礦用電機車制動系統制動性能的仿真分析

吳現憲

（西山煤電西曲礦運輸五隊， 山西 古交 030200）

引言

鑒于工作面巷道積存較多的瓦斯和煤塵，蓄電池礦用電機車被廣泛應用。根據《煤炭安全規程》相關標準，為確保生產效率及作業人員的人身安全，對礦用電機車的制動距離提出了不同等級的要求。其中，針對物料制動的距離要求為40 m，針對作業人員的制動距離要求為20 m[1]。而在實際生產中，為確保礦用電機車制動性能，常采用限制電機車的運行速度和牽引載重量來實現，無法充分發揮其運輸能力。本文對X礦用電機車制動系統的動力學進行仿真分析。

1 礦用電機車參數

X礦礦用電機車為湖南雙馬電氣有限公司的產品，該礦用電機車的關鍵參數見表1。表1所示的礦用電機車的關鍵參數將為其制動系統的仿真建模提供依據。

表1 某礦礦用電機車關鍵參數

2 礦用電機車制動系統原理

礦用電機車的制動依據其車頭制動系統實現，本文所研究電機車制動系統為機械制動裝置，可采用氣動或者手動兩種形式實現制動[2]。某礦礦用電機車制動系統為手動/氣動閘瓦機械制動裝置。該電機車最多可牽引礦車數量為10節，最大牽引質量為37.2 t。該機械制動裝置的結構如圖1所示。

圖1 礦用電機車機械制動裝置原理圖

基于上述機械制動裝置礦用電機車制動系統的工作經歷反應、制動閘瓦動作、制動持續動作以及制動停止四個過程，提升礦用電機車制動性能的關鍵在于縮短設備的制動時間，進而縮短其制動距離。

3 礦用電機車制動系統的動力學仿真

3.1 制動過程數學模型的建立

基于對礦用電機車制動系統原理及制動過程的研究分析建立制動距離與制動時間的數學模型。礦用電機車制動過程包括制動空行程時間和實際制動時間。制動空行程時間為作業人員踩下腳踏板后閘瓦與車輪接觸的時間段；實際制動時間為閘瓦與車輪已完全接觸[3]。礦用電機車在實際制動過程中的制動距離包括空行程距離和實際制動距離，模型如式（1）所示：

式中：S為電機車制動距離；V0為電機車運行速度；t0為空行程時間；a'為電機車空行程期間的減速度，a為電機車的實際制動減速度。

3.2 仿真模型的假設

為減小仿真計算的運算量，節省運算時間，針對礦用電機車制動系統建立幾何模型時對其關鍵部件氣缸、活塞桿、制動桿、連桿、調節螺栓以及閘瓦進行建模。為了能夠得到更加準確的結構，在建模過程中做出如下假設：假設其車輪為純滾動；忽略在裝配過程中各零部件之間的間隙；忽略閘瓦在制動過程中的正常變形；將制動系統各零部件視為剛體，忽略零部件之間的振動。

3.3 制動系統動力學仿真結果

基于3.1所搭建的模型，根據電機車的實際運行情況對其添加相應的約束力、負載以及制動力等。作業人員在實際操作過程中電機車的空行程時間根據司機的反應靈敏度而各不同，設電機車制動過程的空行程時間為1 s，制動力為1 600 N，電機車加速到額定運行速度時間為0.5 s[4]。基于上述設置后，對礦用電機車空載、滿載二擋運行以及滿載三擋運行的制動距離和制動時間進行仿真分析，判斷其是否滿足《煤炭安全規程》的相關標準要求，仿真結果見表2。

表2 制動時間與制動距離仿真結果分析

分析表2可知，在電機車在空載、滿載上坡、滿載水平二擋以及滿載二擋下坡時的制動距離符合《煤炭安全規程》的相關要求；當滿載水平運行時總制動距離接近40 m，處于臨界危險狀態；當滿載三擋下坡時其總制動距離遠超過安全制動距離。因此，需對制動系統進行改進優化，以縮短制動距離。

4 提升制動性能的策略

針對礦用電機車制動系統性能差的問題，筆者基于實踐研究+理論分析的手段提出通過改進制動系統關鍵機械結構部件的結構尺寸，以確保閘瓦能夠獲得更大的制動力，進而增加制動減速度，縮小制動時間，進而減小制動距離[5]。此外，由于工作面工作環境相對惡劣且燈光昏暗影響作業人員對電機車位置的判斷，加之作業人員疲勞后操作影響其操作精度，進而增加了空行程時間和距離。

為此，后續結合相關理論計算對制動系統影響制動力的機械結構部件的尺寸或裝配形式進行優化設計，并對制動系統的氣壓回路進行改進，設計外引入智能剎車控制系統兩方面分別縮短實際制動距離和空行程距離，進而縮小礦用電機車的總制動距離，提升礦用電機車的安全系數。

5 結語

礦用電機車作為綜采工作面的主要運輸設備，根據《煤炭安全規程》的相關規定要求其運輸物料、作業人員時制動距離不超過40 m、20 m。在實際生產中，為確保其制動距離滿足要求，常通過限制運行速度和牽引重量降低電機的運行效率。X礦電機車在滿載下坡三擋以及滿載水平三擋運行時存在極大的風險，應從改進機械制動部件結構尺寸及裝配方式、改進液壓回路及引入智能剎車系統等方面對其制動系統進行優化。