胶轮车全液压制动系统制动压力动态特性研究 -.pdf

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第4 6 卷 第3 期 2 0 1 4 年 第3 期 煤炭工程 C0 AL EN GI NE ER I N G Vo 1 . 46, No . 3 No . 3, 2 01 4 d o i 1 0 .1 1 7 9 9 /c e 2 O1 4 0 30 2 9 胶轮车全液压 制动系统 制动压 力动态特性研究 刘 杰 中国煤炭科工集团太原研究院 煤矿采掘机械装备国家工程实验室,山西 太原0 3 0 0 0 6 摘要 文章介绍 了胶轮车全液压制动 系统的组成及工作原理 ,通过试验的方法对胶轮 车全 液压制动 系统制动压力的动态特性进行 了研究,分析 了液压管路的长度对制动压力动态特性的影 响。为掌握胶轮车不 同工况对制动压力的影响规律 ,分别测试 了胶轮车静止与行驶两种工况下制 动压力的响应特性。结果表 明,全液压制动 系统能够很好 的适 用于胶轮车 ,制动压力响应迅速、 灵敏 ,保证 了胶轮车的制动I }生能,提 高了胶轮车的安全性、可靠性。 关键词 胶轮车 ;全液压制动 系统 ; 制动阀; 制动压力;动态特性 中图分类号 T D 5 2 5 文献标识码 A 文章编号1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 4 0 3 - 0 0 9 3 -04 St u dy o n Br a k i ng Pr e s s u r e Dy na mi c Fe a t u r e s o f Fu l l Hy dr a ul i c Br a k i n g Sy s t e m i n Rub be r Ti r e Ve h i c l e L I U J i e N a t i o n a l E n g i n e e r i n g L a b o f Mi n i n g a n d E x c a v a t i o n Ma c h i n e r y E q u i p me n t A p p l i e d i n C o a l Mi n e ,T a i y u a n R e s e a r c h I n s t i t u t e , C h i n a C o a l T e c h n o l o g y a n d E n g i n e e r i n g G r o u p,T a i y u a n 0 3 0 0 0 6 ,C h i n a Ab s t r a c t T h e p a p e r i n t r o d u c e d t h e c o mp o s i t i o n a n d w o r k i n g p r i n c i p l e o f t h e f u l l h y d r a u l i c b r a k i n g s y s t e m a p p l i e d f o r t h e r u b b e r t i r e v e h i c l e . A e x p e rime n t me t h o d w a s a p p l i e d t o t h e s t u d y o n t h e b r a k i n g p r e s s u r e d y n a mi c f e a t u r e s o f t h e f u l l h y d r a u l i c b r a k i n g s y s t e m a p p l i e d t o t h e rub b e r t i r e v e h i c l e . T h e p a p e r a n a l y z e d t h e l e n h o f t h e h y d r a u l i c p i p e l i n e a f f e c t e d t o t h e d y n a mi c f e a t u r e s of t h e b r a k i n g p r e s s u r e . I n o r d e r t o ma s t e r t h e b r a k i n g p r e s s u r e i n f l u e n c e l a w b y t h e d i f f e r e n t p e rf o r ma n c e s , t h e r e