王慶雄，焦志翔，王 萌

1國能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司 陜西神木 719315

2中國礦業(yè)大學(xué) (北京) 機(jī)械與電氣學(xué)院 北京 100083

3中國礦業(yè)大學(xué) (北京) 內(nèi)蒙古研究院 內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017004

4內(nèi)蒙古必選機(jī)械制造有限公司 內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000

煤炭行業(yè)是我國重要的能源供應(yīng)和經(jīng)濟(jì)支柱[1-4]。井下無軌膠輪車作為一種機(jī)動性強(qiáng)、高效的運(yùn)輸工具，近年來在我國煤礦得到廣泛應(yīng)用[5]。筆者研究的輪邊驅(qū)動重載礦用膠輪車 (下文簡稱“膠輪車”)在最大載重下的總質(zhì)量可達(dá) 25 t，運(yùn)行在井下崎嶇、復(fù)雜的路面上，整車慣性大、車輪上的垂向載荷變化不規(guī)律，因此對該車制動系統(tǒng)的可靠性和整車的制動性能提出了更高的要求[6]。

馬建民[7]設(shè)計了一種無軌膠輪車氣頂液制動系統(tǒng)，該制動系統(tǒng)將氣體壓力能轉(zhuǎn)化為液壓能，其制動力與踏板行程成正比，易于駕駛員準(zhǔn)確感受制動力，但是氣頂液解除制動需向周圍排放含油污的氣體，且易受粉塵等因素影響其工作可靠性。于英等人[8]設(shè)計了一種無軌膠輪車鉗盤式制動器，依靠彈簧力夾緊制動鼓、液壓釋放的方式實現(xiàn)制動，但鼓式制動器磨損嚴(yán)重，本身需要頻繁維護(hù)、檢修，經(jīng)濟(jì)性較低。常州科試中心研制的 WC5E 型無軌膠輪車[9]的行車制動采用液壓制動、彈簧釋放的多盤式制動器，但在液壓回路故障時制動系統(tǒng)會失效，緊急情況下安全性無法保證。

筆者設(shè)計了一款用于輪邊驅(qū)動重載礦用膠輪車的多回路失壓安全型多盤制動器。多回路的設(shè)計可以防止單個回路故障時整車制動失效；失壓安全型即彈簧制動、液壓釋放，防止液壓系統(tǒng)故障時制動失效。并在仿真軟件中根據(jù)井下環(huán)境對車輛進(jìn)行了多工況仿真，對制動性能進(jìn)行檢驗。

1 膠輪車液壓制動系統(tǒng)設(shè)計

1.1 設(shè)計要求

(1) 按照《煤礦安全規(guī)程》[10]要求，防爆車輛設(shè)計時必須設(shè)置行車制動、緊急制動和駐車制動，且行車制動必須采用濕式制動器，行車制動和其他制動控制系統(tǒng)必須相互獨立。

(2) 防爆車輛以額定載荷、初速度為 20 km/h，在水平干硬路面上制動時，制動距離應(yīng)不大于 8 m。

(3) 防爆車輛承載 1.5 倍額定載荷下，在規(guī)定的坡道上穩(wěn)定停車。

1.2 整車制動力矩計算

1.2.1 行車制動性能指標(biāo)計算

根據(jù)礦用防爆柴油機(jī)無軌膠輪車通用技術(shù)條件[11]，防爆車輛以額定載荷、初速度為 20 km/h 時，在水平干硬路面上制動距離小于 8 m。結(jié)合整車參數(shù)，其行車制動最小減速度

式中：v0為制動初速度，v0=20 km/h；s為制動距離，取s=7 m；t為制動系統(tǒng)響應(yīng)時間，取t=0.5 s。

需要指出，此式中s的取值較大。根據(jù)安全性要求，所設(shè)計的無軌膠輪車在初速為 20 km/h 時，制動減速度應(yīng)大于等于此加速度值，即a≥3.65 m/s2。

整車所需最小制動力

式中：Fx為地面制動力，N；m為整車在額定載重時的總質(zhì)量，m=25 000 kg。

1.2.2 駐車制動性能指標(biāo)計算

根據(jù)礦用防爆柴油機(jī)無軌膠輪車通用技術(shù)條件對駐車制動的要求，應(yīng)在整車承載 1.5 倍額定載荷情況下在規(guī)定的坡道上保持靜止，無溜車現(xiàn)象。因此所需最小地面制動力

