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        井下防爆無軌車制動強制冷卻系統(tǒng)的設(shè)計

        2022-08-28 05:47:12程思越汪達(dá)勇
        設(shè)備管理與維修 2022年15期
        關(guān)鍵詞:膠輪摩擦片坡道

        程思越,汪達(dá)勇

        (國家能源集團寧夏靈武發(fā)電有限公司,寧夏銀川 750002)

        0 引言

        國家能源寧夏煤業(yè)下轄生產(chǎn)礦井,例如羊場灣煤礦、梅花井煤礦和紅柳煤礦等,巷道具有坡道較大并且距離長的特點,其輔助運輸車輛采用WCJ5E 和WCJ8E 無軌膠輪車。無軌膠輪車一般配備濕式多盤制動器,車輛在重載下長坡的時候,駕駛員需要頻繁踩制動來控制車速,制動系統(tǒng)的負(fù)荷比較大,制動器摩擦片磨損快,需經(jīng)常更換摩擦片,車輛也存在安全隱患。亟需一種能夠給摩擦片降溫的辦法,濕式橋強制冷卻系統(tǒng)將制動器摩擦片浸在冷卻油里,通過齒輪泵給冷卻油提供動力,冷卻油與散熱器間不斷循環(huán),將摩擦片產(chǎn)生的熱量帶走,解決摩擦片高溫、磨損快、漏油等問題。

        1 制動器發(fā)熱量估算

        煤礦井下巷道的路況由于地質(zhì)因素復(fù)雜多變,防爆無軌車輛橋制動器高溫現(xiàn)象主要發(fā)生在長距離下坡工況,短距離下陡坡時由于行車時間短,一般不會出現(xiàn)制動器高溫現(xiàn)象。通過調(diào)研,司機在長距離坡道時,一般會采用掛低擋滑行,由于在車輛沿坡道下滑分力的作用下,車輛柴油機反拖力和地面滾動阻力之和小于車輛的下滑分力,車輛速度會越來越快,司機會踩剎車來控制車速,使車輛保持在較勻速的速度下行駛完整個路程。在下坡行駛過程中,當(dāng)坡道較大時,通過踩剎車控制車速,頻繁踩剎車會使制動器摩擦片溫度升高,車輛的部分勢能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,即發(fā)熱量。同時,車輛在下坡時掛抵擋,利用柴油機的反拖扭矩,可以平衡掉部分車輛重力的下滑力。所以,車輛在整個過程中,車輛的勢能、制動系統(tǒng)的發(fā)熱量、柴油機反拖扭矩做的功有以下關(guān)系:

        式中 Q1——車輛的總勢能,J

        Q2——制動器的發(fā)熱量,J

        W——柴油機反拖扭矩做的功,J

        車輛從坡頂運行到坡底總勢能與車輛的質(zhì)量、坡道長度、坡道角度等有關(guān),其關(guān)系為:

        式中 m——車輛重載時的總重量,kg

        g——重力加速度,m/s2;取9.8 m/s2

        L——坡道總長,m

        α——坡道角度,°

        μ——滾動摩擦因數(shù);一般取0.04

        車輛下坡時司機一般掛低擋行駛,同時利用柴油機的反拖扭矩起輔助制動作用。柴油機在反拖工況下,其反拖功率一般不超過其總功率的30%,在整個行駛過程中,柴油機反拖扭矩做的功與反拖功率的大小和車輛行駛的時間有關(guān),在整個過程中做的功為:

        式中 P——反拖扭矩產(chǎn)生的功率,W

        t——行駛時間,s

        結(jié)合式(1)、式(2)、式(3),橋制動器的發(fā)熱量為:

        則發(fā)熱功率為總發(fā)熱量與車輛總運行時間之間的比值為:

        式中

        v——車速,m/s

        由式(5),制動器的發(fā)熱功率與車輛的總重、車速、坡道角度成正比,柴油機的反拖功率的大小也影響制動系統(tǒng)的熱平衡。為了保證橋制動器在下長坡時不會高溫,濕式橋強制冷卻系統(tǒng)的散熱功率應(yīng)大于其發(fā)熱功率,才能保證制動器的溫升保持穩(wěn)定。

        2 橋制動器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

        防爆無軌膠輪車驅(qū)動橋工作制動器一般采用濕式多盤制動器,濕式多盤式制動器的主要由動摩擦片、靜摩擦片、活塞、彈簧、制動殼、半軸等組成,固定盤和制動殼通過花鍵連接,摩擦盤裝在固定盤之間,隨著車輪旋轉(zhuǎn)。制動時,活塞壓向摩擦片,動靜摩擦片之間產(chǎn)生摩擦力,動摩擦片與半軸相連接,以降低車輪轉(zhuǎn)速,達(dá)到制動的目的。

