王 淵，苗 旺

（西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710054）

防爆無(wú)軌膠輪車有較強(qiáng)的爬坡能力、靈活快捷的轉(zhuǎn)向及操作，經(jīng)常被應(yīng)用在礦井下的運(yùn)輸種[1]。隨著煤礦綜采能力的提升，礦用膠輪車朝著高運(yùn)行速度和高運(yùn)載能力的方向迅速發(fā)展，同時(shí)也給制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性提出更高要求[2]。傳統(tǒng)的制動(dòng)器防爆性能不好并且維護(hù)成本較高[3]。濕式制動(dòng)器的散熱性和密封性都比較好，因此使用時(shí)間更長(zhǎng)，基本不需要維護(hù)[4]。濕式多盤制動(dòng)器由美國(guó)在20世紀(jì)80年代研發(fā)，主要在煤礦中得到廣泛的應(yīng)用[5]。但是我國(guó)對(duì)濕式制動(dòng)系統(tǒng)的研究始終沒(méi)有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，制動(dòng)器的制動(dòng)性能及其液壓系統(tǒng)的好壞對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著舉足輕重的作用[6]。國(guó)內(nèi)對(duì)濕式制動(dòng)器液壓系統(tǒng)的研究較少，相應(yīng)的研究成果也不是很多[7-11]。為此對(duì)國(guó)內(nèi)某種礦用膠輪車上的濕式制動(dòng)器液壓系統(tǒng)進(jìn)行研究。

1 礦用膠輪車濕式制動(dòng)器液壓系統(tǒng)工作原理

濕式制動(dòng)器液壓系統(tǒng)原理圖如圖1。系統(tǒng)主要由雙路制動(dòng)閥，雙路充液閥，蓄能器和手柄閥組成。

液壓系統(tǒng)的工作原理：液壓泵給雙路充液閥提供液壓油，雙路充液閥將得到的液壓油分3路給3個(gè)不同的蓄能器充液，2個(gè)行車制動(dòng)蓄能器分別為前橋和后橋制動(dòng)器提供行車制動(dòng)壓力，1個(gè)駐車制動(dòng)蓄能器向前后橋制動(dòng)器駐車制動(dòng)提供能量，每個(gè)蓄能器都會(huì)獨(dú)立地給所在的回路提供壓力。進(jìn)行行車制動(dòng)時(shí)，前后橋制動(dòng)器分別獲得各自回路上的蓄能器提供的壓力。進(jìn)行駐車制動(dòng)時(shí)，由于手柄閥將制動(dòng)器內(nèi)高壓腔體的油液釋放，制動(dòng)器內(nèi)的彈簧恢復(fù)形變達(dá)到制動(dòng)的目的；回路中的溢流閥主要是防止回路中出現(xiàn)壓力過(guò)大的情況，將超壓的油液引流回油箱；假如液壓系統(tǒng)有故障，駐車制動(dòng)會(huì)自動(dòng)工作保證車輛安全。雙路制動(dòng)閥使前后橋分別進(jìn)行獨(dú)立工作，保證它們互不影響。因此和其他的液壓系統(tǒng)相比，安全系數(shù)較高。

2 關(guān)鍵元件選型

2.1 蓄能器選型

在此膠輪車的制動(dòng)系統(tǒng)中，前后橋一共有4個(gè)制動(dòng)器，前后橋分別有1個(gè)行車制動(dòng)蓄能器給各自回路的2個(gè)制動(dòng)器提供壓力，已知該礦用膠輪車每個(gè)制動(dòng)器高壓腔的排量V1大約為V1=39 mL，所以每個(gè)蓄能器制動(dòng)1次所需的液壓油量V0大約為：

圖1 液壓制動(dòng)系統(tǒng)原理圖

此液壓系統(tǒng)要求在發(fā)動(dòng)機(jī)停止之后仍然可以進(jìn)行制動(dòng)，當(dāng)蓄能器作為出現(xiàn)故障時(shí)的動(dòng)力源來(lái)計(jì)算時(shí)，1個(gè)蓄能器的油液容量大小至少為：

式中：VP1為蓄能器容量；n為熄火后制動(dòng)次數(shù)，n=8次。

由式（2）得VP1=624 mL。因?yàn)樵趯?shí)際中的制動(dòng)過(guò)程中壓力會(huì)有損失，所以在理論計(jì)算中要比實(shí)際的高一點(diǎn)，設(shè)定最小放液壓力為3.5 MPa。然后依照型號(hào)對(duì)照表，選擇最大容積，最后查表得出最大的容量為 2.5 L。根據(jù)各個(gè)條件，最終選 NXQA2.5/31.5-L型蓄能器，并且此蓄能器也同樣適合駐車制動(dòng)。

2.2 雙路充液閥選型

在對(duì)蓄能器進(jìn)行選型之后，可以對(duì)和其相配套的充液閥進(jìn)行選擇，以保證蓄能器的充放液保持一定范圍內(nèi)的平衡，滿足使用的需要。在前人使用的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)研，選用MICO公司的雙路充液閥，型號(hào)為06-463-214，此雙路充液閥上限額定充液壓力為 8.3 MPa,下限額定充液壓力為 6.4 MPa，額定上限和下限的充液壓力公差為±0.35 MPa，充液速率為10 L/min。所以可以得出單個(gè)蓄能器工作時(shí)所排出的油液體積V2[6]：

