架線式工礦電機車制動系統(tǒng)改進與優(yōu)化

周正偉

（宜春鉭鈮礦有限公司，江西宜春 336000）

0 引言

架線式工礦電機車是隧道工程或礦場中常用的一種工礦電機車，隨著科技的進步與發(fā)展，電機車的運輸能力不斷提高。在運輸過程中，電機車的安全與穩(wěn)定性能直接影響著運輸效率。根據(jù)實際使用中反映出的問題，發(fā)現(xiàn)其中最為突出的問題是制動問題。

從我國礦用電機車制動技術的發(fā)展歷程來看，目前應用最廣泛的是氣動制動系統(tǒng)，其主要的制動方式為手搖轉(zhuǎn)盤制動和腳踏氣制動。我車間采用的就是通過腳踏閥控制壓縮氣體牽引剎車瓦進行制動的方式。經(jīng)長期使用，發(fā)現(xiàn)該制動方式易造成司機腿部疲勞，且制動可靠性相對較差，尤其是駐車制動性能表現(xiàn)最差。鑒于此種情況，對架線式電機車的制動系統(tǒng)進行改進和優(yōu)化迫在眉睫，要求既能保證電機車的運輸能力，又要改善其制動能力。

1 現(xiàn)有電機車制動系統(tǒng)

從近年來各礦山、煤山電機車的使用情況來看，目前的架線式電機車制動系統(tǒng)主流采用腳踏氣制動（圖1），通過司機控制腳踏板帶動拉桿，使儲氣罐中的氣體輸送至制動氣缸，制動氣缸通過活塞桿帶動剎車瓦進行制動。該制動方式相較于早期的制動圓盤式制動，控制力的大小更靈活，減少了制動對電機車電機、減速箱齒輪等造成的損害。

圖1 腳踏氣制動氣動原理

控制腳踏閥可以做到緊急制動，避免了反接制動損壞機車的狀況，可大大減少維修保養(yǎng)費用，并降低機車因制動問題對生產(chǎn)造成的影響。然而，采用該制動結構的電機車進行裝礦作業(yè)時，因需要頻繁地進行點動，易造成操作司機腿部疲勞。且在行進過程中，由于腳踏力度大小難以精準控制，易造成剎車瓦和電機車輪緣磨損嚴重，遇到緊急情況時下意識地猛踩剎車甚至會造成電機車脫軌的危險情況。此外，在停車作業(yè)時，該結構沒有駐車制動，只能通過轉(zhuǎn)動手制動圓盤進行駐車制動，該情況在駕駛電機車進行接礦、卸礦作業(yè)時，給司機對斗帶來了不小的難度，難以準確地進行對斗接礦與卸礦，容易造成礦渣下落至鐵路，可能引起礦車脫離軌道等事故。

2 電機車制動系統(tǒng)的優(yōu)化設計

本次進行改進的制動系統(tǒng)由機械制動、氣制動、電制動和感應制動4 個子系統(tǒng)組成。

2.1 機械制動

機械制動所采用為老式電機車制動方式，它通過旋轉(zhuǎn)制動手輪帶動制動絲桿牽引拉桿，從而帶動制動桿使4 個方向的制動軸瓦同時壓向4 個車輪進行制動（圖2）。其中，順時針旋轉(zhuǎn)手輪為制動，逆時針旋轉(zhuǎn)為解除制動。為保證解除制動的可靠性，可以調(diào)節(jié)螺桿調(diào)整軸瓦與輪子的間隙，通常范圍控制在3～5 mm。機械制動結構簡易、維修便捷，但考慮到司機在操作電機車進行制動時行程過大、操作不便，面對緊急情況來不及剎車，遇到突發(fā)事件時危險系數(shù)較高，所以該種制動方式主要設計用于長時間停產(chǎn)、停車時的制動。

圖2 手輪軸瓦制動裝置示意

本文對機械制動進行了二次優(yōu)化。與以往的制動方式不同，原來進行短時間駐車制動時，需要利用制動氣缸進行打氣，從而達到制動效果。然而在儲氣罐氣壓不足或壓縮供氣系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，容易導致剎車不牢靠而使制動效果較差。本套系統(tǒng)在停車時，司機將擋位和行駛方向歸零以后，會立即釋放制動氣缸中的氣壓，氣缸內(nèi)彈簧隨之彈起，制動桿立即頂住兩邊的剎車瓦，達到停車自動制動效果，避免溜車現(xiàn)象。再次使用時，只需給定行駛方向或?qū)庵苿咏獬_關打開，制動氣缸便會通過電磁閥打開閥門，從而松開剎車。此外，當電機車出現(xiàn)故障無法運行、無法打氣時，為方便解除剎車，剎車瓦中間連桿設計為可調(diào)節(jié)式，可以通過旋轉(zhuǎn)中間連桿調(diào)節(jié)剎車力度，將其調(diào)低后便可把電機車拖至維修場所。

