電動推桿在礦用電機(jī)車制動系統(tǒng)的應(yīng)用

閆高飛

（安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽淮南 232000）

0 引言

現(xiàn)今煤炭行業(yè)飛速發(fā)展，煤礦井下運輸壓力上升，電機(jī)車運輸是煤礦井下有軌運輸極其重要的組成部分，負(fù)責(zé)礦石、材料和人員的運轉(zhuǎn)。《煤礦安全規(guī)程》對電機(jī)車進(jìn)行物料運輸或人員運輸?shù)闹苿泳嚯x有明確規(guī)定，因此，礦用電機(jī)車中制動系統(tǒng)的制動性能對其安全運行及運輸效率至關(guān)重要?，F(xiàn)有電機(jī)車制動系統(tǒng)一般是利用液壓或者氣壓制動，該制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜煩瑣、不易安裝、后期維護(hù)成本較高，管道中氣壓或液壓壓力上升與下降較慢，空行程較長，制動時間滯后，空駛距離與停車距離加長，影響行車安全。在煤礦井下實際運輸過程中，電機(jī)車多存在制動距離超限等問題，因此，有必要對電機(jī)車制動系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。為解決礦用電機(jī)車制動距離超限等問題，消除液壓與氣壓制動的缺點，設(shè)計了一種電機(jī)車電動推桿制動系統(tǒng)。

20世紀(jì)90年代之前，國內(nèi)機(jī)械行業(yè)選用執(zhí)行結(jié)構(gòu)時會優(yōu)先考慮氣缸、液壓缸；90年代后期，電動推桿這種電動直線傳動設(shè)備慢慢被國內(nèi)機(jī)械技術(shù)人員所了解和使用，這要歸因于進(jìn)口設(shè)備的引入和國外技術(shù)的吸收和引進(jìn)。因為電動推桿結(jié)構(gòu)簡單，不需要相應(yīng)的氣源、液壓源等額外動力設(shè)備，響應(yīng)迅速，操作及維修簡易，自鎖性能優(yōu)于氣缸、液壓缸，所以得以廣泛應(yīng)用。由此，基于電動推桿原理及特點，將電動推桿應(yīng)用于煤礦井下電機(jī)車制動系統(tǒng)。

1 防爆電動推桿原理及特點

1.1 防爆電動推桿的原理

電動推桿又稱直線驅(qū)動器，當(dāng)馬達(dá)通過齒輪或其他變速機(jī)構(gòu)減速時，啟動絲桿副，從而將螺旋動作轉(zhuǎn)化為直線運動。推桿的伸縮動作可通過發(fā)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)完成，可作為在各種機(jī)械設(shè)備中的執(zhí)行機(jī)制。限位保護(hù)和過載保護(hù)則由電動推桿本身完成。電機(jī)在運轉(zhuǎn)時會帶動蝸桿軸承也做相應(yīng)旋轉(zhuǎn)，而蝸桿軸承則推動蝸輪機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動蝸輪機(jī)構(gòu)中的絲桿來進(jìn)行軸向往復(fù)運動，當(dāng)絲桿運動到固定位置時，調(diào)整螺絲通過驅(qū)動限位開關(guān)桿壓下微動行程控制器，關(guān)閉電源，電機(jī)停止運行，從而完成限位保護(hù)功能。過載保護(hù)裝置則位于電動推桿內(nèi)部，當(dāng)推桿進(jìn)行直線運動時，達(dá)到長行程控制器設(shè)定的限制位置或達(dá)到電動推桿額定推力值，電動推桿自行停止，并由此進(jìn)行過載保護(hù)，電動推桿才不致于因過載而受損[1]。

防爆電動推桿整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其設(shè)計符合《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，可應(yīng)用在礦用電機(jī)車制動系統(tǒng)中。防爆電動推桿整體主要由進(jìn)線口、出線口、煤礦安全標(biāo)志、安裝底板、銘牌安裝板、推桿軸、推桿等組成。

圖1 防爆電動推桿整體結(jié)構(gòu)圖

1.2 防爆電動推桿的特點

（1）結(jié)構(gòu)簡單緊湊：防爆電動推桿結(jié)構(gòu)緊湊，體積較小，作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝于其他設(shè)備上較方便。

