礦用蓄電池電機車液壓制動系統研究

李 永

（山西焦煤西山煤電西銘礦， 山西 太原 030052）

引言

隨著綜采工作面采煤效率的提高，井下煤炭運輸的需求也越來越高。蓄電池電機車是一種以電池為動力來源的井下運煤設備，目前應用最廣泛的是手輪閘瓦和氣動式制動兩類，在電機車制動時，車身的動能被消耗在制動盤上，既造成機械磨損又浪費蓄電池電能。氣壓制動和液壓制動是目前電機車制動方式的發展方向，特別是液壓制動，在制動時通過車輪、離合器、變量泵等元件進行力矩傳動，將車輪動能轉化為液壓能，存儲在高壓蓄能器內，在機車起動時釋放能量，減少電機車起動時的電機出力，達到節約能源，減少機械損耗的目的。本文研究了液壓式制動系統的原理和設計思路，對蓄電池電機車制動系統改造具有一定意義。

1 液壓制動

礦用電機車的制動方式有很多，根據其原理可分為機械閘瓦式、電氣制動式、氣壓制動、液壓制動、壓軌式制動。過去很長一段時間，電機車主流的制動方式為手輪閘瓦與電氣控制相結合的方式。目前國內大多數電機車已經從緊急制動換代為機械與氣動相結合的方式，常規制動仍然采用機械閘瓦方式。由于制動力在液體中的傳播速度遠大于氣體中的傳播速度，且負載能力不受電機磁性材料的影響，因此相較于氣壓傳動，采用液壓制動的效率更高。液壓油在液壓泵的驅動下被儲存在高壓蓄能器中，當電氣控制單元向液壓控制單元輸出制動指令后，直流電機和調壓閥組控制制動夾鉗夾緊制動盤，使車輪減速或剎車。由于井下電機車使用環境特殊，對安裝空間和安全性能具有特殊要求，液壓制動系統具有體積小、質量輕、安全性高的優點，因此特別適用于礦用蓄電池電機車。

2 液壓制動系統結構

如圖1 所示為電機車液壓制動系統結構圖，由電氣控制單元、液壓控制單元和基礎制動單元三部分組成，具體介紹如下：

圖1 電機車液壓制動系統結構圖

1）電氣控制單元就是液壓制動系統的控制器，主要功能是接收電機車的制動指令，并通過對比例閥、電機油泵的控制輸出制動信號，在制動過程中，通過壓力和溫度傳感器感知基礎制動單元的執行狀態，實現閉環調節。除了主要控制功能，電氣控制單元還能進行拖車防滑控制、數據存儲和總線通信等[1-3]。

2）液壓控制單元由電機、液壓泵、蓄能器、比例電磁閥和液壓閥等組成，主要功能是在接收到電氣控制單元發出的制動信號后，在管路中建立工作壓力并在蓄能器中存儲下來，通過比例電磁閥調整輸出壓力。除了壓力建立和調整功能，液壓控制單元還能夠實現手動卸壓、電機保護等安全功能。

3）基礎制動單元。基礎制動單元由離合器和變量伺服單元組成，液壓控制單元輸出的液壓力被轉化為變量泵輸出的動能，通過離合器與車輪轉軸耦合，阻礙車輪的慣性力，使電機車減速制動。

3 工作原理

如圖2 所示為電機車液壓制動系統能量回收原理圖，由電氣控制單元、液壓控制單元和基礎制動單元組成，具體介紹如下：

圖2 電機車液壓制動系統能量回收原理圖

1）電氣控制單元由控制器及其外圍通信電路、電機和電磁閥的驅動電路組成，相較于空氣閥，比例閥的驅動功率較高，一般采用脈寬調制方式進行驅動。驅動電路由隔離電路、功率放大電路、電流反饋電路組成。控制器接收液壓系統壓力傳感器的數據，判斷此時的輸出壓力是否滿足，通過輸出電流控制變量泵的排量和出力，能夠實現對制動力的閉環調節，通過增加另外程序，還能為電機車制動系統提供防滑功能。

2）制動系統由控制器、壓力傳感器、蓄能器、常閉閥、液控溢流閥、三位四通閥、變量泵組成，通過變量伺服機構與電機車離合器連接，通過離合器從車輪吸收動能或釋放液壓能，向車輪輸出動力。在電機車制動時，三位四通閥上位通電，在變量泵的作用下，油箱內的液壓油被輸送至蓄能器內，由于蓄能器的高壓儲能作用，車輪的動能被蓄能器吸收。在電機車啟動時，三位四通閥下位上電，蓄能器內的液壓油釋放至油箱，在此過程中蓄能器存儲的能量推動變量泵做功，變量泵通過離合器向車輪輸出動能，起到了節省發動機輸出功率的作用。2 個常閉閥和液控溢流閥共同組成了液壓控制回路，液壓控制回路有兩方面作用，一是使蓄能器內的液壓油直接流入油箱，給蓄能器卸壓；二是可以通過調節液控溢流閥的電流調節回路壓力。

3）基礎制動單元由離合器和變量伺服機構組成，變量伺服機構是一個完整的控制系統，控制對象為缸體，執行元件為液壓缸，受控參數為變量泵輸出液壓油的流量和壓力。為了發揮電控系統的優勢，選擇變量泵活塞的位移量轉化為電信號，輸送到控制器，以采集變量泵的出力數據。

4 元件設計

1）變量泵的選型與設計。由于變量泵在液壓系統中應用廣泛，結構不同實現排量不同，輸入信號有機械控制、液壓控制、電動控制、電液控制等，控制方式有恒壓控制、恒流控制、恒功率控制等，其種類和型號非常復雜。根據能量守恒定律和力學分析，電機車制動時的制動力矩與變量泵的壓力和排量成正比，由于蓄能器內部壓力無法控制，因此制動力矩的控制是由泵的排量間接控制的。因此選擇排量控制泵，通過監測液壓缸活塞的位移，推算出泵的排量，進而計算出電機車的制動力。變量泵的結構可以根據電機車的負載和功率確定，對于負載較大、速度較慢的電機車而言，選擇軸向柱塞式液壓泵。

2）蓄能器的選型與參數設計。蓄能器是存儲電機車制動能量的媒介，是液壓制動系統的關鍵元件。按照加載形式不同可分為重力式蓄能器、彈簧式蓄能器和充氣式蓄能器。重力式蓄能器適用于固定設備，彈簧式蓄能器適用于低壓小容量設備，只有充氣式蓄能器可供電機車液壓系統選擇。充氣式蓄能器的工作原理是利用液體壓力壓縮氮氣，將電機車動能轉化為氣體內能，在電機車起動時，液壓系統壓力降低，高壓氣體推動液體做功，實現能量釋放。充氣蓄能器有皮囊結構、活塞結構和隔膜結構，根據電機車液壓制動系統的特點，設計的蓄能器需要滿足壓力高、響應快、寬調壓、慣量小等，因此綜合考慮選擇皮囊結構式蓄能器，這也是目前應用最廣泛的一種蓄能器。蓄能器的參數有最低壓力、最高壓力、初始體積等，具體的選擇需要根據電機車的制動轉矩、安裝空間等進行設計[4-6]。

5 結語

電機車液壓制動系統由電氣控制單元、液壓控制單元和基礎制動單元三部分組成，通過液壓制動系統能量回收裝置，能夠將電機車制動時的動能存儲起來，在機車起動的時候作為輔助動力，減少蓄電池的電能損耗，起到了節能降耗，提高煤炭運輸能力的目的。