矿用梭车液压制动系统的设计

２０１６年４月第４４卷第８期机床与液压ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳＡｐｒ􀆰２０１６Ｖｏｌ􀆰４４Ｎｏ􀆰８ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ􀆰ｉｓｓｎ􀆰１００１－３８８１􀆰２０１６􀆰０８􀆰０２３收稿日期：２０１５－０１－３０作者简介：陈庆贺（１９８０—），男，学士，工程师，从事煤矿产品的设计开发工作。Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈｅｎｑｉｎｇｈｅ３０３＠１２６􀆰ｃｏｍ。矿用梭车液压制动系统的设计陈庆贺（中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西太原０３０００６）摘要：通过对矿用梭车制动时所需最大减速度和最大制动力矩的分析和计算，设计了一套矿用梭车液压制动系统。介绍了系统用制动器的结构特点；详细阐述了液压制动系统的工作原理，对系统的关键元器件进行了计算和选配。实践表明，梭车液压制动系统的设计是可行的。关键词：梭车；制动器；液压系统中图分类号：ＴＨ１２　　文献标志码：Ａ　　文章编号：１００１－３８８１（２０１６）０８－０７２－３ＤｅｓｉｇｎｏｆＭｉｎｉｎｇＳｈｕｔｔｌｅＣａｒＨｙｄｒａｕｌｉｃＢｒａｋｅＳｙｓｔｅｍＣＨＥＮＱｉｎｇｈｅ（ＴａｉｙｕａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣｈｉｎａＣｏａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｒｏｕｐ，ＴａｉｙｕａｎＳｈａｎｘｉ０３０００６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｄｍａｘｉｍｕｍｄｅｃｅｌｅｒａｔｉｏｎａｎｄｍａｘｉｍｕｍｂｒａｋｉｎｇｔｏｒｑｕｅｗｈｅｎｍｉｎｉｎｇｓｈｕｔｔｌｅｃａｒｂｒａｋｉｎｇ，ａｓｅｔｏｆｍｉｎｉｎｇｓｈｕｔｔｌｅｃａｒｈｙｄｒａｕｌｉｃｂｒａｋｉｎｇｓｙｓｔｅｍｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｂｒａｋｅｗｅｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄ，ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｂｒａｋｉｎｇｓｙｓｔｅｍｗａｓｅｌａｂｏｒａｔｅｄ，ｔｈｅｋｅｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗｅｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄａｎｄｍａｔｃｈｅｄ．Ｐｒａｃｔｉｃｅｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｓｈｕｔｔｌｅｃａｒｈｙｄｒａｕｌｉｃｂｒａｋｅｓｙｓｔｅｍｉｓｆｅａｓｉｂｌｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｈｕｔｔｌｅｃａｒ；Ｂｒａｋｅｓ；Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｙｓｔｅｍ　　梭车是短壁机械化开采设备中连续采煤机后的关键配套设备之一。其主要功能是将连续采煤机运输槽卸下的煤接进自身料斗，并把料斗内的煤运送并卸至给料破碎机内。梭车的成功使用使得连续采煤机的生产效率得到了较大幅度的提高，极大地减轻了井下工人的劳动强度。目前，随着国内短壁开采范围的扩大，国内市场对梭车的需求量与日俱增。由于梭车运行速度较快，巷道内宽度有限，且道路崎岖不平，所以设计一套安全可靠的制动系统可以极大地保证梭车的工作效率。１　整车制动力矩计算（１）行车制动总制动力矩根据整车参数以及地下无轨车辆制动系统性能要求和标准，取制动距离ｓ＝３ｍ，整车在额定载荷ｖ０＝７ｋｍ／ｈ状态下制动时，最大减速度为：ａ＝ｖ２０２５􀆰９２（ｓ－ｖ０ｔ／３􀆰６）＝１􀆰５１ｍ／ｓ２式中：ｔ为制动系统滞后时间，取ｔ＝０􀆰３ｓ。