李建志

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)柳灣煤礦， 山西 孝義 032300）

引言

目前，我國(guó)煤礦井下輔助運(yùn)輸以軌道運(yùn)輸為主，軌道除了需要支承車體重量，在發(fā)生跑車、斷繩時(shí)還需要與制動(dòng)器配合作用實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)，同時(shí)還需要能實(shí)現(xiàn)可靠卡軌防止翻車、掉道等危險(xiǎn)事故[1-2]。隨著綜采設(shè)備的噸位不斷增大，對(duì)地軌軌道的承載能力提出了新的要求，要求軌道有良好的承載能力，軌道車輛能夠?qū)崿F(xiàn)可靠、穩(wěn)定的緊急制動(dòng)和卡軌等功能。基于SMJ異形軌在上述各個(gè)方面的良好性能，本文選用SMJ系列異形軌作為研究緊急制動(dòng)系統(tǒng)的軌道。

1 卡軌車動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析

軌道輔助運(yùn)輸設(shè)備的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性直接影響著設(shè)備的安全靠性。如果卡軌車的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性差，最直接的后果就是機(jī)車脫軌掉道或者機(jī)車緊急制動(dòng)時(shí)發(fā)生傾翻[3]。以柴油機(jī)卡軌機(jī)車為例，機(jī)車動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性采用安全系數(shù)校核法來衡量，安全系數(shù)Sq定義為：

式中：Q為制動(dòng)時(shí)車輪軸承受的垂直軌道面的支撐力；Q0為軌車在水平軌道表面靜止不動(dòng)時(shí)，車輪軸承受的支撐力。

當(dāng)Sq數(shù)值越大，表明動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性越好。Sq的數(shù)值小于1時(shí)，系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，極易發(fā)生脫軌掉道、側(cè)翻、傾翻事故。歐洲國(guó)家普遍采用Sq=1.3作為標(biāo)準(zhǔn)安全系數(shù)。影響卡軌車穩(wěn)定性的因素有很多，主要從橫向穩(wěn)定性和縱向穩(wěn)定性兩個(gè)方面進(jìn)行分析。

1.1 橫向穩(wěn)定性

如圖1所示為卡軌車牽引車在橫向平面內(nèi)的受力簡(jiǎn)圖。

當(dāng)卡軌車在平直軌面上運(yùn)行時(shí)，理想條件下，支撐力N1、N2是一對(duì)平衡值，其數(shù)值大小由機(jī)車重力W和重心位置e決定。但是如果平直的軌道局部出現(xiàn)底鼓，軌道接頭部分出現(xiàn)上下位置偏差，同時(shí)機(jī)車又處于高速運(yùn)行狀態(tài)下，此時(shí)的輪軸支撐力會(huì)瞬間達(dá)到峰值，導(dǎo)致一側(cè)車輪處于“失力”狀態(tài)，引發(fā)脫軌掉道事故。另外，如果機(jī)車轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)對(duì)軌道變化的適應(yīng)能力差，水平推力B1或B2中的一個(gè)力足夠大時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)輪緣的爬軌現(xiàn)象，增加了掉道的可能性。

圖1 軌車橫向平面受力簡(jiǎn)圖

當(dāng)機(jī)車在彎軌運(yùn)行時(shí)，側(cè)翻力矩來源于運(yùn)動(dòng)離心力P，側(cè)翻力矩的大小與速度的平方、重心高度成正比，與軌道半徑成反比[4]。煤礦輔助運(yùn)輸中，卡軌車重心一般比較低，軌道半徑也越來越大，所以行駛速度是主要因素。

1.2 縱向穩(wěn)定性

卡軌車的縱向穩(wěn)定性就是機(jī)車在運(yùn)行方向上的穩(wěn)定性。將機(jī)車位于斜坡上、帶有載荷的下行運(yùn)動(dòng)作為分析目標(biāo)，此時(shí)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性表現(xiàn)最為薄弱，如下頁圖2所示為卡軌車縱向平面受力簡(jiǎn)圖。

分析計(jì)算可得后輪支撐力：

得到后輪支撐力，可得前輪支撐力：

根據(jù)公式（1），可以得到前后輪的安全系數(shù)公式：

圖2 卡軌車縱向平面受力簡(jiǎn)圖

對(duì)于采用制動(dòng)靴壓軌軌面上表面、依靠車身重力產(chǎn)生制動(dòng)力的卡軌車而言，人們?nèi)菀灼嬖龃笾苿?dòng)器彈簧力以增大制動(dòng)力，減少制動(dòng)距離。但是根據(jù)公式（2）—（5）可以看出，隨著正壓力Z的增大，前后輪的安全系數(shù)Sq不斷減小，對(duì)卡軌車安全穩(wěn)定性的副作用是極為明顯的。

卡軌車減速度在卡軌車下坡運(yùn)行過程中起著重要作用。實(shí)際情況中常常會(huì)出現(xiàn)較大的f值，產(chǎn)生很大的動(dòng)態(tài)力和F，從而導(dǎo)致傾翻力矩的增大。

可以看出，緊急制動(dòng)器不僅需要有合理可靠的結(jié)構(gòu)，還有需要有安全穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，這就對(duì)礦用異形軌緊急制動(dòng)系統(tǒng)提出了更高的要求。

2 新型制動(dòng)器方案設(shè)計(jì)