        一般情況下,摩擦片所處的腔體與半軸、主減速器所在的腔體是連通的,為了保證工作制動器的循環(huán)順暢和散熱效率,摩擦片所處腔體內(nèi)循環(huán)用油需改為液壓油,主減速器所在腔體仍然用齒輪油。所以,在實施安裝強制冷卻系統(tǒng)時,需考慮將兩個腔體之間隔開,工作制動器要進(jìn)行結(jié)構(gòu)的改進(jìn),改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

        圖1 制動器結(jié)構(gòu)

        制動器摩擦片所在的腔體使用密封結(jié)構(gòu)與外部隔開,制動器在上側(cè)和下側(cè)分別設(shè)計冷卻出油口和冷卻進(jìn)油口,冷卻油循環(huán)時下進(jìn)上出,摩擦片基本都浸在冷卻油中,使摩擦片與冷卻介質(zhì)充分接觸,增強冷卻效果。

        3 制動強制冷卻系統(tǒng)的核算

        根據(jù)式(5)可測算整個系統(tǒng)的散熱功率,從而確定散熱器的大小。m=14 000 kg,g=9.8 m/s2,L=6000 m,α=7°,P=60×30%=18 kW,車輛1 擋行駛最大速度約11 km/h,運行完6 km 的坡道,時間約為t=1963.6 s,將上述數(shù)值帶入式(5)得:

        散熱器的散熱能力必須大于P2,散熱器的散熱功率設(shè)計為20 kW,冷卻油經(jīng)過散熱器進(jìn)行散熱器,散熱量為:

        式中 P0——散熱功率,W

        C——液壓油比熱容,J/(kg·℃)

        q——散熱油流量,m3/s

        ρ——散熱油密度,kg/m3

        Δt——散熱器進(jìn)出油口溫差,℃

        系統(tǒng)選用的散熱介質(zhì)為46#抗磨耐壓油,其比熱容約為C=2.09×103J/(kg·℃),密度約為ρ=0.87×103 kg/m3,散熱器進(jìn)出口溫差多次測得最高約Δt=20 ℃,將以上參數(shù)帶入式(6),算得強制冷卻系統(tǒng)的流量約為:

        考慮到油箱的自身散熱、制動器的自身散熱和管路的散熱,冷卻系統(tǒng)的流量設(shè)計為30 L/min 左右,這樣濕式橋冷卻系統(tǒng)能夠滿足絕大多數(shù)礦井的使用工況要求。

        4 制動強制冷卻系統(tǒng)的設(shè)計

        濕式橋制動強制冷卻系統(tǒng)設(shè)計有齒輪泵、散熱器、過濾器,分流閥、安全閥、油箱和管路等,齒輪泵置于變矩器取力口處,齒輪泵泵出的油經(jīng)過散熱器散熱,再經(jīng)過分流閥使冷卻油均勻的分配給4 個橋制動器,橋制動器處設(shè)置有溢流閥,防止制動器內(nèi)部壓力過高,避免漏油。濕式橋制動強制冷卻系統(tǒng)液壓原理如圖2 所示。

        圖2 制動強制冷卻系統(tǒng)原理圖

        從實際裝車使用情況來看,制動強制冷卻系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)注意以下要點:①系統(tǒng)循環(huán)流量要與實際工況的最大坡度下需要的散熱功率匹配,考慮各部件自身散熱的情況下,循環(huán)齒輪泵排量不宜過大,防止系統(tǒng)內(nèi)部各部件壓力過高引起油封和散熱器等部件漏油;②液壓油箱做成獨立安裝油箱或從大油箱內(nèi)做成隔腔獨立的方式,可以避免摩擦片長期制動生成的摩擦粉末進(jìn)入其他系統(tǒng);③過濾器的設(shè)置方面,粗濾和精濾都是必要的,尤其要把精濾設(shè)置在方便檢修的位置,這樣可以定期檢查和維護,保持工作介質(zhì)的清潔;④制動器處的單個溢流閥流量選擇不低于系統(tǒng)流量,同時其溢流壓力設(shè)定不高于制動器隔腔油封耐壓的1/2。

        5 應(yīng)用效果

        目前安裝濕式橋強制冷卻系統(tǒng)的無軌膠輪車約300 余臺,主要在寧煤羊場灣礦、梅花井礦、紅柳礦等礦井使用,這些煤礦井下巷道坡度多、坡度大,發(fā)揮了強制冷卻系統(tǒng)的作用。最早的一批在2018 年初投入使用,經(jīng)過近3 年的使用情況表明,該系統(tǒng)能夠有效降低車輛制動器摩擦片磨損快、摩擦片燒結(jié)、密封圈漏油等問題,提高了防爆無軌膠輪車制動系統(tǒng)的可靠性和車輛的行車安全性。

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