s p o n s e f e a t u r e s o f t h e b r a k i n g p r e s s u r e s u n d e r t h e s t a t i c a n d d ri v i n g p e r f o rm a n c e s o f t h e rub b e r t i r e v e h i c l e we r e i n d i v i d u a l l y me a s u r e d a n d t e s t e d . T h e r e s u l t s s h o we d t h a t t h e f u l l h y d r a u l i c b r a k i n g s y s t e m c o u l d b e w e l l s u i t a b l e f o r t h e r u b b e r t i r e v e h i c l e . T h e r e s p o n s e o f t h e b r a k i n g p r e s s u r e wa s r a p i d a n d s e n s i t i v e , c o u l d e n s u r e t h e b r a k i n g p e rfo rm a n c e s of t h e rub b e r t i r e v e h i c l e a n d c o u l d i mp r o v e t h e s afe t y a n d r e l i a b i l i t y o f t h e r u b b e r t i r e v e h i c l e . Ke y wo r d s ru b b e r t i r e v e h i c l e;f u l l h y d r a u l i c b r a k i n g s y s t e m ; b r a k i n g v a l v e ; b r a k i n g p r e s s u r e;d y n a mi c f e a t u r e s 胶 轮车是一 种经常 在煤矿 井下 长时 间行驶作 业 的工程 车辆 ,主要用来运输设备、材料、人员等。由于煤矿井下 特殊的行驶条件,为满足井下防爆的要求,大多数胶轮车 的制动系统采用全液压动力驱动的、由全封闭湿式多盘制 动器实施制动 的制动模 式 ⋯ ,因此 ,液压 系统是 整个 制动 系统的重要组成 部分 。当制动压 力作 用于 制动器 产生 制动 力时,制动压力的动态特性客观反映了制动力的动态特性, 与整车 的制动性 能密切 相关 ,直 接关 系到胶 轮车 行驶 作业 时的安全性 、稳定 性。只有 准确 掌握 胶轮车 制动 压力 的动 态特性及影响因素,才能够正确认识胶轮车制动过程中制 动力的实时变化情况,进而为整车制动性能的预测和评价 提供依据。然而,国内对全液压制动系统的应用尚存在许 多问题 ,非常依赖国外技术指导,对此方面的研究还很薄 弱 ,只有 少 数 人 针 对 制 动 阀 的 动 态 特 性 进 行 了理 论 研 究 。本文结合全液压制动系统在胶轮车上 的实际应用 情况 ,通过试验 的方法 ,开展对制 动压力 的动态 特性研究 , 希望能够为设计人员提供一定 的参考 。 1 胶轮车全液压制动系统的组成及工作原理 胶轮车全液压制动 系统 主要 由以下部分组 成 液压泵 、 溢流阀、充液阀、制动阀、蓄能器、前轮制动器、后轮制 动器以及压力表等,如图 1所示。其 中,前、后制动器的 工作原理为液压制动,弹簧释放。制动阀阀芯为上下串联 结构,使得行车制动系统为双回路形式,前轮制动器和后 收稿 日期 2 0 1 3 0 6 0 7 作者简介刘杰 1 9 8 1 一 ,男,河南商丘人,硕士,从事煤矿井下无轨辅助运输车辆设计、研发及试验研究工作, Ema i l s u n n y we a t h e r 1 6 3 . c o n 。 引用格式刘杰.胶轮车全液压制动系统制动压力动态特性研究 [ J ] .煤炭工程,2 0 1 4 ,4 6 3 9 3 9 6 . 9 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 4 年第3期 轮制动器各由一个 回路控制,若其中任何一路的元件出现 故障,另一路 回路仍可正常工作,使整车制动更加安全 可靠 。 