无轨运输车制动防抱死系统的设计.pdf

扫码移动阅读 第 ４１ 卷 第 ３ 期 ２０２０ 年 ６ 月 煤矿机电 Ｃｏｌｌｉｅｒｙ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ＆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏｌ.４１ Ｎｏ. ３ Ｊｕｎ. ２０２０ 杨建勇. 无轨运输车制动防抱死系统的设计[Ｊ]. 煤矿机电ꎬ２０２０ꎬ４１３２８￣３１. ｄｏｉ１０. １６５４５/ ｊ. ｃｎｋｉ. ｃｍｅｔ. ２０２０. ０３. ００８ 无轨运输车制动防抱死系统的设计 杨建勇 山西天地煤机装备有限公司ꎬ 山西 太原 ０３０００６ 摘 要 煤矿井下大巷中部分水泥路段存在浮煤和水的混合物ꎬ使行驶路面的摩擦因数降低ꎬ导 致在煤矿井下无轨运输车辆紧急制动时直接抱死轮胎ꎬ不但增加轮胎的损耗量ꎬ而且行驶方向不受 控制ꎬ严重时可能撞击大巷侧壁ꎬ威胁着车辆、货物和人员的安全ꎮ 为此ꎬ设计了一种解决煤矿井下 无轨运输车辆紧急制动时防止轮胎抱死的系统ꎬ从而降低了煤矿井下巷道发生交通事故的伤害程 度ꎬ为解决无轨运输车辆的紧急制动提供了一种方案ꎮ 通过现场验证试验ꎬ取得了较好的效果ꎮ 关键词 无轨运输车辆ꎻ 防抱死系统ꎻ 制动距离ꎻ 侧滑ꎻ 摩擦 中图分类号ＴＤ５２５ 文献标志码Ｂ 文章编号１００１ －０８７４２０２００３ －００２８ －０４ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ａｎｔｉｌｏｃｋ Ｂｒａｋｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｔｒａｃｋｌｅｓｓ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｖｅｈｉｃｌｅ ＹＡＮＧ Ｊｉａｎｙｏｎｇ Ｓｈａｎｘｉ Ｔｉａｎｄｉ Ｃｏａｌ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｃｏ. ꎬ Ｌｔｄ. ꎬ Ｔａｉｙｕａｎ ０３０００６ꎬ Ｃｈｉｎａ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｍｉｘｔｕｒｅ ｏｆ ｆｌｏａｔｉｎｇ ｃｏａｌ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｅｘｉｓｔｓ ｉｎ ｓｏｍｅ ｃｅｍｅｎｔ ｓｅｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｒｏａｄｗａｙｓꎬ ｗｈｉｃｈ ｒｅｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｒｏａｄ ｓｕｒｆａｃｅꎬ ａｎｄ ｍａｙ ｌｅａｄ ｔｏ ｔｈｅ ｔｙｒｅ ｌｏｃｋｉｎｇ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｗｈｅｎ ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ ｂｒａｋｉｎｇ ｏｆ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｔｒａｃｋｌｅｓｓ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｖｅｈｉｃｌｅｓ ｉｎ ｃｏａｌ ｍｉｎｅｓꎬ ｗｈｉｃｈ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｔｉｒｅ ｗｅａｒ ａｎｄ ｔｅａｒꎬ ｂｕｔ ａｌｓｏ ｈａｓ ｕｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｄｒｉｖｉｎｇ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ. Ｉｎ ｓｅｒｉｏｕｓ ｃａｓｅｓꎬ ｉｔ ｍａｙ ｈｉｔ ｔｈｅ ｓｉｄｅ ｗａｌｌ ｏｆ ｒｏａｄｗａｙꎬ ｔｈｒｅａｔｅｎｉｎｇ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｖｅｈｉｃｌｅｓꎬ ｃｏｍｍｏｄｉｔｉｅｓ ａｎｄ ｐｅｒｓｏｎｎｅｌ. Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ｔｉｒｅ ｌｏｃｋ ｗｈｅｎ ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ ｂｒａｋｉｎｇ ｏｆ ｔｒａｃｋｌｅｓｓ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｖｅｈｉｃｌｅｓ ｉｎ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｒｏｐｏｓｅｄꎬ ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｉｎｊｕｒｙ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｔｒａｆｆｉｃ ａｃｃｉｄｅｎｔｓ ｉｎ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｒｏａｄｗａｙｓꎬ ａｎｄ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｆｏｒ ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ ｂｒａｋｉｎｇ ｏｆ ｔｒａｃｋｌｅｓｓ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｖｅｈｉｃｌｅｓꎬ ｇｏｏｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｆｉｅｌｄ ｔｅｓｔ. Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｔｒａｃｋｌｅｓｓ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｖｅｈｉｃｌｅｓꎻ ａｎｔｉｌｏｃｋ ｂｒａｋｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍꎻ ｂｒａｋｉｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅꎻ ｓｉｄｅ ｓｌｉｐꎻ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ０ 引言 神华集团神东煤炭分公司是我国最早使用无轨 运输车辆进行煤矿井下辅助材料运输的单位ꎮ 由于 车辆没有轨道的束缚ꎬ可在各个巷道间行驶ꎬ在大巷 中水泥路面下的速度有时可能达到 ３５ ｋｍ/ ｈ 左右ꎮ 在煤矿井下大巷中ꎬ部分路段为了降尘会喷洒水ꎬ在 水和煤灰的共同作用下ꎬ路面的摩擦因数大大降低ꎮ 由于煤矿井下巷道壁挂有水管、电缆等ꎬ未装有防抱 死系统的无轨运输车辆在紧急制动时轮胎直接抱 死ꎬ在干水泥路面行驶时会造成车辆轮胎磨损ꎬ降低 轮胎寿命ꎬ煤矿客户需要缩短轮胎更换时间ꎬ造成资 源浪费ꎮ 在有煤水混合物水泥路段制动时ꎬ其车辆 可能发生侧滑ꎬ撞击巷道侧壁ꎬ造成设备、管路和人 员的损伤ꎬ存在较大的安全隐患ꎮ 因此ꎬ探索解决无 轨运输车辆的紧急制动系统非常必要ꎮ １ 制动防抱死系统的原理 制动防抱死系统就是在车辆制动时ꎬ自动控制 制动器的制动力ꎬ使车轮不被抱死ꎬ处于边滚边滑 滑移率在 ２０％左右的状态ꎬ以保证车轮与地面的 附着力在最大值[１]ꎮ 制动防抱死系统原理发生紧急制动时ꎬ驾驶人 员急速塌下制动踏板ꎬ车辆制动蹄紧紧压住制动盘ꎬ 当车轮即将到达锁死点时ꎬ车辆泵内部的电磁阀就 会启动ꎬ将制动油缸里面的刹车油泄压ꎬ传感器立即 给电子控制装置发出降低油压的电脉冲信号ꎬ电池 