探析矿用电机车制动系统制动性能的仿真分析

郭海峰

(山西新景矿煤业有限责任公司，山西 阳泉 045008)

引言

根据《煤炭安全规程》相关标准，为确保生产效率及作业人员的人身安全，对矿用电机车的制动距离提出了不同等级的要求。其中，针对物料制动的距离要求为40m，针对作业人员的制动距离要求为20m。而在实际生产中，为确保矿用电机车制动性能，常采用限制电机车的运行速度和牵引载重量来实现，无法充分发挥其运输能力。

1 矿用电机车参数

新景矿矿用电机车为湖南双马电气有限公司的产品，该矿用电机车的关键参数如表1所示。该表所示的矿用电机车的关键参数将为其制动系统的仿真建模提供依据。

表1 新景矿矿用电机车关键参数

2 矿用电机车制动系统原理

矿用电机车的制动依据其车头制动系统实现，本文所研究电机车制动系统为机械制动装置，可采用气动或者手动两种形式实现制动。新景矿矿用电机车制动系统为手动/气动闸瓦机械制动装置。该电机车最多可牵引矿车数量为10节，最大牵引质量为37.2t。该机械制动装置的结构如图1所示。

1—作业人员操作首轮；2—制动丝杆；3—螺母；4—均衡梁；5—拉杆；6—活塞杆；7、9—制动杆；8—连杆；10—调节螺栓；11—制动机构闸瓦；12—气动管路；14—轮对图1 矿用电机车机械制动装置原理图

基于上述机械制动装置矿用电机车制动系统的工作经历反应、制动闸瓦动作、制动持续动作以及制动停止四个过程，提升矿用电机车制动性能的关键在于缩短设备的制动时间，进而缩短其制动距离。

3 矿用电机车制动系统的动力学仿真

3.1 制动过程数学模型建立

基于对矿用电机车制动系统原理及制动过程的研究分析建立制动距离与制动时间的数学模型。矿用电机车制动过程包括制动空行程时间和实际制动时间。制动空行程时间为作业人员踩下脚踏板后闸瓦与车轮接触的时间段；实际制动时间为闸瓦与车轮已完全接触。矿用电机车在实际制动过程中的制动距离包括空行程距离和实际制动距离，模型如式(1)所示：

(1)

式中：S为电机车制动距离；V0为电机车运行速度；t0为空行程时间；a′为电机车空行程期间的减速度，a为电机车的实际制动减速度。

3.2 仿真模型假设

为减小仿真计算的运算量，节省运算时间，针对矿用电机车制动系统建立几何模型时对其关键部件气缸、活塞杆、制动杆、连杆、调节螺栓以及闸瓦进行建模。为了能够得到更加准确的结构，在建模过程中做出如下假设：假设其车轮为纯滚动；忽略在装配过程中各零部件之间的间隙；忽略闸瓦在制动过程中的正常变形；将制动系统各零部件视为刚体，忽略零部件之间的振动。

3.3 制动系统力学仿真分析

基于3.1所搭建的模型，根据电机车的实际运行情况对其添加相应的约束力、负载以及制动力等。作业人员在实际操作过程中电机车的空行程时间根据司机的反应灵敏度而各不同，设电机车制动过程的空行程时间为1s，制动力为1600N，电机车加速到额定运行速度时间为0.5s[4]。基于上述设置后，对矿用电机车空载、满载二挡运行以及满载三挡运行的制动距离和制动时间进行仿真分析，判断其是否满足《煤炭安全规程》的相关标准要求，仿真结果如表2所示。

表2 制动时间与制动距离仿真结果分析

在电机车在空载、满载上坡、满载水平二挡以及满载二挡下坡时的制动距离符合《煤炭安全规程》的相关要求；当满载水平运行时总制动距离接近40m，处于临界危险状态；当满载三挡下坡时其总制动距离远超过安全制动距离。因此，需对制动系统进行改进优化，以缩短制动距离。

4 提升制动性能的策略

针对矿用电机车制动系统性能差的问题，基于实践研究+理论分析的手段提出通过改进制动系统关键机械结构部件的结构尺寸，以确保闸瓦能够获得更大的制动力，进而增加制动减速度，缩小制动时间，进而减小制动距离[5]。此外，由于工作面工作环境相对恶劣且灯光昏暗影响作业人员对电机车位置的判断，加之作业人员疲劳后操作影响其操作精度，进而增加了空行程时间和距离。为此，后续结合相关理论计算对制动系统影响制动力的机械结构部件的尺寸或装配形式进行优化设计，并对制动系统的气压回路进行改进，设计外引入智能刹车控制系统两方面分别缩短实际制动距离和空行程距离，进而缩小矿用电机车的总制动距离，提升矿用电机车的安全系数。

5 结语

矿用电机车作为综采工作面的主要运输设备，根据《煤炭安全规程》的相关规定要求其运输物料、作业人员时制动距离不超过40m、20m。在实际生产中，为确保其制动距离满足要求，常通过限制运行速度和牵引重量降低电机的运行效率。该矿电机车在满载下坡三挡以及满载水平三挡运行时存在极大的风险，应从改进机械制动部件结构尺寸及装配方式、改进液压回路及引入智能刹车系统等方面对其制动系统进行优化。