程思越，汪达勇

（国家能源集团宁夏灵武发电有限公司，宁夏银川 750002）

0 引言

国家能源宁夏煤业下辖生产矿井，例如羊场湾煤矿、梅花井煤矿和红柳煤矿等，巷道具有坡道较大并且距离长的特点，其辅助运输车辆采用WCJ5E 和WCJ8E 无轨胶轮车。无轨胶轮车一般配备湿式多盘制动器，车辆在重载下长坡的时候，驾驶员需要频繁踩制动来控制车速，制动系统的负荷比较大，制动器摩擦片磨损快，需经常更换摩擦片，车辆也存在安全隐患。亟需一种能够给摩擦片降温的办法，湿式桥强制冷却系统将制动器摩擦片浸在冷却油里，通过齿轮泵给冷却油提供动力，冷却油与散热器间不断循环，将摩擦片产生的热量带走，解决摩擦片高温、磨损快、漏油等问题。

1 制动器发热量估算

煤矿井下巷道的路况由于地质因素复杂多变，防爆无轨车辆桥制动器高温现象主要发生在长距离下坡工况，短距离下陡坡时由于行车时间短，一般不会出现制动器高温现象。通过调研，司机在长距离坡道时，一般会采用挂低挡滑行，由于在车辆沿坡道下滑分力的作用下，车辆柴油机反拖力和地面滚动阻力之和小于车辆的下滑分力，车辆速度会越来越快，司机会踩刹车来控制车速，使车辆保持在较匀速的速度下行驶完整个路程。在下坡行驶过程中，当坡道较大时，通过踩刹车控制车速，频繁踩刹车会使制动器摩擦片温度升高，车辆的部分势能转化为内能，即发热量。同时，车辆在下坡时挂抵挡，利用柴油机的反拖扭矩，可以平衡掉部分车辆重力的下滑力。所以，车辆在整个过程中，车辆的势能、制动系统的发热量、柴油机反拖扭矩做的功有以下关系：

式中 Q1——车辆的总势能，J

Q2——制动器的发热量，J

W——柴油机反拖扭矩做的功，J

车辆从坡顶运行到坡底总势能与车辆的质量、坡道长度、坡道角度等有关，其关系为：

式中 m——车辆重载时的总重量，kg

g——重力加速度，m/s2；取9.8 m/s2

L——坡道总长，m

α——坡道角度，°

μ——滚动摩擦因数；一般取0.04

车辆下坡时司机一般挂低挡行驶，同时利用柴油机的反拖扭矩起辅助制动作用。柴油机在反拖工况下，其反拖功率一般不超过其总功率的30%，在整个行驶过程中，柴油机反拖扭矩做的功与反拖功率的大小和车辆行驶的时间有关，在整个过程中做的功为：

式中 P——反拖扭矩产生的功率，W

t——行驶时间，s

结合式（1）、式（2）、式（3），桥制动器的发热量为：

则发热功率为总发热量与车辆总运行时间之间的比值为：

式中

v——车速，m/s

由式（5），制动器的发热功率与车辆的总重、车速、坡道角度成正比，柴油机的反拖功率的大小也影响制动系统的热平衡。为了保证桥制动器在下长坡时不会高温，湿式桥强制冷却系统的散热功率应大于其发热功率，才能保证制动器的温升保持稳定。

2 桥制动器结构的改进

防爆无轨胶轮车驱动桥工作制动器一般采用湿式多盘制动器，湿式多盘式制动器的主要由动摩擦片、静摩擦片、活塞、弹簧、制动壳、半轴等组成，固定盘和制动壳通过花键连接，摩擦盘装在固定盘之间，随着车轮旋转。制动时，活塞压向摩擦片，动静摩擦片之间产生摩擦力，动摩擦片与半轴相连接，以降低车轮转速，达到制动的目的。

一般情况下，摩擦片所处的腔体与半轴、主减速器所在的腔体是连通的，为了保证工作制动器的循环顺畅和散热效率，摩擦片所处腔体内循环用油需改为液压油，主减速器所在腔体仍然用齿轮油。所以，在实施安装强制冷却系统时，需考虑将两个腔体之间隔开，工作制动器要进行结构的改进，改进后的结构如图1 所示。

图1 制动器结构

制动器摩擦片所在的腔体使用密封结构与外部隔开，制动器在上侧和下侧分别设计冷却出油口和冷却进油口，冷却油循环时下进上出，摩擦片基本都浸在冷却油中，使摩擦片与冷却介质充分接触，增强冷却效果。

3 制动强制冷却系统的核算

根据式（5）可测算整个系统的散热功率，从而确定散热器的大小。m=14 000 kg，g=9.8 m/s2，L=6000 m，α=7°，P=60×30%=18 kW，车辆1 挡行驶最大速度约11 km/h，运行完6 km 的坡道，时间约为t=1963.6 s，将上述数值带入式（5）得：

散热器的散热能力必须大于P2，散热器的散热功率设计为20 kW，冷却油经过散热器进行散热器，散热量为：

式中 P0——散热功率，W

C——液压油比热容，J/（kg·℃）

q——散热油流量，m3/s

ρ——散热油密度，kg/m3

Δt——散热器进出油口温差，℃

系统选用的散热介质为46#抗磨耐压油，其比热容约为C=2.09×103J/（kg·℃），密度约为ρ=0.87×103 kg/m3，散热器进出口温差多次测得最高约Δt=20 ℃，将以上参数带入式（6），算得强制冷却系统的流量约为：

考虑到油箱的自身散热、制动器的自身散热和管路的散热，冷却系统的流量设计为30 L/min 左右，这样湿式桥冷却系统能够满足绝大多数矿井的使用工况要求。

4 制动强制冷却系统的设计

湿式桥制动强制冷却系统设计有齿轮泵、散热器、过滤器，分流阀、安全阀、油箱和管路等，齿轮泵置于变矩器取力口处，齿轮泵泵出的油经过散热器散热，再经过分流阀使冷却油均匀的分配给4 个桥制动器，桥制动器处设置有溢流阀，防止制动器内部压力过高，避免漏油。湿式桥制动强制冷却系统液压原理如图2 所示。

图2 制动强制冷却系统原理图

从实际装车使用情况来看，制动强制冷却系统设计时应注意以下要点：①系统循环流量要与实际工况的最大坡度下需要的散热功率匹配，考虑各部件自身散热的情况下，循环齿轮泵排量不宜过大，防止系统内部各部件压力过高引起油封和散热器等部件漏油；②液压油箱做成独立安装油箱或从大油箱内做成隔腔独立的方式，可以避免摩擦片长期制动生成的摩擦粉末进入其他系统；③过滤器的设置方面，粗滤和精滤都是必要的，尤其要把精滤设置在方便检修的位置，这样可以定期检查和维护，保持工作介质的清洁；④制动器处的单个溢流阀流量选择不低于系统流量，同时其溢流压力设定不高于制动器隔腔油封耐压的1/2。

5 应用效果

目前安装湿式桥强制冷却系统的无轨胶轮车约300 余台，主要在宁煤羊场湾矿、梅花井矿、红柳矿等矿井使用，这些煤矿井下巷道坡度多、坡度大，发挥了强制冷却系统的作用。最早的一批在2018 年初投入使用，经过近3 年的使用情况表明，该系统能够有效降低车辆制动器摩擦片磨损快、摩擦片烧结、密封圈漏油等问题，提高了防爆无轨胶轮车制动系统的可靠性和车辆的行车安全性。