式中：g為重力加速度，g=9.8 m/s2；α為最大坡度角，α=14°。

因此，保持膠輪車不溜車的最小制動器制動力矩

式中：r為車輪半徑，r=0.835 m。

1.3 制動系統(tǒng)組成及原理

1.3.1 制動器結(jié)構(gòu)及指標(biāo)驗算

根據(jù)整車制動力的匹配要求，考慮到整車的結(jié)構(gòu)、布置要求等，采用多回路失壓安全型盤式制動器。制動器結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由靜殼、動殼、活塞、彈簧、摩擦片組等組成，輸出力矩如表1 所列。該制動器的工作原理為利用彈簧進(jìn)行制動，充壓解除制動。正常行車時，高壓油推動活塞 2 向左移動，釋放彈簧 4，動摩擦片與靜摩擦片相互分離，車輪正常轉(zhuǎn)動；當(dāng)需要制動時，液壓馬達(dá)回油口打開，油腔迅速泄壓，彈簧釋放，使得動靜摩擦片組 5 壓緊，實現(xiàn)制動作用。

表1 制動器輸出力矩Tab.1 Output torques of brake

圖1 濕式失壓制動器Fig.1 Wet pressure loss brake

該膠輪車的工作制動與駐車制動共用一套制動器，分別采用獨立的液壓回路控制。由表1 可知，駐車制動時單個制動器的制動力矩為 1.6×104N·m，車輛總的制動力矩為 1.6×104N·m×4=6.4×104N·m＞Mx=5.915×104N·m，因此駐車制動性能符合《煤礦安全規(guī)程》要求。

1.3.2 液壓制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該車采用多回路實現(xiàn)對制動系統(tǒng)的控制，液壓原理如圖2 所示，避免因某個回路故障而造成整個液壓系統(tǒng)失效[12]。

圖2 制動系統(tǒng)液壓原理Fig.2 Hydraulic principle of braking system

由圖2 可知，該車前、后橋各有 1 個蓄能器給前、后制動橋的制動器提供液壓力。制動器活塞腔排量V0=80 mL，因此單個蓄能器在 1 次制動后解除制動所需的油量

式中：n為熄火后的制動次數(shù)，取n=9。

考慮到實際制動時存在壓力損失，最終確定蓄能器向制動器的充液最小壓力為 4 MPa。

2 制動系統(tǒng)仿真分析

2.1 膠輪車直線制動動力學(xué)模型

膠輪車在水平巷道路面上制動時的受力情況[13]如圖3 所示。為簡化計算及分析，忽略空氣阻力以及車輪減速時產(chǎn)生的慣性力偶矩。膠輪車制動時車輪處于滑動狀態(tài)，因此地面施加的制動力為滑動摩擦力，地面附著系數(shù)取滑動附著系數(shù)φs。

圖3 車輛行車制動受力分析Fig.3 Force analysis of driving brake for vehicle

對后輪的接地點取力矩得

式中：Fz1為路面對前輪的法向反力，N；L為輪距，m；G為膠輪車重力，N；B為膠輪車質(zhì)心到后軸的距離，m；m為膠輪車質(zhì)量，kg；hg為膠輪車質(zhì)心高度，m；du/dt為膠輪車制動減速度，m/s2；A為膠輪車質(zhì)心到前軸的距離，m。

相應(yīng)地，對前輪的接地點取力矩，得

令du/dt=Zg，Z稱為制動強(qiáng)度，則路面對前、后輪法向反力

前、后輪的滑動摩擦力

無軌膠輪車工作場所在煤礦井下，井工礦路面復(fù)雜、顛簸，在制動時會對車輪所受的垂向力造成不可忽視的影響[14]。考慮到該車定位為礦用防爆式重載輪式輔助運(yùn)輸車，所以在仿真中加入隨機(jī)路面激勵，利用 Simulink 中的白噪聲模塊，通過設(shè)置參數(shù)建立 C 級路面，參考的空間功率譜密度值是國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的 C級路面對應(yīng)值[15]。

2.2 制動過程仿真分析

膠輪車整車參數(shù)如表2 所列。

表2 整車參數(shù)Tab.2 Vehicle parameters

膠輪車空載，制動初速度為 20 km/h，在滑動附著系數(shù)為 0.5 的較為平坦的路面上制動情況如圖4 所示。由圖4 可知，其制動距離為 3.14 m，制動時間為1.115 s，減速度最小為 4.83 m/s2，滿足設(shè)計要求。