图 1 全液压制动系统原理图 液压泵输出的液压油通过充液阀向蓄能器供油 ,充液 阀保证蓄能器内油液压力始终保持在充压阀充油上、下限 压力之间,能够满足制动器多次制动的需求 ,确保了制动 的可靠性。当踩下制动阀踏板时,蓄能器内存储的高压油 被释放并作用于制动器内的活塞上,制动器实施制动。制 动压力与踏板力存在一定 比例关系,每次制动时,司机根 据整车制动需求,通过人为控制踏板力,制动阀便可以输 出不同特性的制动压力,以满足制动器的工作需要,但不 会超过最大制动压力设计值。 2 试验 系统原理及试验过程 根据胶轮车全液压制动系统的原理,为掌握制动压力 动态特性 ,选取制动阀出口与制动器入 口为压力测试点, 分别在制动阀上、下出口处,前、后轮制动器人口处安装 压力传感器,将液压原理图简化,建立 的液压制动系统制 动压 力测试 系统组 成图如图 2所示 。 制动阀 图2 测试系统组成图 为保证试验数据的准确性、可靠性,试验仪器由专业 测试厂家提供,采用 M D R移动数据记 录仪 配置量程为 1 0 MP a 高精度压力传感器 ,数据处理采用先进的 D S P S动 态信号处理系统。 根据车辆制动性能的试验规定 。J ,车辆制动性能的 各评价指标是在车辆进行紧急制动的情况下,即快速踩下 制动踏板,通过相关仪器测试而得到的。因此,本次试验 也按照相关要求 ,通过快速踩下制动踏板得到制动压力 响应特性 ,对制动压 力动 态特性 进行 分析 。为研 究胶 轮车 在不同工况下制动压力的动态特性,分别测试胶轮车静止 状态制动下与行驶状态制动下制动压力的响应特性。 3 试验结果与分析 3 . 1 制动 阀上、下出口压力动态特性分析 胶轮车静止状态下,当踩下制动阀踏板后制动 阀上、 下出口压力动态响应曲线如图3所示 ,从图 3中可以看出, 无论是制动阀上出口,还是制动阀下出口,其压力的动态 响应非常迅速,压力从零提高到最大设计值所用时间大约 为 0 . 3 2 s ,远小于气压制 动系统 的平 均作用 时 间 0 . 6 0 s 与 气顶液制动系统的平均作用时间0 . 4 5 s ,保证 了制 动 的灵敏性 。 O 时间/ s 图 3制动 阀上 、下 出口压 力动态 响应 曲线 从图可以看出压力上升曲线存在波动现象,压力在上 升过程中之所以会 出现波动现象 ,主要 由两方 面原 因引起 , 首先是司机控制踏板力不够稳定 ,制动阀输出压力的变化 直接决定于踏板力的变化,理论上讲,二者存在一定 比例 关系 ,一定的踏板力 对应 一定 的输 出压力 ,如果 踏板 力在 增加过程中本身出现波动,那么势必会引起制动阀输出压 力 的波动 。其次 ,从制 动 阀压 力 出 口到制 动器压 力入 口液 压管路的长度对压力波动也会造成一定的影响,如果管路 短,压力响应较快,开始阶段易产生瞬态冲击,这恰恰能 够解释制动阀上出口压力波动存在一个较大的峰值,因为 制动阀上出口与前轮制动器压力入 口相连,管路较短,所 以产生了压力冲击峰值。同时也解释了制动阀上出口压力 响应比下出口压力响应要快的现象。如果管路较长,压力 响应开始阶段的瞬态冲击就相对小,压力波动也较小 ,但 也容易造成升压最后阶段的轻微波动,因为管路长,密闭 液体容积较大,液体流动性就强,加上液压软管具有弹性 , 容易导致升压最后阶段压力经过轻微波动后,方才趋于稳 B d 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4 年第3 期 煤炭工程 定 。 从图3还可以清楚看到,待压力建立起来平稳后,制 动阀上出口压力比下 出口压力大约高 0 . 2 0 MP a ,这符合制 动阀的设计要求,因为胶轮车刹车制动时,由于车辆的前 冲惯性 ,使得前轴载荷增大,故前轴要承受较大制动力, 因此 ,制动 阀上 出 口压力 高一些 ,从 客观 上满 足 了车 辆刹 车时前轮承受更大制动力的要求。 3 . 2管路 对制动压力动态特性的影响 为掌握管路对制动压力动态特性的影响规律,分别对 制动阀的两个制动回路进行研究 ,这样就便于对每个制动 回路压力的动态特性进行对比分析。 1 制 动阀上出 口压 力与前轮制动器人 口压力 动态响应 对 比分析 。制动 阀上 出口压力 与前轮 制动 器入 口压力 动态 响应对比曲线如图4所示。由于制动阀布置在胶轮车前部 , 距离前轮制动器较近,前制动回路管路较短,当踩下制动 踏板后,制动阀上出口压力与前轮制动器入口压力几乎同 时响应,不存在压力滞后现象,经过一个波峰后,二者响 应才显示 出差距 ,从 1 3 . 7 5 s到 1 4 . O O s这 0 . 2 5 s的 时间段 , 制动阀上出口压力要先于前轮制动器入 口压力响应,且制 动阀上出口压力高于前轮制动器入 口压力 ,这是 由于管路 的因素,导致压力滞后。