引言

現(xiàn)今煤炭行業(yè)飛速發(fā)展,煤礦井下運(yùn)輸壓力上升,電機(jī)車運(yùn)輸是煤礦井下有軌運(yùn)輸極其重要的組成部分,負(fù)責(zé)礦石、材料和人員的運(yùn)轉(zhuǎn)?！睹旱V安全規(guī)程》對(duì)電機(jī)車進(jìn)行物料運(yùn)輸或人員運(yùn)輸?shù)闹苿?dòng)距離有明確規(guī)定,因此,礦用電機(jī)車中制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)性能對(duì)其安全運(yùn)行及運(yùn)輸效率至關(guān)重要。現(xiàn)有電機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)一般是利用液壓或者氣壓制動(dòng),該制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜煩瑣、不易安裝、后期維護(hù)成本較高,管道中氣壓或液壓壓力上升與下降較慢,空行程較長,制動(dòng)時(shí)間滯后,空駛距離與停車距離加長,影響行車安全。在煤礦井下實(shí)際運(yùn)輸過程中,電機(jī)車多存在制動(dòng)距離超限等問題,因此,有必要對(duì)電機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。為解決礦用電機(jī)車制動(dòng)距離超限等問題,消除液壓與氣壓制動(dòng)的缺點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種電機(jī)車電動(dòng)推桿制動(dòng)系統(tǒng)。

20世紀(jì)90年代之前,國內(nèi)機(jī)械行業(yè)選用執(zhí)行結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)優(yōu)先考慮氣缸、液壓缸;90年代后期,電動(dòng)推桿這種電動(dòng)直線傳動(dòng)設(shè)備慢慢被國內(nèi)機(jī)械技術(shù)人員所了解和使用,這要?dú)w因于進(jìn)口設(shè)備的引入和國外技術(shù)的吸收和引進(jìn)。因?yàn)殡妱?dòng)推桿結(jié)構(gòu)簡單,不需要相應(yīng)的氣源、液壓源等額外動(dòng)力設(shè)備,響應(yīng)迅速,操作及維修簡易,自鎖性能優(yōu)于氣缸、液壓缸,所以得以廣泛應(yīng)用。由此,基于電動(dòng)推桿原理及特點(diǎn),將電動(dòng)推桿應(yīng)用于煤礦井下電機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)。

1防爆電動(dòng)推桿原理及特點(diǎn)

1.1防爆電動(dòng)推桿的原理

電動(dòng)推桿又稱直線驅(qū)動(dòng)器,當(dāng)馬達(dá)通過齒輪或其他變速機(jī)構(gòu)減速時(shí),啟動(dòng)絲桿副,從而將螺旋動(dòng)作轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)。推桿的伸縮動(dòng)作可通過發(fā)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)完成,可作為在各種機(jī)械設(shè)備中的執(zhí)行機(jī)制。限位保護(hù)和過載保護(hù)則由電動(dòng)推桿本身完成。電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)帶動(dòng)蝸桿軸承也做相應(yīng)旋轉(zhuǎn),而蝸桿軸承則推動(dòng)蝸輪機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn),從而驅(qū)動(dòng)蝸輪機(jī)構(gòu)中的絲桿來進(jìn)行軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng),當(dāng)絲桿運(yùn)動(dòng)到固定位置時(shí),調(diào)整螺絲通過驅(qū)動(dòng)限位開關(guān)桿壓下微動(dòng)行程控制器,關(guān)閉電源,電機(jī)停止運(yùn)行,從而完成限位保護(hù)功能。過載保護(hù)裝置則位于電動(dòng)推桿內(nèi)部,當(dāng)推桿進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)時(shí),達(dá)到長行程控制器設(shè)定的限制位置或達(dá)到電動(dòng)推桿額定推力值,電動(dòng)推桿自行停止,并由此進(jìn)行過載保護(hù),電動(dòng)推桿才不致于因過載而受損。

防爆電動(dòng)推桿整體結(jié)構(gòu)如圖1所示,其設(shè)計(jì)符合《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定,可應(yīng)用在礦用電機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)中。防爆電動(dòng)推桿整體主要由進(jìn)線口、出線口、煤礦安全標(biāo)志、安裝底板、銘牌安裝板、推桿軸、推桿等組成。

1.2防爆電動(dòng)推桿的特點(diǎn)

(1)結(jié)構(gòu)簡單緊湊:防爆電動(dòng)推桿結(jié)構(gòu)緊湊,體積較小,作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝于其他設(shè)備上較方便。

(2)性價(jià)比高:防爆電動(dòng)推桿整機(jī)成本低,省電效益好,在同等條件下與氣動(dòng)和液動(dòng)機(jī)構(gòu)相比,省去了不少復(fù)雜管路,因此可大幅降低生產(chǎn)成本。