2.2 氣制動

氣制動方式是目前礦用電機車的主流制動方式，本文設計的制動系統(tǒng)也主要以其為主，通過與機械制動相互配合，保證制動性能的可靠性。當駕駛員需要進行制動時，旋轉(zhuǎn)制動旋鈕，傳給中間繼電器一個電信號，電信號通過電磁閥控制制動氣缸相對彈簧另一側的氣壓，將壓縮空氣從儲氣罐注入與彈簧同側的氣缸氣室。其中，儲氣罐氣壓大小通過壓力繼電器與風機變頻器同時作用，控制儲氣罐氣壓在0.4～0.8 MPa，儲氣罐氣壓達0.4 MPa后再將空氣輸送到氣室，由氣室傳導到各個操作控制閥。接著，通過相關操作指令，由各個操作控制閥經(jīng)由組合三通進入各管路，最后通過制動氣缸產(chǎn)生推力，與彈簧一同帶動閘瓦進行制動，操作簡單、容易維護。此外，氣制動與機械制動同時作用，可以有效減少制動距離，面對突發(fā)情況也能較快地規(guī)避風險。

2.3 電制動

礦用變頻電機車的電制動由交流電機的發(fā)電反饋制動、機車的減速制動以及其他情況下的能耗制動3 個部分組成。工作中的交流電機當變頻器的輸出頻率使電機定子磁場的轉(zhuǎn)速小于電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速時，電機轉(zhuǎn)子獲得制動力。電制動原理如圖3 所示，當電機在輸出牽引力并穩(wěn)定運行時n0＞n，即當電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速小于定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，電機便處于電動狀態(tài)。此時，如果將變頻器的輸出頻率降低，使電機定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速小于電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。雖然由于機車運行的慣性，電機轉(zhuǎn)子仍基本保持在調(diào)頻之前的穩(wěn)定運行轉(zhuǎn)速，但是根據(jù)磁場中運動的導體切割磁場磁力線產(chǎn)生的感應電流（右手定則），電機轉(zhuǎn)子導體產(chǎn)生感應電流，并由判斷通電導體在磁場中受力方向的左手定則，可知電機轉(zhuǎn)子獲得了制動力。

圖3 電制動原理

圖3 中，n0為定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速；n 為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；F 為電機轉(zhuǎn)子導體受力；N、S 為定子磁場的磁極；ΦD為定子磁通；ΦZ為轉(zhuǎn)子磁通；I 為轉(zhuǎn)子導體中的電流。

2.4 感應制動

感應制動通過4G LTE 自動創(chuàng)建無線Mesh 網(wǎng)絡，電機車在無線Mesh 網(wǎng)絡中自動組建無線局域網(wǎng)，并通過調(diào)度上位機建立編組握手，實現(xiàn)機車的網(wǎng)絡通信。電機車的車載控制系統(tǒng)通過CAN 轉(zhuǎn)以太網(wǎng)設備將機車的控制指令及數(shù)據(jù)信息（包含編組ID 信息）傳入無線局域網(wǎng)。無線局域網(wǎng)的車載控制器通過編組ID 信息自動識別并提取網(wǎng)絡中所需的指令及信息，然后根據(jù)所收到的指令及信息輸出控制命令，并返回相應的數(shù)據(jù)信息，完成數(shù)據(jù)交換。

其中，數(shù)據(jù)交換具體是通過RFID 射頻讀卡器識別鐵路上安裝的RFID 無源標簽實現(xiàn)的，將信息通過RS485 通信方式告知PLC，PLC 將信號傳給CPE，然后通過4G 基站將通信信息傳達至機車控制軟件。機車控制軟件接收信號后，對標簽號進行識別并將預設的制動動作，并通過4G 基站傳回給CPE。CPE 再次將信號傳給PLC，PLC 控制單元進行執(zhí)行制動，控制電機車進行準確停車。

感應制動的應用前景較廣，可以用于機車放礦的精確控制，通過感應制動實現(xiàn)自動放礦精確定位，實現(xiàn)電機車與放礦斗的定點停車。當進行放礦時，通過采用窄射頻角RFID 定位技術，它的作用主要是讀取安置在鐵軌上RFID 卡中的信息，從而定位電機車的位置，實現(xiàn)電機車在關鍵軌道節(jié)點的位置校正。系統(tǒng)根據(jù)定位信息自動調(diào)整車斗位置，以滿足自動放礦的條件。此外，對電機車PLC 程序進行設置，當電機車制動壓力不足時，PLC 停止速度給定，并執(zhí)行減速剎車；當電機車行駛接近隧道盡頭，如果司機由于疏忽未進行停車操作，PLC 會立即執(zhí)行緊急制動；當出現(xiàn)控制電源故障、網(wǎng)絡通信中斷、機車控制軟件意外關閉、電腦斷電等突發(fā)情況時，PLC 會立即執(zhí)行緊急制動，避免機車失控造成嚴重的危害，確保電機車安全、高效運行。

3 結束語

本文介紹了目前架線式工礦電機車的制動方式，分析各制動方式的工作原理和利弊，進而提出電機車制動系統(tǒng)的改進和優(yōu)化。改進后的制動系統(tǒng)主要包括機械制動、氣制動、電制動、感應制動4 個子系統(tǒng)。其中，感應制動對于電機車的自動駕駛有著良好的發(fā)展前景，采用的無線Mesh 自組網(wǎng)絡，能夠?qū)崿F(xiàn)機車任意編組，而且具有較高通信帶寬，能夠保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，完全適應以后的無人駕駛運輸系統(tǒng)，實現(xiàn)了多級保護機制，機車通信中斷后系統(tǒng)自動投入相應的保護措施，對于電機車在遠程駕駛過程中的各項突發(fā)事項進行有效處理，保證生產(chǎn)過程中的安全性和可靠性，降低維護成本。