趙天明,安曉波

(金誠(chéng)信礦業(yè)管理股份有限公司,北京 101500)

0 引言

無軌膠輪運(yùn)輸車長(zhǎng)時(shí)間在井下環(huán)境作業(yè),承擔(dān)著運(yùn)輸人員、物料及設(shè)備等工作。由于巷道環(huán)境復(fù)雜且狹窄、高低起伏不平,路面還時(shí)常伴有泥沙和積水,因此要求井下運(yùn)輸車的制動(dòng)系統(tǒng)具有可靠的制動(dòng)性能,以此來保證人員安全及車輛的行駛安全。目前礦用車輛的制動(dòng)系統(tǒng)多數(shù)采用濕式多盤制動(dòng)器,具有可靠性高,制動(dòng)能力強(qiáng),性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),代表了今后礦用車輛制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 濕式制動(dòng)車橋制動(dòng)器簡(jiǎn)介

濕式制動(dòng)車橋的制動(dòng)器為多盤制動(dòng)器,動(dòng)靜摩擦片處于封閉殼體內(nèi),油液循環(huán)冷卻,避免了制動(dòng)組件與外界雜質(zhì)的接觸。其抗污染能力強(qiáng),冷卻能力強(qiáng),正常使用壽命長(zhǎng);多盤式制動(dòng)摩擦片處于密封殼體冷卻油液中,無泥沙等雜質(zhì)造成的磨料磨損,摩擦片使用過程中損耗小,工作性能穩(wěn)定。

濕式制動(dòng)車橋的多盤濕式制動(dòng)器根據(jù)制動(dòng)方式的不同可分為兩種:液壓制動(dòng)彈簧釋放制動(dòng)器和彈簧制動(dòng)液壓釋放制動(dòng)器[1]。相比之下,彈簧制動(dòng)液壓釋放制動(dòng)器從結(jié)構(gòu)原理和實(shí)際使用過程中,安全性更高,系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單,可靠性更好。下面以金安拓公司研發(fā)的KATG05 底盤運(yùn)輸車為例,研究濕式彈簧制動(dòng)器結(jié)構(gòu)及原理。

彈簧制動(dòng)液壓釋放制動(dòng)器(文中簡(jiǎn)稱為濕式彈簧制動(dòng)器)結(jié)構(gòu)如圖1 所示,主要由動(dòng)摩擦片、靜摩擦片、制動(dòng)器殼體、制動(dòng)活塞、螺旋彈簧等組成[2]。活塞裝在殼體里,活塞上均勻開有若干圓柱孔槽,圓柱孔槽中裝有螺旋彈簧;靜摩擦片通過花鍵槽與制動(dòng)器殼體連接,動(dòng)摩擦盤通過花鍵與輪轂連接;油塞座連接制動(dòng)油管;端蓋與制動(dòng)器殼體通過連接螺栓相連。當(dāng)制動(dòng)器處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí),制動(dòng)器內(nèi)液壓油通過腳踏閥后回油箱,制動(dòng)器內(nèi)制動(dòng)活塞無壓力。此時(shí)螺旋彈簧推動(dòng)制動(dòng)活塞壓緊動(dòng)靜摩擦片,動(dòng)摩擦片和靜摩擦片壓緊后無法相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),由此實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。油管通高壓油時(shí),高壓油液作用在制動(dòng)活塞上,當(dāng)活塞上的液壓力大于彈簧力時(shí),活塞移動(dòng),靜摩擦盤和動(dòng)摩擦片之間不再壓緊,動(dòng)靜摩擦片間可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),此時(shí)制動(dòng)器解除制動(dòng),輪轂可自由轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)液壓力達(dá)到某數(shù)值時(shí),制動(dòng)活塞克服彈簧力后對(duì)動(dòng)靜摩擦片有一固定數(shù)值大小的壓緊力,動(dòng)靜摩擦片可克服摩擦力相對(duì)運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)車輛減速。減速能力大小可通過調(diào)節(jié)輸入至制動(dòng)器的液壓系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)。