2.1 制動(dòng)器制動(dòng)原理

礦用軌道運(yùn)輸車輛的制動(dòng)原理主要普軌壓軌制動(dòng)和槽鋼軌、普軌卡軌制動(dòng)兩種類型。壓軌制動(dòng)的制動(dòng)力由車身自重產(chǎn)生，制動(dòng)力有限?？ㄜ壷苿?dòng)的制動(dòng)力由彈簧產(chǎn)生，制動(dòng)力大。根據(jù)前文所述，現(xiàn)有的卡軌車輔助運(yùn)輸都無法滿足緊急制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，本文確定選用SMJ系列異形軌作為研究緊急制動(dòng)系統(tǒng)的軌道。

緊急制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)裝置布置在獨(dú)立車輛上，稱之為制動(dòng)車。制動(dòng)裝置分為兩組布置，制動(dòng)車前后各一組。常見的制動(dòng)車壓軌制動(dòng)原理圖如圖3所示。卡軌車行駛狀態(tài)下，液壓缸充壓，克服彈簧力使制動(dòng)缸上升，高于軌面。制動(dòng)時(shí)，液壓系統(tǒng)卸壓，制動(dòng)缸在彈簧力作用向下移，與軌面接觸產(chǎn)生摩擦力，制動(dòng)力大小取決于機(jī)車自重。

圖3 制動(dòng)原理圖

2.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)緊急制動(dòng)液壓系統(tǒng)上述特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)出與之配套的液壓系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 液壓系統(tǒng)原理圖

2.2.1 松閘復(fù)位

制動(dòng)車松閘復(fù)位時(shí)，滾輪換向閥和手動(dòng)換向閥均接入左位，切斷制動(dòng)液壓缸與油箱的油路。轉(zhuǎn)動(dòng)手動(dòng)液壓泵將油液通過單向閥壓入制動(dòng)液壓缸的有桿腔內(nèi)，推動(dòng)活塞向無桿腔移動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)與活塞桿頭部和制動(dòng)缸液壓缸底部相連接的制動(dòng)彈簧壓縮，由于上、下制動(dòng)閘靴的制動(dòng)彈簧的底部與車身焊接在一起無法移動(dòng)，因此制動(dòng)彈簧就會(huì)隨活塞桿的移動(dòng)而縮短，實(shí)現(xiàn)上制動(dòng)閘靴上移、下制動(dòng)閘靴下移。當(dāng)壓力表的數(shù)值達(dá)到設(shè)定值時(shí)，松閘復(fù)位過程結(jié)束。單向閥和蓄能器起到保壓作用，維持系統(tǒng)壓力恒定。

2.2.2 緊急制動(dòng)

當(dāng)卡軌車需要緊急制動(dòng)時(shí)，人工操作手動(dòng)換向閥接入右位，或者離心式限速器自動(dòng)檢測(cè)超速行駛觸發(fā)行程開關(guān)，使?jié)L輪換向閥接入右位，制動(dòng)液壓缸通過節(jié)流閥與油箱連通進(jìn)行快速卸荷，此時(shí)，制動(dòng)液壓缸所壓縮的制動(dòng)彈簧快速釋放，將上制動(dòng)閘靴壓下、下制動(dòng)閘靴提起，接觸摩擦產(chǎn)生動(dòng)摩擦力實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。通過改變節(jié)流閥閥口通流面積的大小來控制活塞桿運(yùn)動(dòng)速度的大小，減小卸荷回路中因缺少回油背壓而產(chǎn)生的振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定的卸荷。

2.3 離心式限速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

離心式減速器是卡軌車緊急制動(dòng)系統(tǒng)中重要的部件，圖5是離心式限速器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖[6]。離心式減速器主要由壓縮彈簧、轉(zhuǎn)動(dòng)軸、滑塊、滑動(dòng)軸等組成。轉(zhuǎn)動(dòng)軸的一端與取速輪連接，另一端固定于離心式限速器外殼，離心式限速器的轉(zhuǎn)速取決于卡軌車的速度。離心式限速器共有兩個(gè)滑塊，其中一個(gè)滑塊可以沿著滑動(dòng)軸滑動(dòng)，另一個(gè)滑塊通過圓錐銷與滑動(dòng)軸連接在一起[4-5]。通過調(diào)整墊圈的位置，可以調(diào)節(jié)壓縮彈簧的壓縮量。離心式釋放器轉(zhuǎn)速較低時(shí)，滑塊離心力小于向心力，滑動(dòng)軸無法深處。向心力主要由彈簧力和滑塊、滑動(dòng)軸的重力分量組成。當(dāng)卡軌車超速行駛時(shí)，離心式釋放器轉(zhuǎn)速超過設(shè)定值，滑塊離心力大于向心力，滑塊帶動(dòng)滑動(dòng)軸伸出殼體，觸碰擋塊，觸發(fā)滾輪換向閥換向動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)。

離心式限速器的特點(diǎn)：離心式限速器只在卡軌車超速行駛時(shí)才動(dòng)作；需要根據(jù)不同的實(shí)際工況，對(duì)離心式限速器設(shè)定值進(jìn)行調(diào)定；動(dòng)作速度誤差不大于±5%，動(dòng)作靈敏可靠、造價(jià)低、維修方便、滿足防爆要求。

圖5 離心式限速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3 結(jié)論

根據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)的基于異形軌的緊急制動(dòng)系統(tǒng)，其制動(dòng)器可以避免與軌道干涉，實(shí)現(xiàn)可靠的抱軌制動(dòng)。根據(jù)緊急制動(dòng)液壓系統(tǒng)的特點(diǎn)，基于失效安全型制動(dòng)器設(shè)計(jì)的緊急制動(dòng)液壓系統(tǒng)，采用液壓、彈簧儲(chǔ)能，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和手動(dòng)控制，自動(dòng)控制由離心式限速器觸發(fā)。