绳牵引轨道运输车辆液压制动系统的设计

2021-11-17彭元帅胡军科肖连平彭钰峰

液压与气动 2021年11期

彭元帅，胡军科，肖连平，彭钰峰

(1.中南大学机电工程学院，湖南长沙 410083； 2.湘潭恒欣实业有限公司, 湖南湘潭 411300)

引言

绳牵引轨道运输车辆在煤矿生产中具有重要作用，能够实现长距离连续运输，并且安装方便，易于操作[1]，其本身没有动力装置，如图1所示，通过与绞车滚筒摩擦的钢丝绳牵引制动车，制动车端部挂接载重车，适合在距离长、坡度大、吨位重的条件下代替传统对拉运输方式，虽然在煤矿生产中得到了广泛的应用，但是仍存在以下的问题：

1.绞车 2.张紧装置 3.制动车 4.载重车 5.尾轮 6.压绳轮 7.托绳轮

(1) 若牵引钢丝绳的张紧力较小，特别是当巷道起伏角度大于9°时，容易出现钢丝绳在绞车滚筒的摩擦衬垫上打滑的现象，车辆会有超速溜坡的危险；

(2) 在设备运行过程中，尤其是下放重物时，在张紧装置处钢丝绳产生应力集中，另外轨道的道岔口会摩擦钢丝绳，容易导致断绳现象。

如果上述现象发生，制动车就可以及时进行制动，避免车辆出现超速、掉道和侧翻等危险情况,确保运输安全性。目前的绳牵引轨道运输车辆多为卡轨形式，卡轨式车载重量大、爬坡能力强、可在小半径弯道行驶，其特殊的轨道和行车结构对煤矿井下的工作环境具有较强的适应性，绳牵引卡轨运输车的安全性被越来越多的人重视，国内外许多学者和专家也对制动装置进行了研究和设计。

FIA型卡轨车制动时，超速离合器打开液压阀门，制动缸中的制动碟簧推动，活塞杆上的制动闸块压紧轨道，使闸座上移，闸块与闸座同时夹紧槽钢轨道进行[2]。石家庄煤机厂研发的普通轨道制动器，制动时，碟簧会带动活塞杆上的制动块压紧轨道上表面，同时使轨道两侧的抱轨制动钳抱住轨道下侧面，完成抱轨制动[3]。赵炟[4]研究了异形卡轨车的制动装置，利用AMESim软件对液压制动系统进行了建模和仿真分析，模拟了供油过程和制动过程的液压系统完整动态响应工况；张钊[5]研究了无极绳连续牵引车的防滑安全制动系统，提出并确定以蓄能器作为动力源的液压系统，利用AMESim软件仿真分析，验证了液压系统的可行性；高万普[6]研究了牵引绞车的防滑制动，实现对绞车运行状态的连续监测，设备打滑时，既可以让牵引绞车停机，又可以对无极绳进行制动;于腾飞[7]对绳牵引单轨吊制动系统进行了设计与研究，使用SolidWorks软件建立制动系统模型，优化液压制动系统并对相关液压元件选型;王进超等[8]研究了井下轨道牵引车制动系统，提出空间凸轮连杆机构结合鼓式制动器的机械制动方案，分析了空载和满载的制动性能，利用ADAMAS仿真软件建立模型并对结果进行分析;马艳卫[9]以双回路液压制动系统为研究对象，使用充液阀为两个回路的蓄能器充液，建立液压系统仿真模型，并进行响应特性仿真；曹艳等[10]为验证矿井提升机液压制动系统设计的准确性，进行了建模与仿真，并分析了正常开车和停车时的油压、碟簧力和制动正压力。

目前应用于绳牵引轨道运输车辆的制动方式可以分为两大类，即靠碟簧力实施制动液压解除制动和制动车靠自身重力与轮轨摩擦制动，主要有如下不足：

(1) 安装在缸筒内的碟簧所占体积较大，当需要较大的制动力时，必须要加大碟簧体积，体积过大的碟簧又不便于布置，制动力不能实现灵活调节控制，并且碟簧效率低，弹力衰减严重，载荷偏差难以保证；

