重載礦用膠輪車液壓制動系統設計研究

王慶雄，焦志翔，王 萌

1國能神東煤炭集團有限責任公司 陜西神木 719315

2中國礦業大學 (北京) 機械與電氣學院 北京 100083

3中國礦業大學 (北京) 內蒙古研究院 內蒙古鄂爾多斯 017004

4內蒙古必選機械制造有限公司 內蒙古鄂爾多斯 017000

煤炭行業是我國重要的能源供應和經濟支柱[1-4]。井下無軌膠輪車作為一種機動性強、高效的運輸工具，近年來在我國煤礦得到廣泛應用[5]。筆者研究的輪邊驅動重載礦用膠輪車 (下文簡稱“膠輪車”)在最大載重下的總質量可達 25 t，運行在井下崎嶇、復雜的路面上，整車慣性大、車輪上的垂向載荷變化不規律，因此對該車制動系統的可靠性和整車的制動性能提出了更高的要求[6]。

馬建民[7]設計了一種無軌膠輪車氣頂液制動系統，該制動系統將氣體壓力能轉化為液壓能，其制動力與踏板行程成正比，易于駕駛員準確感受制動力，但是氣頂液解除制動需向周圍排放含油污的氣體，且易受粉塵等因素影響其工作可靠性。于英等人[8]設計了一種無軌膠輪車鉗盤式制動器，依靠彈簧力夾緊制動鼓、液壓釋放的方式實現制動，但鼓式制動器磨損嚴重，本身需要頻繁維護、檢修，經濟性較低。常州科試中心研制的 WC5E 型無軌膠輪車[9]的行車制動采用液壓制動、彈簧釋放的多盤式制動器，但在液壓回路故障時制動系統會失效，緊急情況下安全性無法保證。

筆者設計了一款用于輪邊驅動重載礦用膠輪車的多回路失壓安全型多盤制動器。多回路的設計可以防止單個回路故障時整車制動失效；失壓安全型即彈簧制動、液壓釋放，防止液壓系統故障時制動失效。并在仿真軟件中根據井下環境對車輛進行了多工況仿真，對制動性能進行檢驗。

1 膠輪車液壓制動系統設計

1.1 設計要求

(1) 按照《煤礦安全規程》[10]要求，防爆車輛設計時必須設置行車制動、緊急制動和駐車制動，且行車制動必須采用濕式制動器，行車制動和其他制動控制系統必須相互獨立。

(2) 防爆車輛以額定載荷、初速度為 20 km/h，在水平干硬路面上制動時，制動距離應不大于 8 m。

(3) 防爆車輛承載 1.5 倍額定載荷下，在規定的坡道上穩定停車。

1.2 整車制動力矩計算

1.2.1 行車制動性能指標計算

根據礦用防爆柴油機無軌膠輪車通用技術條件[11]，防爆車輛以額定載荷、初速度為 20 km/h 時，在水平干硬路面上制動距離小于 8 m。結合整車參數，其行車制動最小減速度

式中：v0為制動初速度，v0=20 km/h；s為制動距離，取s=7 m；t為制動系統響應時間，取t=0.5 s。

需要指出，此式中s的取值較大。根據安全性要求，所設計的無軌膠輪車在初速為 20 km/h 時，制動減速度應大于等于此加速度值，即a≥3.65 m/s2。

整車所需最小制動力

式中：Fx為地面制動力，N；m為整車在額定載重時的總質量，m=25 000 kg。

1.2.2 駐車制動性能指標計算

根據礦用防爆柴油機無軌膠輪車通用技術條件對駐車制動的要求，應在整車承載 1.5 倍額定載荷情況下在規定的坡道上保持靜止，無溜車現象。因此所需最小地面制動力

式中：g為重力加速度，g=9.8 m/s2；α為最大坡度角，α=14°。

因此，保持膠輪車不溜車的最小制動器制動力矩

式中：r為車輪半徑，r=0.835 m。

1.3 制動系統組成及原理

1.3.1 制動器結構及指標驗算

根據整車制動力的匹配要求，考慮到整車的結構、布置要求等，采用多回路失壓安全型盤式制動器。制動器結構如圖1 所示，主要由靜殼、動殼、活塞、彈簧、摩擦片組等組成，輸出力矩如表1 所列。該制動器的工作原理為利用彈簧進行制動，充壓解除制動。正常行車時，高壓油推動活塞 2 向左移動，釋放彈簧 4，動摩擦片與靜摩擦片相互分離，車輪正常轉動；當需要制動時，液壓馬達回油口打開，油腔迅速泄壓，彈簧釋放，使得動靜摩擦片組 5 壓緊，實現制動作用。

表1 制動器輸出力矩Tab.1 Output torques of brake

圖1 濕式失壓制動器Fig.1 Wet pressure loss brake

該膠輪車的工作制動與駐車制動共用一套制動器，分別采用獨立的液壓回路控制。由表1 可知，駐車制動時單個制動器的制動力矩為 1.6×104N·m，車輛總的制動力矩為 1.6×104N·m×4=6.4×104N·m＞Mx=5.915×104N·m，因此駐車制動性能符合《煤礦安全規程》要求。