圖4 膠輪車空載在平坦路面上制動情況Fig.4 Braking condition of rubber-tyred vehicle with no load on flat road

膠輪車滿載，制動初速度為 10 km/h，在滑動附著系數(shù)為 0.5 的較為平坦的路面上的制動情況如圖5所示。由圖5 可知，其制動距離為 0.8 m，制動時間為 0.55 s，滿足設(shè)計要求。

圖5 膠輪車滿載在平坦路面上制動情況Fig.5 Braking condition of rubber-tyred vehicle with full load on flat road

膠輪車滿載，制動初速度為 10 km/h，在滑動附著系數(shù)為 0.4 的起伏較大的路面上制動情況如圖6 所示。由圖6 可知，其制動距離為 1.05 m，制動時間為0.685 s。由于附著系數(shù)的減小和垂直載荷變化更加頻繁，制動距離與時間都有所增加，但都處于煤礦規(guī)程允許的安全范圍內(nèi)。由于路面更加惡劣，制動減速度的變化范圍也隨之增大，不僅影響制動性能，也對輪胎和制動器的抗沖擊性要求更高。液壓系統(tǒng)對瞬時沖擊有一定的吸收緩沖，未來計劃在制動系統(tǒng)中加入根據(jù)垂直載荷變化的主動吸振裝置，使膠輪車對井下復(fù)雜、惡劣環(huán)境的適應(yīng)性更強(qiáng)。

圖6 膠輪車滿載在起伏較大的路面上制動情況Fig.6 Braking condition of rubber-tyred vehicle with full load on undulating road

2.3 液壓系統(tǒng)仿真分析

制動時蓄能器壓力動態(tài)變化如圖7 所示。前后橋蓄能器經(jīng)過 3 次制動-釋放后，蓄能器壓力降低到約6.3 MPa，達(dá)到蓄能器的額定下限充液壓力。此時充液閥打開，對前后橋的蓄能器進(jìn)行充液，持續(xù)時間約2 s，且 2 個蓄能器的充放液狀態(tài)基本同步，滿足設(shè)計要求。

圖7 制動時蓄能器壓力變化Fig.7 Pressure changes of accumulator during braking

該車的液壓制動系統(tǒng)采用雙回路設(shè)計，當(dāng)單個回路失效時，另一回路仍然可以工作，實施制動動作。根據(jù) MT/T 989—2006《礦用防爆柴油機(jī)無軌膠輪車通用技術(shù)條件》，當(dāng)汽車制動系統(tǒng)發(fā)生故障后，制動系統(tǒng)不能立刻失效，要保證還能進(jìn)行至少 5 次以上的行車制動。因此對前橋制動失效時，后橋制動情況及停泵時依靠蓄能器實現(xiàn)制動-釋放過程進(jìn)行仿真。

停泵后行車制動仿真如圖8 所示，前橋或后橋的蓄能器在 7 次制動后的壓力仍保持在 4 MPa 以上。膠輪車工作時因故障或某些原因停泵后，蓄能器儲存的能量仍可進(jìn)行約 7 次的制動-釋放過程，滿足通用技術(shù)條件所規(guī)定的制動次數(shù)。由仿真結(jié)果可知，停泵后制動過程中，前后橋輸出端口的壓力變化基本同步。

圖8 停泵后行車制動仿真Fig.8 Simulation of driving brake after stopping pump

3 結(jié)語

基于一款重載模塊化輪式輔運(yùn)車，對其制動性能指標(biāo)進(jìn)行了計算，并對濕式制動系統(tǒng)的制動器進(jìn)行了選型。通過在 MATLAB/Simulink 中建立重載模塊化輪式輔運(yùn)車的動力學(xué)模型，在不同運(yùn)行工況、道路情況下對膠輪車的制動過程進(jìn)行了仿真分析，檢驗了膠輪車的行車制動性能和駐車制動性能，均符合國家和煤礦標(biāo)準(zhǔn)，滿足井下運(yùn)輸?shù)陌踩砸蟆?/p>

未來計劃對制動系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，增加根據(jù)環(huán)境變化而主動適應(yīng)的吸振裝置，使得制動系統(tǒng)工作更加可靠，無軌膠輪車的制動過程更加平穩(wěn)。