(2) 在正常运行过程中，液压系统为了解除制动，必须长期处于高压状态以克服碟簧力，但是如果发生意外泄漏，车辆就会出现非正常制动，甚至会造成严重的安全事故；

(3) 如果拖动的货物质量较大，依靠制动车自身重量不能有效制动。

为解决以上问题，本研究提出采用液压制动方式来提高绳牵引车辆的制动性能，设计了以蓄能器作为动力源的液压控制系统，并对系统主要元件建立数学模型进行理论分析，设计了合理的正压式制动机构，该制动装置可以实现制动力和制动行程无级调节，满足绳牵引轨道车辆安全制动的要求。

1 液压制动系统设计

液压制动系统由油箱、双向定量泵、液压桥、蓄能器充液阀、蓄能器、手动液压泵、超速发讯装置、单向阀、液压缸等组成，如图2所示。双向定量泵由与车轮连接的取速轮驱动，通过蓄能器充液阀给蓄能器充油，在非制动状态时，制动执行机构因弹簧力而离开轨道制动面，当需要紧急制动时，通过手动或自动两种方式打开液压阀，蓄能器的高压油驱动制动执行机构夹紧轨道上下面实施制动。

1.双向定量泵 2.液压桥 3.过滤器 4.充液阀总成 5.油箱 6.蓄能器 7.压力表 8.驻车制动阀 9.手动液压泵 10.超速发讯装置 11.制动液压缸 12.截止阀

为了实现紧急情况下快速有效制动，使用2个规格相同的蓄能器作为动力源，极大地提高了工作的可靠性，系统设置有充液阀，液压系统通过双向定量泵、液压桥、过滤器、充液阀给蓄能器充液，当达到充液阀的设定压力时，系统卸荷，蓄能器压力在一定范围内保持稳定。

1.1 液压系统充液原理

充液阀是液压系统的重要部件，可以及时地给蓄能器充液并且使其压力稳定在一定范围之内。充液阀分单回路和双回路，本研究使用的是单回路充液阀，其结构主要是由控制充液压力上下限的先导阀和充液主阀组成，充液系统如图3所示。

1.换向阀 2.控制阀 3.阻尼阀 4.单向阀 5.充液蓄能器

蓄能器充液过程中，泵通过单向阀给蓄能器供油，泵压力通过控制阀的下位被引导至换向阀的弹簧侧，由于换向阀下端比上端多了弹簧力，故换向阀工作在下位，此时换向阀对泵节流，使泵出口压力升高；蓄能器压力又被引导至控制阀的上端，当系统的压力克服弹簧C的弹簧力时，控制阀变成上位工作，换向阀的弹簧侧连接到T口，与油箱连通，换向阀的阀芯在P口压力下克服下端弹簧力向下移动，将泵流量引导至T口，泵出口压力降低，实现系统卸荷，单向阀关闭，充液完成；当蓄能器回路压力低于设定值时，控制阀的阀芯在弹簧力的作用下上移，控制阀下位工作，P口压力再次被引导至换向阀的弹簧侧，重复对蓄能器充液。

1.2 蓄能器分析

蓄能器具有稳定性好、响应速度快、功率密度高的特点[15]，液压系统中应用十分普遍。囊式蓄能器惯性小，响应速度快，不易泄漏，易于维护[16]，在使用前都会充入一定压力的氮气，其存储能量受体积和压力影响[17]。在系统蓄能时，油泵泵油压缩皮囊中的气体实现能量转换，当紧急制动时，皮囊中的气体内能转换为压力能，驱动执行机构进行做功，其工作过程与弹簧压缩释放类似，在对蓄能器进行分析和建模时，可以将其等效为弹簧-阻尼模型。

蓄能器的流量方程：

(1)

由气体波义耳定律可得：

(2)

对式(2)求导并在(V0,p0)处展开可得：

(3)

在不考虑蓄能器油液弹性模量时，油液动力学方程为：

(4)

联立式(2)～式(4)并进行拉氏变换，可得到蓄能器充液过程中的传递函数：

(5)

