電機(jī)車制動(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)車制動(dòng)過程及制動(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，制動(dòng)，安全，效率

引言

為了確保電機(jī)車在綜采工作面的安全性和穩(wěn)定性，對(duì)電機(jī)車相關(guān)性能提出了具體要求。其中，對(duì)于電機(jī)車制動(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40m，當(dāng)運(yùn)輸作業(yè)人員時(shí)制動(dòng)距離不得超過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)車普遍存在制動(dòng)距離超限的問題。此外，在實(shí)際生產(chǎn)中一味地追求電機(jī)車的安全運(yùn)行往往犧牲了電機(jī)車的運(yùn)行速度和牽引重量，導(dǎo)致無法充分發(fā)揮其運(yùn)輸能力。因此，需對(duì)當(dāng)前電機(jī)車的制動(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)車制動(dòng)原理分析

本文所研究的電機(jī)車的制動(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)際操作中可通過手動(dòng)和氣動(dòng)兩種方式[2]進(jìn)行。其中，手動(dòng)方式通過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)車氣動(dòng)控制主要經(jīng)歷了制動(dòng)系統(tǒng)反應(yīng)過程、制動(dòng)閘瓦作用過程、持續(xù)制動(dòng)過程以及停止制動(dòng)四個(gè)過程。為了解決制動(dòng)距離超限的問題，其關(guān)鍵問題是如何縮小電機(jī)車的制動(dòng)距離。因此，本文所研究的對(duì)煤礦電機(jī)車制動(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)車的制動(dòng)性能、作業(yè)人員的熟練程度以及電機(jī)車軌道的質(zhì)量決定其制動(dòng)時(shí)間。本文將從優(yōu)化電機(jī)車制動(dòng)性能的角度實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)車的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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

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

2.1電機(jī)機(jī)制動(dòng)過程減速度模型

經(jīng)參考大量文獻(xiàn)可知，電機(jī)車在制動(dòng)過程中減速度a的模型搭建，F(xiàn)為電機(jī)車的制動(dòng)力；P為電機(jī)車的自身質(zhì)量；Q為電機(jī)車的黏著質(zhì)量；滋為電機(jī)車運(yùn)行阻力系數(shù)；i為電機(jī)車所在工作面的軌道坡度；g為重力加速度；酌為電機(jī)車運(yùn)行過程中的慣性系數(shù)，一般取0.075。由公式（1）可知，電機(jī)車的減速度與其制動(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)車在實(shí)際制動(dòng)過程中主要包括兩個(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)，閘瓦與車輪未接觸的一段時(shí)間，電機(jī)車以原速度運(yùn)行的時(shí)間；實(shí)際制動(dòng)時(shí)間為從閘瓦與車輪接觸開始至電機(jī)車完全停止的這段時(shí)間。因此，實(shí)際電機(jī)車的制動(dòng)距離模型包含了兩部分，v為電機(jī)車制動(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)中可通過減小電機(jī)車自重和黏重，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)車制動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究分析可知，當(dāng)前電機(jī)車制動(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)車在制動(dòng)過程中制動(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)車制動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化可通過提高制動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)的力傳遞比，提高閘瓦與車輪之間的接觸力[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)，通過無線遙控功能實(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)車智能剎車的功能，從而從根本上縮短空行程時(shí)間。

4結(jié)語

煤礦電機(jī)車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)化為采用無線遙控控制，以提高電機(jī)車的反應(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)距離超限的問題。

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作者：李偉 單位：西山煤電西銘礦運(yùn)輸區(qū)