（2）性價比高：防爆電動推桿整機(jī)成本低，省電效益好，在同等條件下與氣動和液動機(jī)構(gòu)相比，省去了不少復(fù)雜管路，因此可大幅降低生產(chǎn)成本。

（3）易控制：防爆電動推桿易于遠(yuǎn)程控制，有利于實現(xiàn)電機(jī)車無人駕駛。

（4）高負(fù)載：螺旋傳動機(jī)構(gòu)是防爆電動推桿的主要支撐機(jī)構(gòu)，可以為電機(jī)車提供足夠的制動力。

（5）高速度：防爆電動推桿不需要液體或氣體作為媒介，響應(yīng)快，減少了電機(jī)車制動空行程，提高了制動性能。

（6）高精度：防爆電動推桿內(nèi)部減速機(jī)構(gòu)為齒輪減速，精度較高。

基于以上特點，將防爆電動推桿應(yīng)用在礦用電機(jī)車制動系統(tǒng)上，具有其他執(zhí)行裝置難以比擬的優(yōu)越性，具有極好的使用價值[1]。本文結(jié)合電動推桿的機(jī)械原理與特點，分析電機(jī)車制動原理，設(shè)計出電機(jī)車電動推桿制動系統(tǒng)。

2 電機(jī)車制動原理

2.1 電機(jī)車受力分析

電機(jī)車制動是依靠制動系統(tǒng)閘瓦與車輪之間的摩擦力產(chǎn)生的制動力矩，該制動力矩與車輪前進(jìn)方向相反，同時軌道對車輪施加正壓力與切向力，切向力是制動力。對電機(jī)車車輪進(jìn)行受力分析，得制動力方程為：

式中：m為電機(jī)車質(zhì)量（kg）；v為電機(jī)車運行速度（m/s）；F為電機(jī)車制動力（N），制動力的大小取決于電機(jī)車重量、電機(jī)車運行軌道坡度等因素；G為電機(jī)車所受重力（N）；θ為軌道坡度（°）。

2.2 電機(jī)車制動減速度分析

電機(jī)車制動距離與制動時間的長短取決于電機(jī)車制動過程中減速度的大小?？偨Y(jié)實際經(jīng)驗得電機(jī)車制動期間減速度a方程為：

式中：a為電機(jī)車制動時減速度（m/s2）；F為電機(jī)車制動力（N）；P為電機(jī)車車重（kg）；Q為電機(jī)車粘著質(zhì)量（kg），粘著系數(shù)取0.3；μ為阻力系數(shù)；θ為煤礦井下軌道坡度（°）；g為重力加速度（m/s2）；γ為慣性系數(shù)，取值0.07。

由公式可知，電機(jī)車減速度取決于電機(jī)車制動力、質(zhì)量及阻力系數(shù)等因素[2]。

2.3 電機(jī)車制動距離分析

煤礦井下電機(jī)車制動分為兩個階段：（1）制動空行程階段；（2）實際制動階段[2]。制動空行程階段，閘瓦與車輪未發(fā)生接觸，電機(jī)車速度沒有改變，空行程階段較長，危害極大；實際制動階段，閘瓦與車輪接觸，直到電機(jī)車完成制動。以上述理論為基礎(chǔ)，得電機(jī)車制動距離方程為：

式中：S為電機(jī)車制動距離（m）；v為電機(jī)車運行速度（m/s）；t為空行程階段時間（s）；b為空行程階段減速度（m/s2）；s為空行程階段運行距離（m）。

由此可知，縮短電機(jī)車制動空行程階段對減小電機(jī)車制動距離至關(guān)重要。

由上述分析得到電機(jī)車的制動原理（受力分析、制動減速度、制動距離），基于該原理設(shè)計電機(jī)車電動推桿制動系統(tǒng)。

3 電機(jī)車電動推桿制動系統(tǒng)

3.1 制動系統(tǒng)設(shè)計

電動推桿制動系統(tǒng)主要由防爆電動推桿、制動杠桿、前支撐板、后支撐板、前閘瓦、后閘瓦、連接桿等組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。電機(jī)車制動時，防爆電動推桿做直線運動，推動制動杠桿依靠固定在車架上的支撐板擺動，至閘瓦緊壓車輪接觸面，閘瓦與車輪之間的摩擦力產(chǎn)生制動力矩。電機(jī)車啟動時，防爆電動推桿收回，帶動制動杠桿在支撐板的支撐下擺動，擺動過程中實現(xiàn)閘瓦與車輪的斷開，進(jìn)而實現(xiàn)車輪的制動解除。工作過程為：駕駛員反應(yīng)動作→電動推桿動作→閘瓦動作→持續(xù)過程動作→制動（解除制動）動作。

