异形轨卡轨车紧急制动系统设计

李建志

（山西汾西矿业集团柳湾煤矿， 山西 孝义 032300）

引言

目前，我国煤矿井下辅助运输以轨道运输为主，轨道除了需要支承车体重量，在发生跑车、断绳时还需要与制动器配合作用实现紧急制动，同时还需要能实现可靠卡轨防止翻车、掉道等危险事故[1-2]。随着综采设备的吨位不断增大，对地轨轨道的承载能力提出了新的要求，要求轨道有良好的承载能力，轨道车辆能够实现可靠、稳定的紧急制动和卡轨等功能。基于SMJ异形轨在上述各个方面的良好性能，本文选用SMJ系列异形轨作为研究紧急制动系统的轨道。

1 卡轨车动态稳定性分析

轨道辅助运输设备的动态稳定性直接影响着设备的安全靠性。如果卡轨车的动态稳定性差，最直接的后果就是机车脱轨掉道或者机车紧急制动时发生倾翻[3]。以柴油机卡轨机车为例，机车动态稳定性采用安全系数校核法来衡量，安全系数Sq定义为：

式中：Q为制动时车轮轴承受的垂直轨道面的支撑力；Q0为轨车在水平轨道表面静止不动时，车轮轴承受的支撑力。

当Sq数值越大，表明动态稳定性越好。Sq的数值小于1时，系统处于不稳定状态，极易发生脱轨掉道、侧翻、倾翻事故。欧洲国家普遍采用Sq=1.3作为标准安全系数。影响卡轨车稳定性的因素有很多，主要从横向稳定性和纵向稳定性两个方面进行分析。

1.1 横向稳定性

如图1所示为卡轨车牵引车在横向平面内的受力简图。

当卡轨车在平直轨面上运行时，理想条件下，支撑力N1、N2是一对平衡值，其数值大小由机车重力W和重心位置e决定。但是如果平直的轨道局部出现底鼓，轨道接头部分出现上下位置偏差，同时机车又处于高速运行状态下，此时的轮轴支撑力会瞬间达到峰值，导致一侧车轮处于“失力”状态，引发脱轨掉道事故。另外，如果机车转向结构对轨道变化的适应能力差，水平推力B1或B2中的一个力足够大时，就会出现轮缘的爬轨现象，增加了掉道的可能性。

图1 轨车横向平面受力简图

当机车在弯轨运行时，侧翻力矩来源于运动离心力P，侧翻力矩的大小与速度的平方、重心高度成正比，与轨道半径成反比[4]。煤矿辅助运输中，卡轨车重心一般比较低，轨道半径也越来越大，所以行驶速度是主要因素。

1.2 纵向稳定性

卡轨车的纵向稳定性就是机车在运行方向上的稳定性。将机车位于斜坡上、带有载荷的下行运动作为分析目标，此时的动态稳定性表现最为薄弱，如下页图2所示为卡轨车纵向平面受力简图。

分析计算可得后轮支撑力：

得到后轮支撑力，可得前轮支撑力：

根据公式（1），可以得到前后轮的安全系数公式：

图2 卡轨车纵向平面受力简图

对于采用制动靴压轨轨面上表面、依靠车身重力产生制动力的卡轨车而言，人们容易片面增大制动器弹簧力以增大制动力，减少制动距离。但是根据公式（2）—（5）可以看出，随着正压力Z的增大，前后轮的安全系数Sq不断减小，对卡轨车安全稳定性的副作用是极为明显的。

卡轨车减速度在卡轨车下坡运行过程中起着重要作用。实际情况中常常会出现较大的f值，产生很大的动态力和F，从而导致倾翻力矩的增大。

可以看出，紧急制动器不仅需要有合理可靠的结构，还有需要有安全稳定的控制系统，这就对矿用异形轨紧急制动系统提出了更高的要求。

2 新型制动器方案设计

2.1 制动器制动原理

矿用轨道运输车辆的制动原理主要普轨压轨制动和槽钢轨、普轨卡轨制动两种类型。压轨制动的制动力由车身自重产生，制动力有限。卡轨制动的制动力由弹簧产生，制动力大。根据前文所述，现有的卡轨车辅助运输都无法满足紧急制动系统设计原则，本文确定选用SMJ系列异形轨作为研究紧急制动系统的轨道。

