劉德寧

(中煤科工集團(tuán)太原研究院，山西 太原 030006)

由于特殊的防爆要求，煤礦井下無軌輔助運(yùn)輸裝備所用的制動(dòng)器大多為濕式制動(dòng)器，與其配套的制動(dòng)系統(tǒng)為全液壓制動(dòng)系統(tǒng)[1]。制動(dòng)系統(tǒng)是車輛最重要的組成部分，加之井下巷道狹窄、彎多且坡度較大，其性能的好壞直接影響著駕駛?cè)藛T及井下作業(yè)人員的人身安全，因此制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須滿足安全可靠的要求[2-4]。

部分無軌輔助運(yùn)輸車輛在使用過程中存在制動(dòng)蓄能器充液頻繁的現(xiàn)象，導(dǎo)致泵頻繁工作，甚至?xí)鹨簤河透邷?，為確保制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性，對(duì)這些車輛的制動(dòng)系統(tǒng)改進(jìn)優(yōu)化迫在眉睫。

1 全液壓制動(dòng)系統(tǒng)的工作原理

由于制動(dòng)系統(tǒng)屬于間歇性工作系統(tǒng)，其工作時(shí)間相對(duì)于停頓時(shí)間來說比較短，因此為節(jié)省液壓系統(tǒng)的能耗，降低動(dòng)力源的工作頻率，在制動(dòng)回路中都配置蓄能器，作為儲(chǔ)能元件，當(dāng)制動(dòng)系統(tǒng)工作時(shí)，優(yōu)先使用蓄能器的高壓油液[5]。根據(jù)需要，在回路中加裝充液閥，補(bǔ)充蓄能器中的油液。充液閥工作時(shí)，有一個(gè)上限壓力和一個(gè)下限壓力，當(dāng)蓄能器中油液的壓力降到一定程度，充液閥開始工作，動(dòng)力源向蓄能器中充液，當(dāng)蓄能器中的壓力達(dá)到上限壓力，充液閥關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力源卸荷。

根據(jù)動(dòng)力源的不同，全液壓制動(dòng)系統(tǒng)可以分為負(fù)荷傳感泵制動(dòng)系統(tǒng)、定量泵制動(dòng)系統(tǒng)、恒壓變量泵制動(dòng)系統(tǒng)。以某采用定量泵作為動(dòng)力源存在頻繁充液?jiǎn)栴}的礦用車輛為例，其工作原理如圖1所示。

圖1 定量泵全液壓制動(dòng)回路原理圖

當(dāng)蓄能器中的壓力低于充液閥下限壓力時(shí)，充液閥開啟，去第二系統(tǒng)或回油箱的油液減少，優(yōu)先蓄能器中補(bǔ)充油液，當(dāng)壓力達(dá)到上限壓力時(shí)，充液閥關(guān)閉，泵的流量通過O口全部流向第二系統(tǒng)或油箱。

2 系統(tǒng)頻繁充液原因分析

車輛的頻繁充液表現(xiàn)為，不操作制動(dòng)踏板時(shí)，蓄能器中的壓力自動(dòng)下降，下降到充液閥的下限壓力后，泵開始工作，甚至5～10s就進(jìn)行一次充液，導(dǎo)致泵頻繁工作。設(shè)計(jì)選型蓄能器的容積時(shí)，通常要求蓄能器中的高壓油要能滿足5～6次制動(dòng)過程，顯然頻繁充液達(dá)不到增加制動(dòng)蓄能器降低泵工作頻率的目的。經(jīng)檢查，蓄能器中的充氮壓力滿足設(shè)計(jì)要求。

為進(jìn)一步了解蓄能器中壓力變化情況，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)管路布置情況，利用AMESim仿真平臺(tái)，通過平臺(tái)中的機(jī)械庫(Mechanical)、液壓庫HYD(Hydraulic Design)、液壓元件庫 HCD(Hydraulic Component Design)及信號(hào)庫(Signal Control and Observers)建立定量泵充液系統(tǒng)的仿真模型[6-9]。制動(dòng)蓄能器充液系統(tǒng)的HCD模型如圖2所示。

