礦用電機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)性能的仿真分析

吳現(xiàn)憲

（西山煤電西曲礦運(yùn)輸五隊(duì)， 山西 古交 030200）

引言

鑒于工作面巷道積存較多的瓦斯和煤塵，蓄電池礦用電機(jī)車被廣泛應(yīng)用。根據(jù)《煤炭安全規(guī)程》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，為確保生產(chǎn)效率及作業(yè)人員的人身安全，對(duì)礦用電機(jī)車的制動(dòng)距離提出了不同等級(jí)的要求。其中，針對(duì)物料制動(dòng)的距離要求為40 m，針對(duì)作業(yè)人員的制動(dòng)距離要求為20 m[1]。而在實(shí)際生產(chǎn)中，為確保礦用電機(jī)車制動(dòng)性能，常采用限制電機(jī)車的運(yùn)行速度和牽引載重量來實(shí)現(xiàn)，無法充分發(fā)揮其運(yùn)輸能力。本文對(duì)X礦用電機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行仿真分析。

1 礦用電機(jī)車參數(shù)

X礦礦用電機(jī)車為湖南雙馬電氣有限公司的產(chǎn)品，該礦用電機(jī)車的關(guān)鍵參數(shù)見表1。表1所示的礦用電機(jī)車的關(guān)鍵參數(shù)將為其制動(dòng)系統(tǒng)的仿真建模提供依據(jù)。

表1 某礦礦用電機(jī)車關(guān)鍵參數(shù)

2 礦用電機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)原理

礦用電機(jī)車的制動(dòng)依據(jù)其車頭制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，本文所研究電機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)為機(jī)械制動(dòng)裝置，可采用氣動(dòng)或者手動(dòng)兩種形式實(shí)現(xiàn)制動(dòng)[2]。某礦礦用電機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)為手動(dòng)/氣動(dòng)閘瓦機(jī)械制動(dòng)裝置。該電機(jī)車最多可牽引礦車數(shù)量為10節(jié)，最大牽引質(zhì)量為37.2 t。該機(jī)械制動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 礦用電機(jī)車機(jī)械制動(dòng)裝置原理圖

基于上述機(jī)械制動(dòng)裝置礦用電機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)的工作經(jīng)歷反應(yīng)、制動(dòng)閘瓦動(dòng)作、制動(dòng)持續(xù)動(dòng)作以及制動(dòng)停止四個(gè)過程，提升礦用電機(jī)車制動(dòng)性能的關(guān)鍵在于縮短設(shè)備的制動(dòng)時(shí)間，進(jìn)而縮短其制動(dòng)距離。

3 礦用電機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真

3.1 制動(dòng)過程數(shù)學(xué)模型的建立

基于對(duì)礦用電機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)原理及制動(dòng)過程的研究分析建立制動(dòng)距離與制動(dòng)時(shí)間的數(shù)學(xué)模型。礦用電機(jī)車制動(dòng)過程包括制動(dòng)空行程時(shí)間和實(shí)際制動(dòng)時(shí)間。制動(dòng)空行程時(shí)間為作業(yè)人員踩下腳踏板后閘瓦與車輪接觸的時(shí)間段；實(shí)際制動(dòng)時(shí)間為閘瓦與車輪已完全接觸[3]。礦用電機(jī)車在實(shí)際制動(dòng)過程中的制動(dòng)距離包括空行程距離和實(shí)際制動(dòng)距離，模型如式（1）所示：

式中：S為電機(jī)車制動(dòng)距離；V0為電機(jī)車運(yùn)行速度；t0為空行程時(shí)間；a'為電機(jī)車空行程期間的減速度，a為電機(jī)車的實(shí)際制動(dòng)減速度。

3.2 仿真模型的假設(shè)

