礦用防爆車輛智能穩(wěn)速聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)研究

韋建龍

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院，山西 太原 030006)

礦用防爆車輛具有高機(jī)動(dòng)性、高效和減人化的優(yōu)勢(shì)成為我國(guó)大采深煤礦輔運(yùn)領(lǐng)域的主力軍，其高機(jī)動(dòng)性決定了防爆車輛具有適用于長(zhǎng)距離運(yùn)輸錨桿、錨網(wǎng)等支護(hù)設(shè)備以及各種輔料的能力，同時(shí)車輛全液壓濕式制動(dòng)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)[1-5]。

1 大坡度長(zhǎng)距離輔運(yùn)巷道運(yùn)輸工況概述

隨著我國(guó)井工煤礦進(jìn)入深部開(kāi)采，輔運(yùn)巷道呈現(xiàn)出長(zhǎng)距離大坡度的特性，山西、陜西、內(nèi)蒙古等地區(qū)部分礦井輔運(yùn)巷道坡度達(dá)到8°左右，局部巷道甚至出現(xiàn)16°的大坡度巷道條件[6]：如山西錦興能源有限公司肖家洼煤礦長(zhǎng)3100m，平均坡度8°的長(zhǎng)距離坡道[7]；同煤集團(tuán)同忻煤礦兩段坡度為6°，長(zhǎng)度分別為3000m和2300m坡道，坡道間隔僅為150m，等同于5300m的6°連續(xù)長(zhǎng)距離坡道。

2 車輛坡道行駛制動(dòng)分析

車輛下坡行駛時(shí)，當(dāng)輪胎運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)轉(zhuǎn)速低于傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速，車輛下行動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)和位置勢(shì)能分量共同提供，車輛速度逐漸增快；當(dāng)輪胎運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)轉(zhuǎn)速高于傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速，車輛發(fā)動(dòng)機(jī)處于跟隨被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦、慣性等因素，發(fā)動(dòng)機(jī)處于反拖制動(dòng)狀態(tài)[8-10]，阻止車速的增加，車輛減少的位置勢(shì)能持續(xù)轉(zhuǎn)化為車輛的坡道下行動(dòng)力，產(chǎn)生一個(gè)方向與車輛下行方向相同的加速度，車輛坡道示意及受力分析如圖1所示。在加速度的作用下，車輛下坡動(dòng)能持續(xù)增加，速度越來(lái)越快，為確保車輛行駛安全，駕駛?cè)藛T需要不斷踩踏行車制動(dòng)踏板進(jìn)行高頻次點(diǎn)剎制動(dòng)，確保降低車輛行駛速度不超過(guò)安全行駛速度范圍。車輛長(zhǎng)時(shí)間高頻次點(diǎn)剎制動(dòng)，不斷消耗制動(dòng)蓄能器預(yù)充制動(dòng)能量，液壓制動(dòng)系統(tǒng)需要頻繁充液補(bǔ)充制動(dòng)蓄能器中的儲(chǔ)備制動(dòng)能量，導(dǎo)致系統(tǒng)油液溫度急速上升，油液泄漏增加原件磨損加劇，制動(dòng)過(guò)程頻發(fā)制動(dòng)力不足、響應(yīng)慢、車輛失速危險(xiǎn)性高的安全隱患[11]；此外，車輛在坡道不實(shí)施緊急制動(dòng)時(shí)，多次點(diǎn)剎制動(dòng)引起車輛頻繁起停既造成能量浪費(fèi)，又使得駕駛?cè)藛T多次在油門踏板和制動(dòng)踏板切換操作易導(dǎo)致駕駛疲勞[12，13]，增加車輛發(fā)生安全事故的危險(xiǎn)性。