式中,qa—— 蓄能器出口流量

Va—— 蓄能器内部某一时刻气体体积

pa—— 蓄能器内部某一时刻气体压力

k—— 气体多变指数

V0—— 蓄能器充气体积

p0—— 蓄能器充气压力

px—— 蓄能器出口压力

Aa—— 蓄能器内横截面积

ma—— 蓄能器液体当量质量

B—— 当量油腔阻尼系数

Ca—— 气体阻尼系数

Ka—— 气体弹簧刚度

通过分析可以得出，若不考虑管路连接以及油液与气体阻尼系数等参数的影响，蓄能器的变化响应与充气压力、气体体积和流量等有关。

囊式蓄能器选择的主要依据是压力和容积，蓄能器容积V0由充气压力p0、有效工作容积ΔV、系统最低工作压力p1和最高工作压力p2决定。

有效工作容积ΔV计算公式：

(6)

式中，Ai—— 液压缸的有效作用面积

Si—— 液压缸的工作行程

m—— 液压缸所需要的行程次数

蓄能器作为紧急能量存储时的典型情况排放很快(绝热)，总容积计算公式：

(7)

式中，p1—— 系统最低压力

p2—— 系统最高压力

n—— 指数，等温时取1，绝热时取1.4

1.3 制动执行机构设计

制动执行机构主要由制动臂、活塞杆、缸筒、弹簧、制动爪、摩擦片等组成，结构如图4所示。

1.缸筒 2.油缸活塞 3.弹簧挡板 4.弹簧 5.制动臂 6.车架 7.制动爪 8.摩擦片 9.钢轨

正压式结构的制动装置结构简单，其底部安装有摩擦片，在制动时，液压油通过上端油口进入缸筒腔内，推动活塞杆与制动臂向下移动，带动制动爪向上运动，制动臂和制动爪上下夹紧轨道产生制动力；当车辆需解除制动时，打开截止阀，缸筒内的液压油回到油箱，在弹簧力的作用下，制动缸复位，制动爪离开轨道。

2 试验研究

2.1 试验目的

液压系统需要为制动执行机构提供理想可靠的高压油，在蓄能器压力达到设定值时实现卸荷保压，制动时制动机构迅速动作，为运输设备提供足够的制动力，故试验目的在于：

(1) 验证液压系统的充液能力，当蓄能器达到设定最高压力时，油液压力是否稳定；

(2) 液压缸实施制动的响应时间，制动结束后，蓄能器压力是否高于最低压力及此时的制动力。

2.2 试验装置

根据《煤矿安全规程》的第378条规定，单轨吊车、卡轨车、齿轨车和胶套轮车的牵引机车和驱动绞车,应该具有稳定可靠的制动系统，保险制动和停车制动的制动力是额定牵引力的1.5～2倍，运输设备的牵引力是80 kN,故制动力大小范围为120～160 kN，重要设计技术指标参数如表1所示。

表1 技术指标参数

在某制动梭车上进行试验，为保证梭车制动时的平衡和降低液压系统的压力，制动车两边对称布置4组制动装置，试验台由动力单元电机、液压泵、蓄能器、制动机构及辅助元件等组成，蓄能器公称容积为16 L，对称安装在梭车左右两边，通过法兰连接与梭车固定，如图5所示。根据液压原理图，将部分液压元件集成到阀块上，整体试验台装置如图6所示。

图5 蓄能器安装位置

图6 整体试验台装置

2.3 试验结论

为了验证液压系统是否有良好的充液保压性能，对蓄能器出口处的压力进行测试，得出其压力变化曲线如图7所示。当达到设定最高压力9.4 MPa后，压力能够保持稳定，证明液压系统安全可靠。

图7 蓄能器充液压力曲线

打开手动截止阀进行制动，液压缸迅速响应，记录该过程压力，得到压力在制动状态下的变化曲线，如图8所示。从制动开始到制动结束，响应时间为0.2 s，压力为7.53 MPa，大于技术指标最低压力6.63 MPa，满足设计要求。对装置进行拉伸测试其摩擦力，测试仪器显示最终摩擦力为144 kN，在120～160 kN范围中。