礦用車輛自動液壓制動系統動態仿真

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(山東科技大學 機械電子工程學院， 山東 青島 266590)

引言

輔助運輸直接影響著礦井生產的安全和效率，其現代化程度已經成為了衡量煤礦現代化水平的重要指標。目前，單軌吊車、卡軌車和齒軌車是煤礦井下主要的輔助運輸設備，而且這些輔助運輸設備都能夠在一定坡度范圍內運行，因此在安全生產中機車的制動性能也就尤為重要[1]。煤礦安全規程要求煤礦井下軌道運輸車輛要安裝超速保護或斷繩保護裝置，離心釋放器是目前使用較多的速度檢測裝置，但是，它的精度較低，而且受機車振動影響較大，經常發生誤動作。針對這些問題，某中心研制了一套礦用車輛自動液壓制動系統，并得到了成功的應用[2]。本研究將該系統應用在單軌吊車緊急制動系統中，并運用虛擬仿真平臺AMESim軟件對其制動性能進行仿真研究。

1 液壓制動系統

1.1 制動執行機構

單軌吊車緊急制動系統使用圖1所示的執行機構，制動缸采用彈簧漲緊、液壓釋放的形式。在機車正常行駛時，制動缸內充入液壓油壓縮彈簧，將摩擦塊抬離鋼軌腹板進行松閘；當機車超過限定速度需要制動時，卸荷閥門在觸發機構作用下打開，制動缸在彈簧力作用下快速卸荷，并將摩擦塊壓在鋼軌腹板上，實施緊急制動。

1.軌道 2.摩擦塊 3.彈簧 4.液壓缸圖1 單軌吊制動機構圖

1.2 液壓制動系統原理

目前，單軌吊車緊急制動系統中的速度檢測裝置多為離心釋放器，但是，該裝置精度較低，而且受機車振動影響較大，使用中經常發生誤動作，在機車尚未超速時就實施了制動，帶來了不必要的麻煩。為此，本研究將礦用車輛自動液壓制動系統應用在單軌吊車上，該系統是將機車的速度信號轉換為液壓信號，來觸發執行機構。液壓信號只與機車的速度有關，受機車振動影響較小。圖2所示為礦用車輛自動液壓制動系統原理圖(圖中未畫出制動缸供油回路)，為保證單軌吊車在雙向運行中，該系統都可以正常使用，系統中采用雙向定量泵和液壓橋，液壓橋可以保證無論雙向定量泵是正轉還是反轉，都可以輸出液壓油。雙向定量泵由安裝在單軌吊車上的取速輪直接驅動，油泵的排油量與單軌吊車行駛速度成正比。將流控閥通徑調到某一定值，只允許通過單軌吊車正常行駛情況下油泵的排油量；而當單軌吊車達到限定速度時，油泵排油量增加，導致流控閥左端壓強升高，進而打開順序閥，高壓油液到達液控單向閥的控制端口，將閥門打開，兩制動缸便在彈簧力作用下快速卸荷， 制動缸中的油液經液控單向閥流入油箱，完成緊急制動。圖2中的安全閥只是在調試系統時起到防止系統過載的作用，在系統正常使用時，安全閥不起作用。

1.油箱 2、5.過濾器 3.液壓橋 4.雙向定量泵 6.安全閥 7.流控閥 8.順序閥 9.摩擦塊 10、12.制動缸 11.液控單向閥圖2 礦用車輛自動液壓制動系統原理圖

2 建立液壓系統模型

虛擬仿真平臺AMESim軟件操作方便快捷，不僅可以建立現有產品的仿真模型，對產品進行優化設計，提高產品性能，而且還可以指導新產品的設計開發[3]。利用AMESim仿真軟件的機械、信號、液壓及液壓元件設計庫的相應模型，建立礦用車輛自動液壓制動系統的仿真模型。通過分析系統的動態特性，可以得知該系統的制動性能[4]。在仿真分析過程中，只需分析礦車在單向運行中的情況即可，在建立系統模型時，用單向定量泵模塊來模擬圖2中雙向定量泵的一個轉向；由于圖2中的安全閥6只在系統過載時發揮作用，所以在建立模型的時候可以省去；為了清楚的了解液控單向閥的開啟情況，采用HCD庫建立其仿真模型[5]。建立的系統模型如圖3所示，圖中，二位換向閥控制制動液壓缸的供油回路；溢流閥用來維持系統供油壓力為14 MPa；右側的單向定量泵用來采集單軌吊車的速度信號，并將速度信號轉換為液壓信號；斜坡信號源用來調節流控閥的通徑尺寸；液控單向閥控制制動缸的卸荷回路。

