矿用防爆车辆智能稳速联合制动系统技术研究

韦建龙

(中国煤炭科工集团太原研究院，山西 太原 030006)

矿用防爆车辆具有高机动性、高效和减人化的优势成为我国大采深煤矿辅运领域的主力军，其高机动性决定了防爆车辆具有适用于长距离运输锚杆、锚网等支护设备以及各种辅料的能力，同时车辆全液压湿式制动系统为煤矿物料运输、人员生命的安全提供有效保障，确保了煤矿的安全、高效生产[1-5]。

1 大坡度长距离辅运巷道运输工况概述

随着我国井工煤矿进入深部开采，辅运巷道呈现出长距离大坡度的特性，山西、陕西、内蒙古等地区部分矿井辅运巷道坡度达到8°左右，局部巷道甚至出现16°的大坡度巷道条件[6]：如山西锦兴能源有限公司肖家洼煤矿长3100m，平均坡度8°的长距离坡道[7]；同煤集团同忻煤矿两段坡度为6°，长度分别为3000m和2300m坡道，坡道间隔仅为150m，等同于5300m的6°连续长距离坡道。

2 车辆坡道行驶制动分析

车辆下坡行驶时，当轮胎运动趋势转速低于传动轴转速，车辆下行动力由发动机和位置势能分量共同提供，车辆速度逐渐增快；当轮胎运动趋势转速高于传动轴转速，车辆发动机处于跟随被动转动状态，由于发动机的摩擦、惯性等因素，发动机处于反拖制动状态[8-10]，阻止车速的增加，车辆减少的位置势能持续转化为车辆的坡道下行动力，产生一个方向与车辆下行方向相同的加速度，车辆坡道示意及受力分析如图1所示。在加速度的作用下，车辆下坡动能持续增加，速度越来越快，为确保车辆行驶安全，驾驶人员需要不断踩踏行车制动踏板进行高频次点刹制动，确保降低车辆行驶速度不超过安全行驶速度范围。车辆长时间高频次点刹制动，不断消耗制动蓄能器预充制动能量，液压制动系统需要频繁充液补充制动蓄能器中的储备制动能量，导致系统油液温度急速上升，油液泄漏增加原件磨损加剧，制动过程频发制动力不足、响应慢、车辆失速危险性高的安全隐患[11]；此外，车辆在坡道不实施紧急制动时，多次点刹制动引起车辆频繁起停既造成能量浪费，又使得驾驶人员多次在油门踏板和制动踏板切换操作易导致驾驶疲劳[12，13]，增加车辆发生安全事故的危险性。

图1 车辆坡道示意图及受力分析图

3 矿用车辆传动系统简介

矿用车辆复杂的使用环境和特殊使用工况决定了车辆自身质量大、惯性大、车辆启动、制动惯性负载大的特性，这就要求车辆既要有足够的启动力矩又要有可靠的制动性能。为了增大转矩提升车辆性能，矿用车辆传动系统中增加了液力变矩器、变速箱等部件，车辆传动系统原理如图2所示。

图2 车辆传动系统原理示意图

液力变矩器是由泵轮、涡轮、导轮组成的液力元件，以液压油为工作介质，起传递转矩、变矩、变速及离合器的作用。发动机驱动液力变矩器泵轮旋转，泵轮输出高速液体推动涡轮转动将发动机的动力分别传递给变速箱、液压泵和循环泵，变速箱通过传动轴将动力传递给驱动桥，通过半轴等最终将发动机输出部分动力传递给驱动轮，驱动轮转动驱使车辆行驶。

由于液力变矩器泵轮和涡轮之间为软连接，当车辆行驶阻力很大时，变矩器泵轮输出的高速液压油动能无法克服阻力驱动变矩器涡轮旋转，发动机输出能量最终全部转化为热能损失，导致变矩器内油温急速上升，造成变矩器高温烧结损坏；车辆长距离大坡度工况时，降低发动机输出，变矩器泵轮与发动机固定连接，跟随发动机降低转速，涡轮与变速箱、驱动桥固定连接，随着车辆下坡动能持续增加，速度持续加快，当涡轮转速超过泵轮转速时，变矩器涡轮转换为泵轮，反向驱动泵轮，由于发动机输出转速低，因此由涡轮流向泵轮高速液体能量同样以热量的形式强制损失，最终变矩器烧结损坏，因此长距离下坡过程中必须通过制动系统进行高频次点刹制动，配合降低发动机输出实现整车速度控制，禁止单一采用降低发动机输出强行制动。

4 智能稳速联合制动系统

4.1 系统原理

矿用车辆制动系统是车辆行驶安全的重要保证，改善车辆的制动性能是提高矿用车辆安全性能的关键因素[14]。车辆智能稳速联合制动系统在基于矿用车辆常规全液压湿式制动系统原理的基础上，设计研发的一套智能电控联合制动系统。长距离大坡度行驶时，开启主机，系统自动检测车速，输出电信号驱动电磁阀控制联合制动器作用，为整车提供制动力矩确保车辆安全行驶；平路工况时，关闭主机，系统停止工作，不影响车辆平路行驶。系统主要由速度传感器、压力传感器、液压感载阀、联合制动蓄能器、数据采集主机、显示器、数据处理器、防爆电磁阀、动力切断阀、联合制动器以及冷却系统组成，系统原理如图3所示。