阀将启动关闭制动总泵与制动分泵的油路通道ꎬ使 制动分泵油压降低ꎬ制动力减小ꎬ即将抱死的车轮转 速增加ꎮ 由于电子控制装置将收到传感器传来的车 轮转动信号ꎬ立即发出增加制动力的指令ꎬ电池阀关 闭ꎬ制动总泵和制动分泵的通道连通ꎬ制动压力上 升ꎬ使车轮制动ꎮ 如此反复出现多次ꎬ相当于车轮不 停地刹车、放松ꎮ 当车辆制动时ꎬ在滚动状态下车辆的制动力 Ｆａ＝４Ｆｂꎬ车辆轮胎抱死时车辆的制动力 Ｆａ＝ μｍｇꎮ 而在紧急制动时ꎬ无防抱死系统的车辆制动力如图 １ 所示ꎮ 图 １ 无防抱死系统的车辆制动力 防抱死系统的功能就是要车辆轮胎处于滚动到 抱死状态的临界点ꎬ车辆具有最大的制动力ꎬ避免发 生交通事故ꎬ同时还能减少刹车消耗ꎬ延长刹车轮 鼓、碟片和轮胎的使用寿命ꎮ 有防抱死系统的车辆 制动力如图 ２ 所示ꎮ 图 ２ 有防抱死系统的车辆制动力 ２ 防爆车辆的制动 ２. １ 一般制动步骤 防爆车辆一般的制动步骤为 １ 开始时移开油门踏板ꎬ减少发动机的供油 量ꎬ同时踩下制动踏板ꎬ车辆的驱动力及车速均 降低ꎮ ２ 车速需继续降低ꎬ踩下离合器踏板ꎬ彻底分 离驱动力ꎬ同时制动踏板运行到最低ꎬ制动器抱死ꎬ 车速急剧下降ꎮ ３ 特殊情况时ꎬ驾驶员会同时将制动器和离合 器踏板以最快的速度运行到最低位置ꎬ将车速尽快 地降低ꎬ从而避免交通事故的发生ꎬ此时的受力见 图 ３ꎮ 图 ３ 特殊情况下制动器和离合器同时动作的受力 Ｆｂ－ Ｔ ＝ １ ４ ｍａ１ Ｆｚ＝ Ｇ２ Ｆｂｒ ＝ Ｍｎ３ Ｍｎ＝ １ ４ ｍｒω２４ 式中Ｆｂ为单个车轮的制动力ꎻＴ 为车辆发动机给 单个车轮的驱动力ꎻＭｎ为车轮制动力矩ꎻω 为车轮 转动角速度ꎻｒ 为车轮的静力半径ꎻＧ 为车轮承受车 辆的垂直载荷ꎻＦｚ为地面对车轮的反作用力ꎮ ２. ２ 紧急制动分析 车辆在紧急制动时ꎬ车轮急速抱死ꎬ车轮在地面 上留下紧急制动划痕ꎬ车辆速度也急速降低ꎮ 紧急 制动时的车辆速度曲线见图 ４ꎮ 图 ４ 紧急制动时的车辆速度 由图 ４ 可知ꎬ车辆在 Ｆａ作用下ꎬ时间从 ｔａ到 ｔｂ 处于临界状态时ꎬ摩擦力发生较大的变化ꎬ车辆的速 度下降较为明显ꎬ车轮处于边滚边滑的状态ꎮ 此时 车辆受到的制动力处于非常理想的状态ꎬ轮胎的行 驶方向处于可控中[２]ꎮ ３ 无轨运输车辆防抱死系统设计 ３. １ 一般性制动系统 一般防爆车辆紧急制动时的系统见图 ５ꎮ 防爆 􀅱９２􀅱２０２０ 年第 ３ 期杨建勇无轨运输车制动防抱死系统的设计 车辆属于煤矿机械设备ꎬ日常的维护保养基本满足 设备不发生损坏ꎬ车辆悬架、弹簧、轮胎等得不到有 效维护ꎬ有时会出现车辆制动时发生制动力不平衡 的情况ꎮ 当车辆轮胎处于抱死状态下ꎬ防爆车辆的 轮胎与地面剧烈摩擦ꎬ转向系统不受驾驶人员的控 制ꎬ同时车轮制动力不一致时极易导致车辆侧滑ꎮ 轻者对车辆的轮胎造成磨损ꎬ影响轮胎的使用寿命ꎻ 重者可能导致车辆撞击煤壁ꎬ引发安全事故ꎮ 因此ꎬ 防爆车辆需要一种适应于煤矿井下的防抱死制动 系统ꎮ １ － 压力表ꎻ ２ － 蓄能器ꎻ ３ － 行车制动阀ꎻ ４ － 前轮行车制动器ꎻ ５ － 后轮行车制动器ꎮ 图 ５ 一般性制动系统图 ３. ２ 紧急制动系统设计 车辆紧急制动时ꎬ驾驶人员踩下行车制动阀ꎬ蓄 能器内部液压快速充斥到制动器的制动油缸内ꎬ车 辆快速制动ꎬ可能造成轮胎抱死ꎮ 前轮抱死时ꎬ车辆 行驶方向不受驾驶人员控制ꎻ后轮抱死时ꎬ出现侧滑 现象ꎬ造成事故ꎮ 从煤矿辅助运输安全角度出发ꎬ为 避免发生这些煤矿井下的交通事故ꎬ需要开发煤矿 井下防爆车辆使用的防抱死系统ꎬ如图 ６ 所示ꎮ １ － 压力表ꎻ ２ － 蓄能器ꎻ ３ － 行车制动阀ꎻ ４ － 电控单元ꎻ ５ － 前轮行车制动器ꎻ ６ － 后轮行车制动器ꎻ ７ － 传感器ꎮ 图 ６ 紧急制动系统图 当车辆正常行驶时ꎬ驾驶人员需要时ꎬ制动车轮 能够使车辆安全稳定地运行ꎬ此时防爆制动系统的 传感器收集信息给电控单元ꎬ电控单元不参与制动 控制系统的运行ꎮ 当车辆紧急制动时ꎬ驾驶人员快 速踩下行车制动阀ꎬ蓄能器液压快速充到车轮制动 器中ꎬ车轮制动ꎮ 系统传感器接收到车轮抱死信息ꎬ 传递到电控单元ꎬ电控单元对该信息进行分析ꎬ降低 