電機(jī)車(chē)制動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

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摘要：在分析電機(jī)車(chē)制動(dòng)過(guò)程及制動(dòng)理論的基礎(chǔ)上，基于ADAMS實(shí)現(xiàn)了對(duì)制動(dòng)機(jī)構(gòu)連桿和制動(dòng)桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)其原有氣壓回路進(jìn)行改進(jìn)。經(jīng)實(shí)踐表明，改進(jìn)后的電機(jī)車(chē)制動(dòng)時(shí)間和制動(dòng)距離得到明顯減少，對(duì)提高綜采工作面的生產(chǎn)效率和安全性具有現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：電機(jī)車(chē)，制動(dòng)，安全，效率

引言

為了確保電機(jī)車(chē)在綜采工作面的安全性和穩(wěn)定性，對(duì)電機(jī)車(chē)相關(guān)性能提出了具體要求。其中，對(duì)于電機(jī)車(chē)制動(dòng)性能，根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定要求當(dāng)運(yùn)輸物料時(shí)制動(dòng)距離不得超過(guò)40m，當(dāng)運(yùn)輸作業(yè)人員時(shí)制動(dòng)距離不得超過(guò)20m[1]。經(jīng)調(diào)研可知，當(dāng)前應(yīng)用于綜采工作面的電機(jī)車(chē)普遍存在制動(dòng)距離超限的問(wèn)題。此外，在實(shí)際生產(chǎn)中一味地追求電機(jī)車(chē)的安全運(yùn)行往往犧牲了電機(jī)車(chē)的運(yùn)行速度和牽引重量，導(dǎo)致無(wú)法充分發(fā)揮其運(yùn)輸能力。因此，需對(duì)當(dāng)前電機(jī)車(chē)的制動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在充分發(fā)揮其運(yùn)輸能力的前提下使其制動(dòng)性能符合相關(guān)規(guī)程要求。

1電機(jī)車(chē)制動(dòng)原理分析

本文所研究的電機(jī)車(chē)的制動(dòng)方式為氣動(dòng)制動(dòng)，其結(jié)構(gòu)主要包括制動(dòng)閘和制動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)。在實(shí)際操作中可通過(guò)手動(dòng)和氣動(dòng)兩種方式[2]進(jìn)行。其中，手動(dòng)方式通過(guò)塌下腳閘閥控制換向閥，使氣缸推出活塞桿實(shí)現(xiàn)設(shè)備制動(dòng)；氣動(dòng)方式通過(guò)智能控制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)換向閥的自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)設(shè)備制動(dòng)。

電機(jī)車(chē)氣動(dòng)控制主要經(jīng)歷了制動(dòng)系統(tǒng)反應(yīng)過(guò)程、制動(dòng)閘瓦作用過(guò)程、持續(xù)制動(dòng)過(guò)程以及停止制動(dòng)四個(gè)過(guò)程。為了解決制動(dòng)距離超限的問(wèn)題，其關(guān)鍵問(wèn)題是如何縮小電機(jī)車(chē)的制動(dòng)距離。因此，本文所研究的對(duì)煤礦電機(jī)車(chē)制動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)就是縮短電機(jī)車(chē)的制動(dòng)時(shí)間，從而達(dá)到縮短制動(dòng)距離的目的。經(jīng)研究可知，電機(jī)車(chē)的制動(dòng)性能、作業(yè)人員的熟練程度以及電機(jī)車(chē)軌道的質(zhì)量決定其制動(dòng)時(shí)間。本文將從優(yōu)化電機(jī)車(chē)制動(dòng)性能的角度實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)車(chē)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2電機(jī)車(chē)制動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化理論分析

電機(jī)車(chē)制動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化的主要目的是解決當(dāng)前制動(dòng)距離超限的問(wèn)題。而制動(dòng)距離超限問(wèn)題的解決需從根本上縮短電機(jī)車(chē)的制動(dòng)時(shí)間。在一定程度上制動(dòng)時(shí)間的大小與電機(jī)車(chē)在制動(dòng)過(guò)程中減速度的大小相關(guān)。

2.1電機(jī)機(jī)制動(dòng)過(guò)程減速度模型

經(jīng)參考大量文獻(xiàn)可知，電機(jī)車(chē)在制動(dòng)過(guò)程中減速度a的模型搭建，F(xiàn)為電機(jī)車(chē)的制動(dòng)力；P為電機(jī)車(chē)的自身質(zhì)量；Q為電機(jī)車(chē)的黏著質(zhì)量；滋為電機(jī)車(chē)運(yùn)行阻力系數(shù)；i為電機(jī)車(chē)所在工作面的軌道坡度；g為重力加速度；酌為電機(jī)車(chē)運(yùn)行過(guò)程中的慣性系數(shù)，一般取0.075。由公式（1）可知，電機(jī)車(chē)的減速度與其制動(dòng)系數(shù)、質(zhì)量及運(yùn)行阻力等相關(guān)。

