礦用防爆無軌膠輪車多盤制動(dòng)器的設(shè)計(jì)研究

周 輝

（晉能集團(tuán)金辛達(dá)煤業(yè)有限公司， 山西 臨汾 041000）

引言

在礦井開采中防爆無軌膠輪車被廣泛使用，它是一種高性能、高效率、占用人員少及安全性更高的輔助運(yùn)輸工具。煤礦開采的地域不同，環(huán)境復(fù)雜程度不一，為了解決傳統(tǒng)運(yùn)輸中行駛速度緩慢、效率較低及環(huán)境適應(yīng)性差等問題，防爆無軌膠輪車大量投入使用。由于濕式多盤制動(dòng)器的特殊結(jié)構(gòu)及具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，非常符合防爆無軌膠輪車的使用要求，在防爆無軌膠輪車中得到廣泛應(yīng)用。因此，對無軌膠輪車輪邊的多盤制動(dòng)器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而使無軌膠輪車的制動(dòng)更加安全可靠。

1 無軌膠輪車的特點(diǎn)

防爆無軌膠輪車的運(yùn)輸系統(tǒng)分為機(jī)車運(yùn)行巷道、運(yùn)行路面、設(shè)備、無軌運(yùn)輸系統(tǒng)硐室、配套設(shè)施以及安全裝備等。其中機(jī)車運(yùn)行巷道中車輛距巷道兩側(cè)的附著物的突出部分大于等于0.6 m，距頂板吊掛物的突出部分大于等于0.3 m。機(jī)車的運(yùn)行路面分為天然路面和人工路面。

無軌膠輪車的設(shè)備按運(yùn)輸能力和用途可分為重型支架搬運(yùn)車、中型多用途車及自卸車、小型多用途車及客貨兩用車等。

由于防爆無軌膠輪車的無軌道的限制，具有設(shè)備性能優(yōu)良、適應(yīng)性較強(qiáng)、靈活性高、安全可靠的特點(diǎn)[1-2]。防爆無軌膠輪車較傳統(tǒng)的輔助運(yùn)輸方式而言，其最主要的優(yōu)勢是運(yùn)速快、運(yùn)輸能力大、占用人員少且運(yùn)輸效率高，可實(shí)現(xiàn)一次裝載后的直達(dá)運(yùn)輸，從地面至采區(qū)工作面或從井口到采區(qū)工作面不經(jīng)轉(zhuǎn)載[3]。同時(shí)還具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如車型較多、應(yīng)用范圍廣泛、爬坡能力強(qiáng)、載重性能好、運(yùn)輸成本低、不受軌道限制、通過能力大、減人增效、初期投資費(fèi)用低等[4]。

2 制動(dòng)器的分析

2.1 制動(dòng)器的設(shè)計(jì)原則

1）車輛需設(shè)置工作制動(dòng)，并且該制動(dòng)的最大靜態(tài)制動(dòng)力必須符合50%機(jī)車的最大質(zhì)量。

2）車輛需設(shè)置停車制動(dòng)，該制動(dòng)在車輛的動(dòng)力運(yùn)行及動(dòng)力停止運(yùn)行時(shí)可以起作用。該裝置保證機(jī)車在規(guī)定的坡道上承載1.5 倍最大負(fù)荷時(shí)，可以保持靜止?fàn)顟B(tài)。

3）車輛額定載荷，初始速度為20 km/h 的平道上的制動(dòng)距離應(yīng)小于等于8 m,若車輛的最大運(yùn)行速度小于20 km/h，再流動(dòng)損失，總壓也隨流動(dòng)遞減[5-7]。

2.2 制動(dòng)器的作用

1）駕駛員可使行駛的礦車強(qiáng)行減速甚至停車；

2）在各種道路上可使得已停駛的礦車穩(wěn)定駐車；

3）可使得正下坡行駛的礦車速度保持穩(wěn)定。

2.3 制動(dòng)器的分類

制動(dòng)器可分為塊式制動(dòng)器及盤式制動(dòng)器兩種。

2.3.1 塊式制動(dòng)器

塊式制動(dòng)器也稱鼓式制動(dòng)器，它是通過制動(dòng)塊在制動(dòng)輪上壓緊來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)的?，F(xiàn)今的鼓式制動(dòng)器主要是內(nèi)張式，它的制動(dòng)塊位于制動(dòng)輪的內(nèi)側(cè)，在制動(dòng)的時(shí)候制動(dòng)塊向外張開，摩擦制動(dòng)輪的內(nèi)側(cè)，達(dá)到制動(dòng)的目的。該制動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)是具有良好的剎車性能。但在下雨天沾染雨水后容易發(fā)生打滑現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成剎車失靈的狀況[8-10]。

