矿用蓄电池电机车液压制动系统研究

李 永

（山西焦煤西山煤电西铭矿， 山西 太原 030052）

引言

随着综采工作面采煤效率的提高，井下煤炭运输的需求也越来越高。蓄电池电机车是一种以电池为动力来源的井下运煤设备，目前应用最广泛的是手轮闸瓦和气动式制动两类，在电机车制动时，车身的动能被消耗在制动盘上，既造成机械磨损又浪费蓄电池电能。气压制动和液压制动是目前电机车制动方式的发展方向，特别是液压制动，在制动时通过车轮、离合器、变量泵等元件进行力矩传动，将车轮动能转化为液压能，存储在高压蓄能器内，在机车起动时释放能量，减少电机车起动时的电机出力，达到节约能源，减少机械损耗的目的。本文研究了液压式制动系统的原理和设计思路，对蓄电池电机车制动系统改造具有一定意义。

1 液压制动

矿用电机车的制动方式有很多，根据其原理可分为机械闸瓦式、电气制动式、气压制动、液压制动、压轨式制动。过去很长一段时间，电机车主流的制动方式为手轮闸瓦与电气控制相结合的方式。目前国内大多数电机车已经从紧急制动换代为机械与气动相结合的方式，常规制动仍然采用机械闸瓦方式。由于制动力在液体中的传播速度远大于气体中的传播速度，且负载能力不受电机磁性材料的影响，因此相较于气压传动，采用液压制动的效率更高。液压油在液压泵的驱动下被储存在高压蓄能器中，当电气控制单元向液压控制单元输出制动指令后，直流电机和调压阀组控制制动夹钳夹紧制动盘，使车轮减速或刹车。由于井下电机车使用环境特殊，对安装空间和安全性能具有特殊要求，液压制动系统具有体积小、质量轻、安全性高的优点，因此特别适用于矿用蓄电池电机车。

2 液压制动系统结构

如图1 所示为电机车液压制动系统结构图，由电气控制单元、液压控制单元和基础制动单元三部分组成，具体介绍如下：

图1 电机车液压制动系统结构图

1）电气控制单元就是液压制动系统的控制器，主要功能是接收电机车的制动指令，并通过对比例阀、电机油泵的控制输出制动信号，在制动过程中，通过压力和温度传感器感知基础制动单元的执行状态，实现闭环调节。除了主要控制功能，电气控制单元还能进行拖车防滑控制、数据存储和总线通信等[1-3]。

2）液压控制单元由电机、液压泵、蓄能器、比例电磁阀和液压阀等组成，主要功能是在接收到电气控制单元发出的制动信号后，在管路中建立工作压力并在蓄能器中存储下来，通过比例电磁阀调整输出压力。除了压力建立和调整功能，液压控制单元还能够实现手动卸压、电机保护等安全功能。

3）基础制动单元。基础制动单元由离合器和变量伺服单元组成，液压控制单元输出的液压力被转化为变量泵输出的动能，通过离合器与车轮转轴耦合，阻碍车轮的惯性力，使电机车减速制动。

3 工作原理

如图2 所示为电机车液压制动系统能量回收原理图，由电气控制单元、液压控制单元和基础制动单元组成，具体介绍如下：

图2 电机车液压制动系统能量回收原理图

1）电气控制单元由控制器及其外围通信电路、电机和电磁阀的驱动电路组成，相较于空气阀，比例阀的驱动功率较高，一般采用脉宽调制方式进行驱动。驱动电路由隔离电路、功率放大电路、电流反馈电路组成。控制器接收液压系统压力传感器的数据，判断此时的输出压力是否满足，通过输出电流控制变量泵的排量和出力，能够实现对制动力的闭环调节，通过增加另外程序，还能为电机车制动系统提供防滑功能。

2）制动系统由控制器、压力传感器、蓄能器、常闭阀、液控溢流阀、三位四通阀、变量泵组成，通过变量伺服机构与电机车离合器连接，通过离合器从车轮吸收动能或释放液压能，向车轮输出动力。在电机车制动时，三位四通阀上位通电，在变量泵的作用下，油箱内的液压油被输送至蓄能器内，由于蓄能器的高压储能作用，车轮的动能被蓄能器吸收。在电机车启动时，三位四通阀下位上电，蓄能器内的液压油释放至油箱，在此过程中蓄能器存储的能量推动变量泵做功，变量泵通过离合器向车轮输出动能，起到了节省发动机输出功率的作用。2 个常闭阀和液控溢流阀共同组成了液压控制回路，液压控制回路有两方面作用，一是使蓄能器内的液压油直接流入油箱，给蓄能器卸压；二是可以通过调节液控溢流阀的电流调节回路压力。

3）基础制动单元由离合器和变量伺服机构组成，变量伺服机构是一个完整的控制系统，控制对象为缸体，执行元件为液压缸，受控参数为变量泵输出液压油的流量和压力。为了发挥电控系统的优势，选择变量泵活塞的位移量转化为电信号，输送到控制器，以采集变量泵的出力数据。

4 元件设计

1）变量泵的选型与设计。由于变量泵在液压系统中应用广泛，结构不同实现排量不同，输入信号有机械控制、液压控制、电动控制、电液控制等，控制方式有恒压控制、恒流控制、恒功率控制等，其种类和型号非常复杂。根据能量守恒定律和力学分析，电机车制动时的制动力矩与变量泵的压力和排量成正比，由于蓄能器内部压力无法控制，因此制动力矩的控制是由泵的排量间接控制的。因此选择排量控制泵，通过监测液压缸活塞的位移，推算出泵的排量，进而计算出电机车的制动力。变量泵的结构可以根据电机车的负载和功率确定，对于负载较大、速度较慢的电机车而言，选择轴向柱塞式液压泵。

2）蓄能器的选型与参数设计。蓄能器是存储电机车制动能量的媒介，是液压制动系统的关键元件。按照加载形式不同可分为重力式蓄能器、弹簧式蓄能器和充气式蓄能器。重力式蓄能器适用于固定设备，弹簧式蓄能器适用于低压小容量设备，只有充气式蓄能器可供电机车液压系统选择。充气式蓄能器的工作原理是利用液体压力压缩氮气，将电机车动能转化为气体内能，在电机车起动时，液压系统压力降低，高压气体推动液体做功，实现能量释放。充气蓄能器有皮囊结构、活塞结构和隔膜结构，根据电机车液压制动系统的特点，设计的蓄能器需要满足压力高、响应快、宽调压、惯量小等，因此综合考虑选择皮囊结构式蓄能器，这也是目前应用最广泛的一种蓄能器。蓄能器的参数有最低压力、最高压力、初始体积等，具体的选择需要根据电机车的制动转矩、安装空间等进行设计[4-6]。

5 结语

电机车液压制动系统由电气控制单元、液压控制单元和基础制动单元三部分组成，通过液压制动系统能量回收装置，能够将电机车制动时的动能存储起来，在机车起动的时候作为辅助动力，减少蓄电池的电能损耗，起到了节能降耗，提高煤炭运输能力的目的。