防爆胶轮车全液压制动系统的设计研究
摘要：根据煤矿井下的使用工况和特点，结合防爆胶轮车全液压制动系统的性能特点和工作原理，研究了制动系统的计算及匹配设计，使用理论计算和试验验证相结合的方法证明了该系统的安全性和可靠性，完全满足防爆胶轮车在井下使用的特殊要求，成为车辆安全行驶的重要保障。
关键词：全液压制动系统；封闭湿式多盘制动器；设计；
前言
随着无轨辅助运输在煤矿井下应用的范围和使用数量日趋扩大，防爆胶轮车的安全问题成为设计工作的重中之重。针对煤矿井下使用环境的特殊性，要求防爆胶轮车制动系统必须安全、可靠并具有防爆性。全液压制动系统配备封闭式湿式多盘制动器的成功应用，成为防爆胶轮车在煤矿全面推广的有力保证。
一、防爆胶轮车全液压制动系统组成及工作原理
1.全液压制动系统包括动力源、传动装置、控制元件和制动执行元件四部分。动力源即供能装置，可通过液压泵、充液阀向蓄能器供油积蓄能量;制动踏板控制的压力油通过传动装置传递给制动执行元件;控制元部件可实现踩踏板控制信号与阀制动信号的转换;制动执行元件即制动器，将传动装置传来的动力转换成实施制动的摩擦力矩。全液压制动系统分为工作制动、紧急制动及驻车制动3部分功能。系统结构及工作原理如图1所示。
2.从图1中可以看出，启动发动机把动力源传递至油泵，油泵输出的压力油通过充液阀传递蓄能器，蓄能器积蓄能量达到规定值后，压力油便直接从充液阀回到油箱;若3个蓄能器有
任一个油压低于规定值，通过充液阀重新充液，直至此蓄能器内的压力达到规定值。防爆胶轮车在设计时一般前后制动各有1套制动回路，每套回路均配备独立、互不干扰的蓄能器。司机踩下制动踏板时，2个蓄能器的高压油分别通过制动阀进入前、后制动器，对车轮实施制动。松开脚踏板制动器内的高压油便流回油箱，制动解除。防爆胶轮车可通过手动换向阀换向实施驻车制动。驻车制动形式为弹簧制动液压释放∶实施驻车制动时手动换向阀换向，驻车制动器内的高压油流回油箱，制动器在弹簧力的作用下对车辆实施制动作用。扳动换向手柄，蓄能器的高压油进入制动器，驻车制动解除。
二、整车制动能力计算
1.制动力矩的校核
假设防爆胶轮车在水平干硬路面上实施四轮制动，首先应该考虑在制动缸内压力最低点时制动力矩能满足车辆制动距离或制动减速度的要求，即理论上需满足地面制动力矩：
Ma≥Mu （1）
式中Mu——整车制动器制动力矩，Nm。从式（1）可以看出，车辆的地面制动力矩首先取
决于整车制动器的制动力矩，但同时又受到路面间附着力矩M1的限制，整车的制动力矩Ma。不能大于附着力矩M1，即应满足Ma≤M1。当Ma=M1时，车轮抱死出现拖滑现象。因此，整车地面制动力矩：
式中G——整车装备重量，N；r—驱动轮动力半径，m；k—回转质量换算系数，k=1.1;m；amax——最大制动减速度，m/s。制动器所能提供的制动力矩：
式中F—摩擦面上的压紧力，N；R—摩擦力的作用半径，m；nm—摩擦片的工作面数；c—压紧力损失系数；u—制动器摩擦副间的摩擦系数。汽车制动阀
2.制动器温升校核
防爆胶轮车一般行走速度较低，如果不连续多次实施制动，一般不会出现温度过高现象，本文选用了湿式多盘制动器，散热问题相比普通盘式制动器大为改观。因此制动器制动后允许的最大温升：
式中v0—制动初速度;n—制动器数量;λ—制动力分配比;Cs1、Cs2—前、后桥制动器的热容量;ma、mb—前、后桥制动器的质量，kg。