圖2 電機(jī)車電動推桿制動系統(tǒng)

3.2 電機(jī)車制動系統(tǒng)控制原理

電機(jī)車駕駛員在駕駛室使用操作臺對電機(jī)車制動系統(tǒng)進(jìn)行集中控制，依據(jù)現(xiàn)實需求，實現(xiàn)電機(jī)車一鍵啟動和一鍵制動功能，其控制原理圖如圖3所示。當(dāng)電機(jī)車需要啟動時，駕駛員按下啟動按鍵，電機(jī)制動轉(zhuǎn)矩消除，防爆電動推桿向后收回，電機(jī)和車輪制動解除，此時電機(jī)啟動，電機(jī)車啟動。當(dāng)電機(jī)車需要制動時，駕駛員按下制動按鍵，電機(jī)電源關(guān)閉，同時電機(jī)制動轉(zhuǎn)矩生成，防爆電動推桿頂桿伸出，電機(jī)和車輪實現(xiàn)制動，電機(jī)車快速精確停車[3]。

圖3 電機(jī)車制動系統(tǒng)控制原理圖

4 電動推桿制動系統(tǒng)對電機(jī)車無人駕駛技術(shù)的意義

要減少司機(jī)與護(hù)航人員，提高礦井生產(chǎn)物料的轉(zhuǎn)運效率，減少或避免煤礦生產(chǎn)重大運輸安全事故，提高礦井生產(chǎn)運輸?shù)男畔⒒?、自動化、無人化水平，實現(xiàn)井下電機(jī)車的無人駕駛是前提條件[4]?！笆濉币?guī)劃在“十二五”規(guī)劃的基礎(chǔ)上，將對煤礦生產(chǎn)中各個方面能力和技術(shù)提升的要求，轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)合現(xiàn)代頂尖技術(shù)建立無人礦山的新要求，要求為實現(xiàn)無人礦山提高技術(shù)研究水平。我國還在強(qiáng)國戰(zhàn)略《中國制造2025》中對煤礦生產(chǎn)做出要求，即在煤炭開采這一制造業(yè)中，需要與現(xiàn)代高新技術(shù)進(jìn)行深度融合，加快采礦技術(shù)的研究應(yīng)用，打造智慧煤礦和無人礦山[5]。

電動推桿內(nèi)部采用電機(jī)作為動力機(jī)構(gòu)，具有精度高、響應(yīng)速度快等特點，可實現(xiàn)一鍵啟動和一鍵制動，由此可見電動推桿制動系統(tǒng)易于實現(xiàn)遠(yuǎn)程駕駛，駕駛員在調(diào)度中心就可以實現(xiàn)電機(jī)車安全駕駛，大大減少了安全隱患。而遠(yuǎn)程駕駛是無人駕駛的基礎(chǔ)，遠(yuǎn)程駕駛的實現(xiàn)是無人駕駛實現(xiàn)的重要一步，由此可見，電動推桿制動系統(tǒng)對于電機(jī)車無人駕駛技術(shù)的實現(xiàn)具有重要意義。

5 結(jié)語

傳統(tǒng)礦用電機(jī)車一般采用液壓或氣壓制動，通過對傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)進(jìn)行分析，本文提出了一種通過電動推桿進(jìn)行制動的電機(jī)車制動系統(tǒng)，以電動推桿作為動力源的制動系統(tǒng)有很多優(yōu)點，如性價比高、無復(fù)雜管路等。依據(jù)電動推桿機(jī)械原理，建立防爆電動推桿整體模型，提出電機(jī)車制動原理，設(shè)計電機(jī)車電動推桿制動系統(tǒng)，并分析其制動過程，以實現(xiàn)一鍵啟動與一鍵制動。該系統(tǒng)在滿足煤礦井下電機(jī)車生產(chǎn)運輸?shù)那疤嵯?，能夠減員增效，大幅度提高電機(jī)車的安全性能。