胶轮车制动系统冲击问题分析与研究

煤矿用防爆胶轮车制动系统冲击问题分析与研究
【摘要】全液压制动系统与湿式制动器在煤矿井下防爆胶轮车的使用已经越来越广泛，二者匹配的优劣对整车的制动安全性、操作舒适性都有着重要的影响。

针对某型号防爆胶轮车在矿区使用情况来看，该车在制动时，点刹过于灵敏，制动冲击较大，影响操作的舒适性，同时导致传动轴、液力变矩器、变速箱和驱动桥等传动元部件频繁损坏。

分析出现问题的原因，对全液压制动阀与湿式制动器的匹配进行了优化设计，并进行了制动性能试验,试验结果与分析计算结果相符，从而成功地解决了这一问题。

关键词：防爆胶轮车；全液压制动系统；湿式制动器；冲击
The analyse and research of the explosion-proof rubber tire vehicle brake system
impact problems coal mine
（RenZhiyong）
（Taiyuan Branch , China Coal Research Institute ,Taiyuan 030006）
[Abstract]:Hydraulic brake system and wet brakeincreasingly widespreadin the coal mine explosion-proof rubber tire vehicle, both the pros and cons of the matched has an important influenceto the braking safety and operator comfort. Against the service condition of a series of explosion-proof rubber tire vehicle in the coal mine , when braking, brake too sensitive and greater impact, which affect the operation amenity, which lead to drive shaft, Torque-converter, transmission ,drive axle and transmission components frequently damage.To successfully solve the problem we analyse of the reasons for problems，optimum designed the match of hydraulic brake valve and wet brakes，and proceed the service test of brake., which shows that the test results consistent with the analytical results.
Key words:explosion-proof rubber tire vehicle；fully hydraulic brake system; wet brake；impact
1.引言
全液压制动系统和湿式制动器在煤矿井下防爆胶轮车由于其满足煤矿防爆要求，并且具有可靠性高、免维护等优点，已经成为目前煤矿井下无轨辅助运输中防爆胶轮车的一个重要组成部分，已经得到了普遍使用，这一配置将逐渐成为井下防爆胶轮车的标准配置。

某WC8E系列井下防爆胶轮车全液压制动工作原理图如图1所示。

1.液压泵
2.溢流阀
3.前桥行车制动器
4.制动阀
5.主油路块
6.蓄能器
7.充液阀
8.气控制动阀
9.前桥驻车制动器10.后桥制动器
11.手压泵
图1 全液压制动工作原理图
1.hydraulic pump
2.overflow valve
3.front axle service brake
4.brake valve 5 the working connection block
6.accumulator
7.prefill valve
8.pneumatic control brake valve
9.Front axleparking brake10.rear axlebrake11.handpump
Figure1 The operating principle chart of fully hydraulic brake
该制动系统采用双回路控制型式，即前、后制动分两路独立控制。

若其中任何一路的元件出现故障失灵时，另一路回路仍可正常工作保证整车制动，使整车制动更加安全可靠。

但是从煤矿具体的使用情况看，WC8E 系列井下防爆胶轮车在制动过程中，存在制动加速度过大，制动冲击偏大，制动过于灵敏，进而影响了操作舒适性，导致传动轴、液力变矩器、变速箱和驱动桥等传动元部件承受巨大的冲击力，可靠性降低。

具体分析实际使用情况，导致上述的主要原因是由该防爆胶轮车在制动过程中全液压制动系统制动阀的压力上升与湿式制动器产生的制动力矩上升不相匹配引起的。

该WC8E 系列井下防爆胶轮车全液压制动系统中应用得某制动阀的特性曲线如图2所示。

图2制动阀特性曲线
Figure2 The characterisyic curve of brake valve
由图2可知，踏板在[0° 5.8°]为自由行程，而制动时基本上均在10°左右，此时的制动阀压力为
2.76MPa ，基本上也是执行制动时的制动压力。

也就是说，要想使该车制动过程中制动平稳，避免产生冲击，改善舒适性，则需满足全液压系统中制动阀制动压力达到2.76MPa 以前，湿式制动器提供的制动力矩不能大于或太接近该防爆胶轮车在制动过程中所需要的制动力矩。

2行车需要的制动力矩确定
在水平路面上四轮制动的轻型无轨胶轮车，其行车制动总制动力矩1B M :
11B k M G a r δ=⋅⋅⋅ （1）
2124()1n
k m m m k J J i r G
δ=+⋅=+⋅∑ （2） 20101025.92()3.6V a V t S =⋅- （3）
按照坡度上驻车计算总制动力矩使用行车制动时总制动力矩
1sin P k M G g r α=⋅⋅⋅ （4）
按附着力校核总制动力矩水平路面行车制动
B k M G g r μδμ=⋅⋅⋅⋅
（5） 根据上述计算，所需行车制动总制动力矩
{}'11max ,;B B P M M M = （6） 综合考虑以上计算结果，则行车需要制动总力矩
{}'min ,;B B B M M M μ= （7）
上述式中：G ：整机质量，kg ；1a ：制动减（加）速度，m/s 2
；k r ：车轮滚动半径，m ；δ：回转质量换算系数；k J ：轮胎和轮辋的转动惯量，kg.m 2；m J ：第m 个转动件转动惯量，kg.m 2
；m i ：第m 个转动件到车轮的传动比；若k J 、m J 尚未知，可近似取 1.1δ=。