(3)易控制:防爆電動(dòng)推桿易于遠(yuǎn)程控制,有利于實(shí)現(xiàn)電機(jī)車無人駕駛。

(4)高負(fù)載:螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是防爆電動(dòng)推桿的主要支撐機(jī)構(gòu),可以為電機(jī)車提供足夠的制動(dòng)力。

(5)高速度:防爆電動(dòng)推桿不需要液體或氣體作為媒介,響應(yīng)快,減少了電機(jī)車制動(dòng)空行程,提高了制動(dòng)性能。

(6)高精度:防爆電動(dòng)推桿內(nèi)部減速機(jī)構(gòu)為齒輪減速,精度較高。

基于以上特點(diǎn),將防爆電動(dòng)推桿應(yīng)用在礦用電機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)上,具有其他執(zhí)行裝置難以比擬的優(yōu)越性,具有極好的使用價(jià)值。本文結(jié)合電動(dòng)推桿的機(jī)械原理與特點(diǎn),分析電機(jī)車制動(dòng)原理,設(shè)計(jì)出電機(jī)車電動(dòng)推桿制動(dòng)系統(tǒng)。

2電機(jī)車制動(dòng)原理

2.1電機(jī)車受力分析

電機(jī)車制動(dòng)是依靠制動(dòng)系統(tǒng)閘瓦與車輪之間的摩擦力產(chǎn)生的制動(dòng)力矩,該制動(dòng)力矩與車輪前進(jìn)方向相反,同時(shí)軌道對(duì)車輪施加正壓力與切向力,切向力是制動(dòng)力。對(duì)電機(jī)車車輪進(jìn)行受力分析,得制動(dòng)力方程為:

式中:m為電機(jī)車質(zhì)量(kg):w為電機(jī)車運(yùn)行速度(m/s):F為電機(jī)車制動(dòng)力(N),制動(dòng)力的大小取決于電機(jī)車重量、電機(jī)車運(yùn)行軌道坡度等因素:G為電機(jī)車所受重力(N):9為軌道坡度(°)。

2.2電機(jī)車制動(dòng)減速度分析

電機(jī)車制動(dòng)距離與制動(dòng)時(shí)間的長短取決于電機(jī)車制動(dòng)過程中減速度的大小?？偨Y(jié)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)得電機(jī)車制動(dòng)期間減速度a方程為:

式中:a為電機(jī)車制動(dòng)時(shí)減速度(m/s2):F為電機(jī)車制動(dòng)力(N):P為電機(jī)車車重(kg):0為電機(jī)車粘著質(zhì)量(kg),粘著系數(shù)取0.3:u為阻力系數(shù):9為煤礦井下軌道坡度(o):g為重力加速度(m/s2):y為慣性系數(shù),取值0.07。

由公式可知,電機(jī)車減速度取決于電機(jī)車制動(dòng)力、質(zhì)量及阻力系數(shù)等因素。

2.3電機(jī)車制動(dòng)距離分析

煤礦井下電機(jī)車制動(dòng)分為兩個(gè)階段:(1)制動(dòng)空行程階段:(2)實(shí)際制動(dòng)階段[2]。制動(dòng)空行程階段,閘瓦與車輪未發(fā)生接觸,電機(jī)車速度沒有改變,空行程階段較長,危害極大:實(shí)際制動(dòng)階段,閘瓦與車輪接觸,直到電機(jī)車完成制動(dòng)。以上述理論為基礎(chǔ),得電機(jī)車制動(dòng)距離方程為:

式中:s為電機(jī)車制動(dòng)距離(m):w為電機(jī)車運(yùn)行速度(m/s):l為空行程階段時(shí)間(s):b為空行程階段減速度(m/s2):s為空行程階段運(yùn)行距離(m)。

由此可知,縮短電機(jī)車制動(dòng)空行程階段對(duì)減小電機(jī)車制動(dòng)距離至關(guān)重要。

由上述分析得到電機(jī)車的制動(dòng)原理(受力分析、制動(dòng)減速度、制動(dòng)距離),基于該原理設(shè)計(jì)電機(jī)車電動(dòng)推桿制動(dòng)系統(tǒng)。

3電機(jī)車電動(dòng)推桿制動(dòng)系統(tǒng)

