無(wú)軌運(yùn)輸車(chē)制動(dòng)防抱死系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊建勇

(山西天地煤機(jī)裝備有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

神華集團(tuán)神東煤炭分公司是我國(guó)最早使用無(wú)軌運(yùn)輸車(chē)輛進(jìn)行煤礦井下輔助材料運(yùn)輸?shù)膯挝弧Ｓ捎谲?chē)輛沒(méi)有軌道的束縛，可在各個(gè)巷道間行駛，在大巷中水泥路面下的速度有時(shí)可能達(dá)到35 km/h左右。在煤礦井下大巷中，部分路段為了降塵會(huì)噴灑水，在水和煤灰的共同作用下，路面的摩擦因數(shù)大大降低。由于煤礦井下巷道壁掛有水管、電纜等，未裝有防抱死系統(tǒng)的無(wú)軌運(yùn)輸車(chē)輛在緊急制動(dòng)時(shí)輪胎直接抱死，在干水泥路面行駛時(shí)會(huì)造成車(chē)輛輪胎磨損，降低輪胎壽命，煤礦客戶(hù)需要縮短輪胎更換時(shí)間，造成資源浪費(fèi)。在有煤水混合物水泥路段制動(dòng)時(shí)，其車(chē)輛可能發(fā)生側(cè)滑，撞擊巷道側(cè)壁，造成設(shè)備、管路和人員的損傷，存在較大的安全隱患。因此,探索解決無(wú)軌運(yùn)輸車(chē)輛的緊急制動(dòng)系統(tǒng)非常必要。

1 制動(dòng)防抱死系統(tǒng)的原理

制動(dòng)防抱死系統(tǒng)就是在車(chē)輛制動(dòng)時(shí)，自動(dòng)控制制動(dòng)器的制動(dòng)力，使車(chē)輪不被抱死，處于邊滾邊滑(滑移率在20%左右)的狀態(tài)，以保證車(chē)輪與地面的附著力在最大值[1]。

制動(dòng)防抱死系統(tǒng)原理：發(fā)生緊急制動(dòng)時(shí)，駕駛?cè)藛T急速塌下制動(dòng)踏板，車(chē)輛制動(dòng)蹄緊緊壓住制動(dòng)盤(pán)，當(dāng)車(chē)輪即將到達(dá)鎖死點(diǎn)時(shí)，車(chē)輛泵內(nèi)部的電磁閥就會(huì)啟動(dòng)，將制動(dòng)油缸里面的剎車(chē)油泄壓，傳感器立即給電子控制裝置發(fā)出降低油壓的電脈沖信號(hào)，電池閥將啟動(dòng)關(guān)閉制動(dòng)總泵與制動(dòng)分泵的油路通道，使制動(dòng)分泵油壓降低，制動(dòng)力減小，即將抱死的車(chē)輪轉(zhuǎn)速增加。由于電子控制裝置將收到傳感器傳來(lái)的車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)，立即發(fā)出增加制動(dòng)力的指令，電池閥關(guān)閉，制動(dòng)總泵和制動(dòng)分泵的通道連通，制動(dòng)壓力上升，使車(chē)輪制動(dòng)。如此反復(fù)出現(xiàn)多次，相當(dāng)于車(chē)輪不停地剎車(chē)、放松。

當(dāng)車(chē)輛制動(dòng)時(shí)，在滾動(dòng)狀態(tài)下車(chē)輛的制動(dòng)力Fa=4Fb，車(chē)輛輪胎抱死時(shí)車(chē)輛的制動(dòng)力Fa=μmg。而在緊急制動(dòng)時(shí)，無(wú)防抱死系統(tǒng)的車(chē)輛制動(dòng)力如圖1所示。

