矿用车辆的新式制动装置.pdf

一 矿 用 车 辆 的 新 式 制 动 装 置一 南非 南非 煤 、金 和贱 杂 志编辑部 季 桫 缘 摘要 由于传统的干式摩擦制动存在着污染环境、 危害安垒、 材料磨损快等映点， 2 0 多年来矿山工作者尝试各种改进办法 ，但仍不尽』 、 意。现在 。澳大利亚吉期 G e [ o n g 公司的F ．帕森斯 P a m o m在这方面取得了新的突破．震憾了汽车工程界 。 本文对他研 必须增加 保健费用和防止环境进 一步恶 化 ，这种 日益强化 的世界意识 已使减 少广为 应用 的干 式摩擦制 动成 为注意的中心 鉴于 我们所呼 吸的大气是 敞着的 ，干 式制 动正是 依靠这种 空气来 散热和 排放大量被研 磨得很 微小 的制动摩擦衬 料。 然而 ，这 不是 一种 单一的情 况 制动所 需的 空气 并非 总是 原始 的质量状 况 实际上 ， 在非公路 上应 用期间 ，这种 敞开 的干 式摩擦 制动装置仅 工作短 短数 小时 ，这 对 已污染 的 大气 而言 ，可认 为是没有 影响的。 粉尘 、泥 浆和 已高度矿 化的腐蚀性 水的 浸泡 ，只是与大量 必需的 冷空气 一起 到达干 式摩擦制 动装 置的少数几 种外部物质 。 1 干式摩擦制动装置的问题 1 危害健康 车辆减速 时严 重磨耗 的摩 擦材料是一种 明显污染大气 的物 质。 2 危害安全 外部物质 与冷 空气 一起进 入 ，导致制动装置 不可预计 的破坏 。 3 摩擦材料消耗快摩擦材料消耗快， 增加 了制动装置 的维修频度 。 干式摩擦制动装置 的最 直接 的问题 ，是 其在非公路条件下 的应用 中 ．部分或全部破 坏形 式的不可预计性 和显著 程度 。虽 然司机 严格尽职尽责，但这仍使干式摩擦制动不能 与同一地 区使用其 它制动相 比。由摩 擦制 动 产生的污染问题 ，将使这类 制动方式在今 后 不能为都市化地 区所接 受 。 国 外金属 矿山 2答 案是 密 封制 动 大约在 2 O年前 ， 由于市场车辆的 目益普 及 和采 矿业 的发 展 ，摩擦制动带来的这些 问 题 已受 到人 们的关 注。矿山工作者 已尝试各 种合理 的改进办法 ， 诸如采用不锈钢 活塞 、 只 采用盘制 动装置 和使用特 殊的摩擦材料 ．虽 然使用 寿命 有所 提高 ，但收效甚微 。这种对 人 仍然 易造 成伤 害或死亡 的意外制动事故 的 阴影导 致一个结 论 矿用车辆制动装置必须 加 以密封 然而 ，立 即会 意识 到 ．封 闭制动 装 置虽 然会 缓解 环境 污染 问题 ，但却 出现 了 难 以解决 的冷却 问题 。 3 多片式密封制动装置 简单地遮蔽制 动装置以隔离周围环境是 不切实 际的 ．因为散热情 况将会极差 。解决 这一 问题 的途径 是用一种热交换介质充入遮 盖箱 内，而 且 ，在这 种情 况下 ，最适宜的介 质是一种液 体。发现 有一种低 粘度的油很适 合 ，实 际上 它具 有抑 制金属部 件腐蚀和锈蚀 的优点 。但是 ，油是 一种 润滑剂 ，且不同于 空气 ，实际上是 不可压缩 的 ，这是它的一个 主要缺 点。在有 油存 在的情况下 。固体对 固 体的摩攘接 触扭矩 是极低的 。现时机动车辆 设 计师 们采取增 加制动盘和摩 擦面的简单办 法 ，以补偿油的不利影响和达到制动所需 的 扭 矩 。 这 种装 置便是当今用在价格很高 的土 方 8 5 维普资讯 工程设 备上的所谓 多片湿式盘式 制动装置 。 后来对这种 多片制动装置所遇到 的过热 问题和明显的粘稠打滑 问题做 出了极大的努 力加以改进 。这种过热和粘稠打滑问题虽未 完 全解决 ， 但在 8 0 年 代末 ，出现了大 量有实 用价值 的专利 可用以进行使这些影响尽可 能 小 的 设计 。 