矿用梭车液压制动系统的设计.pdf

２０１６ 年 ４ 月 第 ４４ 卷 第 ８ 期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ａｐｒ􀆱 ２０１６ Ｖｏｌ􀆱 ４４ Ｎｏ􀆱 ８ ＤＯＩ１０．３９６９／ 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） ０８－０７２－３ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ Ｓｈｕｔｔｌｅ Ｃａｒ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｂｒａｋｅ Ｓｙｓｔｅｍ ＣＨＥＮ Ｑｉｎｇｈｅ （Ｔａｉｙｕａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ， Ｔａｉｙｕａｎ Ｓｈａｎｘｉ ０３０００６， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｄ ｍａｘｉｍｕｍ ｄｅｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｘｉｍｕｍ ｂｒａｋｉｎｇ ｔｏｒｑｕｅ ｗｈｅｎ ｍｉｎｉｎｇ ｓｈｕｔｔｌｅ ｃａｒ ｂｒａｋｉｎｇ， ａ ｓｅｔ ｏｆ ｍｉｎｉｎｇ ｓｈｕｔｔｌｅ ｃａｒ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｂｒａｋｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ． Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｂｒａｋｅ ｗｅｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ， ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｂｒａｋｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｅｌａｂｏｒａｔｅｄ， ｔｈｅ ｋｅｙ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｍａｔｃｈｅｄ． Ｐｒａｃｔｉｃｅ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｕｔｔｌｅ ｃａｒ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｂｒａｋｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｓｈｕｔｔｌｅ ｃａｒ； Ｂｒａｋｅｓ； Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ 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＝ ３ ｍ， 整车在额定载荷 ｖ０＝ ７ ｋｍ／ ｈ 状态下制动时， 最大减速度为 ａ ＝ ｖ２ ０ ２５􀆱 ９２（ｓ － ｖ０ｔ／３􀆱 ６） ＝ １􀆱 ５１ ｍ／ ｓ２ 式中 ｔ 为制动系统滞后时间， 取 ｔ＝０􀆱 ３ ｓ。 整车所需最大制动力矩为 ＭＢ＝δｍａｒ＝５􀆱 ３４１０４Ｎｍ 式中 ｍ 为 整 车 在 额 定 载 荷 时 的 总 质 量， ｍ ＝ ３８ ０００ ｋｇ。 ｒ 为驱动轮静力半径， ｒ＝０􀆱 ６２ ｍ。 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􀆱 ８８１０ ４ Ｎｍ 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 ２５ ｍＬ／ ｒ、 公称压力为 １８ ＭＰａ 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 ６ Ｌ／ 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＝ ｎΔＶ ｐ０ ｐ１ １／ ｒ － ｐ０ ｐ２ １／ ｒ ＝ １􀆱 ２７ Ｌ 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􀆱 ５ Ｌ 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］ 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