整车所需最大制动力矩为：ＭＢ＝δｍａｒ＝５􀆰３４×１０４Ｎ·ｍ式中：ｍ为整车在额定载荷时的总质量，ｍ＝３８０００ｋｇ。ｒ为驱动轮静力半径，ｒ＝０􀆰６２ｍ。δ为整车回转质量换算系数，δ＝１􀆰５。（２）驻车制动总制动力矩参照地下无轨车辆制动系统性能要求和标准，停住的车辆在它所设计的最大操作坡度１􀆰２倍的斜坡上保持不动。所以整车驻车制动时所需的最大制动力矩为：Ｍ′Ｂ＝ｍｇｎｒｓｉｎα＝２􀆰８８×１０４Ｎ·ｍ式中：ｇｎ为重力加速度，ｍ／ｓ２；α为最大爬坡角度的１􀆰２倍，α＝６°×１􀆰２＝７􀆰２°。２　制动器选型及工作原理制动系统中的主要部件是制动器，安装在行走电机的输出轴端。根据整车制动力矩的匹配计算，参照国内外类似车辆对制动器的选择，同时考虑到整车布局的要求，选配了一种湿式多盘制动器，其行车制动力矩和驻车制动力矩均满足整车制动力矩的要求。此制动器的特点为：简单紧凑；大直径制动片，使用寿命长；多片摩擦，热稳定性好；全封闭结构，确保制动可靠。其结构简图如图１所示。Ａ口与Ｃ腔相通，Ｂ口与Ｄ腔相通。螺杆８与活塞６连接在一起，而活塞６与弹簧７为紧配合，随弹簧７一起运动。图１　湿式多盘制动器结构简图（１）驻车／紧急制动Ａ口１、Ｂ口３都不进液，此时弹簧７具有一定的压缩量，由于壳体２是不动的，弹簧７给活塞６一个推力，活塞６带动螺杆８使压盘１１右移压紧静摩擦盘１０和动摩擦盘９，此摩擦力通过花键座１２传递给驱动轴１３，使驱动轴１３停止转动，整车停车。（２）解制动高压油通过Ｂ口３进入Ｄ腔５，高压油液的压力推动活塞６左移，压缩弹簧，螺杆８随活塞６一起左移，压盘１１左移，静摩擦盘１０与动摩擦盘９逐步分开，摩擦力逐渐减小，直至消失，释放了花键套１２，使驱动轴１３恢复自由，整车制动解除。（３）行车制动高压油通过Ａ口１进入Ｃ腔１５，高压油液的压力推动压盘右移，壳体２是静止的，压盘１１把静摩擦盘１０与动摩擦盘９逐步压紧，摩擦力通过花键套１２传递给驱动轴１３，使驱动轴１３转速得到控制，从而实现整车的减速或停车。３　液压制动系统的设计为使制动器在现场中得到有效的应用，需要给其配备一套液压制动系统，保障制动器的使用有效性。而在液压制动系统中各元器件的选择上，应充分考虑它们之间的匹配性，以使液压制动系统效能最大化。３􀆰１　液压制动系统的组成及工作原理液压制动系统由液压泵、安全阀、充液阀、蓄能器、行车制动阀、急停阀、解锁手泵、泄油块等组成，其原理如图２所示。当液压泵１启动后，液压油通过充液阀４优先给蓄能器５充液。蓄能器充满后，充液阀４阀芯换向，液压泵１分别为转向回路和制动回路供液。图２　液压制动系统原理图整车制动大致有４种状态，其工作原理分别为：（１）图２所示状态为高压油由液压泵１提供，经由充液阀４、急停阀６、分流块１２流进制动器９，整车制动解除即行车状态；（２）当行车制动阀７阀芯发生位移（踩下行车制动踏板），高压油液经行车制动阀７流入制动器９，整车就是行车制动状态；（３）当急停阀６阀芯发生位移（拍下急停按钮），高压油液被阻断在急停阀６处，而制动器９内的油液经分流块１２、急停阀６流进泄油块１１，回到油箱，整车在驻车／紧急制动状态；（４）当整车在驻车制动状态，而整车液压系统发生故障，譬如液压泵１不能正常启动时，需要人为给解锁手泵１０动力，解锁手泵１０从泄油块１１内吸取油液，通过分流块１２，注入制动器９内，从而整车制动解除。３􀆰２　液压制动系统主要元器件的选择（１）液压泵的选取在液压制动系统中，液压泵首先给蓄能器充液，综合蓄能器和各工作回路参数，在满足整体功能的基础上，节约成本，提高效益，选取了排量为２５ｍＬ／ｒ、公称压力为１８ＭＰａ的齿轮泵。（２）行车制动阀的选择行车制动阀主要是根据整车制动压力的要求，合理选择制动阀的特性曲线以实现整车制动的渐进性、平稳性；它通过控制制动器的制动和松闸来控制制动力矩的大小。鉴于国内行车制动阀的踏板使用寿命较短，为该车选用了一种踏板操纵式全液压动力制动阀。（３）充液阀的选择充液阀的作用是以特定的速率给蓄能器充液，让蓄能器的压力保持在一定范围内；同时还应通过充液阀给其他回路供液，保持工作状态。该车选用蓄能器充液流量约为６Ｌ／ｍｉｎ。（４）蓄能器容积的确定及选择确定合理的蓄能器容积对液压制动系统非常重要，若容积太大，则系统充液时间过长，影响整车生·３７·第８期陈庆贺：矿用梭车液压制动系统的设计　　　产效率；若容积过小，则导致系统频繁充液，油液发热严重。制动时，蓄能器排油速度较快，氮气在受压或卸压时不能与周围环境充分地交换热量，此时气体的压力和体积所发生的变化可以依照绝热状态考虑。