井下防爆無(wú)軌車制動(dòng)強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

程思越，汪達(dá)勇

（國(guó)家能源集團(tuán)寧夏靈武發(fā)電有限公司，寧夏銀川 750002）

0 引言

國(guó)家能源寧夏煤業(yè)下轄生產(chǎn)礦井，例如羊場(chǎng)灣煤礦、梅花井煤礦和紅柳煤礦等，巷道具有坡道較大并且距離長(zhǎng)的特點(diǎn)，其輔助運(yùn)輸車輛采用WCJ5E 和WCJ8E 無(wú)軌膠輪車。無(wú)軌膠輪車一般配備濕式多盤制動(dòng)器，車輛在重載下長(zhǎng)坡的時(shí)候，駕駛員需要頻繁踩制動(dòng)來(lái)控制車速，制動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)荷比較大，制動(dòng)器摩擦片磨損快，需經(jīng)常更換摩擦片，車輛也存在安全隱患。亟需一種能夠給摩擦片降溫的辦法，濕式橋強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)將制動(dòng)器摩擦片浸在冷卻油里，通過(guò)齒輪泵給冷卻油提供動(dòng)力，冷卻油與散熱器間不斷循環(huán)，將摩擦片產(chǎn)生的熱量帶走，解決摩擦片高溫、磨損快、漏油等問(wèn)題。

1 制動(dòng)器發(fā)熱量估算

煤礦井下巷道的路況由于地質(zhì)因素復(fù)雜多變，防爆無(wú)軌車輛橋制動(dòng)器高溫現(xiàn)象主要發(fā)生在長(zhǎng)距離下坡工況，短距離下陡坡時(shí)由于行車時(shí)間短，一般不會(huì)出現(xiàn)制動(dòng)器高溫現(xiàn)象。通過(guò)調(diào)研，司機(jī)在長(zhǎng)距離坡道時(shí)，一般會(huì)采用掛低擋滑行，由于在車輛沿坡道下滑分力的作用下，車輛柴油機(jī)反拖力和地面滾動(dòng)阻力之和小于車輛的下滑分力，車輛速度會(huì)越來(lái)越快，司機(jī)會(huì)踩剎車來(lái)控制車速，使車輛保持在較勻速的速度下行駛完整個(gè)路程。在下坡行駛過(guò)程中，當(dāng)坡道較大時(shí)，通過(guò)踩剎車控制車速，頻繁踩剎車會(huì)使制動(dòng)器摩擦片溫度升高，車輛的部分勢(shì)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，即發(fā)熱量。同時(shí)，車輛在下坡時(shí)掛抵擋，利用柴油機(jī)的反拖扭矩，可以平衡掉部分車輛重力的下滑力。所以，車輛在整個(gè)過(guò)程中，車輛的勢(shì)能、制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)熱量、柴油機(jī)反拖扭矩做的功有以下關(guān)系：

式中 Q1——車輛的總勢(shì)能，J

Q2——制動(dòng)器的發(fā)熱量，J

W——柴油機(jī)反拖扭矩做的功，J

車輛從坡頂運(yùn)行到坡底總勢(shì)能與車輛的質(zhì)量、坡道長(zhǎng)度、坡道角度等有關(guān)，其關(guān)系為：

式中 m——車輛重載時(shí)的總重量，kg

g——重力加速度，m/s2；取9.8 m/s2

L——坡道總長(zhǎng)，m

α——坡道角度，°

μ——滾動(dòng)摩擦因數(shù)；一般取0.04

車輛下坡時(shí)司機(jī)一般掛低擋行駛，同時(shí)利用柴油機(jī)的反拖扭矩起輔助制動(dòng)作用。柴油機(jī)在反拖工況下，其反拖功率一般不超過(guò)其總功率的30%，在整個(gè)行駛過(guò)程中，柴油機(jī)反拖扭矩做的功與反拖功率的大小和車輛行駛的時(shí)間有關(guān)，在整個(gè)過(guò)程中做的功為：

式中 P——反拖扭矩產(chǎn)生的功率，W

t——行駛時(shí)間，s

結(jié)合式（1）、式（2）、式（3），橋制動(dòng)器的發(fā)熱量為：

則發(fā)熱功率為總發(fā)熱量與車輛總運(yùn)行時(shí)間之間的比值為：

式中

v——車速，m/s

由式（5），制動(dòng)器的發(fā)熱功率與車輛的總重、車速、坡道角度成正比，柴油機(jī)的反拖功率的大小也影響制動(dòng)系統(tǒng)的熱平衡。為了保證橋制動(dòng)器在下長(zhǎng)坡時(shí)不會(huì)高溫，濕式橋強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)的散熱功率應(yīng)大于其發(fā)熱功率，才能保證制動(dòng)器的溫升保持穩(wěn)定。

2 橋制動(dòng)器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

防爆無(wú)軌膠輪車驅(qū)動(dòng)橋工作制動(dòng)器一般采用濕式多盤制動(dòng)器，濕式多盤式制動(dòng)器的主要由動(dòng)摩擦片、靜摩擦片、活塞、彈簧、制動(dòng)殼、半軸等組成，固定盤和制動(dòng)殼通過(guò)花鍵連接，摩擦盤裝在固定盤之間，隨著車輪旋轉(zhuǎn)。制動(dòng)時(shí)，活塞壓向摩擦片，動(dòng)靜摩擦片之間產(chǎn)生摩擦力，動(dòng)摩擦片與半軸相連接，以降低車輪轉(zhuǎn)速，達(dá)到制動(dòng)的目的。