制动油缸的油压ꎬ制动器油压降低ꎬ车轮开始滚动ꎬ 在此过程中会有部分时间车轮处于边滑边滚的状 态ꎬ车轮的摩擦因数处于最大范围ꎬ制动状态始终处 于最佳点滑移率 Ｓ 为 ２０％左右ꎬ制动效果达到最 好ꎬ行车最安全ꎮ 车辆速度曲线如图 ７ 所示ꎮ 图 ７ 车辆速度 防抱死系统通过使趋于抱死车轮的制动压力循 环往复地经历保持减小增大的过程ꎬ而将趋于 抱死车轮的滑动率控制在峰值附着系数滑动率的附 近范围内ꎮ 在该系统中对应于每一个制动轮油缸各 有一对进液阀和出液阀ꎬ由电控单元分别进行控制ꎮ 因此ꎬ各制动轮缸的制动压力能够被独立地调节ꎬ使 ４ 个车轮均不发生制动抱死ꎮ 由于各制动器获取最 佳的制动力矩ꎬ使车速降低ꎬ制动距离缩短[３]ꎮ ４ 试验验证情况 制动能力是防爆车辆的重要指标之一ꎮ 国家煤 炭防爆胶轮车标准矿用防爆柴油机无轨胶轮车通 用技术条件中第四章、第 ４. ３. ７. ６ 条明确规定在 水平干硬路面上ꎬ无轨胶轮车以额定载荷、初速度为 ２０ ｋｍ/ ｈ 时的制动距离应不大于８ ｍꎬ如果无轨胶轮 车的最大运行速度小于 ２０ ｋｍ/ ｈꎬ则最大运行速度 为初速度的制动距离应不大于 ８ ｍ[４]ꎮ 为验证该系 统是否有效ꎬ需要进行制动试验ꎮ 试验用无轨运输运人车主要参数见表 １ꎮ 表 １ 无轨运输运人车主要参数 参数类型参数值 整备质量/ ｋｇ４ ６２０ 额定承载人数/ 人２０ 最高速度/ ｋｍ􀅱ｈ －１ ２３ ２ 驱动型式４ ２ 后双轮驱动 转向型式液压助力式偏转前轮转向 􀅱０３􀅱煤矿机电２０２０ 年第 ４１ 卷 车辆分别在加装防抱死系统和没有加装防抱死 系统下ꎬ在试验场地进行了反复的制动试验ꎬ并进行 了制动距离和侧滑距离的测量ꎮ 侧滑距离是车辆因 轮胎定位不合适或装配精度不够制动ꎬ在车辆制动 时产生横向运动距离ꎮ 侧滑在摩擦因数较高的地面 发生时偏移量较小ꎮ 当在煤矿井下紧急制动时ꎬ地 面附着有煤粉ꎬ部分地区存在水ꎬ这就将地面的摩擦 因数大大降低ꎬ紧急制动时防爆车辆发生侧滑ꎬ侧滑 较大时撞击巷道煤壁ꎬ严重时可能造成车毁人亡的 交通事故ꎮ 为了更好地反应煤矿井下的实际工作路面ꎬ将 摩擦因数为 ０. ６ 的干硬水泥路面进行改造ꎬ分别灌 注自来水和抛洒煤粉ꎮ 采用红外线速度仪测量防爆 车辆行驶时的制动初速度ꎮ 紧急制动时轮胎在地面 留下制动划痕见图 ８ꎬ分别根据制动划痕的斜线画 定相应直角三角形ꎬ测量两个直角边ꎬ记录相应制动 距离和侧滑量ꎮ 如图 ９ꎮ 图 ８ 试验场地和车辆 图 ９ 现场测量数据 按照现场测量的数据进行对比ꎬ制成图 １０ꎮ 其 中制动距离 １ 和侧滑量 １ 为未装配防抱死系统的防 爆车辆的测量数据ꎬ制动距离 ２ 和侧滑量 ２ 为装配 有防抱死系统的防爆车辆的测量数据ꎮ 从图 １０ 中 对比数据来看ꎬ装有防抱死系统的防爆车辆的制动 距离要降低 １０％左右ꎬ同时侧滑量在装有防抱死系 统情况下降低了 ４％ꎬ这在一定程度上降低了发生 紧急制动时造成伤害的程度ꎬ达到了预期的效果ꎮ 图 １０ 现场测量数据对比 ５ 结论 井下煤矿防爆车辆使用防抱死制动系统能够充 分发挥制动器最佳的效能ꎬ缩短制动时间和距离ꎬ防 止井下交通事故的发生ꎻ同时ꎬ该系统可最大程度地 避免轮胎与地面的摩擦ꎬ尽量减少轮胎的磨损ꎬ缩短 客户更换轮胎的周期ꎬ起到节省客户资金的作用ꎮ 参考文献 [１] 周志立. 汽车原理与机构[Ｍ]. 北京机械工业出版社ꎬ２００５. [２] 中华人民共和国国家机械工业局. ＱＣ/ Ｔ ５２４１９９９ꎬ汽车发动 机性能试验方法[Ｓ]. 北京中国标准出版社ꎬ１９９９. [３] 汽车工程手册编委会. 汽车工程手册设计篇[Ｍ]. 北京人民 交通出版社ꎬ２００４. [４] 中华人民共和国国家发展和改革委员会发布. ＭＴ ９８９２００６ 矿用防爆柴油机无轨胶轮车通用技术条件[Ｓ]. 北京煤炭工 业出版社ꎬ２００６. 作者简介杨建勇１９８３ꎬ男ꎬ助理研究员ꎮ ２００７ 年毕业于吉林 大学ꎬ现在从事防爆发动机设计与研究工作ꎮ 已发表论文 ５ 篇ꎮ 收稿日期２０１９ －０５ －２９ꎻ责任编辑贺琪 􀅱１３􀅱２０２０ 年第 ３ 期杨建勇无轨运输车制动防抱死系统的设计