圖1 車輛坡道示意圖及受力分析圖

3 礦用車輛傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

礦用車輛復(fù)雜的使用環(huán)境和特殊使用工況決定了車輛自身質(zhì)量大、慣性大、車輛啟動(dòng)、制動(dòng)慣性負(fù)載大的特性，這就要求車輛既要有足夠的啟動(dòng)力矩又要有可靠的制動(dòng)性能。為了增大轉(zhuǎn)矩提升車輛性能，礦用車輛傳動(dòng)系統(tǒng)中增加了液力變矩器、變速箱等部件，車輛傳動(dòng)系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 車輛傳動(dòng)系統(tǒng)原理示意圖

液力變矩器是由泵輪、渦輪、導(dǎo)輪組成的液力元件，以液壓油為工作介質(zhì)，起傳遞轉(zhuǎn)矩、變矩、變速及離合器的作用。發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液力變矩器泵輪旋轉(zhuǎn)，泵輪輸出高速液體推動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力分別傳遞給變速箱、液壓泵和循環(huán)泵，變速箱通過(guò)傳動(dòng)軸將動(dòng)力傳遞給驅(qū)動(dòng)橋，通過(guò)半軸等最終將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出部分動(dòng)力傳遞給驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)使車輛行駛。

由于液力變矩器泵輪和渦輪之間為軟連接，當(dāng)車輛行駛阻力很大時(shí)，變矩器泵輪輸出的高速液壓油動(dòng)能無(wú)法克服阻力驅(qū)動(dòng)變矩器渦輪旋轉(zhuǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出能量最終全部轉(zhuǎn)化為熱能損失，導(dǎo)致變矩器內(nèi)油溫急速上升，造成變矩器高溫?zé)Y(jié)損壞；車輛長(zhǎng)距離大坡度工況時(shí)，降低發(fā)動(dòng)機(jī)輸出，變矩器泵輪與發(fā)動(dòng)機(jī)固定連接，跟隨發(fā)動(dòng)機(jī)降低轉(zhuǎn)速，渦輪與變速箱、驅(qū)動(dòng)橋固定連接，隨著車輛下坡動(dòng)能持續(xù)增加，速度持續(xù)加快，當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速超過(guò)泵輪轉(zhuǎn)速時(shí)，變矩器渦輪轉(zhuǎn)換為泵輪，反向驅(qū)動(dòng)泵輪，由于發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速低，因此由渦輪流向泵輪高速液體能量同樣以熱量的形式強(qiáng)制損失，最終變矩器燒結(jié)損壞，因此長(zhǎng)距離下坡過(guò)程中必須通過(guò)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行高頻次點(diǎn)剎制動(dòng)，配合降低發(fā)動(dòng)機(jī)輸出實(shí)現(xiàn)整車速度控制，禁止單一采用降低發(fā)動(dòng)機(jī)輸出強(qiáng)行制動(dòng)。

4 智能穩(wěn)速聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)原理

礦用車輛制動(dòng)系統(tǒng)是車輛行駛安全的重要保證，改善車輛的制動(dòng)性能是提高礦用車輛安全性能的關(guān)鍵因素[14]。車輛智能穩(wěn)速聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)在基于礦用車輛常規(guī)全液壓濕式制動(dòng)系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)研發(fā)的一套智能電控聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)。長(zhǎng)距離大坡度行駛時(shí)，開(kāi)啟主機(jī)，系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)車速，輸出電信號(hào)驅(qū)動(dòng)電磁閥控制聯(lián)合制動(dòng)器作用，為整車提供制動(dòng)力矩確保車輛安全行駛；平路工況時(shí)，關(guān)閉主機(jī)，系統(tǒng)停止工作，不影響車輛平路行駛。系統(tǒng)主要由速度傳感器、壓力傳感器、液壓感載閥、聯(lián)合制動(dòng)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(dòng)力切斷閥、聯(lián)合制動(dòng)器以及冷卻系統(tǒng)組成，系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)原理圖

4.2 系統(tǒng)功能分析

車速傳感器固定在輪邊驅(qū)動(dòng)軸上測(cè)定輪邊轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生脈沖信號(hào)發(fā)送至數(shù)據(jù)采集主機(jī)，主機(jī)將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)信號(hào)后發(fā)送給顯示器和處理器，顯示器在其界面上顯示當(dāng)前車速，處理器將該信號(hào)數(shù)值與預(yù)先設(shè)定值進(jìn)行比較運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果自主判斷是否向主機(jī)發(fā)送指令信號(hào)，電信號(hào)傳遞如圖4所示。

