異形軌卡軌車緊急制動系統設計

李建志

（山西汾西礦業集團柳灣煤礦， 山西 孝義 032300）

引言

目前，我國煤礦井下輔助運輸以軌道運輸為主，軌道除了需要支承車體重量，在發生跑車、斷繩時還需要與制動器配合作用實現緊急制動，同時還需要能實現可靠卡軌防止翻車、掉道等危險事故[1-2]。隨著綜采設備的噸位不斷增大，對地軌軌道的承載能力提出了新的要求，要求軌道有良好的承載能力，軌道車輛能夠實現可靠、穩定的緊急制動和卡軌等功能。基于SMJ異形軌在上述各個方面的良好性能，本文選用SMJ系列異形軌作為研究緊急制動系統的軌道。

1 卡軌車動態穩定性分析

軌道輔助運輸設備的動態穩定性直接影響著設備的安全靠性。如果卡軌車的動態穩定性差，最直接的后果就是機車脫軌掉道或者機車緊急制動時發生傾翻[3]。以柴油機卡軌機車為例，機車動態穩定性采用安全系數校核法來衡量，安全系數Sq定義為：

式中：Q為制動時車輪軸承受的垂直軌道面的支撐力；Q0為軌車在水平軌道表面靜止不動時，車輪軸承受的支撐力。

當Sq數值越大，表明動態穩定性越好。Sq的數值小于1時，系統處于不穩定狀態，極易發生脫軌掉道、側翻、傾翻事故。歐洲國家普遍采用Sq=1.3作為標準安全系數。影響卡軌車穩定性的因素有很多，主要從橫向穩定性和縱向穩定性兩個方面進行分析。

1.1 橫向穩定性

如圖1所示為卡軌車牽引車在橫向平面內的受力簡圖。

當卡軌車在平直軌面上運行時，理想條件下，支撐力N1、N2是一對平衡值，其數值大小由機車重力W和重心位置e決定。但是如果平直的軌道局部出現底鼓，軌道接頭部分出現上下位置偏差，同時機車又處于高速運行狀態下，此時的輪軸支撐力會瞬間達到峰值，導致一側車輪處于“失力”狀態，引發脫軌掉道事故。另外，如果機車轉向結構對軌道變化的適應能力差，水平推力B1或B2中的一個力足夠大時，就會出現輪緣的爬軌現象，增加了掉道的可能性。

圖1 軌車橫向平面受力簡圖

當機車在彎軌運行時，側翻力矩來源于運動離心力P，側翻力矩的大小與速度的平方、重心高度成正比，與軌道半徑成反比[4]。煤礦輔助運輸中，卡軌車重心一般比較低，軌道半徑也越來越大，所以行駛速度是主要因素。

1.2 縱向穩定性

卡軌車的縱向穩定性就是機車在運行方向上的穩定性。將機車位于斜坡上、帶有載荷的下行運動作為分析目標，此時的動態穩定性表現最為薄弱，如下頁圖2所示為卡軌車縱向平面受力簡圖。

分析計算可得后輪支撐力：

得到后輪支撐力，可得前輪支撐力：

根據公式（1），可以得到前后輪的安全系數公式：

圖2 卡軌車縱向平面受力簡圖

對于采用制動靴壓軌軌面上表面、依靠車身重力產生制動力的卡軌車而言，人們容易片面增大制動器彈簧力以增大制動力，減少制動距離。但是根據公式（2）—（5）可以看出，隨著正壓力Z的增大，前后輪的安全系數Sq不斷減小，對卡軌車安全穩定性的副作用是極為明顯的。

卡軌車減速度在卡軌車下坡運行過程中起著重要作用。實際情況中常常會出現較大的f值，產生很大的動態力和F，從而導致傾翻力矩的增大。

可以看出，緊急制動器不僅需要有合理可靠的結構，還有需要有安全穩定的控制系統，這就對礦用異形軌緊急制動系統提出了更高的要求。

2 新型制動器方案設計

2.1 制動器制動原理

礦用軌道運輸車輛的制動原理主要普軌壓軌制動和槽鋼軌、普軌卡軌制動兩種類型。壓軌制動的制動力由車身自重產生，制動力有限。卡軌制動的制動力由彈簧產生，制動力大。根據前文所述，現有的卡軌車輔助運輸都無法滿足緊急制動系統設計原則，本文確定選用SMJ系列異形軌作為研究緊急制動系統的軌道。