式中：pC2為雙路充液閥下限額定充液壓力，選6.4 MPa；K 為熱力學(xué)常數(shù)指，K＝1.4；VP為蓄能器最大容量，L；p1為蓄能器的最低下限工作壓力，3.6 MPa；p2為最高上限工作壓力，4.6 MPa；p0為蓄能器的充氣壓力，通常為（0.8～0.9）p1，選取 p0＝3.0 MPa。

計(jì)算得出排出的油液體積V2≈707.5 mL。

當(dāng)充液閥到達(dá)額定上限充液壓力，車輛發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作時(shí)，蓄能器可以實(shí)施的行車制動(dòng)次數(shù)n為：

9.1次大于所選取制動(dòng)次數(shù)8次，滿足開始設(shè)定的次數(shù)，蓄能器和雙路充液閥符合使用要求。

2.3 雙路制動(dòng)閥選型

車輛正常行車時(shí)，制動(dòng)器制動(dòng)活塞不受油液的壓力，開始進(jìn)行行車制動(dòng)時(shí)，所受的壓力pX為：

式中：FX為制動(dòng)時(shí)所受的力，N；AX為力作用面的面積，即為行車制動(dòng)活塞的面積，mm2；DX1為行車制動(dòng)活塞外環(huán)直徑，mm；DX2為行車制動(dòng)活塞內(nèi)環(huán)直徑，mm。

通過(guò)比較，選擇MICO公司的型號(hào)為06-466-234的雙路制動(dòng)閥，其額定最大輸入壓力為20.68 MPa，最大額定制動(dòng)壓力設(shè)定值為2.67 MPa，額定制動(dòng)壓力公差為±0.35 MPa。經(jīng)過(guò)計(jì)算，活塞完全打開的壓力為 2.4 MPa＜2.67 MPa，在允許的額定壓力范圍內(nèi)，所以滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4 其他元件選型

1）溢流閥選型。溢流閥的主要作用是進(jìn)行穩(wěn)壓溢流和安全保護(hù)，分為直動(dòng)式和先導(dǎo)式2種，直動(dòng)式反應(yīng)靈敏、成本低并且調(diào)節(jié)范圍小。先導(dǎo)式反應(yīng)靈敏度低，但是調(diào)節(jié)范圍大。經(jīng)過(guò)對(duì)比調(diào)研，直動(dòng)式溢流閥可以滿足本液壓系統(tǒng)的使用要求，并且經(jīng)過(guò)對(duì)比后選擇上海維嘉液壓氣動(dòng)元件有限公司的直動(dòng)式溢流閥，型號(hào)為D-T02-3-30，調(diào)壓范圍在7～25 MPa之間，將溢流壓力調(diào)定為10 MPa。

2）過(guò)濾器選擇。由于系統(tǒng)中的各個(gè)閥件對(duì)油液的精度有著較高的要求，因此在液壓系統(tǒng)的出口處選取型號(hào)為OUI-E63×10P的過(guò)濾器。

3 液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真分析

3.1 蓄能器充液動(dòng)態(tài)性能仿真分析

對(duì)蓄能器的充液動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行仿真，先將2個(gè)蓄能器充滿，然后每5 s制動(dòng)1次，一共制動(dòng)3次，觀察蓄能器的壓力變化。行車制動(dòng)狀態(tài)下蓄能器壓力變化曲線圖如圖2。

圖2 行車制動(dòng)狀態(tài)下蓄能器壓力變化曲線圖

由圖2，前后橋蓄能器的初始?jí)毫?.4 MPa，可以看出前2次進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，每制動(dòng)1次蓄能器的壓力減少約0.9 MPa，第3次制動(dòng)時(shí)蓄能器的壓力減小到6.4 MPa，達(dá)到蓄能器的額定下線充液壓力，此時(shí)雙路充液閥開始對(duì)前后橋的蓄能器進(jìn)行充液，從而壓力開始上升，到達(dá)初始?jí)毫筇幱诜€(wěn)定的狀態(tài)，并且2個(gè)蓄能器的狀態(tài)基本處于同步，說(shuō)明前后橋的制動(dòng)時(shí)間基本同步，從而滿足了設(shè)計(jì)要求。

3.2 行車制動(dòng)過(guò)程仿真分析

在行車過(guò)程中，前后橋制動(dòng)器工作時(shí)是相互獨(dú)立的，因此制動(dòng)器工作時(shí)，安全起見(jiàn)，假如有其中1路發(fā)生故障，另1路可以正常工作，2路工作互不影響。假設(shè)在車輛行進(jìn)的過(guò)程中，由于某些故障前橋的回路不能夠提供高壓油，對(duì)此工況下行車制動(dòng)進(jìn)行仿真分析，故障狀態(tài)下雙路制動(dòng)閥出口壓力曲線如圖 3。在初始狀態(tài)下，后橋雙路制動(dòng)閥的壓力最大為3.1 MPa，而前橋雙路制動(dòng)閥的出口一直沒(méi)有壓力，但是車輛仍可以正常制動(dòng)，由此可知，雙路制動(dòng)閥的選型符合使用要求。

