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(山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院， 山東 青島 266590)

引言

輔助運(yùn)輸直接影響著礦井生產(chǎn)的安全和效率，其現(xiàn)代化程度已經(jīng)成為了衡量煤礦現(xiàn)代化水平的重要指標(biāo)。目前，單軌吊車、卡軌車和齒軌車是煤礦井下主要的輔助運(yùn)輸設(shè)備，而且這些輔助運(yùn)輸設(shè)備都能夠在一定坡度范圍內(nèi)運(yùn)行，因此在安全生產(chǎn)中機(jī)車的制動(dòng)性能也就尤為重要[1]。煤礦安全規(guī)程要求煤礦井下軌道運(yùn)輸車輛要安裝超速保護(hù)或斷繩保護(hù)裝置，離心釋放器是目前使用較多的速度檢測(cè)裝置，但是，它的精度較低，而且受機(jī)車振動(dòng)影響較大，經(jīng)常發(fā)生誤動(dòng)作。針對(duì)這些問題，某中心研制了一套礦用車輛自動(dòng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)，并得到了成功的應(yīng)用[2]。本研究將該系統(tǒng)應(yīng)用在單軌吊車緊急制動(dòng)系統(tǒng)中，并運(yùn)用虛擬仿真平臺(tái)AMESim軟件對(duì)其制動(dòng)性能進(jìn)行仿真研究。

1 液壓制動(dòng)系統(tǒng)

1.1 制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

單軌吊車緊急制動(dòng)系統(tǒng)使用圖1所示的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，制動(dòng)缸采用彈簧漲緊、液壓釋放的形式。在機(jī)車正常行駛時(shí)，制動(dòng)缸內(nèi)充入液壓油壓縮彈簧，將摩擦塊抬離鋼軌腹板進(jìn)行松閘；當(dāng)機(jī)車超過限定速度需要制動(dòng)時(shí)，卸荷閥門在觸發(fā)機(jī)構(gòu)作用下打開，制動(dòng)缸在彈簧力作用下快速卸荷，并將摩擦塊壓在鋼軌腹板上，實(shí)施緊急制動(dòng)。

1.軌道 2.摩擦塊 3.彈簧 4.液壓缸圖1 單軌吊制動(dòng)機(jī)構(gòu)圖

1.2 液壓制動(dòng)系統(tǒng)原理

目前，單軌吊車緊急制動(dòng)系統(tǒng)中的速度檢測(cè)裝置多為離心釋放器，但是，該裝置精度較低，而且受機(jī)車振動(dòng)影響較大，使用中經(jīng)常發(fā)生誤動(dòng)作，在機(jī)車尚未超速時(shí)就實(shí)施了制動(dòng)，帶來了不必要的麻煩。為此，本研究將礦用車輛自動(dòng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用在單軌吊車上，該系統(tǒng)是將機(jī)車的速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為液壓信號(hào)，來觸發(fā)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。液壓信號(hào)只與機(jī)車的速度有關(guān)，受機(jī)車振動(dòng)影響較小。圖2所示為礦用車輛自動(dòng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)原理圖(圖中未畫出制動(dòng)缸供油回路)，為保證單軌吊車在雙向運(yùn)行中，該系統(tǒng)都可以正常使用，系統(tǒng)中采用雙向定量泵和液壓橋，液壓橋可以保證無論雙向定量泵是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，都可以輸出液壓油。雙向定量泵由安裝在單軌吊車上的取速輪直接驅(qū)動(dòng)，油泵的排油量與單軌吊車行駛速度成正比。將流控閥通徑調(diào)到某一定值，只允許通過單軌吊車正常行駛情況下油泵的排油量；而當(dāng)單軌吊車達(dá)到限定速度時(shí)，油泵排油量增加，導(dǎo)致流控閥左端壓強(qiáng)升高，進(jìn)而打開順序閥，高壓油液到達(dá)液控單向閥的控制端口，將閥門打開，兩制動(dòng)缸便在彈簧力作用下快速卸荷， 制動(dòng)缸中的油液經(jīng)液控單向閥流入油箱，完成緊急制動(dòng)。圖2中的安全閥只是在調(diào)試系統(tǒng)時(shí)起到防止系統(tǒng)過載的作用，在系統(tǒng)正常使用時(shí)，安全閥不起作用。

1.油箱 2、5.過濾器 3.液壓橋 4.雙向定量泵 6.安全閥 7.流控閥 8.順序閥 9.摩擦塊 10、12.制動(dòng)缸 11.液控單向閥圖2 礦用車輛自動(dòng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)原理圖

2 建立液壓系統(tǒng)模型

虛擬仿真平臺(tái)AMESim軟件操作方便快捷，不僅可以建立現(xiàn)有產(chǎn)品的仿真模型，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品性能，而且還可以指導(dǎo)新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)[3]。利用AMESim仿真軟件的機(jī)械、信號(hào)、液壓及液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)的相應(yīng)模型，建立礦用車輛自動(dòng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)的仿真模型。通過分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，可以得知該系統(tǒng)的制動(dòng)性能[4]。在仿真分析過程中，只需分析礦車在單向運(yùn)行中的情況即可，在建立系統(tǒng)模型時(shí)，用單向定量泵模塊來模擬圖2中雙向定量泵的一個(gè)轉(zhuǎn)向；由于圖2中的安全閥6只在系統(tǒng)過載時(shí)發(fā)揮作用，所以在建立模型的時(shí)候可以省去；為了清楚的了解液控單向閥的開啟情況，采用HCD庫(kù)建立其仿真模型[5]。建立的系統(tǒng)模型如圖3所示，圖中，二位換向閥控制制動(dòng)液壓缸的供油回路；溢流閥用來維持系統(tǒng)供油壓力為14 MPa；右側(cè)的單向定量泵用來采集單軌吊車的速度信號(hào)，并將速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為液壓信號(hào)；斜坡信號(hào)源用來調(diào)節(jié)流控閥的通徑尺寸；液控單向閥控制制動(dòng)缸的卸荷回路。

