礦用電機車制動系統(tǒng)動力學(xué)仿真及連桿機構(gòu)優(yōu)化

吳現(xiàn)憲

(西山煤電 西曲礦運輸五隊，山西 古交 030200)

0 引言

煤炭作為我國的主要能源之一，為我國國民經(jīng)濟的增長提供了穩(wěn)定、高效的動力。隨著“煤礦安全生產(chǎn)”口號宣傳力度的越來越大，確保綜采工作面的生產(chǎn)效率和安全性成為當(dāng)前煤礦生產(chǎn)的核心話題。礦用電機車作為綜采工作面的關(guān)鍵運輸設(shè)備之一，其運輸效率和安全性直接決定著綜采工作面的生產(chǎn)效率和作業(yè)人員的人身安全。對于礦用電機車而言，新形勢下要求該設(shè)備在保證安全性的前提下盡可能大地發(fā)揮其運輸效率[1]。而在實際生產(chǎn)中，由于礦用電機車制動系統(tǒng)的制動性能較差，常采用限制其運行速度和牽引重量的手段縮短其制動時間和制動距離，以達到安全生產(chǎn)的目的，這樣大大制約了工作面的生產(chǎn)效率，造成了設(shè)備能力的浪費。因此，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)能力為其配置相應(yīng)的運輸設(shè)備或?qū)ΜF(xiàn)有設(shè)備進行優(yōu)化設(shè)計，以充分發(fā)揮其運輸能力，進而提升工作面的運輸效率和安全系數(shù)。本文以用于某礦的電機車為例開展一系列研究。

1 礦用電機車液壓制動原理分析

該礦用電機車采用的制動系統(tǒng)類型為液壓制動系統(tǒng)，其液壓制動原理如圖1所示。

液壓制動系統(tǒng)直接提升了電機車制動系統(tǒng)的自動化程度，并有效解決了作業(yè)人員由于操作過程中個人因素、環(huán)境因素等造成的對操縱桿延時控制致使空行程大的問題。其中，基于液壓控制的液壓能量回收裝置達到了節(jié)能的效果，基于拉桿閘瓦的制動裝置大大縮小了電機車的空行程距離[2]?？傊撘簤褐苿酉到y(tǒng)較傳統(tǒng)制動系統(tǒng)的性能有了一定程度的提升。

2 礦用電機車制動系統(tǒng)的動力學(xué)仿真

本文基于AMESim軟件，對該礦用電機車液壓制動系統(tǒng)的動力學(xué)特性進行仿真分析。

2.1 電機車動力學(xué)模型的搭建

在對礦用電機車液壓制動系統(tǒng)原理分析的基礎(chǔ)上，基于AMEsim軟件搭建了對應(yīng)的動力學(xué)仿真模型，如圖2所示。

2.2 仿真參數(shù)的設(shè)置

該礦用電機車在實際運行過程中可在1檔、2檔、3檔3種速度下運行。根據(jù)實際生產(chǎn)情況，電機車在1檔時的制動距離均能夠滿足《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)標準要求[3]。因此，本節(jié)將著重對礦用電機車在2檔、3檔時上坡、水平以及下坡時緊急制動和正常制動工況下制動系統(tǒng)的動力學(xué)特性進行仿真分析。根據(jù)電機車相關(guān)零部件參數(shù)對動力學(xué)仿真模型中的參數(shù)進行設(shè)置。礦用電機車制動桿系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置結(jié)果如表1所示。

1-油箱；2-過濾器；3-變量泵；4-單向閥；5-溢流閥；6-低壓蓄能器；7-高壓蓄能器；8-壓力表；9-液壓缸；10-三位四通換向閥；11-節(jié)流閥；12-二位二通液壓閥；13-系統(tǒng)復(fù)位閥

2.3 動力學(xué)仿真結(jié)果分析

將搭建的電機車動力學(xué)模型中各個參數(shù)設(shè)置完畢后開始進行仿真分析。在初始速度10 km/h的情況下分別對電機車上坡、水平以及下坡時制動系統(tǒng)給予緊急制動或者正常制動，對電機車的制動時間、制動距離以及蓄能器的壓力變化情況進行仿真分析[4]。仿真結(jié)果如表2、表3所示。

圖2 電機車制動系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型

表1 礦用電機車制動桿系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置

表2 不同工況下制動時間仿真結(jié)果 s

表3 不同工況下制動距離仿真結(jié)果 m

通過分析可知：緊急制動工況下制動時間、制動距離均高于正常制動，分別高19%和28.9%；電機車下行時的制動時間和制動距離均高于上行和水平運行時，三者的關(guān)系為上行<水平<下行。

3 連桿機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

連桿機構(gòu)作為礦用電機車液壓制動系統(tǒng)的核心部件，其主要功能是為閘瓦與車輪制動過程提供制動力。通過對電機車制動系統(tǒng)連桿機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計可改變其制動力，進而對其制動性能產(chǎn)生影響[5]。電機車制動

桿系統(tǒng)連桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 制動系統(tǒng)連桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3中，l1為拉桿長度，l2為前制動桿的長度，l3為傳動桿的長度，l4為后制動桿的長度,GD、GE為機架桿，K點到x軸的垂直距離為l5，D點到x軸的垂直距離為l6，S為K點與D點之間的水平距離，A、B、C、D、E、K為銷軸連接,拉桿在力F的作用下向右移動。

本文采用遺傳算法對連桿中關(guān)鍵部件的尺寸進行優(yōu)化，優(yōu)化前、后連桿關(guān)鍵部位的尺寸如表4所示。

表4 優(yōu)化前、后連桿關(guān)鍵部位尺寸 mm

4 結(jié)語

礦用電機車作為綜采工作面的關(guān)鍵運輸設(shè)備之一，其主要功能是將工作面的物料及作業(yè)人員快速、高效、安全地運送至地面。提升礦用電機車制動系統(tǒng)的制動性能能夠充分發(fā)揮設(shè)備的運輸效率，進而提高工作面的生產(chǎn)效率，并為安全生產(chǎn)提高保障。經(jīng)仿真分析可知：礦用電機車上行、水平以及下行三種工況下制動時間與制動距離的關(guān)系為：上行<水平<下行；緊急制動時的制動時間和制動距離大于正常制動的情況。為提升礦用電機車制動系統(tǒng)的制動性能，可通過對其連桿機構(gòu)的關(guān)鍵尺寸進行優(yōu)化來實現(xiàn)。在今后的研究中可加強對制動系統(tǒng)零部件的改造，引入先進控制系統(tǒng)提升礦用電機車的制動性能。