圖1 彈簧制動(dòng)液壓釋放制動(dòng)器結(jié)構(gòu)

動(dòng)靜摩擦片的冷卻通過液壓油的強(qiáng)制循環(huán)沖洗完成,冷卻效果好。且循環(huán)的液壓油可以帶走摩擦片在使用過程中產(chǎn)生的磨粒等雜質(zhì),保證了制動(dòng)器內(nèi)清潔,避免了摩擦片間的異常磨損,延長(zhǎng)了摩擦片使用壽命。

從濕式彈簧制動(dòng)器原理及結(jié)構(gòu)可以得知,濕式彈簧制動(dòng)器依靠彈簧彈力進(jìn)行制動(dòng),為機(jī)械結(jié)構(gòu),而液壓系統(tǒng)僅作為解除制動(dòng)的手段。相對(duì)于其他制動(dòng)方式,制動(dòng)安全性更高;最大程度上避免了液壓系統(tǒng)的突發(fā)故障而引起的事故。因此濕式彈簧制動(dòng)器安全性更好。

2 制動(dòng)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

礦用運(yùn)輸車濕式彈簧制動(dòng)器液壓原理如圖2所示,該液壓系統(tǒng)由制動(dòng)泵、高壓過濾器、安全閥、單回路充液閥、駐車制動(dòng)電磁閥、自動(dòng)卸荷電磁閥、反向調(diào)節(jié)制動(dòng)閥、蓄能器、壓力開關(guān)、輪邊制動(dòng)器等組成。

圖2 制動(dòng)液壓系統(tǒng)原理圖

安全閥作用是保護(hù)液壓系統(tǒng)避免系統(tǒng)超壓,當(dāng)液壓系統(tǒng)發(fā)生堵塞或液壓元件故障引起系統(tǒng)壓力升高時(shí)溢流閥進(jìn)行泄壓,保護(hù)管路及齒輪泵,一般溢流閥選用響應(yīng)迅速的直動(dòng)式溢流閥,且所選型號(hào)一般會(huì)選擇在溢流時(shí)產(chǎn)生明顯噪音的型號(hào),以便于駕駛員及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障。

高壓過濾器作用是對(duì)來自齒輪泵的液壓油進(jìn)行過濾,將細(xì)小雜質(zhì)富集在濾芯內(nèi),避免由于雜質(zhì)參與液壓系統(tǒng)循環(huán)造成的液壓元件損壞。當(dāng)濾芯內(nèi)雜質(zhì)過多時(shí),高壓過濾器前后壓差≥0.35 MPa,壓差發(fā)訊器發(fā)出信號(hào),儀表臺(tái)故障報(bào)警,提示駕駛員更換濾芯。

充液閥為單回路充液閥,其作用是對(duì)蓄能器進(jìn)行充液,維持蓄能器內(nèi)的壓力在規(guī)定范圍內(nèi),并且在充液完成后低壓卸荷,以節(jié)約能源,減少系統(tǒng)發(fā)熱。當(dāng)蓄能器內(nèi)壓力低于充液閥預(yù)設(shè)定的壓力下限時(shí),齒輪泵泵送液壓油通過充液閥向蓄能器內(nèi)充液。當(dāng)蓄能器內(nèi)壓力達(dá)到充液閥預(yù)設(shè)定的壓力上限時(shí),齒輪泵泵送液壓油通過充液閥O 口去往下一級(jí)液壓系統(tǒng)。

蓄能器的作用是與充液閥配合,儲(chǔ)存能量并維持系統(tǒng)壓力穩(wěn)定在一定范圍內(nèi),保證系統(tǒng)的迅速響應(yīng)。蓄能器另一作用是在發(fā)動(dòng)機(jī)或齒輪泵發(fā)生故障時(shí)作為制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)急動(dòng)力源。

