矿用电机车制动特性的研究

王金宝

（西山煤电西铭矿运输科二队， 山西 太原 030052）

引言

随着我国采煤技术的进步和综采设备自动化水平的提升，工作面的采煤效率已经得到显著的提升。为此，需要能力相匹配的运输系统，这对综采工作面运输设备的可靠性和稳定性及运输能力提出了更高的要求，尤其是对其可靠性中制动性能提出了更高的要求。根据《煤炭安全规程》的相关规定，要求运输物料时其制动距离不能超过40 m；而运输人员时其制动距离不能超过20 m[1]。但是，由于我国电机车制动技术相对落后，为了确保运输的安全性，常限制载重量和运输速度，导致无法充分发挥电机车的运输能力。因此，本文旨在对矿用电机车的制动系统的制动特性进行研究。

1 传统制动系统的分析

经研究可知，目前工作面电机车的制动是依据机械结构实现的，主要以闸瓦制动装置为主。机械制动装置具有结构简单的优势，但是其在应用中常出现制动不彻底、制动不及时的问题，严重威胁着电机车的安全运行。

为进一步提升电机车的制动性能，拟采用机械制动与气动制动形式相结合的综合制动手段，确保其在紧急制动时会加剧闸瓦与车轮踏面之间的摩擦，但使其使用寿命大打折扣[2]。后来，随着变频技术在电机车制动系统中应用可取得不错的制动效果，但其成本较高。

综上所述，设计一款气动制动系统是电机车制动系统的发展方向。

2 气动制动系统的设计

文中所涉及到的气动制动系统的应用对象为某型电机车。该电机车的主要参数如表1 所示。

目前，应用于矿用电机车气动制动系统的方式包括有单回路和双回路。经分析可知，单回路气动制动系统管路结构简单，仅需极小的安装控制；而对于双回路气动制动系统而言，其管路结构相对复杂，但其具有较高的可靠性。对于电机车制动系统而言，管路复杂导致维修困难。

综合分析矿用电机车单回路气动制动系统和双回路气动制动系统的优劣，决定采用单回路气动制动系统，并具体确定电机车采用气动蹄式制动系统。根据实际生产需求，系统中储气罐压力的上限值为0.75 MPa，下限值为0.5 MPa。气动蹄式制动系统的关键参数如表2 所示。

表1 电机车主要参数

表2 气动蹄式制动系统关键参数

3 影响气动制动系统参数的分析

为准确掌握所设计的气动蹄式制动系统的制动性能，基于Simulink 软件搭建仿真模型，并对各类参数对系统制动性能的影响进行仿真分析[3]。

本章节主要对系统内储气罐的气罐压力、阀口面积等气动元件参数对制动性能的影响进行仿真分析。

根据实际生产需求所设定储气罐的上限压力为0.75 MPa，下限压力为0.5 MPa，对气罐压力为0.3 MPa、0.5 MPa 以及0.7 MPa 下制动器的输出制动力进行仿真分析，仿真结果如图1 所示。

图1 不同气罐压力下制动器输出制动力矩曲线

如图1 所示，随着气罐压力的增大，系统制动器的反应越来越迅速。其中，当气罐压力为0.7 MPa 时系统的制动性能过于灵敏容易导致车轮抱死；当气罐压力为0.3 MPa，系统输出制动力的反应较慢，且峰值较小，导致系统的制动力不够。因此，在实际生产中需根据情况合理调节气罐压力。

本节探讨阀口面积对气动蹄式制动系统性能的具体影响特性。设定储气罐的压力为0.5 MPa，对阀口面积分别为160 mm2、200 mm2、240 mm2的制动性能进行分析，仿真结果如图2 所示。

图2 不同阀口面积系统输出制动力曲线

如图2 所示，随着管路阀口面积的增大，系统达到设定制动力所需的时间减少，即说明制动器的反应变快[4]。因此，需综合考虑各方面因素增大管路阀口面积，进而提升制动系统的响应速度。

4 气动制动系统制动性能的测试

矿用电机车制动性能需与《煤炭安全规程》制动要求相符，尤其测试制动距离是否满足要求。为此，本文设计了当电机车初始运行速度不同以及在不同轨面上运行时电机车所需的制动时间和制动距离进行测试[5]。此外，还需检验系统在制动过程中是否会存在严重的滑行现象。

4.1 不同初始速度下的测试结果

针对不同初始速度下电机车的制动时间和制动距离的测试结果如表3 所示。

表3 不同初始速度下制动性能的测试结果

如表3 所示，当电机车以其最大初始速度运行时，在本文所设计的气动蹄式制动系统的作用下，电机车的制动距离仅为5.37 m，远小于《煤炭安全规程》所规定的40 m，满足要求。

4.2 不同轨面条件下的测试结果

当电机车的初始运行速度为12 km/h 时，测试设备在不同轨面时所需的制动距离和制动时间。本文对比撒沙制动和正常制动情况下的制动性能，测试结果如表4 所示。

表4 不同轨面条件下制动性能的测试结果

如表4 所示，撒沙制动的制动时间和制动距离明显小于正常制动，主要由于在轨面上撒沙后提升了轨道的黏着系数，增加了轨面的黏着力，进而使得电机车能够获得更大的制动力。因此，在实际运输时可根据现场情况适当采取撒沙操作，以提升其制动性能。

5 结语

电机车作为综采工作面的主要的运输设备，其制动性能直接影响工作面的采煤效率。综合对比传统制动系统的优劣性，气动制动系统为可应用于电机车制动的最优系统。本文所设计的单回路蹄式制动系统不论是其制动距离还是其制动时间均能够满足相关要求，且可根据现场条件适当采取撒沙操作，以提升其制动性能。