紧急制动系统制动装置布置在独立车辆上，称之为制动车。制动装置分为两组布置，制动车前后各一组。常见的制动车压轨制动原理图如图3所示。卡轨车行驶状态下，液压缸充压，克服弹簧力使制动缸上升，高于轨面。制动时，液压系统卸压，制动缸在弹簧力作用向下移，与轨面接触产生摩擦力，制动力大小取决于机车自重。

图3 制动原理图

2.2 液压系统设计

针对紧急制动液压系统上述特点，本文设计出与之配套的液压系统，如图4所示。

图4 液压系统原理图

2.2.1 松闸复位

制动车松闸复位时，滚轮换向阀和手动换向阀均接入左位，切断制动液压缸与油箱的油路。转动手动液压泵将油液通过单向阀压入制动液压缸的有杆腔内，推动活塞向无杆腔移动，同时带动与活塞杆头部和制动缸液压缸底部相连接的制动弹簧压缩，由于上、下制动闸靴的制动弹簧的底部与车身焊接在一起无法移动，因此制动弹簧就会随活塞杆的移动而缩短，实现上制动闸靴上移、下制动闸靴下移。当压力表的数值达到设定值时，松闸复位过程结束。单向阀和蓄能器起到保压作用，维持系统压力恒定。

2.2.2 紧急制动

当卡轨车需要紧急制动时，人工操作手动换向阀接入右位，或者离心式限速器自动检测超速行驶触发行程开关，使滚轮换向阀接入右位，制动液压缸通过节流阀与油箱连通进行快速卸荷，此时，制动液压缸所压缩的制动弹簧快速释放，将上制动闸靴压下、下制动闸靴提起，接触摩擦产生动摩擦力实现制动。通过改变节流阀阀口通流面积的大小来控制活塞杆运动速度的大小，减小卸荷回路中因缺少回油背压而产生的振动，实现快速稳定的卸荷。

2.3 离心式限速器结构设计

离心式减速器是卡轨车紧急制动系统中重要的部件，图5是离心式限速器的结构简图[6]。离心式减速器主要由压缩弹簧、转动轴、滑块、滑动轴等组成。转动轴的一端与取速轮连接，另一端固定于离心式限速器外壳，离心式限速器的转速取决于卡轨车的速度。离心式限速器共有两个滑块，其中一个滑块可以沿着滑动轴滑动，另一个滑块通过圆锥销与滑动轴连接在一起[4-5]。通过调整垫圈的位置，可以调节压缩弹簧的压缩量。离心式释放器转速较低时，滑块离心力小于向心力，滑动轴无法深处。向心力主要由弹簧力和滑块、滑动轴的重力分量组成。当卡轨车超速行驶时，离心式释放器转速超过设定值，滑块离心力大于向心力，滑块带动滑动轴伸出壳体，触碰挡块，触发滚轮换向阀换向动作，实现紧急制动。

离心式限速器的特点：离心式限速器只在卡轨车超速行驶时才动作；需要根据不同的实际工况，对离心式限速器设定值进行调定；动作速度误差不大于±5%，动作灵敏可靠、造价低、维修方便、满足防爆要求。

图5 离心式限速器结构简图

3 结论

根据制动系统的设计原则设计的基于异形轨的紧急制动系统，其制动器可以避免与轨道干涉，实现可靠的抱轨制动。根据紧急制动液压系统的特点，基于失效安全型制动器设计的紧急制动液压系统，采用液压、弹簧储能，可以实现自动控制和手动控制，自动控制由离心式限速器触发。