緊急制動系統制動裝置布置在獨立車輛上，稱之為制動車。制動裝置分為兩組布置，制動車前后各一組。常見的制動車壓軌制動原理圖如圖3所示。卡軌車行駛狀態下，液壓缸充壓，克服彈簧力使制動缸上升，高于軌面。制動時，液壓系統卸壓，制動缸在彈簧力作用向下移，與軌面接觸產生摩擦力，制動力大小取決于機車自重。

圖3 制動原理圖

2.2 液壓系統設計

針對緊急制動液壓系統上述特點，本文設計出與之配套的液壓系統，如圖4所示。

圖4 液壓系統原理圖

2.2.1 松閘復位

制動車松閘復位時，滾輪換向閥和手動換向閥均接入左位，切斷制動液壓缸與油箱的油路。轉動手動液壓泵將油液通過單向閥壓入制動液壓缸的有桿腔內，推動活塞向無桿腔移動，同時帶動與活塞桿頭部和制動缸液壓缸底部相連接的制動彈簧壓縮，由于上、下制動閘靴的制動彈簧的底部與車身焊接在一起無法移動，因此制動彈簧就會隨活塞桿的移動而縮短，實現上制動閘靴上移、下制動閘靴下移。當壓力表的數值達到設定值時，松閘復位過程結束。單向閥和蓄能器起到保壓作用，維持系統壓力恒定。

2.2.2 緊急制動

當卡軌車需要緊急制動時，人工操作手動換向閥接入右位，或者離心式限速器自動檢測超速行駛觸發行程開關，使滾輪換向閥接入右位，制動液壓缸通過節流閥與油箱連通進行快速卸荷，此時，制動液壓缸所壓縮的制動彈簧快速釋放，將上制動閘靴壓下、下制動閘靴提起，接觸摩擦產生動摩擦力實現制動。通過改變節流閥閥口通流面積的大小來控制活塞桿運動速度的大小，減小卸荷回路中因缺少回油背壓而產生的振動，實現快速穩定的卸荷。

2.3 離心式限速器結構設計

離心式減速器是卡軌車緊急制動系統中重要的部件，圖5是離心式限速器的結構簡圖[6]。離心式減速器主要由壓縮彈簧、轉動軸、滑塊、滑動軸等組成。轉動軸的一端與取速輪連接，另一端固定于離心式限速器外殼，離心式限速器的轉速取決于卡軌車的速度。離心式限速器共有兩個滑塊，其中一個滑塊可以沿著滑動軸滑動，另一個滑塊通過圓錐銷與滑動軸連接在一起[4-5]。通過調整墊圈的位置，可以調節壓縮彈簧的壓縮量。離心式釋放器轉速較低時，滑塊離心力小于向心力，滑動軸無法深處。向心力主要由彈簧力和滑塊、滑動軸的重力分量組成。當卡軌車超速行駛時，離心式釋放器轉速超過設定值，滑塊離心力大于向心力，滑塊帶動滑動軸伸出殼體，觸碰擋塊，觸發滾輪換向閥換向動作，實現緊急制動。

離心式限速器的特點：離心式限速器只在卡軌車超速行駛時才動作；需要根據不同的實際工況，對離心式限速器設定值進行調定；動作速度誤差不大于±5%，動作靈敏可靠、造價低、維修方便、滿足防爆要求。

圖5 離心式限速器結構簡圖

3 結論

根據制動系統的設計原則設計的基于異形軌的緊急制動系統，其制動器可以避免與軌道干涉，實現可靠的抱軌制動。根據緊急制動液壓系統的特點，基于失效安全型制動器設計的緊急制動液壓系統，采用液壓、彈簧儲能，可以實現自動控制和手動控制，自動控制由離心式限速器觸發。