电机车制动机构的优化设计研究

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摘要：在分析电机车制动过程及制动理论的基础上，基于ADAMS实现了对制动机构连杆和制动杆的优化设计，并对其原有气压回路进行改进。经实践表明，改进后的电机车制动时间和制动距离得到明显减少，对提高综采工作面的生产效率和安全性具有现实意义。

关键词：电机车，制动，安全，效率

引言

为了确保电机车在综采工作面的安全性和稳定性，对电机车相关性能提出了具体要求。其中，对于电机车制动性能，根据《煤矿安全规程》的相关规定要求当运输物料时制动距离不得超过40m，当运输作业人员时制动距离不得超过20m[1]。经调研可知，当前应用于综采工作面的电机车普遍存在制动距离超限的问题。此外，在实际生产中一味地追求电机车的安全运行往往牺牲了电机车的运行速度和牵引重量，导致无法充分发挥其运输能力。因此，需对当前电机车的制动机构进行优化设计，在充分发挥其运输能力的前提下使其制动性能符合相关规程要求。

1电机车制动原理分析

本文所研究的电机车的制动方式为气动制动，其结构主要包括制动闸和制动操纵机构。在实际操作中可通过手动和气动两种方式[2]进行。其中，手动方式通过塌下脚闸阀控制换向阀，使气缸推出活塞杆实现设备制动；气动方式通过智能控制方式实现对换向阀的自动控制实现设备制动。

电机车气动控制主要经历了制动系统反应过程、制动闸瓦作用过程、持续制动过程以及停止制动四个过程。为了解决制动距离超限的问题，其关键问题是如何缩小电机车的制动距离。因此，本文所研究的对煤矿电机车制动机构的优化设计的主要目标就是缩短电机车的制动时间，从而达到缩短制动距离的目的。经研究可知，电机车的制动性能、作业人员的熟练程度以及电机车轨道的质量决定其制动时间。本文将从优化电机车制动性能的角度实现对电机车的优化设计。

2电机车制动机构优化理论分析

电机车制动机构优化的主要目的是解决当前制动距离超限的问题。而制动距离超限问题的解决需从根本上缩短电机车的制动时间。在一定程度上制动时间的大小与电机车在制动过程中减速度的大小相关。

2.1电机机制动过程减速度模型

经参考大量文献可知，电机车在制动过程中减速度a的模型搭建，F为电机车的制动力；P为电机车的自身质量；Q为电机车的黏着质量；滋为电机车运行阻力系数；i为电机车所在工作面的轨道坡度；g为重力加速度；酌为电机车运行过程中的惯性系数，一般取0.075。由公式（1）可知，电机车的减速度与其制动系数、质量及运行阻力等相关。

2.2制动距离模型

电机车在实际制动过程中主要包括两个阶段，分别为制动空行程时间和实际制动时间[3]。其中，制动空行程时间为当需制动时，闸瓦与车轮未接触的一段时间，电机车以原速度运行的时间；实际制动时间为从闸瓦与车轮接触开始至电机车完全停止的这段时间。因此，实际电机车的制动距离模型包含了两部分，v为电机车制动操作前的速度；t为制动空行程时间；a'为电机车制动空行程减速度。综合上述两个模型的分析可知，在实际生产中可通过减小电机车自重和黏重，并从材料的角度选择相互匹配的闸瓦和连杆操纵机构等方面实现对制动机构的优化设计。

3电机车制动机构的优化设计

经对现有电机车制动机构的研究分析可知，当前电机车制动连杆机构的效率较低，且其输出的制动力不稳定，导致电机车的制动时间和制动距离延长，从而降低了电机车制动性能。如图1所示为连杆制动机构的平面示意图。

电机车在制动过程中制动力是依靠其前后制动杆连接闸瓦对轮对施加相应的压力，此压力直接决定了所产生的制动力。提高制动机构的制动力可以有效缩短制动时间。因此，针对电机车制动机构的优化可通过提高制动连杆机构的力传递比，提高闸瓦与车轮之间的接触力[4]。本文将基于ADAMS软件实现对电机制动机构的优化设计。首先，对影响制动机构性能变量的敏感度进行分析；其次，根据敏感度分析结果对关键影响变量进行优化设计，具体步骤为根据实际杆件的尺寸和安装受到杆件材料和整车各部件布局的限制确定各个变量的变化范围，调整各个变量的取值当接触力为最大时即可。

A点和B点坐标，即连杆和制动杆的尺寸为影响电机车制动性能的关键。因此需对A点和B点的坐标进行优化。A点坐标原为（88，330），B点坐标原为（241.25，319）。经优化后可知，当A点坐标为（93.480，314.743）、B点坐标为（231.748，328.262）时闸瓦对轮对的接触应力为最大，此时的制动力也为最大。将上述优化的尺寸应用于实际工作中，并将制动机构优化的电机车应用于实际生产中，经对比可知，优化后的制动机构其制动距离和制动时间均得到明显减少，具体减少量。对煤矿电机车的制动机构进行优化设计后，不同初始速度、不同工况下制动距离和制动时间均得到明显减少，说明本次优化设计的可行性和有效性。

此外，对制动机构机械结构的改进不能从根本上解决缩短其空行程运行时间。因此，除了上述优化设计还需采取相应措施对其制动反应灵敏度进行改进，从根本上缩短空行程时间。具体改进方案为对原有制动系统的气压回路进行改进，通过无线遥控功能实现对气压回路的控制，取代原有人工控制气压回路的操作，实现电机车智能刹车的功能，从而从根本上缩短空行程时间。

4结语

煤矿电机车作为综采工作面煤炭生产的关键运输设备，其运行的稳定性和可靠性直接决定着综采工作面的生产效率和作业人员的安全性。在电机车的实际运行中需根据综采工作面的实际情况对制动机构中的连杆和制动杆进行优化改进，并将传统人工控制气压回路优化为采用无线遥控控制，以提高电机车的反应灵敏度，从而达到缩小空行程时间、提高制动力的目的，从根本上解决制动距离超限的问题。

参考文献：

[1]张怀亮，公衍军.基于ADAMS的矿用电机车制动系统建模及仿真[J].矿山机械，2008（11）：32-34.

[2]程安宁.电机车的制动及其防抱制动系统[J].起重运输机械，2003（7）：10-12.

[3]陈光寅.底卸式矿车最佳卸载轨道的研究[J].煤炭工程，1982（11）：35-39.

[4]于学谦.架线式电机车的制动问题[J].煤炭科学技术，1988（2）：36-38.

作者：李伟 单位：西山煤电西铭矿运输区