圖1 無(wú)防抱死系統(tǒng)的車(chē)輛制動(dòng)力

防抱死系統(tǒng)的功能就是要車(chē)輛輪胎處于滾動(dòng)到抱死狀態(tài)的臨界點(diǎn)，車(chē)輛具有最大的制動(dòng)力，避免發(fā)生交通事故，同時(shí)還能減少剎車(chē)消耗，延長(zhǎng)剎車(chē)輪鼓、碟片和輪胎的使用壽命。有防抱死系統(tǒng)的車(chē)輛制動(dòng)力如圖2所示。

圖2 有防抱死系統(tǒng)的車(chē)輛制動(dòng)力

2 防爆車(chē)輛的制動(dòng)

2.1 一般制動(dòng)步驟

防爆車(chē)輛一般的制動(dòng)步驟為：

1) 開(kāi)始時(shí)移開(kāi)油門(mén)踏板,減少發(fā)動(dòng)機(jī)的供油量，同時(shí)踩下制動(dòng)踏板，車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)力及車(chē)速均降低。

2) 車(chē)速需繼續(xù)降低，踩下離合器踏板，徹底分離驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)制動(dòng)踏板運(yùn)行到最低，制動(dòng)器抱死，車(chē)速急劇下降。

3) 特殊情況時(shí)，駕駛員會(huì)同時(shí)將制動(dòng)器和離合器踏板以最快的速度運(yùn)行到最低位置，將車(chē)速盡快地降低，從而避免交通事故的發(fā)生，此時(shí)的受力見(jiàn)圖3。

圖3 特殊情況下制動(dòng)器和離合器同時(shí)動(dòng)作的受力

(1)

Fz=G

(2)

Fbr=Mn

(3)

(4)

式中：Fb為單個(gè)車(chē)輪的制動(dòng)力；T為車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)給單個(gè)車(chē)輪的驅(qū)動(dòng)力；Mn為車(chē)輪制動(dòng)力矩；ω為車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；r為車(chē)輪的靜力半徑；G為車(chē)輪承受車(chē)輛的垂直載荷；Fz為地面對(duì)車(chē)輪的反作用力。

2.2 緊急制動(dòng)分析

車(chē)輛在緊急制動(dòng)時(shí)，車(chē)輪急速抱死，車(chē)輪在地面上留下緊急制動(dòng)劃痕，車(chē)輛速度也急速降低。緊急制動(dòng)時(shí)的車(chē)輛速度曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。

圖4 緊急制動(dòng)時(shí)的車(chē)輛速度

由圖4可知，車(chē)輛在Fa作用下，時(shí)間從ta到tb處于臨界狀態(tài)時(shí)，摩擦力發(fā)生較大的變化，車(chē)輛的速度下降較為明顯，車(chē)輪處于邊滾邊滑的狀態(tài)。此時(shí)車(chē)輛受到的制動(dòng)力處于非常理想的狀態(tài)，輪胎的行駛方向處于可控中[2]。

3 無(wú)軌運(yùn)輸車(chē)輛防抱死系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 一般性制動(dòng)系統(tǒng)

一般防爆車(chē)輛緊急制動(dòng)時(shí)的系統(tǒng)見(jiàn)圖5。防爆車(chē)輛屬于煤礦機(jī)械設(shè)備，日常的維護(hù)保養(yǎng)基本滿(mǎn)足設(shè)備不發(fā)生損壞，車(chē)輛懸架、彈簧、輪胎等得不到有效維護(hù)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)車(chē)輛制動(dòng)時(shí)發(fā)生制動(dòng)力不平衡的情況。當(dāng)車(chē)輛輪胎處于抱死狀態(tài)下，防爆車(chē)輛的輪胎與地面劇烈摩擦，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不受駕駛?cè)藛T的控制，同時(shí)車(chē)輪制動(dòng)力不一致時(shí)極易導(dǎo)致車(chē)輛側(cè)滑。輕者對(duì)車(chē)輛的輪胎造成磨損，影響輪胎的使用壽命;重者可能導(dǎo)致車(chē)輛撞擊煤壁，引發(fā)安全事故。因此，防爆車(chē)輛需要一種適應(yīng)于煤礦井下的防抱死制動(dòng)系統(tǒng)。