3.1制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電動(dòng)推桿制動(dòng)系統(tǒng)主要由防爆電動(dòng)推桿、制動(dòng)杠桿、前支撐板、后支撐板、前閘瓦、后閘瓦、連接桿等組成,其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。電機(jī)車制動(dòng)時(shí),防爆電動(dòng)推桿做直線運(yùn)動(dòng),推動(dòng)制動(dòng)杠桿依靠固定在車架上的支撐板擺動(dòng),至閘瓦緊壓車輪接觸面,閘瓦與車輪之間的摩擦力產(chǎn)生制動(dòng)力矩。電機(jī)車啟動(dòng)時(shí),防爆電動(dòng)推桿收回,帶動(dòng)制動(dòng)杠桿在支撐板的支撐下擺動(dòng),擺動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)閘瓦與車輪的斷開,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)車輪的制動(dòng)解除。工作過程為:駕駛員反應(yīng)動(dòng)作二電動(dòng)推桿動(dòng)作二閘瓦動(dòng)作二持續(xù)過程動(dòng)作二制動(dòng)(解除制動(dòng))動(dòng)作。

3.2電機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)控制原理

電機(jī)車駕駛員在駕駛室使用操作臺(tái)對(duì)電機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行集中控制,依據(jù)現(xiàn)實(shí)需求,實(shí)現(xiàn)電機(jī)車一鍵啟動(dòng)和一鍵制動(dòng)功能,其控制原理圖如圖3所示。當(dāng)電機(jī)車需要啟動(dòng)時(shí),駕駛員按下啟動(dòng)按鍵,電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩消除,防爆電動(dòng)推桿向后收回,電機(jī)和車輪制動(dòng)解除,此時(shí)電機(jī)啟動(dòng),電機(jī)車啟動(dòng)。當(dāng)電機(jī)車需要制動(dòng)時(shí),駕駛員按下制動(dòng)按鍵,電機(jī)電源關(guān)閉,同時(shí)電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩生成,防爆電動(dòng)推桿頂桿伸出,電機(jī)和車輪實(shí)現(xiàn)制動(dòng),電機(jī)車快速精確停車。

4電動(dòng)推桿制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)電機(jī)車無人駕駛技術(shù)的意義

要減少司機(jī)與護(hù)航人員,提高礦井生產(chǎn)物料的轉(zhuǎn)運(yùn)效率,減少或避免煤礦生產(chǎn)重大運(yùn)輸安全事故,提高礦井生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)男畔⒒?、自?dòng)化、無人化水平,實(shí)現(xiàn)井下電機(jī)車的無人駕駛是前提條件。"十三五"規(guī)劃在"十二五"規(guī)劃的基礎(chǔ)上,將對(duì)煤礦生產(chǎn)中各個(gè)方面能力和技術(shù)提升的要求,轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)合現(xiàn)代頂尖技術(shù)建立無人礦山的新要求,要求為實(shí)現(xiàn)無人礦山提高技術(shù)研究水平。我國還在強(qiáng)國戰(zhàn)略《中國制造2025》中對(duì)煤礦生產(chǎn)做出要求,即在煤炭開采這一制造業(yè)中,需要與現(xiàn)代高新技術(shù)進(jìn)行深度融合,加快采礦技術(shù)的研究應(yīng)用,打造智慧煤礦和無人礦山。

電動(dòng)推桿內(nèi)部采用電機(jī)作為動(dòng)力機(jī)構(gòu),具有精度高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)一鍵啟動(dòng)和一鍵制動(dòng),由此可見電動(dòng)推桿制動(dòng)系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程駕駛,駕駛員在調(diào)度中心就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)車安全駕駛,大大減少了安全隱患。而遠(yuǎn)程駕駛是無人駕駛的基礎(chǔ),遠(yuǎn)程駕駛的實(shí)現(xiàn)是無人駕駛實(shí)現(xiàn)的重要一步,由此可見,電動(dòng)推桿制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)于電機(jī)車無人駕駛技術(shù)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。

5結(jié)語

傳統(tǒng)礦用電機(jī)車一般采用液壓或氣壓制動(dòng),通過對(duì)傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析,本文提出了一種通過電動(dòng)推桿進(jìn)行制動(dòng)的電機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng),以電動(dòng)推桿作為動(dòng)力源的制動(dòng)系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn),如性價(jià)比高、無復(fù)雜管路等。依據(jù)電動(dòng)推桿機(jī)械原理,建立防爆電動(dòng)推桿整體模型,提出電機(jī)車制動(dòng)原理,設(shè)計(jì)電機(jī)車電動(dòng)推桿制動(dòng)系統(tǒng),并分析其制動(dòng)過程,以實(shí)現(xiàn)一鍵啟動(dòng)與一鍵制動(dòng)。該系統(tǒng)在滿足煤礦井下電機(jī)車生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)那疤嵯?能夠減員增效,大幅度提高電機(jī)車的安全性能。