為減小仿真計(jì)算的運(yùn)算量，節(jié)省運(yùn)算時(shí)間，針對(duì)礦用電機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)建立幾何模型時(shí)對(duì)其關(guān)鍵部件氣缸、活塞桿、制動(dòng)桿、連桿、調(diào)節(jié)螺栓以及閘瓦進(jìn)行建模。為了能夠得到更加準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)，在建模過程中做出如下假設(shè)：假設(shè)其車輪為純滾動(dòng)；忽略在裝配過程中各零部件之間的間隙；忽略閘瓦在制動(dòng)過程中的正常變形；將制動(dòng)系統(tǒng)各零部件視為剛體，忽略零部件之間的振動(dòng)。

3.3 制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果

基于3.1所搭建的模型，根據(jù)電機(jī)車的實(shí)際運(yùn)行情況對(duì)其添加相應(yīng)的約束力、負(fù)載以及制動(dòng)力等。作業(yè)人員在實(shí)際操作過程中電機(jī)車的空行程時(shí)間根據(jù)司機(jī)的反應(yīng)靈敏度而各不同，設(shè)電機(jī)車制動(dòng)過程的空行程時(shí)間為1 s，制動(dòng)力為1 600 N，電機(jī)車加速到額定運(yùn)行速度時(shí)間為0.5 s[4]?；谏鲜鲈O(shè)置后，對(duì)礦用電機(jī)車空載、滿載二擋運(yùn)行以及滿載三擋運(yùn)行的制動(dòng)距離和制動(dòng)時(shí)間進(jìn)行仿真分析，判斷其是否滿足《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，仿真結(jié)果見表2。

表2 制動(dòng)時(shí)間與制動(dòng)距離仿真結(jié)果分析

分析表2可知，在電機(jī)車在空載、滿載上坡、滿載水平二擋以及滿載二擋下坡時(shí)的制動(dòng)距離符合《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)要求；當(dāng)滿載水平運(yùn)行時(shí)總制動(dòng)距離接近40 m，處于臨界危險(xiǎn)狀態(tài)；當(dāng)滿載三擋下坡時(shí)其總制動(dòng)距離遠(yuǎn)超過安全制動(dòng)距離。因此，需對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，以縮短制動(dòng)距離。

4 提升制動(dòng)性能的策略

針對(duì)礦用電機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)性能差的問題，筆者基于實(shí)踐研究+理論分析的手段提出通過改進(jìn)制動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵機(jī)械結(jié)構(gòu)部件的結(jié)構(gòu)尺寸，以確保閘瓦能夠獲得更大的制動(dòng)力，進(jìn)而增加制動(dòng)減速度，縮小制動(dòng)時(shí)間，進(jìn)而減小制動(dòng)距離[5]。此外，由于工作面工作環(huán)境相對(duì)惡劣且燈光昏暗影響作業(yè)人員對(duì)電機(jī)車位置的判斷，加之作業(yè)人員疲勞后操作影響其操作精度，進(jìn)而增加了空行程時(shí)間和距離。

為此，后續(xù)結(jié)合相關(guān)理論計(jì)算對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)影響制動(dòng)力的機(jī)械結(jié)構(gòu)部件的尺寸或裝配形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的氣壓回路進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)外引入智能剎車控制系統(tǒng)兩方面分別縮短實(shí)際制動(dòng)距離和空行程距離，進(jìn)而縮小礦用電機(jī)車的總制動(dòng)距離，提升礦用電機(jī)車的安全系數(shù)。

5 結(jié)語

礦用電機(jī)車作為綜采工作面的主要運(yùn)輸設(shè)備，根據(jù)《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定要求其運(yùn)輸物料、作業(yè)人員時(shí)制動(dòng)距離不超過40 m、20 m。在實(shí)際生產(chǎn)中，為確保其制動(dòng)距離滿足要求，常通過限制運(yùn)行速度和牽引重量降低電機(jī)的運(yùn)行效率。X礦電機(jī)車在滿載下坡三擋以及滿載水平三擋運(yùn)行時(shí)存在極大的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)從改進(jìn)機(jī)械制動(dòng)部件結(jié)構(gòu)尺寸及裝配方式、改進(jìn)液壓回路及引入智能剎車系統(tǒng)等方面對(duì)其制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。