在 1 4 . O O s时刻左右,二者压力达 到一致,且基本接近最大设计值。从 1 4 . O O s 时刻以后,前 轮制动器入口压力反而高于制动阀上出口压力少许,然后 二者慢慢靠近,直到一致。这是因为当前轮制动器 内建立 一 定压力后,如果踏板力稍微减小,那么制动阀阀芯在压 力反馈作用下克服踏板力迅速动作,关闭了蓄能器至前轮 制动器的油液通路 ,蓄能器内的高压油无法通过制动阀流 向前轮制动器。由于前制动回路管路较短,从制动阀出来 的高压油迅速通向前轮制动器 ,建立油压,与此同时,由 于制动阀的关闭,蓄能器内的高压油无法及时补充过来, 造成制动阀上出口压力短时间内低于前轮制动器入口压力。 随着时间变化,二者压力最终变为一致。 1 3 . 6 1 3 . 8 1 4 . 0 l 4 . 2 1 4 . 4 1 4 . 6 1 4 . 8 1 5 . 0 时间/ s 图4 制动阀上出口压力与前轮制动器 入 口压力动态 响应 曲线 2 制动阀下出口压力与后轮制动器入口压力动态响应 对比分析。制动阀下出口压力与后轮制动器人 口压力动态 响应对比曲线如图5所示。由于制动阀布置在胶轮车前部, 距离后轮制动器较远,后制动回路管路较长,当踩下制动 踏板后 ,由于管路因素引起的压力滞后现象相对于前制动 回路而言就比较明显,后轮制动器入 口压力 比制动阀下 出 口压力 响应大 约滞后 0 . 0 5 s 。且在压力上 升过程 中 ,制 动 阀 下出口压力几乎一直高于后轮制动器入 口压力 ,直到压力 基本上升至最大设计值时,二者大小才基本一致,然后逐 渐趋于平稳状态。虽然压力存在滞后现象,但是这种滞后 只是在压力开始响应 时刻与上升过程中表现才 比较明显 , 而后 ,制动阀下出口压力与后轮制动器入 口压力却几乎 同 时达到最大设计值。也就是说踩下制动踏板后 ,后轮制动 器入 口压力上升至最大设计值时刻几乎不存在压力滞后 问题 出 1 3.6 1 3. 8 l 4.0 1 4.2 1 4.4 1 4.6 1 4 . 8 1 5 . 0 时问/ s 图 5 制动 阀下 出口压力与后轮制动器 入 口压力动态响应 曲线 由于后制动回路管路较长,压力波动的幅度减小很多, 不存在较大压力峰值现象,压力上升过程相对也比较平稳, 几乎没有出现后轮制动器入 口压力高于制动阀下出口压力 的现象。 综合以上两种情况的分析 ,可以得出管路对压力滞 后的影响是客观存在的,当管路较短时,影响主要体现在 升压过程,同时也易引起压力波动现象;当管路较长时, 影响既体现在升压过程,又体现在压力开始响应时刻。但 就压力升高到最大设计值的时刻而言,可以认为制动阀出 口压力与制动器入口压力是同步的,不存在压力滞后问题, 管路的影响可以忽略不计。胶轮车在实际制动过程中,未 等制动器人口压力升高至最大设计值,制动器在压力作用 下就已经开始产生部分制动力,迫使胶轮车减速制动。因 此,就整个制动过程来说,因液压管路引起压力滞后所造 成的车辆制动性能的改变应引起足够 的重视 ,在设计时, 应尽可能减小液压制动管路的长度,长度不能减小的情况 下,应尽可能用钢管代替高压软管。 3 . 3 不同工况对制动压力动态特性的影响 为掌握防爆胶轮车在不同工况下制动时,制动器入 口 压力动态特性的变化规律,分别对防爆胶轮车在静止状态 制动下与规定车速行驶状态制动下制动器入 口压力的动态 响应进行研究。 1 对前轮制动器人口压力动态特性的影响。胶轮车在 静止状态制动下与行驶状态制动下前轮制动器人 口压力动 态响应对比曲线如 图6所示。可以看出,两条曲线在压力 9 5 B d苫\ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 4年第3 期 开始响应时刻几乎是重合的,经过一个波峰变化后 ,压力 出现轻微波动,然后静止状态下的前轮制动器人口压力要 高于同时刻行驶状态下的前轮制动器入口压力,压力响应 大约滞后0 . 0 3 s ,待压力上升到最大设计值时 ,两条曲线又 趋于重合。说明车辆行驶工况对前轮制动压力的影响主要 在于压力上升过程 中,相 比于静止状态 制动压力上 升过程 , 压力响应大约滞后 0 . 0 3 s 。而在制动压力开始响应阶段与压 力响应最后阶段,二者几乎是同步的,车辆行驶工况对制 动压力 的动 态特性影 响很小 。 1 3 . 6 l 3 盘1 4 . 0 1 4 . 2 1 4 .4 1 4. 6 1 4. 8 1 5 .O 时间/ s 图 6 不 同工况前轮 制动器 入 口压 力动态响应曲线 2 对后轮制动器人口压力动态特性的影响。