确定蓄能器容积时，应按照井下运输车辆最恶劣工作状态，即蓄能器的容积应保证车辆在液压泵停止工作的状况下实施５次（含５次）以上的制动，此时蓄能器的容积为：Ｖ０＝ｎΔＶｐ０ｐ１æèçöø÷１／ｒ－ｐ０ｐ２æèçöø÷１／ｒ＝１􀆰２７Ｌ式中：ｎ为制动次数，取ｎ＝６；ΔＶ为制动器每制动一次所需液压油，Ｌ；ｐ０为蓄能器预充气体的压力，ｐ０＝（０􀆰７～０􀆰８）ｐ１，ＭＰａ；ｐ１为行车制动阀最大输出压力，ＭＰａ；ｐ２为充液阀的最低工作压力，ＭＰａ；ｒ为气体定容比热与定压比热比率，ｒ＝１􀆰４１。综合考虑液压管路弹性及长度等因素，结合蓄能器标准，为该制动系统选用１个１􀆰５Ｌ的蓄能器。４　结束语（１）通过对矿用梭车制动系统要求的分析，选用了湿式多盘制动器。（２）介绍了系统所用制动器的结构特点，并对液压制动系统的工作原理进行说明；在液压制动系统的基础上，对其主要元器件进行了选型。（３）通过对井下运输车辆制动系统的蓄能器内气体变化的分析，建立了确定蓄能器容积的状态方程，为制动系统的设计提供参考（４）此种矿用梭车已批量生产，在实际使用中从未出现制动失灵现象。参考文献：［１］曹军，孙德宁．连续采煤机双巷掘进工艺及参数优化研究［Ｊ］．煤炭科学技术，２０１２（５）：９－１３．［２］程振东，田晋跃，刘刚．工程车辆全液压制动性能分析与仿真研究［Ｊ］．工程机械，２００５（１２）：５０－５３，１０４．［３］温钢，王聪，王畅，等．矿井提升机多通道恒减速液压制动系统的设计［Ｊ］．矿山机械，２０１４（１２）：５０－５３．［４］李艳，高建辉．液压机用充液阀的设计与计算［Ｊ］．机床与液压，２００１（６）：９９－１００．［５］董鹏．盘式制动器及其与整车匹配的研究［Ｄ］．武汉：武汉理工大学，２００７．［６］林慕义，张文明．工程车辆蓄能式液压制动系统充液特性［Ｊ］．北京科技大学学报，２００７（８）：８３１－８３６．［７］赵钢．液压系统中蓄能器的选用［Ｊ］．液压与气动，２０１０（１）：６４－６５．［８］郭锐，唱荣蕾，赵静一，等．液压制动系统蓄能器充液特性研究［Ｊ］．农业机械学报，２０１４（７）：７－１２，１８．（上接第７１页）４　结论此系统人机交互性良好，结合多媒体教学，形象生动，操作简便；虚拟理论与实际操作相结合；软硬件开放，易于后续升级改造；网络分布式结构便于对大批次人员进行教学、训练和考核，从而提高效率并得到直观的统计数据。参考文献：［１］龚烈航．液压系统污染控制［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２０１０．［２］姚刚，郭文勇，王素华．基于ＰＬＣ和组态王的液压舵机维修训练平台［Ｊ］．液压气动与密封，２０１３（１０）：２８－３１．［３］王积伟．液压传动［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２０１３．［４］胡俊达，刘国荣，胡慧．ＰＬＣ在摇臂钻床电气控制中的应用［Ｊ］．轻工机械，２００６（２）：１２６－１２８．［５］王守城，段俊勇．液压系统ＰＬＣ控制实例精解［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２０１０．［６］王善斌．组态软件应用指南［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２０１１．［７］李卫平，原思聪．基于ＰＬＣ和组态王的泵站监控系统设计［Ｊ］．自动化技术与应用，２００４（５）：２８－３０．［８］徐晶晶，胡捷，浦恩帅．基于组态控制的液压试验系统［Ｊ］．实验室研究与探索，２００６（４）：４２８－４２９．［９］朱正洪，黄志坚，刘志军．基于ＰＬＣ的蓄能器油压试验台液压系统设计［Ｊ］．液压气动与密封，２０１１（４）：４９－５２．［１０］李娜，金淼，郭宝峰，等．基于ＰＬＣ的拉深筋试验台电液控制系统改造设计［Ｊ］．液压气动与密封，２０１０（８）：５０－５３．［１１］申志，赵跃龙，申强，等．一种分布式网络管理监控系统的研究与开发［Ｊ］．计算机技术与自动化，２００６，２５（１）：７７－７９．［１２］何文德，汪强．基于公共移动通信网的远程监控系统［Ｊ］．计算机技术与自动化，２００６，２５（１）：９０－９２．［１３］陈延伟，熊珍凯．基于ＣＡＮ总线的自动测控系统［Ｊ］．自动化应用与技术，２００８，２７（２）：８８－８９．［１４］阳宪惠．现场总线技术及其应用［Ｍ］