1-壓力表； 2-蓄能器； 3-行車(chē)制動(dòng)閥； 4-前輪行車(chē)制動(dòng)器； 5-后輪行車(chē)制動(dòng)器。圖5 一般性制動(dòng)系統(tǒng)圖

3.2 緊急制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車(chē)輛緊急制動(dòng)時(shí)，駕駛?cè)藛T踩下行車(chē)制動(dòng)閥，蓄能器內(nèi)部液壓快速充斥到制動(dòng)器的制動(dòng)油缸內(nèi)，車(chē)輛快速制動(dòng)，可能造成輪胎抱死。前輪抱死時(shí)，車(chē)輛行駛方向不受駕駛?cè)藛T控制；后輪抱死時(shí)，出現(xiàn)側(cè)滑現(xiàn)象，造成事故。從煤礦輔助運(yùn)輸安全角度出發(fā)，為避免發(fā)生這些煤礦井下的交通事故，需要開(kāi)發(fā)煤礦井下防爆車(chē)輛使用的防抱死系統(tǒng)，如圖6所示。

1-壓力表； 2-蓄能器； 3-行車(chē)制動(dòng)閥； 4-電控單元；5-前輪行車(chē)制動(dòng)器； 6-后輪行車(chē)制動(dòng)器； 7-傳感器。圖6 緊急制動(dòng)系統(tǒng)圖

當(dāng)車(chē)輛正常行駛時(shí)，駕駛?cè)藛T需要時(shí)，制動(dòng)車(chē)輪能夠使車(chē)輛安全穩(wěn)定地運(yùn)行，此時(shí)防爆制動(dòng)系統(tǒng)的傳感器收集信息給電控單元，電控單元不參與制動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行。當(dāng)車(chē)輛緊急制動(dòng)時(shí)，駕駛?cè)藛T快速踩下行車(chē)制動(dòng)閥，蓄能器液壓快速充到車(chē)輪制動(dòng)器中，車(chē)輪制動(dòng)。系統(tǒng)傳感器接收到車(chē)輪抱死信息，傳遞到電控單元，電控單元對(duì)該信息進(jìn)行分析，降低制動(dòng)油缸的油壓，制動(dòng)器油壓降低，車(chē)輪開(kāi)始滾動(dòng)，在此過(guò)程中會(huì)有部分時(shí)間車(chē)輪處于邊滑邊滾的狀態(tài)，車(chē)輪的摩擦因數(shù)處于最大范圍，制動(dòng)狀態(tài)始終處于最佳點(diǎn)(滑移率S為20%左右)，制動(dòng)效果達(dá)到最好，行車(chē)最安全。車(chē)輛速度曲線(xiàn)如圖7所示。

圖7 車(chē)輛速度

防抱死系統(tǒng)通過(guò)使趨于抱死車(chē)輪的制動(dòng)壓力循環(huán)往復(fù)地經(jīng)歷保持—減小—增大的過(guò)程，而將趨于抱死車(chē)輪的滑動(dòng)率控制在峰值附著系數(shù)滑動(dòng)率的附近范圍內(nèi)。在該系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)于每一個(gè)制動(dòng)輪油缸各有一對(duì)進(jìn)液閥和出液閥，由電控單元分別進(jìn)行控制。因此，各制動(dòng)輪缸的制動(dòng)壓力能夠被獨(dú)立地調(diào)節(jié)，使4個(gè)車(chē)輪均不發(fā)生制動(dòng)抱死。由于各制動(dòng)器獲取最佳的制動(dòng)力矩，使車(chē)速降低，制動(dòng)距離縮短[3]。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證情況