图3 系统原理图

4.2 系统功能分析

车速传感器固定在轮边驱动轴上测定轮边转速，产生脉冲信号发送至数据采集主机，主机将脉冲信号转化为数据信号后发送给显示器和处理器，显示器在其界面上显示当前车速，处理器将该信号数值与预先设定值进行比较运算，根据运算结果自主判断是否向主机发送指令信号，电信号传递如图4所示。

图4 电信号传递图

当运算结果为正，说明当前车速低于预先设定安全车速，该条数据信息被储存，处理器不发送指令信号；当运算结果为负，说明当前车速高于预先设定安全车速，处理器向主机发送反馈指令信号，主机接收到反馈指令信号后输出电信号驱动防爆电磁阀动作，联合制动蓄能器中制动油液通过防爆电磁阀进入联合制动器，联合制动器制动，车辆在联合制动器的作用下逐渐减速，当车速传感器检测车速低于设定安全车速时，处理器停止发送指令信号，主机停止输出电信号，防爆电磁阀在弹簧力的作用下复位，关闭联合制动器制动油液供给，制动器活塞腔油液通过防爆电磁阀回到液压油箱，联合制动器解除制动，动力切断阀关闭，变速箱恢复动力输出，整车进入安全车速行驶状态。

4.3 系统元件匹配

以某型矿用胶轮车为例：满载质量12×103kg，轮胎滚动半径0.47m，巷道坡度8°，满载车辆井下坡道安全行驶速度不大于15km/h[15]。

用蓄能器储存能量作为二次动力源，取代液压泵做临时动力源在制动过程中提供高压制动液，可减短液压泵工作时间，提高了系统节能性[16，17]。由于矿用车辆制动系统长时间、高频次特性，因此，选用囊式蓄能器具有更佳效果；防爆电磁阀用于控制联合制动器活塞腔高压制动液的通断。电磁阀的控制信号来自主机，电磁阀线圈0～2A的控制电流对应电磁阀输出压力0～3.5MPa，主机根据接收感载阀反馈的前、后桥实际载荷分布分别向前、后桥电磁阀输出不同大小的控制电流，确保前、后制动器提供与实际载荷相匹配的制动力矩，实现制动能量分配最优化，提高系统能量利用率，减少能量损失[18，19]；车辆坡道行驶时，联合制动系统根据车辆行驶速度为整车提供制动力矩，控制车速在安全行驶车速。因此在车辆坡道长时间下行过程中需要对联合制动器配置冷却系统进行冷却散热，降低系统的温升；动力切断系统实现整车制动过程特定工况下切断变速箱动力输出的功能，既保护传动系统同时可以有效减缓制动系统工作负荷。动力切断系统由变速箱压力切断阀、梭阀及压力检测阀组成。车辆制动时，驾驶人员综合车速、车辆载荷以及行驶路况后给定制动阀踏板一个行程，制动阀输出与之相应的制动压力，整车在制动器的制动作用下减速，压力检测阀时时检测制动阀输出的制动压力值，当该压力值超过某一特定数值后(系统设置为2.4MPa)，说明此时车辆行驶速度较快、载荷较大，需要较大的制动压力进行制动减速，压力检测阀关闭，不输出压力信号，变速箱压力切断阀关断，变速箱无动力输出，此时制动系统只需对整车惯性状态制动，有效减缓制动系统工作负荷。

5 制动系统坡道试验

5.1 试验条件

通过分析可知影响车辆坡道下行速度的主要因素是巷道坡度大小和车辆载荷状态，为了增加地面模拟实验与井下运行工况的契合性，在地面选取8°水泥硬化路面坡道作为试验坡道，用配重块替代煤矿辅料作为载荷进行满载加载，结合模拟试验场地特点，设计整车坡道试验条件，见表1。

表1 试验条件

试验过程中用测速仪对车辆行驶速度进行监测，用点温计检测车辆联合制动器及轮边温度，温度检测实行跑和里程累计法。

5.2 试验结果分析

试验过程中，测速仪显示满载车辆坡道下行车速基本控制在15km/h以下，证明该套矿用车辆智能稳速联合制动系统能够有效地解决大坡度、长距离工况下车辆失速危险性高的安全隐患，联合制动器制动过程中驾驶人员未感觉到车辆出现急停、车速剧烈变化、车辆斜行等状况；用点温计分别在不同跑合里程测量记录轮边温度值及联合制动器表面温度值，绘制温度-里程曲线分别如图5、图6所示。

图5 轮边温度坡道测试曲线图

图6 制动器温度坡道测试曲线图

车辆坡道稳速下行时，在联合制动器摩擦片的阻尼作用下，减少的位置势能基本以热能的形式损耗，因此必然会引起制动器温度上升，测量数值最高接近90℃，加装冷却系统的联合制动车辆制动器温度达到热平衡状态时仅有50℃左右，该温度值完全处于液压系统正常工作范围之内，解决了液压系统油液温度骤升，油液泄漏增加原件磨损、制动过程频发制动力不足、响应慢的安全隐患。

6 结 语

通过分析矿用车辆在长距离、大坡度巷道的运行状态，提出了一种智能稳速联合制动系统，并在地面进行了井下工况模拟试验。试验表明：该系统能够稳定将车辆坡道车速控制在15km/h以下，有效避免了车辆下坡过程中的驾驶人员高频次点刹制动，制动系统频繁充液导致系统油液温度急速上升，油液泄漏增加、制动力不足、原件磨损加剧、响应慢的安全隐患，提高了矿用车辆驾驶员生命安全保障，降低车辆故障率和维修成本，顺应了煤矿“高产高效，绿色发展”的发展趋势。