充液過程仿真的主要參數(shù)見表1，充液閥出口壓力和蓄能器進(jìn)口壓力變化的仿真曲線如圖3所示。

表1 充液過程仿真的主要參數(shù)

圖3 充液閥出口壓力仿真曲線

從圖3中可以看出，充液閥從A點(diǎn)開始工作，此時(shí)出口壓力值為5MPa，與蓄能器的充氮壓力大小相符。線段AB代表整個(gè)充液過程，當(dāng)?shù)竭_(dá)B點(diǎn)后，充液閥的出口壓力為14.35MPa，而充液閥的上限壓力理論值為14.1MPa，廠家給定的上下限壓力設(shè)計(jì)偏差為0.5MPa，仿真的值在合理的偏差范圍內(nèi)。充液完成后，充液閥關(guān)閉，此時(shí)的壓力值沒有穩(wěn)定，而是回落到C點(diǎn)，壓力值約為12.1MPa，而該壓力值接近于充液閥的下限壓力11.5MPa，C點(diǎn)以后由于存在系統(tǒng)泄露，因此壓力值是逐漸減小的。當(dāng)充液閥的出口達(dá)到上限壓力時(shí)，蓄能器的進(jìn)口壓力到達(dá)B’點(diǎn)，壓力值為12.5MPa左右，充液閥關(guān)閉后，回落至和充液閥進(jìn)口壓力相同的位置。

通過以上分析可知，B點(diǎn)壓力值和B’點(diǎn)壓力值之間的差值為1.85MPa，二者分別屬于一條管路的兩個(gè)端點(diǎn)，說明充液過程中管路中存在較大的沿程壓力損失。需對(duì)該段管路的布置進(jìn)行優(yōu)化。

利用高性能高精度手持式測(cè)試儀HMG3000對(duì)充液閥出口的壓力值進(jìn)行測(cè)試。將壓力傳感器連接至充液閥的出口，觀察充液過程中壓力的變化情況如圖4所示。

圖4 充液過程中充液閥出口壓力實(shí)際測(cè)試值

圖4中時(shí)間軸上99.12s之前，完成了一次制動(dòng)過程，即踩下制動(dòng)踏板后松開。蓄能器中的高壓油壓力降到充液閥的下限壓力，充液閥開始充液。從99.12s到103s完成了整個(gè)充液過程?？梢钥闯錾舷迚毫χ禐?4.1MPa左右。與廠家給出的理論值以及上面仿真結(jié)果相近。充液完成后，出口壓力迅速回落至11.62MPa，趨勢(shì)與仿真模型相類似。上述仿真模型中，最終充液閥出口壓力值為12.1MPa，略高于試驗(yàn)數(shù)據(jù)11.62MPa。由于仿真模型中，只關(guān)注了管路長(zhǎng)度導(dǎo)致的沿程壓力損失，而忽略了充液閥至蓄能器連接管路中管路通徑變化導(dǎo)致的局部壓力損失，因此會(huì)有一定的誤差。

綜上仿真結(jié)果及實(shí)際測(cè)試結(jié)果，二者得出了一致的結(jié)論，充液過程中，管路長(zhǎng)度引起了比較大的壓力損失，蓄能器中的高壓油壓力不能達(dá)到充液閥的上限壓力，二者的差值達(dá)2.5MPa左右，接近充液閥的下限壓力。故而蓄能器中的高壓油容量降低，系統(tǒng)稍有泄露或踩一次制動(dòng)踏板，充液閥就開啟，從而會(huì)有頻繁充液的現(xiàn)象。

3 管路布置的優(yōu)化

通過以上分析，充液閥頻繁充液是由于充液過程中管路中的沿程壓力損失太大，導(dǎo)致蓄能器中的實(shí)際壓力達(dá)不到充液閥的上限壓力，壓力損失達(dá)2.5MPa，因此為解決頻繁充液?jiǎn)栴}，需對(duì)充液閥出口至蓄能器的管路布置進(jìn)行優(yōu)化。