圖4 電信號(hào)傳遞圖

當(dāng)運(yùn)算結(jié)果為正，說(shuō)明當(dāng)前車速低于預(yù)先設(shè)定安全車速，該條數(shù)據(jù)信息被儲(chǔ)存，處理器不發(fā)送指令信號(hào)；當(dāng)運(yùn)算結(jié)果為負(fù)，說(shuō)明當(dāng)前車速高于預(yù)先設(shè)定安全車速，處理器向主機(jī)發(fā)送反饋指令信號(hào)，主機(jī)接收到反饋指令信號(hào)后輸出電信號(hào)驅(qū)動(dòng)防爆電磁閥動(dòng)作，聯(lián)合制動(dòng)蓄能器中制動(dòng)油液通過(guò)防爆電磁閥進(jìn)入聯(lián)合制動(dòng)器，聯(lián)合制動(dòng)器制動(dòng)，車輛在聯(lián)合制動(dòng)器的作用下逐漸減速，當(dāng)車速傳感器檢測(cè)車速低于設(shè)定安全車速時(shí)，處理器停止發(fā)送指令信號(hào)，主機(jī)停止輸出電信號(hào)，防爆電磁閥在彈簧力的作用下復(fù)位，關(guān)閉聯(lián)合制動(dòng)器制動(dòng)油液供給，制動(dòng)器活塞腔油液通過(guò)防爆電磁閥回到液壓油箱，聯(lián)合制動(dòng)器解除制動(dòng)，動(dòng)力切斷閥關(guān)閉，變速箱恢復(fù)動(dòng)力輸出，整車進(jìn)入安全車速行駛狀態(tài)。

4.3 系統(tǒng)元件匹配

以某型礦用膠輪車為例：滿載質(zhì)量12×103kg，輪胎滾動(dòng)半徑0.47m，巷道坡度8°，滿載車輛井下坡道安全行駛速度不大于15km/h[15]。

用蓄能器儲(chǔ)存能量作為二次動(dòng)力源，取代液壓泵做臨時(shí)動(dòng)力源在制動(dòng)過(guò)程中提供高壓制動(dòng)液，可減短液壓泵工作時(shí)間，提高了系統(tǒng)節(jié)能性[16，17]。由于礦用車輛制動(dòng)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間、高頻次特性，因此，選用囊式蓄能器具有更佳效果；防爆電磁閥用于控制聯(lián)合制動(dòng)器活塞腔高壓制動(dòng)液的通斷。電磁閥的控制信號(hào)來(lái)自主機(jī)，電磁閥線圈0～2A的控制電流對(duì)應(yīng)電磁閥輸出壓力0～3.5MPa，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(dòng)器提供與實(shí)際載荷相匹配的制動(dòng)力矩，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量分配最優(yōu)化，提高系統(tǒng)能量利用率，減少能量損失[18，19]；車輛坡道行駛時(shí)，聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)車輛行駛速度為整車提供制動(dòng)力矩，控制車速在安全行駛車速。因此在車輛坡道長(zhǎng)時(shí)間下行過(guò)程中需要對(duì)聯(lián)合制動(dòng)器配置冷卻系統(tǒng)進(jìn)行冷卻散熱，降低系統(tǒng)的溫升；動(dòng)力切斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整車制動(dòng)過(guò)程特定工況下切斷變速箱動(dòng)力輸出的功能，既保護(hù)傳動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)可以有效減緩制動(dòng)系統(tǒng)工作負(fù)荷。動(dòng)力切斷系統(tǒng)由變速箱壓力切斷閥、梭閥及壓力檢測(cè)閥組成。車輛制動(dòng)時(shí)，駕駛?cè)藛T綜合車速、車輛載荷以及行駛路況后給定制動(dòng)閥踏板一個(gè)行程，制動(dòng)閥輸出與之相應(yīng)的制動(dòng)壓力，整車在制動(dòng)器的制動(dòng)作用下減速，壓力檢測(cè)閥時(shí)時(shí)檢測(cè)制動(dòng)閥輸出的制動(dòng)壓力值，當(dāng)該壓力值超過(guò)某一特定數(shù)值后(系統(tǒng)設(shè)置為2.4MPa)，說(shuō)明此時(shí)車輛行駛速度較快、載荷較大，需要較大的制動(dòng)壓力進(jìn)行制動(dòng)減速，壓力檢測(cè)閥關(guān)閉，不輸出壓力信號(hào)，變速箱壓力切斷閥關(guān)斷，變速箱無(wú)動(dòng)力輸出，此時(shí)制動(dòng)系統(tǒng)只需對(duì)整車慣性狀態(tài)制動(dòng)，有效減緩制動(dòng)系統(tǒng)工作負(fù)荷。

