu)镻2；第三次行車(chē)制動(dòng)后，第四次行車(chē)制動(dòng)前儲(chǔ)氣筒壓力變?yōu)镻3；第四次行車(chē)制動(dòng)后，第五次行車(chē)制動(dòng)前儲(chǔ)氣筒壓力變?yōu)镻4；第五次行車(chē)制動(dòng)后儲(chǔ)氣筒壓力變?yōu)镻5，則P5=0.55 MPa。

按照每次行車(chē)制動(dòng)間隔20 s計(jì)算，輸出壓力為0.8 MPa時(shí)，根據(jù)公式：

式中，Vg為空壓機(jī)排量（壓力為0.1 MPa，自然吸氣時(shí)活塞腔的容積）300 ml/r；n為發(fā)動(dòng)機(jī)怠速，n=800 r/min；t為間隔時(shí)間，t=20 s；η為空壓機(jī)效率，η=50%；λ為空壓機(jī)輸入壓力與輸出壓力之比，λ=1/8。

可以計(jì)算得到，第一次行車(chē)制動(dòng)后，第二次行車(chē)制動(dòng)中，空壓機(jī)往儲(chǔ)氣筒額外輸送的空氣體積VZ1=5 L。第二次行車(chē)制動(dòng)后，第三次行車(chē)制動(dòng)中，空壓機(jī)往儲(chǔ)氣筒額外輸送的空氣體積VZ2=5 L。第三次行車(chē)制動(dòng)后，第四次行車(chē)制動(dòng)中，空壓機(jī)往儲(chǔ)氣筒額外輸送的空氣體積VZ3=5 L。第四次行車(chē)制動(dòng)后第五次行車(chē)制動(dòng)中空壓機(jī)往儲(chǔ)氣筒額外輸送的空氣體積VZ4=5 L。

根據(jù)克拉伯龍方程等溫過(guò)程P1· V1= P2·V2，建立方程組如下：

公式變換之后得到：

將P0= 0.8，P5= 0.55帶入公式，并建立矩陣方程

運(yùn)用專(zhuān)業(yè)數(shù)學(xué)工程軟件Maple建立矩陣方程，計(jì)算后X1= 87.559 L。

3.3.2 按照P5 = 0.6 MPa計(jì)算

如果雙排鼓式制動(dòng)氣室駐車(chē)腔彈簧最低工作壓力為0.6 MPa，則矩陣方程變?yōu)?/p>

運(yùn)用專(zhuān)業(yè)數(shù)學(xué)工程軟Maple建立矩陣方程，計(jì)算后得到X2= 121.438 L。

考慮到單排和雙排鼓式制動(dòng)氣室由于相同型號(hào)的氣室因主機(jī)的差異，零件的形狀也存在差異，最終需通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定雙排鼓式制動(dòng)氣室駐車(chē)腔彈簧最低工作壓力是0.55 MPa還是0.6MPa，確定過(guò)程較為麻煩。同時(shí)由于空壓機(jī)輸出到儲(chǔ)氣筒的壓縮空氣溫度偏高，因此各型號(hào)的實(shí)際容積應(yīng)該適當(dāng)放大一點(diǎn)。由于計(jì)算的空壓機(jī)效率有些偏低以及制動(dòng)間隔時(shí)間按照20 s計(jì)算較為保守，綜合考慮選用2個(gè)80 L儲(chǔ)氣筒。

3.4 最高設(shè)計(jì)速度低于25 km/h的計(jì)算

若最高設(shè)計(jì)速度為空載20 km/h，其他參數(shù)均不變，根據(jù)每臺(tái)運(yùn)輸車(chē)輛的使用工況不同，對(duì)空氣制動(dòng)部分單位時(shí)間內(nèi)所需要的制動(dòng)次數(shù)由生產(chǎn)企業(yè)自己確定，根據(jù)筆者實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，按照一分鐘內(nèi)行車(chē)制動(dòng)連續(xù)制動(dòng)三次合格即可。所選用的雙排鼓式制動(dòng)氣室駐車(chē)腔彈簧最低工作壓力為0.6 MPa。建立方程組如下

P0·X = P1·(X + 1.22×10)

P1·X + 5×0.8 = P2·(X + 1.22×10)

P2·X + 5×0.8 = P3·(X + 1.22×10)

公式變換之后

P0·X - P1·(X + 12.2)= 0

P1·X - P2·(X + 12.2)= -4

P2·X - P3·(X + 12.2)= -4

將P0= 0.8，P3= 0.6帶入，建立矩陣方程

運(yùn)用Maple軟件建立矩陣方程，求得X3=77.996 L。

綜合考慮后選用1個(gè)60 L儲(chǔ)氣筒及1個(gè)40 L 儲(chǔ)氣筒即可。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)產(chǎn)品制造完成后，經(jīng)過(guò)重載全行程制動(dòng)試驗(yàn)后能夠滿(mǎn)足制動(dòng)性能要求?，F(xiàn)已經(jīng)在施工現(xiàn)場(chǎng)正常運(yùn)行1年有余，反饋制動(dòng)性能優(yōu)良，從未遇到過(guò)制動(dòng)時(shí)儲(chǔ)氣筒壓力不夠?qū)е轮苿?dòng)失靈的現(xiàn)象。本計(jì)算方法可解決專(zhuān)用汽車(chē)、尤其是改裝汽車(chē)儲(chǔ)氣筒容積的計(jì)算，進(jìn)而選用合適的儲(chǔ)氣筒容積，亦為同類(lèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了思路和參考。

[1]GB 12676-1999汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能和試驗(yàn)方法[s].

[2]干曉蓉.線性代數(shù)[M].北京:高等教育出版社,2013.

A Method for Calculating Volume of Cylinders in A Tunnel Segment Transport Vehicle

A schematic diagram of an air brake system was introduced for a tunnel segment transport vehicle used to transport tunnel segment, and models and calculates the volume of the cylinder required for the segment transport vehicle. The actual product verification provide more help to the relevant designers.

tunnel segment transport vehicle; air brake system schematic;cylinder; volume; calculation

U469.6.02

A

1004-0226(2017)08-0112-03

張建恒 ，男，1982年生，工程師，現(xiàn)從事專(zhuān)用車(chē)輛設(shè)計(jì)工作。

2017-05-26