2.3.2 盤式制動(dòng)器

盤式制動(dòng)器又可稱為碟式制動(dòng)器。它是由液壓控制，制動(dòng)盤用合金鋼制造并固定在車輪上，隨車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。該制動(dòng)器的特點(diǎn)是散熱快、重量較輕、制動(dòng)效果穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、高負(fù)載時(shí)耐高溫性能好等。和鼓式制動(dòng)器相比，它沒有摩擦助勢作用而且輸出制動(dòng)力矩相同的情況下，尺寸和質(zhì)量一般較??；制動(dòng)盤沿厚度方向的熱膨脹量也很小。唯一的不足是它的成本較高。

但由于礦山使用的機(jī)械車輛通常在路面極差（坡度陡、彎道多、經(jīng)常有積水等）的煤礦井下工作，運(yùn)行環(huán)境較為惡劣，巷道路面多崎嶇不平，巷道內(nèi)粉塵和煤泥比較多，且常有積水，還含有瓦斯，因而其使用的制動(dòng)器除需滿足一定的制動(dòng)力外，還必須防水、防爆、抗污染和穩(wěn)定可靠[11]；而且車輛本身質(zhì)量和負(fù)載很大，為了使工作效率更高，必須對制動(dòng)器的性能要求更加嚴(yán)格。

由于制動(dòng)器性能的優(yōu)劣直接影響到整車的性能。而其中盤式制動(dòng)器中的全封閉式實(shí)施多盤制動(dòng)器非常適合煤礦井下作業(yè)。相對于傳統(tǒng)的蹄鼓式制動(dòng)器和鉗盤式制動(dòng)器，全封閉多盤濕式制動(dòng)器有以下的優(yōu)點(diǎn)[12-13]:

1）工作面積較大，在比較小的體積下仍有非常大的制動(dòng)力矩，元件承受的壓力相對較低；

2）可以保持長距離的連續(xù)制動(dòng)，在產(chǎn)生較高溫度時(shí)，也不會(huì)引起失控和失爆；

3）由于其為全封閉結(jié)構(gòu),因此車輛在泥水路面行駛時(shí),制動(dòng)性能好；

4）其為多片摩擦，使得摩擦片上單位面積受壓小，熱穩(wěn)定性能好；摩擦片還可浸在油中冷卻，散熱性好，使其使用壽命大大提高；

5）容易實(shí)現(xiàn)系列化及標(biāo)準(zhǔn)化；通過簡單地改變摩擦片的數(shù)目，可得到許多不同制動(dòng)力矩的制動(dòng)器；

6）使用維修都很方便，不需要調(diào)整間隙。

因此，全封閉濕式多盤制動(dòng)器將替代傳統(tǒng)的蹄鼓式制動(dòng)器，能徹底解決井下泥水多引起的制動(dòng)失靈及失效的難題，實(shí)現(xiàn)無軌膠輪車輛的制動(dòng)系統(tǒng)的防爆與安全，極大地改善車輛制動(dòng)的平穩(wěn)性和對煤礦井下惡劣環(huán)境的適應(yīng)性。

3 濕式多盤式制動(dòng)器的設(shè)計(jì)方案

3.1 制動(dòng)器的總體結(jié)構(gòu)

圖1 為制動(dòng)器的總體結(jié)構(gòu)，由高壓油腔和潤滑油腔兩部分組成，其主要零件為靜殼、活塞、靜壓盤、鋼片、粉片、動(dòng)殼、動(dòng)壓盤、碟簧組等。其工作原理是通過彈簧制動(dòng)，液壓釋放；通過幾組碟形彈簧組壓縮作用到壓盤，使動(dòng)壓盤移動(dòng)，將彈簧力傳遞到摩擦片上，使得粉片和鋼片壓緊，從而使車輛產(chǎn)生制動(dòng)；當(dāng)活塞腔充液后，活塞就會(huì)產(chǎn)生右移，會(huì)再次壓縮碟形彈簧組，這時(shí)鋼片和粉片就會(huì)逐漸脫離接觸，車輛解除制動(dòng)。

