礦用防爆車輛智能穩(wěn)速制動液壓系統(tǒng)設(shè)計

(中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院， 山西 太原 030006)

引言

礦用防爆車輛具有高機(jī)動性、高效和減人化的優(yōu)勢，是我國大采深煤礦輔運(yùn)領(lǐng)域的主力軍，車輛制動系統(tǒng)為煤礦物料運(yùn)輸、人員生命的安全提供有效保障，確保了煤礦的安全、高效生產(chǎn)[1-3]。由于煤礦井下特殊環(huán)境決定了礦用車輛制動能量大、制動頻次高的特性，引發(fā)其在長距離大坡度工況時高頻次點剎制動、制動過程頻發(fā)制動力不足、響應(yīng)慢、車輛失速危險性高的安全隱患[4-6]。因此，礦用車輛制動系統(tǒng)必須能夠有效控制車輛行駛速度穩(wěn)定在安全行駛速度， 避免了車輛下坡過程中的高頻次點剎制動，杜絕了車輛坡道失速的發(fā)生[7-8]。

1 設(shè)計要求

(1) 整車滿載質(zhì)量12×103kg，輪胎滾動半徑0.47 m；

(2) 滿載車輛水平路面工況以20 km/h速度行駛，制動距離≤8 m；

(3) 滿載車輛在6°～8°坡道行駛時(圖1所示)，駕駛?cè)藛T不采取行車制動干預(yù)的情況下，車輛聯(lián)合制動系統(tǒng)要確保車輛坡道穩(wěn)定行駛速度≤15 km/h[9]；

(4) 車輛聯(lián)合制動系統(tǒng)與整車行車制動系統(tǒng)相互獨立，駕駛?cè)藛T只操作行車制動，聯(lián)合制動功能要具有智能自動觸發(fā)性。

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計

通過對礦用車輛液壓制動系統(tǒng)提出的具體要求，經(jīng)分析、研究，制定了如圖2所示的液壓系統(tǒng)原理圖，系統(tǒng)主要由充液閥、行車制動蓄能器、行車制動閥、速度傳感器、壓力傳感器、液壓感載閥、聯(lián)合制動蓄能器、數(shù)據(jù)采集主機(jī)、顯示器、數(shù)據(jù)處理器、防爆電磁閥、動力切斷閥、聯(lián)合制動器以及冷卻系統(tǒng)組成，整車布置圖如圖3所示。

圖1 車輛坡道示意圖及受力分析

1) 行車制動回路

為提高礦用車輛制動安全性，車輛行車制動回路設(shè)計為雙回路制動系統(tǒng)，行車制動閥可以獨立對前、后橋2個制動器實施制動，確保在其中一路制動系統(tǒng)出現(xiàn)問題時， 另一路仍然可以正常工作。系統(tǒng)采用全液壓濕式制動器作為執(zhí)行元件為整車提供所需制動力矩，采用MICO公司生產(chǎn)的雙路液壓動力制動閥控制制動器,通過不同的閥芯開度輸出與駕駛?cè)藛T踩踏制動閥踏板力相對應(yīng)的制動力。用蓄能器儲存能量作為二次動力源，取代液壓泵做臨時動力源在制動過程中提供高壓制動液，可減短液壓泵工作時間，提高了系統(tǒng)節(jié)能性[10-12]。

圖2 智能穩(wěn)速聯(lián)合制動液壓系統(tǒng)原理圖

1.顯示器 2.行車制動閥 3.充液閥 4.油路塊 5.行車制動蓄能器 6.冷卻液壓泵 7.主機(jī)、處理器 8.前橋行車制動器 9.前橋感載閥 10.壓力傳感器 11.防爆電磁閥 12.聯(lián)合制動蓄能器 13.后橋防爆電磁閥 14.后橋行車制動器 15.后橋感載閥 16.轉(zhuǎn)速傳感器 17.后橋聯(lián)合制動器

2) 動力切斷回路

動力切斷回路實現(xiàn)整車制動過程特定工況下切斷變速箱動力輸出的功能，既保護(hù)傳動系統(tǒng)同時可以有效減緩制動系統(tǒng)工作負(fù)荷。動力切斷系統(tǒng)由變速箱壓力切斷閥、梭閥及壓力檢測閥組成。

3) 穩(wěn)速聯(lián)合制動回路

穩(wěn)速聯(lián)合制動回路主要功能是實現(xiàn)滿載車輛坡道下行時，有效控制車輛行駛速度穩(wěn)定在安全行駛速度，避免車輛下坡過程中的高頻次點剎制動，杜絕車輛坡道失速的發(fā)生?；芈分饕伤俣葌鞲衅?、壓力傳感器、液壓感載閥、聯(lián)合制動蓄能器、數(shù)據(jù)采集主機(jī)、顯示器、數(shù)據(jù)處理器、防爆電磁閥、聯(lián)合制動器以及冷卻系統(tǒng)組成。