4 澳 大 利亚 的 突破 虽 然多片式 制动装置 是一可行 的解决办 法 ，但它的 费用 高和要求安装 空间大 ，阻碍 了它的广泛应用 。 存在这 些问题是很明显的， 而 其解决途 径也是很 明显 的。 要 普及 密封 制动方式 ，就必须具备 与广 为应 用的干式摩擦 制动装 置相似 的形状 和尺 寸 。这就意 味着 现有的车 辆能进行改装 ，而 对 未来 的车辆在设 计上无 需作重 大的 修改 ， 便能配用这种密封翩 动装置 。 维多利亚州吉朗公司 的 F帕森斯 P a r s o n s 的工作 正是按这种方式进行 的 ， 结果取 得了非凡的突破 ，震憾汽车工程界 。他 已确 定 ，在制动联结 件中引入油液不是必然地 要 产生 降低 扭矩 输出的结果 。 他 的研究表 明， 以 油介 质取代 空气 的结 果，不是必然会从 固体 对 固体的摩擦变 为固体 对液体或 粘稠物 的剪 切 摩 擦 。 应用最简单的形象化模 型观察摩擦接触 中最 可能发生的现象 ，帕森斯能从理论上指 出．为什么以油取代空气作冷却介质，会使 摩擦 联结件中摩擦扭矩有明显下降。 鉴于与其它理论模型相符 ，他断定 ；干 式摩擦 制动是摩 擦联结件配合表面的粗糙形 状 表 面结 构紧密配合的 结果。 一 旦摩擦材 料在 峰与各 的配合 中靠得很 紧 ，就 足以看到 峰的犁沟 和剪切现象产生的 相 互间 的摩擦 ， 这 种模型在 理论上便 告成立 。 既是一种加 压，则在联结件的滑 动面之 间也产 生 自生的点 联结 。 这两种 主要 作用 ，便产生了一个 面在另 一 个面上 的摩擦 扭矩 ，并 磨蚀 掉所谓 的摩擦 86 衬 片 ，同时生成热 。 观察到 的这些作 用 ，与根 据为直观模 型 提供正统干式摩擦 制动预 计情 况所 建立 的模 型 一 致 。 引用这种理论直观模型 ，帕森斯进 一步 断定 ，在 干式摩擦中 ，谷 中充满可 压缩 的空 气 ，可使 配合面靠得很紧 而 当谷 内充 以不 可压缩 的油 时，则 阻碍这种靠紧 ，且犁切和 点联结现象也 不会 发生 。 因此 ， 象多片制动的这 种油浸制动方式 ， 便很少用于高性能 的固体对 固体 的摩擦接 触 场合 ，而 更多的是用于低性能的 固体对液体 对固体 的接 触场合 。 这再 一次证 明 ，干式摩擦产生的单位 面 积摩擦扭矩 比油 浸摩擦接 触产生的单位面积 摩擦扭矩高 4 倍这 一事实 。 根据 帕森斯 的研 究 ，事实上 油液的不可 压缩性 质 只是扭矩下 降的部分 原因 ，在 此事 实中还潜藏着一些更重要 的提示 ，即有 效的 制动以明显的速 率生成热 。 为了提供衡量这种热的方法，机动车辆 制动装置 产生的热 约为中等车 用发动机 功率 的 4 ～5倍 ， 在摩擦撮强烈 的情况下 ， 这种摩 擦热存在于摩擦联结件的接触 表面上 和接触 表面里面 。 在帕森斯看来 ，不可 回避 的结论是在粗 糙面中 ，这种不可压缩的油液 因摩擦热 而迅 速扩散和因而流出 ，同时强烈地阻碍滑 动摩 擦面的靠紧 ，随之而来的是油液更热 ，粘度 下降，同时甚至粘性剪切也降至撮低点。早 期试 验研 究工作观 察到的这 些事实 ，再一次 表明油浸 制动 与理 论模 型相 符 。 5 革命性的固体转子油浸制动 虽然这种制动方式 的情景在性 质上是明 显可见的 ，但油液在制动 联结件上 产生的问 题却 给帕森 斯和 他的小组提 供 了一个 线索 ， 使之能围绕 该问题 设计 一种 制动方式 。 首先 ，他们将 当今大多数机 动车 辆上所 用的那种 普通 盘式 制动装置封 闭起来 ，使其 1 9 9 3 年第 4期 维普资讯 柱塞 与外 罩结 成整体 ，除去其卡钳结构 然后 ，修改其多少不一的传统垫 片，使 其形状类似 于前缘 之底成锐角的一斜平行 四 边 形 这使 转子 上的油液 由于冲击能的作用而 从垫 片的前缘 产生后移 ，这样 ，垫 片便成为 定子 。 