圖3 故障狀態(tài)下雙路制動(dòng)閥出口壓力曲線

3.3 停泵行車制動(dòng)次數(shù)仿真分析

由MT T989—2006《礦用防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車通用技術(shù)條件標(biāo)準(zhǔn)》可知，當(dāng)汽車制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生故障后，制動(dòng)系統(tǒng)不能立刻失效，要保證還能進(jìn)行至少5次上的行車制動(dòng)。但是由于在實(shí)際的工作中能量會(huì)有損失，所以選8次作為發(fā)生故障后的行車制動(dòng)次數(shù)。停泵后行車制動(dòng)次數(shù)仿真如圖4。

圖4 停泵后行車制動(dòng)次數(shù)仿真

由圖4，前后橋的蓄能器壓力在前8次制動(dòng)過(guò)程中都在3 MPa以上，且蓄能器的壓力在制動(dòng)時(shí)下降符合蓄能器的壓降規(guī)律，前后橋基本同步，并且在整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中，雙路制動(dòng)閥的前后橋出口壓力同步，都在3 MPa附近，可以看出在停泵后至少可進(jìn)行8次有效制動(dòng)，固證明選型符合使用要求。

4 液壓系統(tǒng)試驗(yàn)

4.1 充液動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)

將踏板力設(shè)置為500 N，制動(dòng)時(shí)間設(shè)置為10 s，制動(dòng)次數(shù)為10次，返回時(shí)間為1 s，加力速度為200 N/s。蓄能器充液動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)曲線變化趨勢(shì)圖如圖5，截取前30 s進(jìn)行分析，在制動(dòng)未開始之前，蓄能器的壓力為8 MPa以上，每隔1 s進(jìn)行1次制動(dòng)，當(dāng)開始第1次行車制動(dòng)時(shí)，蓄能器的壓力下降約0.9 MPa，之后蓄能器的壓降稍微變小，可能是液壓管路中有未排完的壓力，直到蓄能器的壓力減小到6.1 MPa時(shí)，蓄能器重新進(jìn)行充液，因而試驗(yàn)結(jié)果基本與仿真的結(jié)果基本一致，達(dá)到使用要求。

圖5 蓄能器充液動(dòng)態(tài)性能曲線變化趨勢(shì)圖

4.2 行車制動(dòng)過(guò)程試驗(yàn)

將踏板力設(shè)置為500 N，制動(dòng)時(shí)間設(shè)置為1 s，制動(dòng)次數(shù)為10次，其余參數(shù)不變。對(duì)后橋行車制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn),后橋行車制動(dòng)過(guò)程試驗(yàn)曲線如圖6，此時(shí)試驗(yàn)沒(méi)有前橋制動(dòng)器參與，可以認(rèn)為其發(fā)生故障，試驗(yàn)完成之后，截取前6 s的試驗(yàn)結(jié)果，可以從圖中看出，3次行車制動(dòng)的壓力基本都在3 MPa左右，最大的壓力3.1 MPa，由此可以看出后橋制動(dòng)器完全不受前橋制動(dòng)器的影響，可以正常進(jìn)行工作，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，達(dá)到使用的要求。

圖6 后橋行車制動(dòng)過(guò)程試驗(yàn)

4.3 停泵后制動(dòng)次數(shù)試驗(yàn)

將踏板力設(shè)置為500 N，制動(dòng)時(shí)間設(shè)置為5 s，制動(dòng)次數(shù)為15次，其余參數(shù)不變。停泵后制動(dòng)次數(shù)試驗(yàn)如圖7，截取前75 s進(jìn)行觀察，蓄能器壓力最大值為8.8 MPa，一共的有效制動(dòng)次數(shù)為8次，第1次制動(dòng)延后的主要原因是由于液壓管路中的壓力偏低，經(jīng)過(guò)蓄能器分給壓力之后，開始第1次制動(dòng)，也就是說(shuō)在正常情況下，可以進(jìn)行8次有效制動(dòng)，并且制動(dòng)壓力基本都在3.1 MPa左右，證明試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果基本一致，達(dá)到使用要求。

圖7 停泵后制動(dòng)次數(shù)試驗(yàn)

5 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種適用于礦用膠輪車多功能濕式制動(dòng)器的液壓系統(tǒng),通過(guò)對(duì)濕式制動(dòng)器的液壓系統(tǒng)進(jìn)行選型和仿真，最后再進(jìn)行試驗(yàn)，并將3種結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出的計(jì)算分析及試驗(yàn)結(jié)果雖然稍有偏差，但是都在允許的范圍之內(nèi)，并且所得的壓力都在礦用安全規(guī)程所規(guī)定的范圍之內(nèi)，證明設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)選型合理。