蓄能器壓力開關(guān)作用是在蓄能器壓力低于安全壓力時(shí)報(bào)警,提醒駕駛員檢查車輛。因?yàn)槿粝到y(tǒng)發(fā)生故障,蓄能器內(nèi)部壓力持續(xù)低于安全壓力,駕駛員在未察覺情況下駕駛車輛,制動(dòng)器長(zhǎng)時(shí)間處于半制動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行,易造成制動(dòng)器異常磨損,液壓系統(tǒng)高溫等故障[3]。

反向調(diào)節(jié)制動(dòng)閥后壓力開關(guān)作用時(shí)根據(jù)制動(dòng)閥輸出壓力輸出開關(guān)信號(hào),控制車輛制動(dòng)燈。

自動(dòng)釋放電磁閥為兩位兩通電磁閥,車輛啟動(dòng)后得電,斷開P 口與T 口之間油路,車輛停止運(yùn)行后延時(shí)斷電,釋放制動(dòng)液壓系統(tǒng)中蓄能器壓力,下次啟動(dòng)時(shí)制動(dòng)泵將從零壓力開始對(duì)蓄能器充液,液壓系統(tǒng)在車輛啟動(dòng)初期逐漸加載,此設(shè)計(jì)目的在于減小發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)阻力。另一個(gè)作用是在車輛長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)時(shí),保護(hù)密封件,延長(zhǎng)液壓系統(tǒng)用壽命。

停車制動(dòng)電磁閥為兩位三通電磁閥,通過控制液壓系統(tǒng)油液流向通斷實(shí)現(xiàn)停車制動(dòng)及解除制動(dòng)狀態(tài)的切換。當(dāng)駐車時(shí),停車制動(dòng)電磁閥不得電,P 口與A 口不通,A 口與T 口互通,輪邊制動(dòng)器無壓力輸入,制動(dòng)器通過螺旋彈簧的彈力壓緊動(dòng)靜摩擦片使之無法相對(duì)運(yùn)動(dòng),完成駐車制動(dòng)。當(dāng)解除制動(dòng)時(shí),駐車制動(dòng)電磁閥通電,P 與A 連通。反向調(diào)節(jié)制動(dòng)閥無動(dòng)作時(shí),蓄能器向輪邊制動(dòng)器輸入壓力。制動(dòng)器內(nèi)施加在制動(dòng)活塞的液壓力大于彈簧力時(shí),活塞不再壓緊摩擦片,動(dòng)靜摩擦片間可相對(duì)自由運(yùn)動(dòng),此時(shí)制動(dòng)解除。

反向調(diào)節(jié)制動(dòng)閥實(shí)際上為一個(gè)踏板控制的比例減壓閥,作用是在車輛行駛過程中對(duì)蓄能器輸入到制動(dòng)器的壓力進(jìn)行精準(zhǔn)控制,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輪邊制動(dòng)器制動(dòng)力的控制。反向調(diào)節(jié)制動(dòng)閥內(nèi)有回位彈簧,在踩至不同位置時(shí)反饋至踏板的彈簧力不同,駕駛員可以根據(jù)踏板反饋力度及踏板踩下角度對(duì)制動(dòng)器進(jìn)行準(zhǔn)確控制。

濕式彈簧制動(dòng)器采用的單回路制動(dòng)系統(tǒng)與液壓制動(dòng)器采用的雙回路制動(dòng)系統(tǒng)相比,管路相對(duì)更少,裝配及維修更加簡(jiǎn)單。系統(tǒng)元件更少,設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單可靠。濕式彈簧制動(dòng)器由于行車制動(dòng)與駐車制動(dòng)為同一制動(dòng)器,采用單回路制動(dòng),在出現(xiàn)液壓閥故障及液壓泵供油故障時(shí),制動(dòng)器都會(huì)進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)。在發(fā)生管路破損等故障時(shí),制動(dòng)器會(huì)迅速失壓完成制動(dòng)。