圖3 制動系統模型

系統模型搭建完畢，接下來對系統設置相關參數，主要設計計算參數見表1。

3 仿真分析

仿真過程中，先對制動缸進行供油，制動缸壓縮彈簧，將摩擦塊抬離鋼軌腹板；然后關閉供油回路，改變流控閥通徑，使其從6 mm逐漸縮小到0，觀察當單軌吊車在限定速度運行時， 流控閥通徑大小對液控單向閥閥芯位移的影響。流控閥通徑變化情況如圖4所示。設置仿真時間7 s，采樣間隔0.01 s，仿真結果如圖5所示。

表1 設計計算參數

圖4 流控閥通徑變化情況

圖5 流控閥通徑對液控單向閥閥芯位移的影響

由圖5可以看出，在單軌吊車以限定速度運行的情況下，當流控閥通徑減小到3.6 mm時，液控單向閥閥芯開始迅速移動打開閥門，對制動缸進行卸荷。《礦用斜井人車技術條件》規定離心釋放器的動作誤差應小于±5%，也就是說觸發機構的動作誤差應保持在±5%內，所以，礦用車輛自動液壓制動系統的動作誤差也應保持在±5%內，即觸發緊急制動時泵輪轉速應保持在1132.7～1252.0 r/min范圍內。

依據圖5的仿真結果，可以將流控閥的通徑設定為3.6 mm，然后，仿真分析單軌吊車在傾角為16°的坡道上發生跑車事故時系統的制動性能。設置仿真時間3 s，采樣間隔0.01 s，圖6表示泵輪轉速與液控單向閥閥芯位移關系圖。由圖6可以看出，當泵輪加速到1210 r/min時，液控單向閥的閥芯迅速打開，制動缸卸荷，并將摩擦塊壓在鋼軌腹板上，實施緊急制動。此時泵輪轉速在1132.7～1252.0 r/min 范圍內，符合限速要求。

圖6 泵輪轉速與液控單向閥閥芯位移關系圖

作為制動系統的核心部分，制動液壓系統的反應速度直接影響到制動器的工作狀態[6]。煤礦安全規程規定，單軌吊車緊急制動的空動時間應不大于0.7 s[7]。圖7表示的是單軌吊車達到限定速度實施緊急制動時，制動缸活塞桿的運動情況。由圖7可以看出，制動缸在1.78 s開始卸荷，在2.20 s卸荷完畢，卸荷時間為0.42 s，符合煤礦安全規程的要求。

圖7 制動缸活塞桿運動情況

4 結論

介紹了礦用車輛自動液壓制動系統的工作原理，并將該系統應用在單軌吊車的緊急制動系統中，運用虛擬仿真平臺AMESim軟件建立了該系統的仿真模型。通過對系統模型的仿真分析，可以得出以下結論：

(1) 當雙向定量泵轉速一定時，液控單向閥是否開啟由流控閥的通徑大小直接決定，而且當流控閥通徑達到某一值時，液控單向閥能夠迅速打開；

(2) 調定好流控閥的通徑尺寸之后，在發生坡道跑車事故時，該系統響應迅速，可以在規定的限速誤差范圍內觸發緊急制動；

(3) 該系統緊急制動的空動時間小于0.7 s，符合煤礦安全規程的要求；

(4) 該系統將機車的速度信號轉換為液壓信號，所輸出的液壓信號只與機車速度有關，受機車的振動影響較小，有效的解決了離心釋放器所存在的誤動作問題。

參考文獻：

[1] 張江林，門志順，陳志輝．離心釋放器的結構及其應用[J]．煤礦機械，2005，(5)：119-120．

[2] 姜世文，張大女．礦用車輛自動液壓制動系統[J]．工況自動化，2011，(12)：5-7．

[3] 任中全，曹亞楠．基于AMESim的斷帶捕捉器液壓控制系統仿真研究[J]．煤礦機械，2014，35(1)：38-40．

[4] 劉子靖．掘進機裝運液壓系統振蕩的研究[J]．液壓與氣動，2014，(8)：71-72．

[5] 付永領，祁曉野．AMESim系統建模和仿真——從入門到精通[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2006：235-290．

[6] 劉旭，楊寅威．帶式輸送機盤式制動器液壓系統設計[J]．液壓與氣動，2011，(4)：91-92．

[7] 國家安全生產監督管理總局．煤礦安全規程[M]．北京：煤炭工業出版，2011．