胶轮车在 静止状态制动下 与行 驶状态 制动 下后轮 制动器 人 口压 力动 态响应对比曲线如图 7所示。可以看出,与对前轮制动器 人 口压力影响规律非常相似,后轮制动压力响应开始初期, 两条曲线几乎重合 ,同样经过一个较小的波峰后 ,行驶工 况制动压力响应开始滞后,比静止工况制动压力响应大约 晚0 . 0 2 s ,待制动压力上升至最大设计值时,二者经过轻微 波动后又趋于一致。 1 3 6 l 3.8 1 4 . O l 4 2 1 44 1 4 . 6 1 4 . 8 l 5 0 时间/ s 图 7 不 同工况后轮 制动器 入 口压力动态响应 曲线 综合以上分析可知,胶轮车行驶工况对前、后轮制动 器入 口压力的动态响应存在一定影响,压力响应的开始阶 段与升压最后阶段,影响可以忽略不计 ,此时,行驶状态 与静止状态的制动压力响应曲线几乎重合。在压力升高的 中间过程中,影响最为显著,行驶状态的制动压力比静止 状态的制动压力响应要滞后。胶轮车开始制动初期 ,车速 基本没有变化 ,仍然接近匀速状态,因此,制动管路中的 液压油不受车辆惯性的影响,与静止工况非常接近,所以, 初期阶段,二者压力响应基本保持一致。随着制动压力 的 9 6 升高,制动力作用越来越大,车辆明显减速,此时,制动 管路 中的液压 油就 要受到 车辆惯 性 的影响 ,所 以 ,中间 阶 段 ,行驶工况 的制动 压力 响应要滞 后 于静止 工况 的制动 压 力响应。待制动压力升高至最大设计值时,车辆要么已经 制动停住,要么处于与地面滑动状态,无论是哪一种状态, 由于此时制动 阀芯 已经 处 于关 闭状 态 ,液压 管路 中的密 闭 液压油已不再变化 ,只是可能出现轻微波动现象,然后趋 于稳定,所以,最后阶段 ,二者压力响应也基本保持一致。 4 结论 1 踩下制动阀踏板,制动阀输出压力响应非常迅速 , 压力从零升高至最大设计值所用时间大约为 0 . 3 2 s ,远小于 气压制动系统和气顶液制动系统平均作用时间;制动压力 稳定 后,制 动 阀上 出 口压 力 比下 出 口压 力 大约 高 出 0 . 2 0 MP a ,满足了车辆刹车制动时前轴承受较大制动力 的 需求。 2 制动管路 的长度对制动压力响应存在一 定影响 ,前 制动管路短 ,制动 阀上 出 口压 力响 应就较 快 ,前轮制 动器 人口压力响应也较快 ,二者几乎同时响应 ,但在升压过程 中前轮制动器入 口压力响应要滞后于制动阀上 出口压力响 应。后制动管路长,制动阀下出口压力响应就较慢,尤其 是后 轮制 动器入 口压力响 应相对 于制 动阀下 出 口压 力响 应 大约滞后 0 . 0 5 s 。如果高压软管导致的压力滞后影响到车辆 的制动性能,那么就要考虑用钢管代替高压软管。 3 试验结果表明,胶轮车行驶_T况对制动压力的影响 主要体现在压力升高过程中,出现了压力滞后现象,但滞 后时间很短。在制动压力响应的初期阶段与最后阶段,行 驶工况对制动压力的影响非常小 ,可以忽略不计 。 4 全液压制动系统在胶轮车实际应用过程中,若设计 合理得当,不但能够满足防爆要求 ,而且制动安全、可靠, 制动性能优 良,能够很好得适用于胶轮车。 参考文献 程玉军.煤矿用防爆胶 轮车制 动系 统冲击 问题 分析 与研究 [ J ] .煤矿机械,2 0 1 2,3 3 5 4 0 4 1 . 林慕 义,张文 明.全 动力液 压制动 系统 的动态模拟 与实验 [ J ] .北京科技大学学报,2 0 0 7,2 9 1 7 O一7 5 . 林慕 义.工程车辆全动力液压制动系统 的研究 [ D] .北 京 北京科技大学 ,2 0 0 6 . 余志生.汽车理论 [ M] .北京机械工业出版社,2 0 0 3 . 郭彬.汽车使用性能与 检测技术 [ M] .西安 西安 电子 科技大学出版社 ,2 0 0 7 . MT / T 9 8 92 0 0 6,矿用防爆 柴油机无轨胶轮车通用技 术条件 [ S] . 程振东 ,田晋跃 ,刘刚.车辆全液压制动系统执行 机构建 模及仿真 [ J ] .系统仿真学报 ,2 0 0 6 ,1 8 3 7 7 8 7 9 3 . 王望予.汽车设计 [ M] .北京机械工业出版社, 2 0 0 4 . 责任编辑赵巧芝 B d ∈ 1 j 1 j 1J 1 J _ 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m
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