因此車輛采用濕式彈簧制動(dòng)器可以最大程度防止事故的發(fā)生,其安全性可靠性更高。

3 蓄能器計(jì)算

制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力源出現(xiàn)故障時(shí),需要整車依舊可以正常完成減速和制動(dòng)動(dòng)作。因此蓄能器的正確選擇是很重要的。根據(jù)《礦用防爆柴油機(jī)無軌膠輪車通用技術(shù)條件》(MT/T 989—2006)的要求,行車制動(dòng)動(dòng)力源應(yīng)有儲(chǔ)備,儲(chǔ)備量應(yīng)使車輛在柴油機(jī)熄火的情況下實(shí)施5 次(含5 次)以上的制動(dòng)[4]。

根據(jù)車輛實(shí)際運(yùn)行工況分析,車輛在正常使用過程中,所進(jìn)行的多次制動(dòng)并非連續(xù)完成,因此視為等溫過程。而在當(dāng)車輛處于應(yīng)急狀態(tài),車輛連續(xù)制動(dòng)操作,蓄能器工作循環(huán)時(shí)間≤1 min,因此應(yīng)急制動(dòng)視為絕熱過程。

蓄能器內(nèi)氣體壓縮和膨脹過程符合玻義耳定律(氣體狀態(tài)多變規(guī)律):

由公式(1)推導(dǎo)出,蓄能器容積V0為:

式中 P0—蓄能器預(yù)充氮?dú)鈮毫?MPa;

P1—最低工作壓力,MPa;

P2—最高工作壓力,MPa;

V0—有效氣體容量,L;

V1—在P1時(shí)的氣體容量,L;

V2—在P2時(shí)的氣體容量,L;

ΔV—有效油液容量,L;

n—多變指數(shù),等溫過程n=1,絕熱過程n=1.4。

KATG05 井下運(yùn)輸車,前后橋四輪驅(qū)動(dòng),整車共四個(gè)制動(dòng)器,單個(gè)制動(dòng)器排量18 mL,蓄能器預(yù)充氮?dú)鈮毫θ0=6.6 MPa;最低工作壓力P1=11 MPa;最高工作壓力P2=15 MPa;蓄能器內(nèi)所充注壓力油可保證獨(dú)立完成有效制動(dòng)5 次;則:ΔV=360 mL=0.36 L。

根據(jù)蓄能器容積V0計(jì)算公式:

當(dāng)正常使用過程中,蓄能器氣體壓縮處于等溫過程(n=1),V0近似計(jì)算結(jié)果為2.2 L。當(dāng)車輛連續(xù)進(jìn)行制動(dòng)操作時(shí),蓄能器氣體壓縮處于絕熱過程(n=1.4),V0近似計(jì)算結(jié)果為2.6 L。

根據(jù)計(jì)算保證在車輛動(dòng)力源故障時(shí)蓄能器獨(dú)立完成5 次有效制動(dòng),要求蓄能器總?cè)莘e在2.6 L 以上。結(jié)合蓄能器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),KATG05 制動(dòng)系統(tǒng)選用2個(gè)1.6 L 蓄能器可滿足相關(guān)安全要求。

4 結(jié)論

濕式彈簧制動(dòng)器動(dòng)靜摩擦片置于封閉的冷卻腔內(nèi),與外界雜質(zhì)隔絕,其使用壽命不受雜質(zhì)等的影響。摩擦片使用過程中無磨料磨損,且散熱能力好,因此使用壽命長(zhǎng)且工作穩(wěn)定;摩擦片由于在完全密封的油液中工作,摩擦片間的磨損非常小[5]。且濕式彈簧制動(dòng)器在系統(tǒng)發(fā)生任何失壓故障時(shí)自動(dòng)完成制動(dòng),且可同時(shí)作為行車制動(dòng)和駐車制動(dòng)使用,液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)單、布置方便。濕式彈簧制動(dòng)系統(tǒng)安全性高、適應(yīng)性強(qiáng),可廣泛應(yīng)用于井下無軌運(yùn)輸車。