坡道行駛時，開啟主機(jī)，車速傳感器測定輪邊轉(zhuǎn)速，并向數(shù)據(jù)采集主機(jī)發(fā)送速度脈沖信號，主機(jī)接收信號后向顯示器和處理器發(fā)送指令，顯示器顯示當(dāng)前車速，處理器將信號數(shù)值與預(yù)先設(shè)定值進(jìn)行運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果自主判斷是否向主機(jī)反饋信號，如圖4所示：當(dāng)車速低于預(yù)先設(shè)定安全車速，數(shù)據(jù)信息被儲存，處理器不向主機(jī)發(fā)送反饋信號；當(dāng)車速高于預(yù)先設(shè)定安全車速，處理器向主機(jī)發(fā)送反饋信號，主機(jī)接收到反饋信號后輸出電信號驅(qū)動防爆電磁閥動作，聯(lián)合制動蓄能器中制動油液通過防爆電磁閥進(jìn)入聯(lián)合制動器，聯(lián)合制動器制動，車輛在聯(lián)合制動器的作用下逐漸減速，當(dāng)車速傳感器檢測車速低于設(shè)定安全車速時，處理器停止發(fā)送指令信號，主機(jī)停止輸出電信號，防爆電磁閥在彈簧力的作用下復(fù)位，關(guān)閉聯(lián)合制動器制動油液供給，制動器活塞腔油液通過防爆電磁閥回到液壓油箱，聯(lián)合制動器解除制動，車輛維持現(xiàn)有速度正常行駛；車輛行駛過程中，駕駛?cè)藛T根據(jù)車輛行駛工況可隨時通過行車制動閥對車輛行駛速度進(jìn)行控制，行車制動功能與聯(lián)合制動功能相互獨立，互不影響，確保任何一個制動系統(tǒng)都可獨立實現(xiàn)整車制動功能。

圖4 電信號傳遞圖

3 系統(tǒng)元件選擇計算

3.1 行車制動回路元部件計算

根據(jù)設(shè)計要求:滿載車輛在平路工況運(yùn)行時，以最大行駛速度20 km/h運(yùn)行，要求車輛在駕駛?cè)藛T踩下行車制動踏板實施行車制動后，車輛最大制動距離≤8 m，根據(jù)運(yùn)動學(xué)公式滿載車輛在平路工況所需制動力矩為:

T=Ff·R

(1)

Ff=ma

(2)

vt-v0=2as

(3)

Ff=F1+Fμ

(4)

Fμ=μFN

(5)

F1=4×p·A

(6)

式中，T—— 總阻力矩,N·m

Ff—— 車輛制動總阻力,N

R—— 輪胎滾動半徑,m

vt，v0—— 車輛行駛速度,m/s

s—— 車輛制動距離,m

表1 制動閥型號及主要參數(shù)

表2 充液閥型號及主要參數(shù)

Fμ—— 車輛行駛阻力,N

F1—— 行車制動器提供的總之動力,N

p—— 制動器最大制動壓力,MPa

A—— 制動器摩擦片有效制動面積,m2

由以上公式得：

T=105852 N·m

F1=2.28×105 N

p=5.035 MPa

A=1.09×10-2m2

綜上,根據(jù)計算結(jié)果選取額定制動力矩27000 N·m的濕式液壓制動器，總制動力矩為108000 N·m，最大制動壓力5.035 MPa，單個制動器制動腔容積為0.035 L;選擇MICO公司雙回路液壓動力制動閥,制動閥型號及主要參數(shù)見表1。

系統(tǒng)單次制動共需要的高壓制動油液為0.2 L，則需要的蓄能器容積為：

V0=VW(p2/p0)1/n/[1-(p2/p1)1/n]

(7)

式中，p0,V0—— 蓄能器無壓力油輸入時，氣囊內(nèi)預(yù)充氣體的壓力和體積

p1—— 蓄能器工作狀態(tài)時氣囊內(nèi)氣體壓力

p2—— 蓄能器釋放能量后氣囊內(nèi)氣體壓力

VW—— 蓄能器的工作容積

n—— 工作指數(shù)

由蓄能器工作狀態(tài)確定，取n=1；系統(tǒng)設(shè)定：p0=9 MPa，p1=13.8 MPa，p2=11.4 MPa，根據(jù)式(2)可得：

確保連續(xù)制動次數(shù)為4～5次，VW=5×0.2=1.0 L，計算得V0=7.28 L；

選擇2個NXQ1-L4/20-H型蓄能器分別作為前后行車制動回路儲存能量的二次動力源，單個容積為4 L，最低工作溫度-30 ℃，匹配MICO公司雙回路充液閥為蓄能器充液,確保車輛聯(lián)合制動系統(tǒng)單次充液后能夠完成5次連續(xù)制動.充液閥型號及主要技術(shù)參數(shù)見表2。

