蔚志慧

（大同煤矿集团北辛窑煤业有限公司， 山西 忻州 036700）

引言

由于煤矿井下作业环境具有特殊性，作业中产生的可燃性气体和煤灰粉尘随时都可能引发爆炸事件，所以井下设备的防爆性能要求很高。胶轮车作为井下作业一种常见的运输设备，一般用来搬运矿井产出的煤泥和煤渣、井下铺设坑道用的水泥和石子，在矿队完工搬家时还能运送一些小型设备，可见其使用范围广，使用频率高，所以胶轮车的防爆性研究非常重要，尤其是胶轮车的制动系统更是生热频繁的位置，更值得进一步地开发[1]。

1 计算车辆额定载荷下制动力矩

1.1 额定载荷制动力矩

根据车辆牵引力和其他重要设计参数以及防爆型胶轮车的通用技术条件，可得知其正常的制动距离D=6.5m，车辆在额定载荷以速度v=25 km/h状态开始实施制动，则可计算最大减速度为：

式中：t为制动延时，取 t＝0.3 s。

代入数据计算得a'=4.96m/s2。

整车所需的最大制动力矩为：

式中:G为车辆的额定载质量，G＝13 000 kg；r为驱动轮回转半径，r＝0.526m；δ为换算系数，δ＝1.2。

代入数据计算得M=4.07×104N·m。

1.2 额定载荷驻车制动力矩

根据矿用防爆型胶轮车的驻车制动要求，必须将车辆摆放在规定角度的斜坡上，并装载1.5倍的额定载荷的情况下，不能产生位移。所以车辆额定载荷驻车制动力矩为：

式中：α为规定斜坡角度，α＝14°。

代入数据计算得M'=3.52×104N·m

2 制动器选型

根据胶轮车的最大运输能力，制动器在车辆上安装位置和安装空间，以及国内外制动器的类别和质量，经过计算和对比，选用美国知名企业生产的CAT制动器，其安装尺寸、驻车制动性能和行车制动性能都能够满足防爆型胶轮车的使用要求[2]。该制动器使用一套制动系统能同时满足驻车制动、行车制动两项功能，节省了安装空间；液压盘式制动，摩擦小、不升温，不需要单独散热，结构简单。内部结构如图1所示。

图1 CAT制动器内部结构图

2.1 行车制动

行车制动是指在正常行车中减速或从行驶状态缓慢减速制动。车辆启动后，行驶之前的状态为：碟簧推动活塞一向左移动压紧光片与摩擦片，处于制动状态；解除制动后制动油从B口进入，活塞一向右移动压紧碟簧，使压盘一向右移动，光片与摩擦片分开，进入制动解除状态[3]。当车辆在行驶中减速或者到达目的地停车时，踩下制动踏板，开启脚踏阀，制动油从A口进入推动活塞二向左移动，致使压盘一推动光片与摩擦片接触，再由盘座逐渐降低输出轴转速，就达到了减速或停车的目的。

2.2 驻车/紧急制动

利用CAT制动器，紧急制动和驻车制动可以同时使用一套制动结构来完成。其功能是车辆停止后制动，防止溜车，也可用于行驶中行车制动出现失灵现象时的应急制动。启动这套系统使用气阀控制，开启气控阀，制动油从B口迅速排出，碟簧复位推动活塞一向左移动，压紧光片与摩擦片，再通过盘座使动力输出轴停止转动，而达到了紧急减速或驻车的目的[4]。

3 液压控制系统的组成

CAT制动器采用世界最先进的制动技术，可靠耐用，制动效果好，但必须要有一套控制精准的液压系统与之匹配才行，否则就不能把它的优点发挥出来，所以液压系统的设计要精细，选用原件质量要高，控制操作灵活可靠[5]。

3.1 液压控制系统的结构及原理

液压控制系统的主要元件有脚踏控制阀、气阀、溢流阀、蓄能器、泵、充液阀、梭阀等，液压油循环压力来自液压泵，然后从充液阀压入蓄能器。双蓄能器中的其中一个压力下降至11MPa以下时，充液阀自动开启，对系统进行充液；当双蓄能器压力全部高于14MPa时，充液阀就全部关闭，停止充液。在充液过程中，制动压力油从两条油路压入前桥回路蓄能器和后桥蓄能器，这两条油路是独立的，互不干涉，如果其中一条出现问题，另一条仍然能够正常工作，从而增加了制动系统的安全性和可靠性。如图2液压控制原理图所示。

3.2 元件的选取

1）脚踏控制阀的选取。脚踏控制阀是整个控制系统的起始控制点，用来控制前桥制动器和后桥制动器的工作和松懈以及动力输出轴的扭矩输出，主要根据整车的最大载荷能力和制动力的需求来选择脚踏阀，使车辆制动平稳、有力。选用串联调节、踏板操纵式全液压动力制动阀。

图2 液压控制系统原理图

2）充液阀的选取。充液阀在整个控制系统中的作用非常重要，它的功能是为蓄能器提供制动压力油，并稳定蓄能器的压力不超出有效范围，同时还有给其他液压元件供给液压油的作用。选用的进口MICO充液阀完全符合使用要求和使用范围。

3）蓄能器容积的选取。蓄能器的容积在液压控制系统中是一个关键性的参数，容积过大导致蓄能时间过长，大大占用了行车动力功率，容量如果过小，那么制动压力油就会很快升温，而超出温度使用范围。车辆制动需要蓄能器快速排出制动压力油，使蓄能器内的氮气被压或松压时不能与周围的空气快速地交换热量，此时的氮气的压力和体积改变过程可以按照隔绝热量的形态来认定。所以确定蓄能器的容量时，让车辆在熄火状态下，踩下脚踏板进行实验，实验10次以上的熄火制动，确定蓄能器的容积在2 L左右。再次考虑到连接胶管存在一定的弹性因素，还有布置空间的要求，同时结合蓄能器的选用执行标准，最后选用的两个蓄能器容积均为1.7 L。

4）液压泵的选取。在液压控制系统中，液压泵只为蓄能器提供充液压力，液压泵的流量必须达到充液速度，而在整车液压系统中的转向动力和自卸动力都来源于这一个液压泵，最后选用额定排量40mL/r、额定压力为15MPa的柱塞式变量泵。

4 结论

将本文设计的全液压制动系统运用在煤矿胶轮车上，运行结果显示该系统具有良好的防爆性能。该系统选用进口MICO充液阀，蓄能器容积1.7 L，液压泵使用的是额定排量40mL/r、额定压力为15MPa的柱塞式变量泵，整个系统完全符合胶轮车制动系统的使用要求。