5 制動(dòng)系統(tǒng)坡道試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)條件

通過(guò)分析可知影響車輛坡道下行速度的主要因素是巷道坡度大小和車輛載荷狀態(tài)，為了增加地面模擬實(shí)驗(yàn)與井下運(yùn)行工況的契合性，在地面選取8°水泥硬化路面坡道作為試驗(yàn)坡道，用配重塊替代煤礦輔料作為載荷進(jìn)行滿載加載，結(jié)合模擬試驗(yàn)場(chǎng)地特點(diǎn)，設(shè)計(jì)整車坡道試驗(yàn)條件，見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)過(guò)程中用測(cè)速儀對(duì)車輛行駛速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，用點(diǎn)溫計(jì)檢測(cè)車輛聯(lián)合制動(dòng)器及輪邊溫度，溫度檢測(cè)實(shí)行跑和里程累計(jì)法。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)速儀顯示滿載車輛坡道下行車速基本控制在15km/h以下，證明該套礦用車輛智能穩(wěn)速聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)能夠有效地解決大坡度、長(zhǎng)距離工況下車輛失速危險(xiǎn)性高的安全隱患，聯(lián)合制動(dòng)器制動(dòng)過(guò)程中駕駛?cè)藛T未感覺(jué)到車輛出現(xiàn)急停、車速劇烈變化、車輛斜行等狀況；用點(diǎn)溫計(jì)分別在不同跑合里程測(cè)量記錄輪邊溫度值及聯(lián)合制動(dòng)器表面溫度值，繪制溫度-里程曲線分別如圖5、圖6所示。

圖5 輪邊溫度坡道測(cè)試曲線圖

圖6 制動(dòng)器溫度坡道測(cè)試曲線圖

車輛坡道穩(wěn)速下行時(shí)，在聯(lián)合制動(dòng)器摩擦片的阻尼作用下，減少的位置勢(shì)能基本以熱能的形式損耗，因此必然會(huì)引起制動(dòng)器溫度上升，測(cè)量數(shù)值最高接近90℃，加裝冷卻系統(tǒng)的聯(lián)合制動(dòng)車輛制動(dòng)器溫度達(dá)到熱平衡狀態(tài)時(shí)僅有50℃左右，該溫度值完全處于液壓系統(tǒng)正常工作范圍之內(nèi)，解決了液壓系統(tǒng)油液溫度驟升，油液泄漏增加原件磨損、制動(dòng)過(guò)程頻發(fā)制動(dòng)力不足、響應(yīng)慢的安全隱患。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)分析礦用車輛在長(zhǎng)距離、大坡度巷道的運(yùn)行狀態(tài)，提出了一種智能穩(wěn)速聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)，并在地面進(jìn)行了井下工況模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)表明：該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定將車輛坡道車速控制在15km/h以下，有效避免了車輛下坡過(guò)程中的駕駛?cè)藛T高頻次點(diǎn)剎制動(dòng)，制動(dòng)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(dòng)力不足、原件磨損加劇、響應(yīng)慢的安全隱患，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，綠色發(fā)展”的發(fā)展趨勢(shì)。