煤礦用無軌膠輪車液力緩速系統(tǒng)

楊 勇，馬祥寧

（國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司，寧夏銀川 750002）

0 引言

隨著國家能源寧夏煤業(yè)有限公司各主力礦井開拓深度的不斷增加，輔助運(yùn)輸系統(tǒng)呈現(xiàn)了坡度大、運(yùn)距長的特點(diǎn)，其中紅柳煤礦最大坡道達(dá)到16°、羊場灣煤礦更為惡劣，不僅坡度大，而且單程運(yùn)距達(dá)到15 km。無軌膠輪車在下井運(yùn)送材料時(shí)頻繁制動(dòng)，一方面造成制動(dòng)器內(nèi)摩擦片早期磨損，另一方面下長坡連續(xù)制動(dòng)會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)器溫升過高造成摩擦片熱衰退甚至制動(dòng)失靈。

早在2012年頒布的GB 7258—2012《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》規(guī)定了總質(zhì)量≥12 t的貨車或?qū)ｍ?xiàng)作業(yè)車應(yīng)裝備緩速器或其他輔助制動(dòng)裝置。

煤礦常用的5 t材料車滿載質(zhì)量約為14 t、8 t材料車約為18 t，井下巷道路面行駛工況的惡劣和復(fù)雜程度較地面公路要嚴(yán)重很多，所以為了保證煤礦井下無軌運(yùn)輸?shù)陌踩\(yùn)行，為無軌膠輪車設(shè)計(jì)液力緩速系統(tǒng)作為輔助制動(dòng)裝置很有必要。

1 液力緩速器的原理和優(yōu)點(diǎn)

液力緩速器的原理如圖1所示，它只有兩個(gè)工作輪（動(dòng)輪和定輪）而且工作輪中的葉片是平面徑向的，它本質(zhì)上是工作在i=0工況的偶合器（偶合器的兩個(gè)工作輪稱為泵輪和渦輪），輸入的功率全部被偶合器吸收，變?yōu)楣ぷ饕后w的熱能，在這個(gè)過程中無機(jī)械的摩擦和磨損[1]。液力緩速器在結(jié)構(gòu)上，動(dòng)輪和傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)部件聯(lián)結(jié)，定輪固定于殼體并安裝在變速箱或者膠輪車的機(jī)架上。

液力緩速器是通過改變工作腔油液壓力和容積來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)的。車輛正常行駛時(shí)，工作腔內(nèi)沒有油液，由于動(dòng)輪和定輪彼此不接觸，所以沒有制動(dòng)扭矩，需要實(shí)施緩速制動(dòng)時(shí)，通過壓縮空氣將油液充入工作腔，由于定輪是固定的，動(dòng)輪葉片旋轉(zhuǎn)推動(dòng)油液產(chǎn)生的動(dòng)能將以油液摩擦的形式轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，表現(xiàn)為油液的溫升，制動(dòng)扭矩則是油液反作用于動(dòng)輪而產(chǎn)生，制動(dòng)扭矩的大小取決于充入工作腔的油液的壓力和容積。

采用液力緩速的方式實(shí)施制動(dòng)有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）提高安全性：下坡時(shí)采用液力緩速制動(dòng)，減輕了工作制動(dòng)負(fù)擔(dān)，提高了車輛行駛安全性。

（2）提高運(yùn)輸效率：下坡時(shí)液力緩速制動(dòng)力和下滑力平衡，無軌膠輪車可以以更高的車速下坡，提高運(yùn)輸效率。

圖1 液力緩速器原理

（3）提高舒適性：采用液力緩速器后，大幅減少了制動(dòng)踏板的操作頻次，減輕了駕駛員駕駛操作強(qiáng)度，同時(shí)由于是柔性制動(dòng)，減少了慣性沖擊，提高了車輛的舒適性。

2 無軌膠輪車的液力緩速系統(tǒng)

無軌膠輪車液力緩速系統(tǒng)要在符合《煤礦安全規(guī)程》的前提下設(shè)計(jì)符合煤礦井下車輛運(yùn)行工況的輔助制動(dòng)裝置，液力緩速系統(tǒng)原理如圖2所示。

2.1 液力緩速器的布置

不同的車型緩速器布置形式有所區(qū)別，可以采用并聯(lián)式，也可以采用串聯(lián)式。本文所涉及的5 t材料車采用串聯(lián)式布置，將緩速器布置在后機(jī)架傳動(dòng)軸過橋位置，通過傳動(dòng)軸分別連接變速箱輸出和驅(qū)動(dòng)橋輸入。