隨著再生水大規(guī)模利用，在下游直接和間接使用達(dá)標(biāo)排放污水的用水戶與上游再生水使用者之間、各種再生水利用途徑之間會(huì)發(fā)生競爭，部分用戶的水權(quán)會(huì)受到影響。美國的水權(quán)制度對再生水利用的水權(quán)規(guī)定，傾向于不將污水的使用權(quán)納入原來的水權(quán)體系，即作為獨(dú)立的水資源種類在原有水權(quán)體系之外加以管理。只要不違反原有水權(quán)對排放地點(diǎn)的規(guī)定，且排放減少不造成下游經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的嚴(yán)重?fù)p失，一些州規(guī)定污水可以由污水處理廠再生利用，另一些州則規(guī)定可以在排入河道后發(fā)放許可證由其他用戶再生利用。

3.2 局部零件設(shè)計(jì)方案

3.2.1 摩擦片選取及布置

摩擦材料選取的要求：工作溫度不易過高；摩擦因數(shù)越高越穩(wěn)定；耐磨性好，受壓能力強(qiáng)；具有一定的耐油、耐濕、抗腐蝕及抗膠合性能；具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和良好的制造工藝性等。

圖1 設(shè)計(jì)的制動(dòng)器整體結(jié)構(gòu)方案

本設(shè)計(jì)的摩擦片材料為銅基粉末，壓強(qiáng)可達(dá)2.74～3.92 MPa。通過計(jì)算可知摩擦片共有7 個(gè)，粉片和鋼片是相間排列的，鋼片要比粉片多一個(gè)，所以粉片需要3 個(gè)，鋼片需要4 個(gè)，它們的排列結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 摩擦片

3.2.2 動(dòng)殼零件的設(shè)計(jì)

鋼片外花鍵應(yīng)該應(yīng)和動(dòng)殼的內(nèi)花鍵相匹配。并且在動(dòng)殼和靜殼接觸處也要安裝浮封環(huán)進(jìn)行密封，其結(jié)構(gòu)如下圖3 所示。

圖3 動(dòng)殼結(jié)構(gòu)

3.2.3 活塞零件的設(shè)計(jì)

粉片的內(nèi)花鍵應(yīng)和活塞的外花鍵相匹配。

3.2.4 動(dòng)壓盤和靜壓盤零件設(shè)計(jì)

摩擦片兩側(cè)的鋼片要和壓盤7、11 緊貼著，動(dòng)壓盤和靜壓盤的最大徑向尺寸和粉片外徑相關(guān)，靜壓盤和動(dòng)壓盤的最小徑向尺寸和鋼片內(nèi)徑相關(guān)，靜壓盤緊貼靜殼并與之為一體，動(dòng)壓盤和活塞緊貼用螺栓為一體。

3.2.5 靜殼零件的設(shè)計(jì)

在靜殼上有與活塞腔相通的進(jìn)油接口和排空嘴。而且需有與靜壓盤相通的通氣孔，最后留有與法蘭相接的螺栓孔。

3.2.6 碟簧組分布

碟簧組有10 組。疊在一起的碟形彈簧組通過螺栓來連接，碟簧組兩側(cè)分別壓在彈簧腔底和動(dòng)壓盤上，同時(shí)用螺栓來固定，則碟簧組分布如圖4 所示。

圖4 10 組碟簧組分布圖

在潤滑油腔內(nèi)設(shè)計(jì)進(jìn)油接口和放油塞。安裝制動(dòng)器時(shí)不僅要求動(dòng)殼和輪轂連接，靜殼也需與法蘭用螺栓相連接。在設(shè)計(jì)過程中所需要一些標(biāo)準(zhǔn)零件如螺栓、墊圈、O 型圈等都需要查設(shè)計(jì)手冊來完成，而且在設(shè)計(jì)零件時(shí)還要查出它們所需的形位公差。

3.3 典型零件校核

3.3.1 活塞上花鍵校核

活塞（圖5）和摩擦片的花鍵副INT/EXT 105z×3 m×30P×7H/7h。GB/T 3478.1—1995：制動(dòng)器輸入轉(zhuǎn)矩T=6 990 N·m，活塞外花鍵結(jié)合長度L=40 mm,所選條件是45 號鋼，硬度（HRC）為45～52 ，屈服強(qiáng)度為σ0.2=265 MPa，抗拉強(qiáng)度σb=520 MPa。

3.3.2 螺栓的校核

螺栓組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目的是合理的確定螺栓的數(shù)目和布置形式，分布在同一圓周上的螺栓數(shù)目應(yīng)取成偶數(shù)，以便在圓周上鉆孔時(shí)分度和劃線。

4 結(jié)論

無軌膠輪車的濕式多盤制動(dòng)器，可提高并且保障制動(dòng)器工作性能的可靠性，使得防爆無軌膠車的制動(dòng)性能大幅度提升，提升生產(chǎn)效率。

圖5 活塞