制動(dòng)能力是防爆車(chē)輛的重要指標(biāo)之一。國(guó)家煤炭防爆膠輪車(chē)標(biāo)準(zhǔn)《礦用防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車(chē)通用技術(shù)條件》中第四章、第4.3.7.6條明確規(guī)定：在水平干硬路面上，無(wú)軌膠輪車(chē)以額定載荷、初速度為20 km/h時(shí)的制動(dòng)距離應(yīng)不大于8 m，如果無(wú)軌膠輪車(chē)的最大運(yùn)行速度小于20 km/h，則最大運(yùn)行速度為初速度的制動(dòng)距離應(yīng)不大于8 m[4]。為驗(yàn)證該系統(tǒng)是否有效，需要進(jìn)行制動(dòng)試驗(yàn)。

試驗(yàn)用無(wú)軌運(yùn)輸運(yùn)人車(chē)主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 無(wú)軌運(yùn)輸運(yùn)人車(chē)主要參數(shù)

車(chē)輛分別在加裝防抱死系統(tǒng)和沒(méi)有加裝防抱死系統(tǒng)下，在試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行了反復(fù)的制動(dòng)試驗(yàn)，并進(jìn)行了制動(dòng)距離和側(cè)滑距離的測(cè)量。側(cè)滑距離是車(chē)輛因輪胎定位不合適或裝配精度不夠制動(dòng)，在車(chē)輛制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生橫向運(yùn)動(dòng)距離。側(cè)滑在摩擦因數(shù)較高的地面發(fā)生時(shí)偏移量較小。當(dāng)在煤礦井下緊急制動(dòng)時(shí)，地面附著有煤粉，部分地區(qū)存在水，這就將地面的摩擦因數(shù)大大降低，緊急制動(dòng)時(shí)防爆車(chē)輛發(fā)生側(cè)滑，側(cè)滑較大時(shí)撞擊巷道煤壁，嚴(yán)重時(shí)可能造成車(chē)毀人亡的交通事故。

為了更好地反應(yīng)煤礦井下的實(shí)際工作路面，將摩擦因數(shù)為0.6的干硬水泥路面進(jìn)行改造，分別灌注自來(lái)水和拋灑煤粉。采用紅外線(xiàn)速度儀測(cè)量防爆車(chē)輛行駛時(shí)的制動(dòng)初速度。緊急制動(dòng)時(shí)輪胎在地面留下制動(dòng)劃痕見(jiàn)圖8,分別根據(jù)制動(dòng)劃痕的斜線(xiàn)畫(huà)定相應(yīng)直角三角形,測(cè)量?jī)蓚€(gè)直角邊，記錄相應(yīng)制動(dòng)距離和側(cè)滑量。如圖9。

圖8 試驗(yàn)場(chǎng)地和車(chē)輛

圖9 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)

按照現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，制成圖10。其中制動(dòng)距離1和側(cè)滑量1為未裝配防抱死系統(tǒng)的防爆車(chē)輛的測(cè)量數(shù)據(jù)，制動(dòng)距離2和側(cè)滑量2為裝配有防抱死系統(tǒng)的防爆車(chē)輛的測(cè)量數(shù)據(jù)。從圖10中對(duì)比數(shù)據(jù)來(lái)看，裝有防抱死系統(tǒng)的防爆車(chē)輛的制動(dòng)距離要降低10%左右，同時(shí)側(cè)滑量在裝有防抱死系統(tǒng)情況下降低了4%，這在一定程度上降低了發(fā)生緊急制動(dòng)時(shí)造成傷害的程度，達(dá)到了預(yù)期的效果。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)論

井下煤礦防爆車(chē)輛使用防抱死制動(dòng)系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮制動(dòng)器最佳的效能，縮短制動(dòng)時(shí)間和距離，防止井下交通事故的發(fā)生；同時(shí)，該系統(tǒng)可最大程度地避免輪胎與地面的摩擦，盡量減少輪胎的磨損，縮短客戶(hù)更換輪胎的周期，起到節(jié)省客戶(hù)資金的作用。