产生刮掉或 抹掉 转子 上油液 的作用 在 这些 垫 片上按 转子上油滴的离心方向也被开 出深槽 。 这些槽 的位置可确保散热 ，也能 将油液 收集 起来 ，并 受惯性 的激发 ，按 数学 期望值 沿槽 流动 。在效果 上 ，这 些修改对另 一种标 准制动而 言 ，尽管 是在油浸之中 ，但 却可使 垫 片与转子之 间呈干式摩擦接触 。 现 在 命 名 为 S R O I B s o l i d r o t o r o i l i m me r s e d b r a k e 固体 转子 油浸制 动的简 称 的这种新 的制 动装置在 T O YO T A 丰 田 L a n d C r u i s e r 汽车的不利 条件下 已成功地进行 了试 验 ，其运转情况 比预计的还要好得多 ，减速 可 达 8 m／ s 。 6 超 越 传统 制 动方 式的 S R O I B 这种新的油浸制动装置 已展示若干优越 的运转特性 。 首先 ， S RO I B达到了美国标 准局 的制动标准 ．因为油浸的 S R O I B摩擦不 同于 完全干式摩擦 ， 若车轮 正在 旋转 或在 打滑 ， 它 会提供相 同的扭矩 ，车轮就将以如同改 善了 路面摩擦那样迅速地开始 自主旋转 。 在这种状况下 ，当车轮停止转动时 ，干 式摩擦将更牢 固地锁住车轮 。此外 ．干式摩 擦 制动在频频施 用条件 下 ， 每 1 0 0 0 0 k m将磨 耗 约 3 ram的摩擦衬垫 。另一方面 ， S R O I B每 l 0 0 0 0 k m仅 磨耗该值的 l ／ 1 0 ，即 0 ． 3 ram。 另 一 优点 是 S RO I B在 连 续 下坡 制动 中 更显得优越 。在这种情况下 ，它有如减速器 国 外金属矿 山 那 样 可恒久 应 用而 不 会 过热 最 高 温度 仅 1 0 0 ℃ 。在 同样情 况下 ，传统 的干式摩擦制 动装置会有完全损坏 的可能 ．而且系统中的 温度可能上 升到 3 0 0 ～d 0 0 C 在这种高温条件 下 ，摩擦 衬垫的损耗将 会 是 极 其 严 重 的 。 7 S RO I B制 动 方式 的前景 采矿工业每辆车每年花费在制动装置维 修 上 的费 用高达 1 0 0 0 0澳元 ，因此 ，极 需 S R O I B这 种产品 。 市场调 查表 明， 这种产 品的 市场 ，仅以一半考虑 ， 全世界 即达 l 0亿澳元 之巨。这 可说明这 种产品初期的产量和投放 量 。 就世 界上 为禁止矿 山使用干式摩擦制动 装置正在 建立 法规 和法律 的 d个最大矿业国 而言 ，正 如前述 ，已引起注意的 S R O I B制动 装置在市 场上 将是 无可匹敌 的 。 在采矿工业中，普通车辆迫切需求这种 制动装置 ，在服务 期内，其经济 效益是节 省 的费用 3倍于其购 买价 格。 S R O I B制 动 装 置 的 前 景似 是 无 可估 量 的，因为 用它可解决都 市车辆制 动引起的粉 尘污染问题 ，因而将发现首 先会 得到 绿 邑党 人和政府管理 人员 的支持 。然而 ，真正 的胜 利者 如果 他们及时投资于 S R O I B 可以肯定 是澳大利亚的机动 车辆部件制造 商。 这 便是 S R O I B制动 装 置 已获得 专 利 权 的原因，并将关税要求撇在一边而对准竞争 场所 。 译 自南 非 s A Mi n i n g ， C o a l ＆ Go l d ， B a s e M i n e r a l s ， 1 9 92， I F 2_7， 24 ～ 25 李 公照译 王维 德拉 收稿 日期l 9 9 2年 1 2月 2 ,1日 8 7 维普资讯