矿用电机车制动系统动力学仿真及连杆机构优化

吴现宪

(西山煤电 西曲矿运输五队，山西 古交 030200)

0 引言

煤炭作为我国的主要能源之一，为我国国民经济的增长提供了稳定、高效的动力。随着“煤矿安全生产”口号宣传力度的越来越大，确保综采工作面的生产效率和安全性成为当前煤矿生产的核心话题。矿用电机车作为综采工作面的关键运输设备之一，其运输效率和安全性直接决定着综采工作面的生产效率和作业人员的人身安全。对于矿用电机车而言，新形势下要求该设备在保证安全性的前提下尽可能大地发挥其运输效率[1]。而在实际生产中，由于矿用电机车制动系统的制动性能较差，常采用限制其运行速度和牵引重量的手段缩短其制动时间和制动距离，以达到安全生产的目的，这样大大制约了工作面的生产效率，造成了设备能力的浪费。因此，应根据现场生产能力为其配置相应的运输设备或对现有设备进行优化设计，以充分发挥其运输能力，进而提升工作面的运输效率和安全系数。本文以用于某矿的电机车为例开展一系列研究。

1 矿用电机车液压制动原理分析

该矿用电机车采用的制动系统类型为液压制动系统，其液压制动原理如图1所示。

液压制动系统直接提升了电机车制动系统的自动化程度，并有效解决了作业人员由于操作过程中个人因素、环境因素等造成的对操纵杆延时控制致使空行程大的问题。其中，基于液压控制的液压能量回收装置达到了节能的效果，基于拉杆闸瓦的制动装置大大缩小了电机车的空行程距离[2]。总之，该液压制动系统较传统制动系统的性能有了一定程度的提升。

2 矿用电机车制动系统的动力学仿真

本文基于AMESim软件，对该矿用电机车液压制动系统的动力学特性进行仿真分析。

2.1 电机车动力学模型的搭建

在对矿用电机车液压制动系统原理分析的基础上，基于AMEsim软件搭建了对应的动力学仿真模型，如图2所示。

2.2 仿真参数的设置

该矿用电机车在实际运行过程中可在1档、2档、3档3种速度下运行。根据实际生产情况，电机车在1档时的制动距离均能够满足《煤炭安全规程》的相关标准要求[3]。因此，本节将着重对矿用电机车在2档、3档时上坡、水平以及下坡时紧急制动和正常制动工况下制动系统的动力学特性进行仿真分析。根据电机车相关零部件参数对动力学仿真模型中的参数进行设置。矿用电机车制动杆系统关键参数设置结果如表1所示。

1-油箱；2-过滤器；3-变量泵；4-单向阀；5-溢流阀；6-低压蓄能器；7-高压蓄能器；8-压力表；9-液压缸；10-三位四通换向阀；11-节流阀；12-二位二通液压阀；13-系统复位阀

2.3 动力学仿真结果分析

将搭建的电机车动力学模型中各个参数设置完毕后开始进行仿真分析。在初始速度10 km/h的情况下分别对电机车上坡、水平以及下坡时制动系统給予紧急制动或者正常制动，对电机车的制动时间、制动距离以及蓄能器的压力变化情况进行仿真分析[4]。仿真结果如表2、表3所示。

图2 电机车制动系统动力学仿真模型

表1 矿用电机车制动杆系统关键参数设置

表2 不同工况下制动时间仿真结果 s

表3 不同工况下制动距离仿真结果 m

通过分析可知：紧急制动工况下制动时间、制动距离均高于正常制动，分别高19%和28.9%；电机车下行时的制动时间和制动距离均高于上行和水平运行时，三者的关系为上行<水平<下行。

3 连杆机构的优化设计

连杆机构作为矿用电机车液压制动系统的核心部件，其主要功能是为闸瓦与车轮制动过程提供制动力。通过对电机车制动系统连杆机构的优化设计可改变其制动力，进而对其制动性能产生影响[5]。电机车制动

杆系统连杆机构结构示意图如图3所示。

图3 制动系统连杆机构结构示意图

图3中，l1为拉杆长度，l2为前制动杆的长度，l3为传动杆的长度，l4为后制动杆的长度,GD、GE为机架杆，K点到x轴的垂直距离为l5，D点到x轴的垂直距离为l6，S为K点与D点之间的水平距离，A、B、C、D、E、K为销轴连接,拉杆在力F的作用下向右移动。

本文采用遗传算法对连杆中关键部件的尺寸进行优化，优化前、后连杆关键部位的尺寸如表4所示。

表4 优化前、后连杆关键部位尺寸 mm

4 结语

矿用电机车作为综采工作面的关键运输设备之一，其主要功能是将工作面的物料及作业人员快速、高效、安全地运送至地面。提升矿用电机车制动系统的制动性能能够充分发挥设备的运输效率，进而提高工作面的生产效率，并为安全生产提高保障。经仿真分析可知：矿用电机车上行、水平以及下行三种工况下制动时间与制动距离的关系为：上行<水平<下行；紧急制动时的制动时间和制动距离大于正常制动的情况。为提升矿用电机车制动系统的制动性能，可通过对其连杆机构的关键尺寸进行优化来实现。在今后的研究中可加强对制动系统零部件的改造，引入先进控制系统提升矿用电机车的制动性能。