矿用车辆自动液压制动系统动态仿真

2015-05-10，，，

液压与气动 2015年4期

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(山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛 266590)

引言

辅助运输直接影响着矿井生产的安全和效率，其现代化程度已经成为了衡量煤矿现代化水平的重要指标。目前，单轨吊车、卡轨车和齿轨车是煤矿井下主要的辅助运输设备，而且这些辅助运输设备都能够在一定坡度范围内运行，因此在安全生产中机车的制动性能也就尤为重要[1]。煤矿安全规程要求煤矿井下轨道运输车辆要安装超速保护或断绳保护装置，离心释放器是目前使用较多的速度检测装置，但是，它的精度较低，而且受机车振动影响较大，经常发生误动作。针对这些问题，某中心研制了一套矿用车辆自动液压制动系统，并得到了成功的应用[2]。本研究将该系统应用在单轨吊车紧急制动系统中，并运用虚拟仿真平台AMESim软件对其制动性能进行仿真研究。

1 液压制动系统

1.1 制动执行机构

单轨吊车紧急制动系统使用图1所示的执行机构，制动缸采用弹簧涨紧、液压释放的形式。在机车正常行驶时，制动缸内充入液压油压缩弹簧，将摩擦块抬离钢轨腹板进行松闸；当机车超过限定速度需要制动时，卸荷阀门在触发机构作用下打开，制动缸在弹簧力作用下快速卸荷，并将摩擦块压在钢轨腹板上，实施紧急制动。

1.轨道 2.摩擦块 3.弹簧 4.液压缸图1 单轨吊制动机构图

1.2 液压制动系统原理

目前，单轨吊车紧急制动系统中的速度检测装置多为离心释放器，但是，该装置精度较低，而且受机车振动影响较大，使用中经常发生误动作，在机车尚未超速时就实施了制动，带来了不必要的麻烦。为此，本研究将矿用车辆自动液压制动系统应用在单轨吊车上，该系统是将机车的速度信号转换为液压信号，来触发执行机构。液压信号只与机车的速度有关，受机车振动影响较小。图2所示为矿用车辆自动液压制动系统原理图(图中未画出制动缸供油回路)，为保证单轨吊车在双向运行中，该系统都可以正常使用，系统中采用双向定量泵和液压桥，液压桥可以保证无论双向定量泵是正转还是反转，都可以输出液压油。双向定量泵由安装在单轨吊车上的取速轮直接驱动，油泵的排油量与单轨吊车行驶速度成正比。将流控阀通径调到某一定值，只允许通过单轨吊车正常行驶情况下油泵的排油量；而当单轨吊车达到限定速度时，油泵排油量增加，导致流控阀左端压强升高，进而打开顺序阀，高压油液到达液控单向阀的控制端口，将阀门打开，两制动缸便在弹簧力作用下快速卸荷，制动缸中的油液经液控单向阀流入油箱，完成紧急制动。图2中的安全阀只是在调试系统时起到防止系统过载的作用，在系统正常使用时，安全阀不起作用。

1.油箱 2、5.过滤器 3.液压桥 4.双向定量泵 6.安全阀 7.流控阀 8.顺序阀 9.摩擦块 10、12.制动缸 11.液控单向阀图2 矿用车辆自动液压制动系统原理图

2 建立液压系统模型

虚拟仿真平台AMESim软件操作方便快捷，不仅可以建立现有产品的仿真模型，对产品进行优化设计，提高产品性能，而且还可以指导新产品的设计开发[3]。利用AMESim仿真软件的机械、信号、液压及液压元件设计库的相应模型，建立矿用车辆自动液压制动系统的仿真模型。通过分析系统的动态特性，可以得知该系统的制动性能[4]。在仿真分析过程中，只需分析矿车在单向运行中的情况即可，在建立系统模型时，用单向定量泵模块来模拟图2中双向定量泵的一个转向；由于图2中的安全阀6只在系统过载时发挥作用，所以在建立模型的时候可以省去；为了清楚的了解液控单向阀的开启情况，采用HCD库建立其仿真模型[5]。建立的系统模型如图3所示，图中，二位换向阀控制制动液压缸的供油回路；溢流阀用来维持系统供油压力为14 MPa；右侧的单向定量泵用来采集单轨吊车的速度信号，并将速度信号转换为液压信号；斜坡信号源用来调节流控阀的通径尺寸；液控单向阀控制制动缸的卸荷回路。

图3 制动系统模型

系统模型搭建完毕，接下来对系统设置相关参数，主要设计计算参数见表1。

3 仿真分析

仿真过程中，先对制动缸进行供油，制动缸压缩弹簧，将摩擦块抬离钢轨腹板；然后关闭供油回路，改变流控阀通径，使其从6 mm逐渐缩小到0，观察当单轨吊车在限定速度运行时，流控阀通径大小对液控单向阀阀芯位移的影响。流控阀通径变化情况如图4所示。设置仿真时间7 s，采样间隔0.01 s，仿真结果如图5所示。

表1 设计计算参数

图4 流控阀通径变化情况

图5 流控阀通径对液控单向阀阀芯位移的影响

由图5可以看出，在单轨吊车以限定速度运行的情况下，当流控阀通径减小到3.6 mm时，液控单向阀阀芯开始迅速移动打开阀门，对制动缸进行卸荷。《矿用斜井人车技术条件》规定离心释放器的动作误差应小于±5%，也就是说触发机构的动作误差应保持在±5%内，所以，矿用车辆自动液压制动系统的动作误差也应保持在±5%内，即触发紧急制动时泵轮转速应保持在1132.7～1252.0 r/min范围内。

依据图5的仿真结果，可以将流控阀的通径设定为3.6 mm，然后，仿真分析单轨吊车在倾角为16°的坡道上发生跑车事故时系统的制动性能。设置仿真时间3 s，采样间隔0.01 s，图6表示泵轮转速与液控单向阀阀芯位移关系图。由图6可以看出，当泵轮加速到1210 r/min时，液控单向阀的阀芯迅速打开，制动缸卸荷，并将摩擦块压在钢轨腹板上，实施紧急制动。此时泵轮转速在1132.7～1252.0 r/min 范围内，符合限速要求。

图6 泵轮转速与液控单向阀阀芯位移关系图

作为制动系统的核心部分，制动液压系统的反应速度直接影响到制动器的工作状态[6]。煤矿安全规程规定，单轨吊车紧急制动的空动时间应不大于0.7 s[7]。图7表示的是单轨吊车达到限定速度实施紧急制动时，制动缸活塞杆的运动情况。由图7可以看出，制动缸在1.78 s开始卸荷，在2.20 s卸荷完毕，卸荷时间为0.42 s，符合煤矿安全规程的要求。