1.3.2 液壓制動系統結構

該車采用多回路實現對制動系統的控制，液壓原理如圖2 所示，避免因某個回路故障而造成整個液壓系統失效[12]。

圖2 制動系統液壓原理Fig.2 Hydraulic principle of braking system

由圖2 可知，該車前、后橋各有 1 個蓄能器給前、后制動橋的制動器提供液壓力。制動器活塞腔排量V0=80 mL，因此單個蓄能器在 1 次制動后解除制動所需的油量

式中：n為熄火后的制動次數，取n=9。

考慮到實際制動時存在壓力損失，最終確定蓄能器向制動器的充液最小壓力為 4 MPa。

2 制動系統仿真分析

2.1 膠輪車直線制動動力學模型

膠輪車在水平巷道路面上制動時的受力情況[13]如圖3 所示。為簡化計算及分析，忽略空氣阻力以及車輪減速時產生的慣性力偶矩。膠輪車制動時車輪處于滑動狀態，因此地面施加的制動力為滑動摩擦力，地面附著系數取滑動附著系數φs。

圖3 車輛行車制動受力分析Fig.3 Force analysis of driving brake for vehicle

對后輪的接地點取力矩得

式中：Fz1為路面對前輪的法向反力，N；L為輪距，m；G為膠輪車重力，N；B為膠輪車質心到后軸的距離，m；m為膠輪車質量，kg；hg為膠輪車質心高度，m；du/dt為膠輪車制動減速度，m/s2；A為膠輪車質心到前軸的距離，m。

相應地，對前輪的接地點取力矩，得

令du/dt=Zg，Z稱為制動強度，則路面對前、后輪法向反力

前、后輪的滑動摩擦力

無軌膠輪車工作場所在煤礦井下，井工礦路面復雜、顛簸，在制動時會對車輪所受的垂向力造成不可忽視的影響[14]?？紤]到該車定位為礦用防爆式重載輪式輔助運輸車，所以在仿真中加入隨機路面激勵，利用 Simulink 中的白噪聲模塊，通過設置參數建立 C 級路面，參考的空間功率譜密度值是國家標準規定的 C級路面對應值[15]。

2.2 制動過程仿真分析

膠輪車整車參數如表2 所列。

表2 整車參數Tab.2 Vehicle parameters

膠輪車空載，制動初速度為 20 km/h，在滑動附著系數為 0.5 的較為平坦的路面上制動情況如圖4 所示。由圖4 可知，其制動距離為 3.14 m，制動時間為1.115 s，減速度最小為 4.83 m/s2，滿足設計要求。

圖4 膠輪車空載在平坦路面上制動情況Fig.4 Braking condition of rubber-tyred vehicle with no load on flat road

膠輪車滿載，制動初速度為 10 km/h，在滑動附著系數為 0.5 的較為平坦的路面上的制動情況如圖5所示。由圖5 可知，其制動距離為 0.8 m，制動時間為 0.55 s，滿足設計要求。

圖5 膠輪車滿載在平坦路面上制動情況Fig.5 Braking condition of rubber-tyred vehicle with full load on flat road

膠輪車滿載，制動初速度為 10 km/h，在滑動附著系數為 0.4 的起伏較大的路面上制動情況如圖6 所示。由圖6 可知，其制動距離為 1.05 m，制動時間為0.685 s。由于附著系數的減小和垂直載荷變化更加頻繁，制動距離與時間都有所增加，但都處于煤礦規程允許的安全范圍內。由于路面更加惡劣，制動減速度的變化范圍也隨之增大，不僅影響制動性能，也對輪胎和制動器的抗沖擊性要求更高。液壓系統對瞬時沖擊有一定的吸收緩沖，未來計劃在制動系統中加入根據垂直載荷變化的主動吸振裝置，使膠輪車對井下復雜、惡劣環境的適應性更強。

圖6 膠輪車滿載在起伏較大的路面上制動情況Fig.6 Braking condition of rubber-tyred vehicle with full load on undulating road

2.3 液壓系統仿真分析

制動時蓄能器壓力動態變化如圖7 所示。前后橋蓄能器經過 3 次制動-釋放后，蓄能器壓力降低到約6.3 MPa，達到蓄能器的額定下限充液壓力。此時充液閥打開，對前后橋的蓄能器進行充液，持續時間約2 s，且 2 個蓄能器的充放液狀態基本同步，滿足設計要求。

圖7 制動時蓄能器壓力變化Fig.7 Pressure changes of accumulator during braking

該車的液壓制動系統采用雙回路設計，當單個回路失效時，另一回路仍然可以工作，實施制動動作。根據 MT/T 989—2006《礦用防爆柴油機無軌膠輪車通用技術條件》，當汽車制動系統發生故障后，制動系統不能立刻失效，要保證還能進行至少 5 次以上的行車制動。因此對前橋制動失效時，后橋制動情況及停泵時依靠蓄能器實現制動-釋放過程進行仿真。

停泵后行車制動仿真如圖8 所示，前橋或后橋的蓄能器在 7 次制動后的壓力仍保持在 4 MPa 以上。膠輪車工作時因故障或某些原因停泵后，蓄能器儲存的能量仍可進行約 7 次的制動-釋放過程，滿足通用技術條件所規定的制動次數。由仿真結果可知，停泵后制動過程中，前后橋輸出端口的壓力變化基本同步。

圖8 停泵后行車制動仿真Fig.8 Simulation of driving brake after stopping pump

3 結語

基于一款重載模塊化輪式輔運車，對其制動性能指標進行了計算，并對濕式制動系統的制動器進行了選型。通過在 MATLAB/Simulink 中建立重載模塊化輪式輔運車的動力學模型，在不同運行工況、道路情況下對膠輪車的制動過程進行了仿真分析，檢驗了膠輪車的行車制動性能和駐車制動性能，均符合國家和煤礦標準，滿足井下運輸的安全性要求。

未來計劃對制動系統進行改進，增加根據環境變化而主動適應的吸振裝置，使得制動系統工作更加可靠，無軌膠輪車的制動過程更加平穩。