2.2制動(dòng)距離模型

電機(jī)車(chē)在實(shí)際制動(dòng)過(guò)程中主要包括兩個(gè)階段，分別為制動(dòng)空行程時(shí)間和實(shí)際制動(dòng)時(shí)間[3]。其中，制動(dòng)空行程時(shí)間為當(dāng)需制動(dòng)時(shí)，閘瓦與車(chē)輪未接觸的一段時(shí)間，電機(jī)車(chē)以原速度運(yùn)行的時(shí)間；實(shí)際制動(dòng)時(shí)間為從閘瓦與車(chē)輪接觸開(kāi)始至電機(jī)車(chē)完全停止的這段時(shí)間。因此，實(shí)際電機(jī)車(chē)的制動(dòng)距離模型包含了兩部分，v為電機(jī)車(chē)制動(dòng)操作前的速度；t為制動(dòng)空行程時(shí)間；a'為電機(jī)車(chē)制動(dòng)空行程減速度。綜合上述兩個(gè)模型的分析可知，在實(shí)際生產(chǎn)中可通過(guò)減小電機(jī)車(chē)自重和黏重，并從材料的角度選擇相互匹配的閘瓦和連桿操縱機(jī)構(gòu)等方面實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3電機(jī)車(chē)制動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

經(jīng)對(duì)現(xiàn)有電機(jī)車(chē)制動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究分析可知，當(dāng)前電機(jī)車(chē)制動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)的效率較低，且其輸出的制動(dòng)力不穩(wěn)定，導(dǎo)致電機(jī)車(chē)的制動(dòng)時(shí)間和制動(dòng)距離延長(zhǎng)，從而降低了電機(jī)車(chē)制動(dòng)性能。如圖1所示為連桿制動(dòng)機(jī)構(gòu)的平面示意圖。

電機(jī)車(chē)在制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)力是依靠其前后制動(dòng)桿連接閘瓦對(duì)輪對(duì)施加相應(yīng)的壓力，此壓力直接決定了所產(chǎn)生的制動(dòng)力。提高制動(dòng)機(jī)構(gòu)的制動(dòng)力可以有效縮短制動(dòng)時(shí)間。因此，針對(duì)電機(jī)車(chē)制動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化可通過(guò)提高制動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)的力傳遞比，提高閘瓦與車(chē)輪之間的接觸力[4]。本文將基于ADAMS軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)制動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先，對(duì)影響制動(dòng)機(jī)構(gòu)性能變量的敏感度進(jìn)行分析；其次，根據(jù)敏感度分析結(jié)果對(duì)關(guān)鍵影響變量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體步驟為根據(jù)實(shí)際桿件的尺寸和安裝受到桿件材料和整車(chē)各部件布局的限制確定各個(gè)變量的變化范圍，調(diào)整各個(gè)變量的取值當(dāng)接觸力為最大時(shí)即可。

A點(diǎn)和B點(diǎn)坐標(biāo)，即連桿和制動(dòng)桿的尺寸為影響電機(jī)車(chē)制動(dòng)性能的關(guān)鍵。因此需對(duì)A點(diǎn)和B點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。A點(diǎn)坐標(biāo)原為（88，330），B點(diǎn)坐標(biāo)原為（241.25，319）。經(jīng)優(yōu)化后可知，當(dāng)A點(diǎn)坐標(biāo)為（93.480，314.743）、B點(diǎn)坐標(biāo)為（231.748，328.262）時(shí)閘瓦對(duì)輪對(duì)的接觸應(yīng)力為最大，此時(shí)的制動(dòng)力也為最大。將上述優(yōu)化的尺寸應(yīng)用于實(shí)際工作中，并將制動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化的電機(jī)車(chē)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，經(jīng)對(duì)比可知，優(yōu)化后的制動(dòng)機(jī)構(gòu)其制動(dòng)距離和制動(dòng)時(shí)間均得到明顯減少，具體減少量。對(duì)煤礦電機(jī)車(chē)的制動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，不同初始速度、不同工況下制動(dòng)距離和制動(dòng)時(shí)間均得到明顯減少，說(shuō)明本次優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性和有效性。

此外，對(duì)制動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)的改進(jìn)不能從根本上解決縮短其空行程運(yùn)行時(shí)間。因此，除了上述優(yōu)化設(shè)計(jì)還需采取相應(yīng)措施對(duì)其制動(dòng)反應(yīng)靈敏度進(jìn)行改進(jìn)，從根本上縮短空行程時(shí)間。具體改進(jìn)方案為對(duì)原有制動(dòng)系統(tǒng)的氣壓回路進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)無(wú)線遙控功能實(shí)現(xiàn)對(duì)氣壓回路的控制，取代原有人工控制氣壓回路的操作，實(shí)現(xiàn)電機(jī)車(chē)智能剎車(chē)的功能，從而從根本上縮短空行程時(shí)間。

4結(jié)語(yǔ)

煤礦電機(jī)車(chē)作為綜采工作面煤炭生產(chǎn)的關(guān)鍵運(yùn)輸設(shè)備，其運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性直接決定著綜采工作面的生產(chǎn)效率和作業(yè)人員的安全性。在電機(jī)車(chē)的實(shí)際運(yùn)行中需根據(jù)綜采工作面的實(shí)際情況對(duì)制動(dòng)機(jī)構(gòu)中的連桿和制動(dòng)桿進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，并將傳統(tǒng)人工控制氣壓回路優(yōu)化為采用無(wú)線遙控控制，以提高電機(jī)車(chē)的反應(yīng)靈敏度，從而達(dá)到縮小空行程時(shí)間、提高制動(dòng)力的目的，從根本上解決制動(dòng)距離超限的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

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作者：李偉 單位：西山煤電西銘礦運(yùn)輸區(qū)