為了保證冷卻循環(huán)水路的可靠運(yùn)行，水路不經(jīng)過鉸接轉(zhuǎn)向的機(jī)架，而是將液力緩速器的換熱器與緩速器本體分離，安裝于前機(jī)架內(nèi)部，這樣水路的循環(huán)變短而且不易被磨損。

2.2 液力緩速器的控制

圖2 液力緩速系統(tǒng)原理

液力緩速器是通過氣壓來改變工作腔油液壓力和容積來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)的，比例減壓閥可以連續(xù)的控制輸出壓力。當(dāng)無軌車連續(xù)下坡時(shí)，通過比例減壓閥來控制緩速器的制動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)勻速平穩(wěn)下坡。氣壓控制也可以做成擋位調(diào)節(jié)式，通過不同的擋位（每個(gè)擋位有不同的輸出氣壓，每個(gè)氣壓對應(yīng)相應(yīng)的制動(dòng)力），每個(gè)擋位的氣壓輸出通過氣壓調(diào)節(jié)閥來設(shè)定，這種控制方式適合路線固定的工況。

2.3 液力緩速器的冷卻

液力緩速器將制動(dòng)產(chǎn)生的熱能通過油液傳遞到換熱器，轉(zhuǎn)換為冷卻水路的熱量。這個(gè)高溫水要通過散熱器來冷卻，由于散熱功率較大，所以串聯(lián)接入柴油機(jī)的散熱系統(tǒng)，保證最大能力的散熱。

為此需要將柴油機(jī)內(nèi)置的節(jié)溫器拿掉并堵死，用外置節(jié)溫器來控制水循環(huán)，接法如圖2所示。剛啟車時(shí)，節(jié)溫器處在小循環(huán)位置，水循環(huán)為：水泵→柴油機(jī)缸體→換熱器→節(jié)溫器→水泵，隨著柴油機(jī)溫度迅速上升，節(jié)溫器打開，水循環(huán)為：水泵→柴油機(jī)缸體→換熱器→節(jié)溫器→散熱器→水泵，圖2中節(jié)溫器位置即為大循環(huán)。

3 液力緩速器的扭矩特性匹配設(shè)計(jì)

液力緩速器的制動(dòng)扭矩特性是根據(jù)無軌膠輪車的運(yùn)行工況需要來進(jìn)行設(shè)計(jì)的，5 t材料車緩速制動(dòng)工況為下坡滿載，此時(shí)緩速器的平衡扭矩為：

為了保證設(shè)計(jì)目標(biāo)和使用可靠性，緩速器的最大扭矩可以留有20%以上的余量，這樣其設(shè)計(jì)最大扭矩應(yīng)≥950 N·m，匹配后的特性曲線如圖3所示。

4 無軌膠輪車液力緩速器裝車應(yīng)用

配備緩速系統(tǒng)的整車布置如圖4所示，液力緩速器采用串聯(lián)式布置，安裝于后機(jī)架過橋位置，在變速箱輸出軸和驅(qū)動(dòng)橋輸入軸之間。這樣做的好處是，緩速器作為獨(dú)立部件替代原車過橋支撐，有效利用車架內(nèi)部空間。為了保證柴油機(jī)水循環(huán)的可靠運(yùn)行，將換熱器布置在柴油機(jī)附近，這樣一方面縮短了水管的長度，另一方面避免水管通過鉸接造成破損。

緩速系統(tǒng)的控制采用了多擋式氣壓控制的方式，這樣控制系統(tǒng)較為簡單，根據(jù)不同的坡道來調(diào)整擋位，氣壓調(diào)節(jié)式通過壓力調(diào)節(jié)閥控制。

實(shí)車裝車照片如圖5和圖6所示。

圖3 液力緩速器扭矩特性曲線

圖4 整車布置

圖5 液力緩速器裝車照片1

圖6 液力緩速器裝車照片2

5 應(yīng)用效果

目前該液力緩速系統(tǒng)試驗(yàn)成功后實(shí)現(xiàn)批量裝車100多臺(tái)套，在寧夏煤業(yè)各主力礦井投放使用超過6個(gè)月，對制動(dòng)系統(tǒng)改善明顯，之前摩擦片不到3個(gè)月就要更換、制動(dòng)器因高溫經(jīng)常漏油或熱衰退，配備液力緩速器后，經(jīng)查驗(yàn)?zāi)Σ疗緹o磨損，制動(dòng)器未出現(xiàn)之前常見的漏油和熱衰退現(xiàn)象。

液力緩速器的成功批量運(yùn)用表明，對于坡度大、距離長的輔助運(yùn)輸工況，用液力緩速器為車輛提供輔助制動(dòng)，大大降低了工作制動(dòng)的使用頻率，從根本上解決了制動(dòng)器過早磨損和熱衰退問題，保證了車輛安全可靠行駛。