3.制动效能评价目标分析
对防爆胶轮车而言，通常工况下行走速度较低，且多采用湿式多盘制动器，因此其制动效能的评价可以从制动距离和制动减速度2个主要方面人手：
（1）制动减速度
根据规范中车辆在满载车速v0=20km/h，水平干硬路面上的制动距离S≤8m的要求，车辆的最大制动减速度：
式中t——制动系统滞后时间．取t=0．3s。
（2）最大制动距离：
式中vmax—最高车速，km/h；δ—经验校正系数。
4.制动器的设计研究
制动器作为车辆制动的执行元件，对整车的制动性能起着非常重要的作用，其结构主要由摩擦片（动、静）、壳体（动、静）、压盘、活塞及制动弹簧等构成。行车制动采用液压制动湿式制动器的形式，需要制动时，踩下制动踏板此时会有压力油进入活塞腔，推动活塞向左运动压紧动、静摩擦片而使车轮抱死产生制动作用;当压力油流出活塞腔时，在复位弹簧的作用下活塞回位，动、静摩擦片分离，车轮解除制动。
三、液压制动系统设计
遵照相关行业标准，对于防爆胶轮车制动系统的设计，首先应考虑在最低压力点时制动力矩满足车辆制动距离或制动减速度的要求。其次，除按照制动性能指标要求的制动距离或
制动减速度来求得整车的最大制动力矩外，还要参照地面附着系数按车轮滑移工况设计计算最大制动力矩。制动系统与整车的匹配性研究主要包括以下内容∶根据车重、速度、路况等条件，估算车辆所需的制动力矩;确定蓄能器的大小、油泵、制动阀、充液阀的规格型号。制动系统液压件的选型主要包括液压油泵、充液阀、液压动力制动阀、蓄能器等。关键元部件的选型要结合整车要求综合考虑合理匹配，使制动系统的制动性能从最大程度上满足防爆车辆制动要求。
1.液压油泵的确定
确定液压泵的参数时，首先应确定蓄能器的充液时间，而后根据蓄能器充液时所需要液压油的总体积和充液时间计算出系统流量，假定蓄能器的充液时间≤10s，考虑怠速时发动机转速并结合泵的容积效率可得泵的排量，计算出油泵的排量并确定制动泵的型号。通常在实际设计时，为了实现设计的标准化、简单化，将转向系统与制动系统的液压泵合二为一，液压转向系统的动力源兼作液压制动系统的动力源，此时液压制动系统中不再设置独立的制动泵。
2.充液阀的确定
充液阀的主要功能不但包括给蓄能器供油、保持蓄能器压力在一定范围内恒定，同时还要兼顾向下游液压元件供压力油。选择充液阀主要依据∶制动回路的设计要求;需要实现的中位机能;制动器的最大制动压力和最大输入压力。除以上3点外，确定充液阀还应综合考虑系统压力、流量、蓄能器的最高压力、蓄能器的充液率几个因素。特别是充液率，如果充压速度选择不当，需要时油液无法得到快速补充，行车制动会出现滞后现象，如暂时停车。
3.蓄能器的确定
蓄能器是防爆胶轮车液压系统中一个十分重要的安全元件，它的主要作用∶补充动力源，补充泄漏和保压;做紧急动力源、降低脉动、降低噪声。蓄能器的容量是体现蓄能器能力的重要因素，如何确定其容量是整个制动系统设计的关键。容量过大会延长充压时间，导致车辆行驶时功率分配不佳，而容量太小则会因充压频繁而导致液压油温升高。制动管路压力、制动器排量和制动次数是确定蓄能器能力的关键因子，同时蓄能器的总容积V。应满足在发动机突然熄火状态下，蓄能器的容量仍能保持10次以上的应急制动，以提高制动系统的工作可靠性。