圖3 制動(dòng)系統(tǒng)模型

系統(tǒng)模型搭建完畢，接下來對(duì)系統(tǒng)設(shè)置相關(guān)參數(shù)，主要設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)見表1。

3 仿真分析

仿真過程中，先對(duì)制動(dòng)缸進(jìn)行供油，制動(dòng)缸壓縮彈簧，將摩擦塊抬離鋼軌腹板；然后關(guān)閉供油回路，改變流控閥通徑，使其從6 mm逐漸縮小到0，觀察當(dāng)單軌吊車在限定速度運(yùn)行時(shí)， 流控閥通徑大小對(duì)液控單向閥閥芯位移的影響。流控閥通徑變化情況如圖4所示。設(shè)置仿真時(shí)間7 s，采樣間隔0.01 s，仿真結(jié)果如圖5所示。

表1 設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)

圖4 流控閥通徑變化情況

圖5 流控閥通徑對(duì)液控單向閥閥芯位移的影響

由圖5可以看出，在單軌吊車以限定速度運(yùn)行的情況下，當(dāng)流控閥通徑減小到3.6 mm時(shí)，液控單向閥閥芯開始迅速移動(dòng)打開閥門，對(duì)制動(dòng)缸進(jìn)行卸荷?！兜V用斜井人車技術(shù)條件》規(guī)定離心釋放器的動(dòng)作誤差應(yīng)小于±5%，也就是說觸發(fā)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作誤差應(yīng)保持在±5%內(nèi)，所以，礦用車輛自動(dòng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作誤差也應(yīng)保持在±5%內(nèi)，即觸發(fā)緊急制動(dòng)時(shí)泵輪轉(zhuǎn)速應(yīng)保持在1132.7～1252.0 r/min范圍內(nèi)。

依據(jù)圖5的仿真結(jié)果，可以將流控閥的通徑設(shè)定為3.6 mm，然后，仿真分析單軌吊車在傾角為16°的坡道上發(fā)生跑車事故時(shí)系統(tǒng)的制動(dòng)性能。設(shè)置仿真時(shí)間3 s，采樣間隔0.01 s，圖6表示泵輪轉(zhuǎn)速與液控單向閥閥芯位移關(guān)系圖。由圖6可以看出，當(dāng)泵輪加速到1210 r/min時(shí)，液控單向閥的閥芯迅速打開，制動(dòng)缸卸荷，并將摩擦塊壓在鋼軌腹板上，實(shí)施緊急制動(dòng)。此時(shí)泵輪轉(zhuǎn)速在1132.7～1252.0 r/min 范圍內(nèi)，符合限速要求。

圖6 泵輪轉(zhuǎn)速與液控單向閥閥芯位移關(guān)系圖

作為制動(dòng)系統(tǒng)的核心部分，制動(dòng)液壓系統(tǒng)的反應(yīng)速度直接影響到制動(dòng)器的工作狀態(tài)[6]。煤礦安全規(guī)程規(guī)定，單軌吊車緊急制動(dòng)的空動(dòng)時(shí)間應(yīng)不大于0.7 s[7]。圖7表示的是單軌吊車達(dá)到限定速度實(shí)施緊急制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)情況。由圖7可以看出，制動(dòng)缸在1.78 s開始卸荷，在2.20 s卸荷完畢，卸荷時(shí)間為0.42 s，符合煤礦安全規(guī)程的要求。

圖7 制動(dòng)缸活塞桿運(yùn)動(dòng)情況

4 結(jié)論

介紹了礦用車輛自動(dòng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)的工作原理，并將該系統(tǒng)應(yīng)用在單軌吊車的緊急制動(dòng)系統(tǒng)中，運(yùn)用虛擬仿真平臺(tái)AMESim軟件建立了該系統(tǒng)的仿真模型。通過對(duì)系統(tǒng)模型的仿真分析，可以得出以下結(jié)論：

(1) 當(dāng)雙向定量泵轉(zhuǎn)速一定時(shí)，液控單向閥是否開啟由流控閥的通徑大小直接決定，而且當(dāng)流控閥通徑達(dá)到某一值時(shí)，液控單向閥能夠迅速打開；

(2) 調(diào)定好流控閥的通徑尺寸之后，在發(fā)生坡道跑車事故時(shí)，該系統(tǒng)響應(yīng)迅速，可以在規(guī)定的限速誤差范圍內(nèi)觸發(fā)緊急制動(dòng)；

(3) 該系統(tǒng)緊急制動(dòng)的空動(dòng)時(shí)間小于0.7 s，符合煤礦安全規(guī)程的要求；

(4) 該系統(tǒng)將機(jī)車的速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為液壓信號(hào)，所輸出的液壓信號(hào)只與機(jī)車速度有關(guān)，受機(jī)車的振動(dòng)影響較小，有效的解決了離心釋放器所存在的誤動(dòng)作問題。

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