管路中的壓力損失分為局部壓力損失和沿程壓力損失。局部壓力損失是由于液體流速在某一局部受到擾動(dòng)而變化所產(chǎn)生的損失，它是形狀的函數(shù)[10，11]。因此為減少局部壓力損失，應(yīng)減少該段管路的管徑變化。在管路連接處不宜使用變徑接頭。

管路中的沿程壓力損失計(jì)算公式為：

式中，λ為沿程阻力系數(shù)；l為管道長(zhǎng)度，m；dH為水力直徑，m；ρ為流體的密度，kg/m3；ν為管道內(nèi)的平均流速，m/s。

從上式中可以看出沿程壓力損失與連接管路的長(zhǎng)度成正比，與管路的水力直徑即實(shí)際通流直徑成反比。為降低壓力損失，應(yīng)盡可能的縮短管路長(zhǎng)度或增加管路直徑。

目前充液閥至蓄能器的連接管路長(zhǎng)度為6800mm，水力直徑為6mm。在管路長(zhǎng)度不變的情況下將管路變粗，水力直徑變?yōu)?mm，利用手持式測(cè)量?jī)x監(jiān)測(cè)充液閥出口壓力的變化值，可得出以下變化曲線，如圖5所示。

圖5 管路直徑加粗后充液壓力變化曲線

從圖5中可以看出，將管路加粗，充液完成后，蓄能器中的壓力值為12.4MPa左右，與充液閥的上限壓力之間的壓差為1.7MPa，壓差相比細(xì)管路，減小了0.8MPa。由于管路長(zhǎng)度較長(zhǎng)，且布置過程中需從機(jī)架縫隙中穿過，管路直徑不能變得更粗，會(huì)影響連接。

為進(jìn)一步減小壓差，有效提高充液完成后蓄能器中壓力油的實(shí)際壓力值，應(yīng)盡可能縮短管路長(zhǎng)度，將蓄能器布置在靠近充液閥的位置?，F(xiàn)場(chǎng)優(yōu)化后，可將蓄能器至充液閥出口之間的連接管路縮短至1000mm。通過儀器測(cè)試充液過程，充液閥出口的壓力值變化曲線如圖6所示。

圖6 管路長(zhǎng)度縮短后充液壓力變化曲線

從圖6可以看出，充液完成后蓄能器中高壓油的實(shí)際壓力值為13.5MPa，與充液閥的上限壓力之間的壓差僅為0.6MPa，能很好的滿足設(shè)計(jì)要求，蓄能器中的壓力油容量能滿足6次制動(dòng)的需求。相比原先的管路布置，壓差減小了將近2MPa。

4 結(jié) 語

本文介紹了全液壓制動(dòng)系統(tǒng)的工作原理，針對(duì)某采用定量泵驅(qū)動(dòng)的全液壓制動(dòng)系統(tǒng)在應(yīng)用過程中存在的充液頻繁問題，利用AMESIM仿真平臺(tái)，通過建立制動(dòng)蓄能器充液系統(tǒng)的HCD模型，將充液閥出口壓力和蓄能器進(jìn)口壓力進(jìn)行了仿真，得出了二者之間壓力損失達(dá)2.5MPa；同時(shí)利用HYDAC手持式測(cè)試儀，對(duì)充液閥的出口壓力進(jìn)行了實(shí)測(cè)，與仿真模型的壓力變化趨勢(shì)相同，壓差相近，驗(yàn)證了仿真模型的正確性。通過對(duì)管路布置進(jìn)行優(yōu)化，縮短管路長(zhǎng)度的同時(shí)，增加了管路直徑，最終實(shí)現(xiàn)了充液完成后蓄能器中的油液壓力與充液閥的上限壓力接近，增加了高壓油容量，解決了充液頻繁問題。