3.2 動力切斷回路元部件選擇

車輛制動時，駕駛?cè)藛T綜合車速、車輛載荷以及行駛路況后給定制動閥踏板一個行程，制動閥輸出與之相應(yīng)的制動壓力，整車在制動器的制動作用下減速，壓力檢測閥時時檢測制動閥輸出的制動壓力值，當(dāng)該壓力值超過某一特定數(shù)值后(系統(tǒng)設(shè)置為2.4 MPa)，說明此時車輛行駛速度較快、載荷較大，需要較大的制動壓力進(jìn)行制動減速，壓力檢測閥關(guān)閉，不輸出壓力信號，變速箱壓力切斷閥關(guān)斷，變速箱無動力輸出，此時制動系統(tǒng)只需對整車慣性狀態(tài)制動，有效減緩制動系統(tǒng)工作負(fù)荷。

3.3 穩(wěn)速聯(lián)合制動回路元部件計算

1) 聯(lián)合制動器設(shè)計計算

車輛坡道下行時發(fā)動機(jī)處于怠速工況，根據(jù)發(fā)動機(jī)外特性曲線可知發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1000 r/min，輸出功率為30 kW，車速為15 km/h，車輛要實現(xiàn)減速需要的制動力矩為：

=10058 N·m

(8)

式中,p1—— 坡道總制動力矩

R—— 輪胎滾動半徑

m—— 整車滿載質(zhì)量

α—— 巷道坡度

P—— 發(fā)動機(jī)功率

v—— 車輛速度

μ—— 車輛滾動阻力系數(shù)

表3 電磁閥型號及主要參數(shù)

表4 液壓泵型號及主要參數(shù)

根據(jù)計算結(jié)果選取額定制動力矩3000 N·m的濕式液壓制動器，總制動力矩為12000 N·m，最大制動壓力3.5 MPa，單個制動器制動腔容積為0.02 L。

2) 制動蓄能器容積計算

系統(tǒng)單次制動共需要的高壓制動油液為4×0.02=0.08 L，則根據(jù)式(7)需要的蓄能器容積為：

連續(xù)制動次數(shù)為10次時，VW=10×0.08=0.8 L，計算得V0=5.83 L;

連續(xù)制動次數(shù)為15次時，VW=15×0.08=1.2 L，計算得V0=8.74 L;

連續(xù)制動次數(shù)為20次時，VW=20×0.08=1.6 L，計算得V0=11.65 L;

綜上，選定NXQ1-L10/20-H型蓄能器，容積為10 L，確保車輛聯(lián)合制動系統(tǒng)單次充液后能夠完成15次以上的連續(xù)制動。

3) 防爆比例電磁閥的設(shè)計

電磁閥的控制信號來自主機(jī)，電磁閥線圈0～2 A的控制電流對應(yīng)電磁閥輸出壓力0～3.5 MPa，主機(jī)根據(jù)接收感載閥反饋的前、后橋?qū)嶋H載荷分布分別向前、后橋電磁閥輸出不同大小的控制電流，確保前、后制動器提供與實際載荷相匹配的制動力矩，實現(xiàn)制動能量分配最優(yōu)化，提高系統(tǒng)能量利用率，減少能量損失[13-14]。電磁閥型號及主要技術(shù)參數(shù)見表3。

4) 冷卻系統(tǒng)設(shè)計計算

車輛坡道長時間下行過程中需要對聯(lián)合制動器系統(tǒng)進(jìn)行冷卻散熱，降低系統(tǒng)的溫升。車輛下坡過程以熱量的形式損耗能量為：

ΔEK=CρVΔT

(9)

式中, ΔEK—— 需要以熱量形式損耗的能量總和

C—— 液壓油比熱容，C=1 675 J/kg·℃

ρ—— 液壓油平均密度，ρ=865 kg/m3

V—— 液壓油體積

ΔT—— 液壓油溫度變化值，環(huán)境溫度取

25 ℃，ΔT=60 ℃

坡道長度5 km，由式(3)可得：

1680×865×V×60=12×104×5×103×

(0.139-0.019)

V=830 L

冷卻系統(tǒng)流量：830/20=41.5 L/min

冷卻液壓泵排量：41.5×103/1000=41.5 mL/r

綜上，選取排量為50 mL/r的定量齒輪泵作為冷卻系統(tǒng)動力源,液壓泵型號及主要技術(shù)參數(shù)見表4。

4 結(jié)論

本研究從煤礦井下實際運(yùn)行工況對礦用防爆膠輪車運(yùn)行要求出發(fā)，設(shè)計了一套智能穩(wěn)速制動電液系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定將車輛坡道車速自主智能控制安全行駛車速以下，有效避免了車輛運(yùn)行過程中的駕駛?cè)藛T高頻次點剎制動，制動系統(tǒng)頻繁充液導(dǎo)致系統(tǒng)油液溫度急速上升，油液泄漏增加，制動力不足，原件磨損加劇，響應(yīng)慢的安全隱患。目前該系統(tǒng)已在多種礦用防爆車輛上應(yīng)用。實踐證明，該系統(tǒng)有效提高了礦用車輛駕駛員生命安全保障，降低車輛故障率和維修成本，順應(yīng)了煤礦“高產(chǎn)高效，綠色安全”的發(fā)展趨勢。