周正偉

（宜春鉭鈮礦有限公司，江西宜春 336000）

0 引言

架線式工礦電機(jī)車是隧道工程或礦場(chǎng)中常用的一種工礦電機(jī)車，隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，電機(jī)車的運(yùn)輸能力不斷提高。在運(yùn)輸過(guò)程中，電機(jī)車的安全與穩(wěn)定性能直接影響著運(yùn)輸效率。根據(jù)實(shí)際使用中反映出的問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)其中最為突出的問(wèn)題是制動(dòng)問(wèn)題。

從我國(guó)礦用電機(jī)車制動(dòng)技術(shù)的發(fā)展歷程來(lái)看，目前應(yīng)用最廣泛的是氣動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)，其主要的制動(dòng)方式為手搖轉(zhuǎn)盤(pán)制動(dòng)和腳踏氣制動(dòng)。我車間采用的就是通過(guò)腳踏閥控制壓縮氣體牽引剎車瓦進(jìn)行制動(dòng)的方式。經(jīng)長(zhǎng)期使用，發(fā)現(xiàn)該制動(dòng)方式易造成司機(jī)腿部疲勞，且制動(dòng)可靠性相對(duì)較差，尤其是駐車制動(dòng)性能表現(xiàn)最差。鑒于此種情況，對(duì)架線式電機(jī)車的制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化迫在眉睫，要求既能保證電機(jī)車的運(yùn)輸能力，又要改善其制動(dòng)能力。

1 現(xiàn)有電機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)

從近年來(lái)各礦山、煤山電機(jī)車的使用情況來(lái)看，目前的架線式電機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)主流采用腳踏氣制動(dòng)（圖1），通過(guò)司機(jī)控制腳踏板帶動(dòng)拉桿，使儲(chǔ)氣罐中的氣體輸送至制動(dòng)氣缸，制動(dòng)氣缸通過(guò)活塞桿帶動(dòng)剎車瓦進(jìn)行制動(dòng)。該制動(dòng)方式相較于早期的制動(dòng)圓盤(pán)式制動(dòng)，控制力的大小更靈活，減少了制動(dòng)對(duì)電機(jī)車電機(jī)、減速箱齒輪等造成的損害。

圖1 腳踏氣制動(dòng)氣動(dòng)原理

控制腳踏閥可以做到緊急制動(dòng)，避免了反接制動(dòng)損壞機(jī)車的狀況，可大大減少維修保養(yǎng)費(fèi)用，并降低機(jī)車因制動(dòng)問(wèn)題對(duì)生產(chǎn)造成的影響。然而，采用該制動(dòng)結(jié)構(gòu)的電機(jī)車進(jìn)行裝礦作業(yè)時(shí)，因需要頻繁地進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)，易造成操作司機(jī)腿部疲勞。且在行進(jìn)過(guò)程中，由于腳踏力度大小難以精準(zhǔn)控制，易造成剎車瓦和電機(jī)車輪緣磨損嚴(yán)重，遇到緊急情況時(shí)下意識(shí)地猛踩剎車甚至?xí)斐呻姍C(jī)車脫軌的危險(xiǎn)情況。此外，在停車作業(yè)時(shí)，該結(jié)構(gòu)沒(méi)有駐車制動(dòng)，只能通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)手制動(dòng)圓盤(pán)進(jìn)行駐車制動(dòng)，該情況在駕駛電機(jī)車進(jìn)行接礦、卸礦作業(yè)時(shí)，給司機(jī)對(duì)斗帶來(lái)了不小的難度，難以準(zhǔn)確地進(jìn)行對(duì)斗接礦與卸礦，容易造成礦渣下落至鐵路，可能引起礦車脫離軌道等事故。

2 電機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

本次進(jìn)行改進(jìn)的制動(dòng)系統(tǒng)由機(jī)械制動(dòng)、氣制動(dòng)、電制動(dòng)和感應(yīng)制動(dòng)4 個(gè)子系統(tǒng)組成。

2.1 機(jī)械制動(dòng)

機(jī)械制動(dòng)所采用為老式電機(jī)車制動(dòng)方式，它通過(guò)旋轉(zhuǎn)制動(dòng)手輪帶動(dòng)制動(dòng)絲桿牽引拉桿，從而帶動(dòng)制動(dòng)桿使4 個(gè)方向的制動(dòng)軸瓦同時(shí)壓向4 個(gè)車輪進(jìn)行制動(dòng)（圖2）。其中，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)手輪為制動(dòng)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為解除制動(dòng)。為保證解除制動(dòng)的可靠性，可以調(diào)節(jié)螺桿調(diào)整軸瓦與輪子的間隙，通常范圍控制在3～5 mm。機(jī)械制動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、維修便捷，但考慮到司機(jī)在操作電機(jī)車進(jìn)行制動(dòng)時(shí)行程過(guò)大、操作不便，面對(duì)緊急情況來(lái)不及剎車，遇到突發(fā)事件時(shí)危險(xiǎn)系數(shù)較高，所以該種制動(dòng)方式主要設(shè)計(jì)用于長(zhǎng)時(shí)間停產(chǎn)、停車時(shí)的制動(dòng)。