0V ：制动初速度，km/h ；0S ：制动距离，m ；1t ：制动系统滞后时间，s ，对全液压制动系统，取10.2s t =；g ：重力加速度，m/s 2；W ：整机额定载重量，kg ；μ：轮胎与路面的滑动摩擦系数； α：空载能够在坡道停住的最大坡度角；
3.制动器提供的制动力矩确定
图3湿式制动器结构图
1.动壳
2.浮动密封
3.压盘
4.动静摩擦片
5.静壳
6.活塞
7.碟簧组件
Figure3 The structure chart of wet brake
1.Moving shell
2. Floating seal
3.presser-plate
4. Dynamic-Static Friction
5. Static Shell
6. Piston
7. Spring plate set
四轮制动器所产生的制动力矩应大于或等于整车制动所需要的力矩，即：
4(1)z j d d e d f c M F n n r i i M μ=⋅+-⋅⋅⋅⋅≥ （8）
d d a F P A F =⨯- （9）
()2221d A R R π=⨯- （10）
2112(1)6(1)2e R R R r γγ-+=++ （11） 1
2R R γ= （12）
式中：d P ：作用在摩擦衬块上的压力，MPa ；d A ：摩擦片有效摩擦面积，m ；1R 摩擦片工作内径，m ，2R ：摩擦片工作外径，m ；a F ：作用在摩擦面上的回程弹簧的弹力，一般取a F nkx =，N ；k ：弹簧刚度，N/mm ；x ：弹簧的工作行程，mm ；n ：压缩弹簧项目；e r ：摩擦片当量摩擦半径，m ；γ：摩擦片的内径与外径比；j n ：每个湿式制动器中静摩擦片片数；d n ：每个制动器中动摩擦片片数，通常1j d n n =+；d μ：动摩擦片与静摩擦片间摩擦副的摩擦系数；d i ：驱动桥主减速器传动比；f i ：驱动桥轮边减速器传动比；F :作用在摩擦面上的压紧力，N ；
综合以上公式计算，代入WC8E 煤矿用防爆胶轮车相关参数，计算出该车行车需要的制动力矩为40686.03N ·m ；若按照制动踏板转动角度为10°时，整车所产生的制动力矩40848N ·m ，制动安全系数a S 按下式计算：
40848140686.03
z a B M S M === 上述计算结果表明：制动踏板转动角度为10°时，即制动油压达到2.76MPa 时，所产生的制动力矩几乎已经可以将整车完全制动，整车速度降低非常明显，制动系统冲击非常明显，司机操作舒适性较差。

分析可知这是由制动力矩的变化率与制动阀压力的变化率不相匹配引起的，有必要对此匹配进行优化。

优化时因制动阀通常为通用元件，很难因为某一种机型而改变它的特性曲线，所以，在不改动制动阀特性及尽量少改动制动器的条件下，采用第二种方法，即优化制动器动摩擦盘的有效面积。

对主、从动摩擦片的数量及有效面积进行优化后，通过校核计算，改进设计后系统压力为2.76MPa 时，z M =35787N ·m ，安全系数为0.8796a S =，制动冲击明显减弱。

重新调整摩擦面积和制动系统压力而改善制动冲击后，还要根据MT/T989-2006中华人民共和国煤炭行业标准《矿用防爆柴油机无轨胶轮车通用技术条件要求》，验算新的制动力矩是否能够满足安全的制动性能要求。

当系统压力达到69bar 时，计算出z M =96324，验算在此制动压力下行驶速度为20km/h 时的制动加速度制动距离，计算公式如下：
z
k M a G r δμ=⋅⋅⋅
（13） 200125.92/3.6
V S a V t =+⋅ （14）
式中：z M ：制动器提供的制动力矩，；μ：轮胎与水泥路面的附着系数，一般取0.6μ=；0V ：制动初速度，根据MT/T989-2006中华人民共和国煤炭行业标准，矿用防爆柴油机无轨胶轮车通用技术条件要求，020V =km/h ；1t ：制动系统滞后时间，s ；对全液压制动系统，取10.2s t =
代入相关数据后，根据式（13）和（14）求得：2
a=3.37m/s ，S=5.69m ，满足标准要求。

4 试验验证
为了验证上述计算结果，利用非接触式多功能速度仪对WC8系列防爆胶轮车的制动性能进行制动试验测试，试验数据如表1所示
表2调整前后测试实验数据对比表
由表2可知，改进前后WC8系列防爆胶轮车MFDD 有所降低，而制动距离有所增加，但均能满足煤炭行业标准MT/T989-2006中华人民共和国煤炭行业标准，矿用防爆柴油机无轨胶轮车通用技术条件要求，试验数据与计算结果基本相符。

5 结论
本文从全液压制动系统制动阀与湿式制动器的匹配出发，兼顾整个系统中的各个参数，进行优化设计分析，并通过具体实例进行了试验，解决了该类车辆制动系统制动冲击较大的问题，为今后煤矿用防爆胶轮车全液压制动系统的设计提供了理论依据和相关设计经验。

参考文献：
［1］戴志晔.煤矿井下胶轮车辆用制动器的设计［J ］.煤矿机械，2005，26（4）：24-27
［2］戴志晔.轻型无轨辅助运输车辆制动器的结构设计［J ］.煤矿机械，2007，28（3）：1-3
［3］杨占敏，王智明，张春秋，等.轮式装载机［M ］.北京：化学工业出版社，2006
［4］曹金海.矿山机械底盘设计［M ］.北京：机械工业出版社，1997。