一般情況下，摩擦片所處的腔體與半軸、主減速器所在的腔體是連通的，為了保證工作制動(dòng)器的循環(huán)順暢和散熱效率，摩擦片所處腔體內(nèi)循環(huán)用油需改為液壓油，主減速器所在腔體仍然用齒輪油。所以，在實(shí)施安裝強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)時(shí)，需考慮將兩個(gè)腔體之間隔開，工作制動(dòng)器要進(jìn)行結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 制動(dòng)器結(jié)構(gòu)

制動(dòng)器摩擦片所在的腔體使用密封結(jié)構(gòu)與外部隔開，制動(dòng)器在上側(cè)和下側(cè)分別設(shè)計(jì)冷卻出油口和冷卻進(jìn)油口，冷卻油循環(huán)時(shí)下進(jìn)上出，摩擦片基本都浸在冷卻油中，使摩擦片與冷卻介質(zhì)充分接觸，增強(qiáng)冷卻效果。

3 制動(dòng)強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)的核算

根據(jù)式（5）可測(cè)算整個(gè)系統(tǒng)的散熱功率，從而確定散熱器的大小。m=14 000 kg，g=9.8 m/s2，L=6000 m，α=7°，P=60×30%=18 kW，車輛1 擋行駛最大速度約11 km/h，運(yùn)行完6 km 的坡道，時(shí)間約為t=1963.6 s，將上述數(shù)值帶入式（5）得：

散熱器的散熱能力必須大于P2，散熱器的散熱功率設(shè)計(jì)為20 kW，冷卻油經(jīng)過(guò)散熱器進(jìn)行散熱器，散熱量為：

式中 P0——散熱功率，W

C——液壓油比熱容，J/（kg·℃）

q——散熱油流量，m3/s

ρ——散熱油密度，kg/m3

Δt——散熱器進(jìn)出油口溫差，℃

系統(tǒng)選用的散熱介質(zhì)為46#抗磨耐壓油，其比熱容約為C=2.09×103J/（kg·℃），密度約為ρ=0.87×103 kg/m3，散熱器進(jìn)出口溫差多次測(cè)得最高約Δt=20 ℃，將以上參數(shù)帶入式（6），算得強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)的流量約為：

考慮到油箱的自身散熱、制動(dòng)器的自身散熱和管路的散熱，冷卻系統(tǒng)的流量設(shè)計(jì)為30 L/min 左右，這樣濕式橋冷卻系統(tǒng)能夠滿足絕大多數(shù)礦井的使用工況要求。

4 制動(dòng)強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

濕式橋制動(dòng)強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)有齒輪泵、散熱器、過(guò)濾器，分流閥、安全閥、油箱和管路等，齒輪泵置于變矩器取力口處，齒輪泵泵出的油經(jīng)過(guò)散熱器散熱，再經(jīng)過(guò)分流閥使冷卻油均勻的分配給4 個(gè)橋制動(dòng)器，橋制動(dòng)器處設(shè)置有溢流閥，防止制動(dòng)器內(nèi)部壓力過(guò)高，避免漏油。濕式橋制動(dòng)強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)液壓原理如圖2 所示。

圖2 制動(dòng)強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)原理圖

從實(shí)際裝車使用情況來(lái)看，制動(dòng)強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下要點(diǎn)：①系統(tǒng)循環(huán)流量要與實(shí)際工況的最大坡度下需要的散熱功率匹配，考慮各部件自身散熱的情況下，循環(huán)齒輪泵排量不宜過(guò)大，防止系統(tǒng)內(nèi)部各部件壓力過(guò)高引起油封和散熱器等部件漏油；②液壓油箱做成獨(dú)立安裝油箱或從大油箱內(nèi)做成隔腔獨(dú)立的方式，可以避免摩擦片長(zhǎng)期制動(dòng)生成的摩擦粉末進(jìn)入其他系統(tǒng)；③過(guò)濾器的設(shè)置方面，粗濾和精濾都是必要的，尤其要把精濾設(shè)置在方便檢修的位置，這樣可以定期檢查和維護(hù)，保持工作介質(zhì)的清潔；④制動(dòng)器處的單個(gè)溢流閥流量選擇不低于系統(tǒng)流量，同時(shí)其溢流壓力設(shè)定不高于制動(dòng)器隔腔油封耐壓的1/2。

5 應(yīng)用效果

目前安裝濕式橋強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)的無(wú)軌膠輪車約300 余臺(tái)，主要在寧煤羊場(chǎng)灣礦、梅花井礦、紅柳礦等礦井使用，這些煤礦井下巷道坡度多、坡度大，發(fā)揮了強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)的作用。最早的一批在2018 年初投入使用，經(jīng)過(guò)近3 年的使用情況表明，該系統(tǒng)能夠有效降低車輛制動(dòng)器摩擦片磨損快、摩擦片燒結(jié)、密封圈漏油等問(wèn)題，提高了防爆無(wú)軌膠輪車制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和車輛的行車安全性。