矿用救援运载车制动过程研究

王 剑

（同煤集团大斗沟煤业公司， 山西 大同 037000）

引言

煤矿救援运载车作为运载人及救援设备的主要运输工具，其在行驶过程中，时常会根据不同的环境需求进行整车的制动，电磁制动器的制动效果影响着整车的行驶安全和设备安全运行的效率。掌握整车的制动原理以及对制动过程进行分析，并开展整车制动过程理论的研究十分必要。

1 煤矿救援运载车制动系统制动原理

在制动系统设计过程中，驱动制动器的动力源主要来自于电磁铁的吸力作用，所设计的电磁制动器是一种最近广泛使用的制动器模式，其工作特点表现为结构简单易维修、制动效果良好、制动响应速度及时、制动动作控制灵活、安装和拆卸方便等。其结构组成如图1所示。其制动原理为：当制动控制系统发出制动操作命令时，煤矿救援运载车的电磁铁线圈处于通电状态，在电磁感应作用下产生电磁力，通过吸合衔铁产生相对滑移运动，连杆在衔铁的运动下沿水平方向进行滑移，从而推动活塞产生较大的滑移位移，带动了活塞和制动外壳两侧安装的刹车摩擦片，刹车片为克服弹簧阻力，对制动盘进行压紧，利用摩擦片与制动盘的摩擦力作用，在制动盘上了产生较大的制动力矩，降低车轮的转速，实现救援运载车的刹车制动。

2 煤矿救援运载车制动过程分析

煤矿救援运载车制动系统制动全过程的减速度变化曲线如图2所示。图中:ta为救援运载车制动系统的反应时间，是指救援运载车的制动系统发出制动命令后，电磁铁通过吸附衔铁装置，将电磁感应产生的电能转化为制动所需的机械能，增力机构在机械作用力下推动活塞，以此克服摩擦衬片与制动盘间隙、制动滞后、自身的自由行程等参数所需时间；tb为制动器开始制动的时间，是指摩擦片压住制动盘后，在制动盘上产生制动力并开始制动所需的时间；tc为制动系统持续制动的时间；td为制动系统结束制动的时间。

图1 电磁制动器的三维结构图

图2 救援运载车制动过程减速度变化曲线

3 制动系统制动过程受力分析

3.1 救援运载车主要参数

目前应用于煤矿的救援运载车种类较多，可实现不同工况条件下不同吨位机器人及设备的运输。通过参考现有煤矿救援运载车主要型号规格，确定了一款煤矿救援运载车整车基本参数，如下页表1所示。

表1 某煤矿救援运载车整车基本参数

3.2 救援运载车制动状态时车轮与钢轨黏着分析

救援运载车车轮在制动力作用下逐渐减速行驶，从而使车轮与轮轨之间了产生黏着式的相对接触状态。在黏着状态下，由于车轮与轨道之间存在蠕滑现象，故车轮质心的前进速度大于轮周滚动速度Rω。蠕滑大小一般用无量纲的蠕滑率ζ来表示：

式中：R 为车轮半径，m；ω 为角加速度，rad/s2；v为行驶速度，m/s。

在黏着状态区间内，为保证车轮与轮轨之间的黏着状态不发生接触失效等破坏现象，需保证车轮与轮轨之间产生的切向制动力小于极限黏着力，即：

式中：P为救援运载车质量，kg；Ψ为黏着系数；g为重力加速度，N/kg。

车轮与钢轨之间的黏着系数Ψ在不同工况下的推荐取值，如表2所示。

表2 救援运载车在不同工况下的黏着系数Ψ推荐值

3.3 救援运载车制动状态时车轮受力分析

将车轮与轨道都视为刚体，当车轮沿倾斜轨道进行滚动时，由于车轮载荷作用，车轮在制动过程中，发生了压缩变形。由此，得到制动系统的制动力矩方程：

式中：FTK为摩擦反力，N；JOK为车轮的转动惯量，kg·m2；εB为制动时车轮角减速度，rad/s2；δ为移动距离，m。

车轮受力平衡方程：

式中：BTK为轮重载荷作用在钢轨的纵向反力，N；m为救援运载车重量，kg；aB为救援运载车减速度，m/s2；PK为轮重载荷，kg；α为救援运载车所在直行钢轨坡度，（°）。

由此得到：

3.4 救援运载车制动状态时整车受力分析

在救援运载车制动状态下，通过对整车进行受力分析，得到救援运载车的制动力为：

式中：BT1、BT2为左右车轮切向制动力，N；F0为运行阻力，N；Fa为惯性阻力，N；Fi为救援运载车垂直载荷的横向分力，N；aB为救援运载车减速度，m/s2；γ为惯性系数；ω为运行阻力系数；i为轨道坡度/（°）。

4 煤矿救援运载车制动系统数学模型建立

4.1 制动减速度数学模型

结合前文公式，可得出制动减速度的数学模型，其公式如下：

4.2 制动角减速度数学模型

结合前文公式，可得出车轮制动角减速度的数学模型，其公式如下：

4.3 制动距离与制动时间数学模型

电磁制动器制动时间t主要由制动空行程时间t0和实际制动时间t1两部分组成。同时，制动器的制动距离s主要由救援运载车的空行程距离s0和实际制动距离s1两部分距离组成，由此得到如下公式。

式中：v0为制动前的速度，m/s；a'为制动空行程时的减速度，m/s2。

由此，得到救援运载车主要的制动参数，如表3所示。

表3 救援运载车主要制动参数

5 结论

通过建立救援运载车制动系统的数学模型，开展了不同质量条件下救援运载车制动性能的理论计算与运动分析，得出了救援运载车在该条件下的理论制动距离与制动时间。驾驶员可参考此参数进行刹车制动，并可结合制动距离和时间差，对整车制动进行性能调节。该研究成果可以为企业生产出高品质电磁制动器产品提供理论支撑，对提高煤矿救援运载车制动系统的制动效果、增加整车行驶安全性具有重要意义。