圖2 手輪軸瓦制動(dòng)裝置示意

本文對(duì)機(jī)械制動(dòng)進(jìn)行了二次優(yōu)化。與以往的制動(dòng)方式不同，原來(lái)進(jìn)行短時(shí)間駐車制動(dòng)時(shí)，需要利用制動(dòng)氣缸進(jìn)行打氣，從而達(dá)到制動(dòng)效果。然而在儲(chǔ)氣罐氣壓不足或壓縮供氣系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，容易導(dǎo)致剎車不牢靠而使制動(dòng)效果較差。本套系統(tǒng)在停車時(shí)，司機(jī)將擋位和行駛方向歸零以后，會(huì)立即釋放制動(dòng)氣缸中的氣壓，氣缸內(nèi)彈簧隨之彈起，制動(dòng)桿立即頂住兩邊的剎車瓦，達(dá)到停車自動(dòng)制動(dòng)效果，避免溜車現(xiàn)象。再次使用時(shí)，只需給定行駛方向或?qū)庵苿?dòng)解除開(kāi)關(guān)打開(kāi)，制動(dòng)氣缸便會(huì)通過(guò)電磁閥打開(kāi)閥門(mén)，從而松開(kāi)剎車。此外，當(dāng)電機(jī)車出現(xiàn)故障無(wú)法運(yùn)行、無(wú)法打氣時(shí)，為方便解除剎車，剎車瓦中間連桿設(shè)計(jì)為可調(diào)節(jié)式，可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)中間連桿調(diào)節(jié)剎車力度，將其調(diào)低后便可把電機(jī)車拖至維修場(chǎng)所。

2.2 氣制動(dòng)

氣制動(dòng)方式是目前礦用電機(jī)車的主流制動(dòng)方式，本文設(shè)計(jì)的制動(dòng)系統(tǒng)也主要以其為主，通過(guò)與機(jī)械制動(dòng)相互配合，保證制動(dòng)性能的可靠性。當(dāng)駕駛員需要進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，旋轉(zhuǎn)制動(dòng)旋鈕，傳給中間繼電器一個(gè)電信號(hào)，電信號(hào)通過(guò)電磁閥控制制動(dòng)氣缸相對(duì)彈簧另一側(cè)的氣壓，將壓縮空氣從儲(chǔ)氣罐注入與彈簧同側(cè)的氣缸氣室。其中，儲(chǔ)氣罐氣壓大小通過(guò)壓力繼電器與風(fēng)機(jī)變頻器同時(shí)作用，控制儲(chǔ)氣罐氣壓在0.4～0.8 MPa，儲(chǔ)氣罐氣壓達(dá)0.4 MPa后再將空氣輸送到氣室，由氣室傳導(dǎo)到各個(gè)操作控制閥。接著，通過(guò)相關(guān)操作指令，由各個(gè)操作控制閥經(jīng)由組合三通進(jìn)入各管路，最后通過(guò)制動(dòng)氣缸產(chǎn)生推力，與彈簧一同帶動(dòng)閘瓦進(jìn)行制動(dòng)，操作簡(jiǎn)單、容易維護(hù)。此外，氣制動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)同時(shí)作用，可以有效減少制動(dòng)距離，面對(duì)突發(fā)情況也能較快地規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 電制動(dòng)

礦用變頻電機(jī)車的電制動(dòng)由交流電機(jī)的發(fā)電反饋制動(dòng)、機(jī)車的減速制動(dòng)以及其他情況下的能耗制動(dòng)3 個(gè)部分組成。工作中的交流電機(jī)當(dāng)變頻器的輸出頻率使電機(jī)定子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速小于電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子獲得制動(dòng)力。電制動(dòng)原理如圖3 所示，當(dāng)電機(jī)在輸出牽引力并穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)n0＞n，即當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速小于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，電機(jī)便處于電動(dòng)狀態(tài)。此時(shí)，如果將變頻器的輸出頻率降低，使電機(jī)定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速小于電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。雖然由于機(jī)車運(yùn)行的慣性，電機(jī)轉(zhuǎn)子仍基本保持在調(diào)頻之前的穩(wěn)定運(yùn)行轉(zhuǎn)速，但是根據(jù)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體切割磁場(chǎng)磁力線產(chǎn)生的感應(yīng)電流（右手定則），電機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電流，并由判斷通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力方向的左手定則，可知電機(jī)轉(zhuǎn)子獲得了制動(dòng)力。

