電機車制動機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計研究

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摘要：在分析電機車制動過程及制動理論的基礎(chǔ)上，基于ADAMS實現(xiàn)了對制動機構(gòu)連桿和制動桿的優(yōu)化設(shè)計，并對其原有氣壓回路進行改進。經(jīng)實踐表明，改進后的電機車制動時間和制動距離得到明顯減少，對提高綜采工作面的生產(chǎn)效率和安全性具有現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：電機車，制動，安全，效率

引言

為了確保電機車在綜采工作面的安全性和穩(wěn)定性，對電機車相關(guān)性能提出了具體要求。其中，對于電機車制動性能，根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定要求當運輸物料時制動距離不得超過40m，當運輸作業(yè)人員時制動距離不得超過20m[1]。經(jīng)調(diào)研可知，當前應(yīng)用于綜采工作面的電機車普遍存在制動距離超限的問題。此外，在實際生產(chǎn)中一味地追求電機車的安全運行往往犧牲了電機車的運行速度和牽引重量，導致無法充分發(fā)揮其運輸能力。因此，需對當前電機車的制動機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，在充分發(fā)揮其運輸能力的前提下使其制動性能符合相關(guān)規(guī)程要求。

1電機車制動原理分析

本文所研究的電機車的制動方式為氣動制動，其結(jié)構(gòu)主要包括制動閘和制動操縱機構(gòu)。在實際操作中可通過手動和氣動兩種方式[2]進行。其中，手動方式通過塌下腳閘閥控制換向閥，使氣缸推出活塞桿實現(xiàn)設(shè)備制動；氣動方式通過智能控制方式實現(xiàn)對換向閥的自動控制實現(xiàn)設(shè)備制動。

電機車氣動控制主要經(jīng)歷了制動系統(tǒng)反應(yīng)過程、制動閘瓦作用過程、持續(xù)制動過程以及停止制動四個過程。為了解決制動距離超限的問題，其關(guān)鍵問題是如何縮小電機車的制動距離。因此，本文所研究的對煤礦電機車制動機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計的主要目標就是縮短電機車的制動時間，從而達到縮短制動距離的目的。經(jīng)研究可知，電機車的制動性能、作業(yè)人員的熟練程度以及電機車軌道的質(zhì)量決定其制動時間。本文將從優(yōu)化電機車制動性能的角度實現(xiàn)對電機車的優(yōu)化設(shè)計。

2電機車制動機構(gòu)優(yōu)化理論分析

電機車制動機構(gòu)優(yōu)化的主要目的是解決當前制動距離超限的問題。而制動距離超限問題的解決需從根本上縮短電機車的制動時間。在一定程度上制動時間的大小與電機車在制動過程中減速度的大小相關(guān)。

2.1電機機制動過程減速度模型

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

2.2制動距離模型

電機車在實際制動過程中主要包括兩個階段，分別為制動空行程時間和實際制動時間[3]。其中，制動空行程時間為當需制動時，閘瓦與車輪未接觸的一段時間，電機車以原速度運行的時間；實際制動時間為從閘瓦與車輪接觸開始至電機車完全停止的這段時間。因此，實際電機車的制動距離模型包含了兩部分，v為電機車制動操作前的速度；t為制動空行程時間；a'為電機車制動空行程減速度。綜合上述兩個模型的分析可知，在實際生產(chǎn)中可通過減小電機車自重和黏重，并從材料的角度選擇相互匹配的閘瓦和連桿操縱機構(gòu)等方面實現(xiàn)對制動機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。

3電機車制動機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

經(jīng)對現(xiàn)有電機車制動機構(gòu)的研究分析可知，當前電機車制動連桿機構(gòu)的效率較低，且其輸出的制動力不穩(wěn)定，導致電機車的制動時間和制動距離延長，從而降低了電機車制動性能。如圖1所示為連桿制動機構(gòu)的平面示意圖。

電機車在制動過程中制動力是依靠其前后制動桿連接閘瓦對輪對施加相應(yīng)的壓力，此壓力直接決定了所產(chǎn)生的制動力。提高制動機構(gòu)的制動力可以有效縮短制動時間。因此，針對電機車制動機構(gòu)的優(yōu)化可通過提高制動連桿機構(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軟件實現(xiàn)對電機制動機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。首先，對影響制動機構(gòu)性能變量的敏感度進行分析；其次，根據(jù)敏感度分析結(jié)果對關(guān)鍵影響變量進行優(yōu)化設(shè)計，具體步驟為根據(jù)實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變量的變化范圍，調(diào)整各個變量的取值當接觸力為最大時即可。

A點和B點坐標，即連桿和制動桿的尺寸為影響電機車制動性能的關(guān)鍵。因此需對A點和B點的坐標進行優(yōu)化。A點坐標原為（88，330），B點坐標原為（241.25，319）。經(jīng)優(yōu)化后可知，當A點坐標為（93.480，314.743）、B點坐標為（231.748，328.262）時閘瓦對輪對的接觸應(yīng)力為最大，此時的制動力也為最大。將上述優(yōu)化的尺寸應(yīng)用于實際工作中，并將制動機構(gòu)優(yōu)化的電機車應(yīng)用于實際生產(chǎn)中，經(jīng)對比可知，優(yōu)化后的制動機構(gòu)其制動距離和制動時間均得到明顯減少，具體減少量。對煤礦電機車的制動機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計后，不同初始速度、不同工況下制動距離和制動時間均得到明顯減少，說明本次優(yōu)化設(shè)計的可行性和有效性。

此外，對制動機構(gòu)機械結(jié)構(gòu)的改進不能從根本上解決縮短其空行程運行時間。因此，除了上述優(yōu)化設(shè)計還需采取相應(yīng)措施對其制動反應(yīng)靈敏度進行改進，從根本上縮短空行程時間。具體改進方案為對原有制動系統(tǒng)的氣壓回路進行改進，通過無線遙控功能實現(xiàn)對氣壓回路的控制，取代原有人工控制氣壓回路的操作，實現(xiàn)電機車智能剎車的功能，從而從根本上縮短空行程時間。

4結(jié)語

煤礦電機車作為綜采工作面煤炭生產(chǎn)的關(guān)鍵運輸設(shè)備，其運行的穩(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。在電機車的實際運行中需根據(jù)綜采工作面的實際情況對制動機構(gòu)中的連桿和制動桿進行優(yōu)化改進，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，以提高電機車的反應(yīng)靈敏度，從而達到縮小空行程時間、提高制動力的目的，從根本上解決制動距離超限的問題。

參考文獻：

[1]張懷亮，公衍軍.基于ADAMS的礦用電機車制動系統(tǒng)建模及仿真[J].礦山機械，2008（11）：32-34.

[2]程安寧.電機車的制動及其防抱制動系統(tǒng)[J].起重運輸機械，2003（7）：10-12.

[3]陳光寅.底卸式礦車最佳卸載軌道的研究[J].煤炭工程，1982（11）：35-39.

[4]于學謙.架線式電機車的制動問題[J].煤炭科學技術(shù)，1988（2）：36-38.

作者：李偉 單位：西山煤電西銘礦運輸區(qū)