圖3 電制動(dòng)原理

圖3 中，n0為定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速；n 為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；F 為電機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)體受力；N、S 為定子磁場(chǎng)的磁極；ΦD為定子磁通；ΦZ為轉(zhuǎn)子磁通；I 為轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的電流。

2.4 感應(yīng)制動(dòng)

感應(yīng)制動(dòng)通過(guò)4G LTE 自動(dòng)創(chuàng)建無(wú)線Mesh 網(wǎng)絡(luò)，電機(jī)車在無(wú)線Mesh 網(wǎng)絡(luò)中自動(dòng)組建無(wú)線局域網(wǎng)，并通過(guò)調(diào)度上位機(jī)建立編組握手，實(shí)現(xiàn)機(jī)車的網(wǎng)絡(luò)通信。電機(jī)車的車載控制系統(tǒng)通過(guò)CAN 轉(zhuǎn)以太網(wǎng)設(shè)備將機(jī)車的控制指令及數(shù)據(jù)信息（包含編組ID 信息）傳入無(wú)線局域網(wǎng)。無(wú)線局域網(wǎng)的車載控制器通過(guò)編組ID 信息自動(dòng)識(shí)別并提取網(wǎng)絡(luò)中所需的指令及信息，然后根據(jù)所收到的指令及信息輸出控制命令，并返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，完成數(shù)據(jù)交換。

其中，數(shù)據(jù)交換具體是通過(guò)RFID 射頻讀卡器識(shí)別鐵路上安裝的RFID 無(wú)源標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)的，將信息通過(guò)RS485 通信方式告知PLC，PLC 將信號(hào)傳給CPE，然后通過(guò)4G 基站將通信信息傳達(dá)至機(jī)車控制軟件。機(jī)車控制軟件接收信號(hào)后，對(duì)標(biāo)簽號(hào)進(jìn)行識(shí)別并將預(yù)設(shè)的制動(dòng)動(dòng)作，并通過(guò)4G 基站傳回給CPE。CPE 再次將信號(hào)傳給PLC，PLC 控制單元進(jìn)行執(zhí)行制動(dòng)，控制電機(jī)車進(jìn)行準(zhǔn)確停車。

感應(yīng)制動(dòng)的應(yīng)用前景較廣，可以用于機(jī)車放礦的精確控制，通過(guò)感應(yīng)制動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)放礦精確定位，實(shí)現(xiàn)電機(jī)車與放礦斗的定點(diǎn)停車。當(dāng)進(jìn)行放礦時(shí)，通過(guò)采用窄射頻角RFID 定位技術(shù)，它的作用主要是讀取安置在鐵軌上RFID 卡中的信息，從而定位電機(jī)車的位置，實(shí)現(xiàn)電機(jī)車在關(guān)鍵軌道節(jié)點(diǎn)的位置校正。系統(tǒng)根據(jù)定位信息自動(dòng)調(diào)整車斗位置，以滿足自動(dòng)放礦的條件。此外，對(duì)電機(jī)車PLC 程序進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)電機(jī)車制動(dòng)壓力不足時(shí)，PLC 停止速度給定，并執(zhí)行減速剎車；當(dāng)電機(jī)車行駛接近隧道盡頭，如果司機(jī)由于疏忽未進(jìn)行停車操作，PLC 會(huì)立即執(zhí)行緊急制動(dòng)；當(dāng)出現(xiàn)控制電源故障、網(wǎng)絡(luò)通信中斷、機(jī)車控制軟件意外關(guān)閉、電腦斷電等突發(fā)情況時(shí)，PLC 會(huì)立即執(zhí)行緊急制動(dòng)，避免機(jī)車失控造成嚴(yán)重的危害，確保電機(jī)車安全、高效運(yùn)行。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了目前架線式工礦電機(jī)車的制動(dòng)方式，分析各制動(dòng)方式的工作原理和利弊，進(jìn)而提出電機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)的改進(jìn)和優(yōu)化。改進(jìn)后的制動(dòng)系統(tǒng)主要包括機(jī)械制動(dòng)、氣制動(dòng)、電制動(dòng)、感應(yīng)制動(dòng)4 個(gè)子系統(tǒng)。其中，感應(yīng)制動(dòng)對(duì)于電機(jī)車的自動(dòng)駕駛有著良好的發(fā)展前景，采用的無(wú)線Mesh 自組網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)車任意編組，而且具有較高通信帶寬，能夠保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，完全適應(yīng)以后的無(wú)人駕駛運(yùn)輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多級(jí)保護(hù)機(jī)制，機(jī)車通信中斷后系統(tǒng)自動(dòng)投入相應(yīng)的保護(hù)措施，對(duì)于電機(jī)車在遠(yuǎn)程駕駛過(guò)程中的各項(xiàng)突發(fā)事項(xiàng)進(jìn)行有效處理，保證生產(chǎn)過(guò)程中的安全性和可靠性，降低維護(hù)成本。