卡轨车紧急制动器关键零件的选型设计

贾 瑞

（西山煤电建筑工程集团有限公司矿建分公司， 山西 太原 030053）

引言

运输系统为煤矿的重要组成部分，分为主运输系统和辅助运输系统。其中，主运输系统主要运输对象为原煤；辅助运输系统的运输对象为煤矿生产所需的材料、设备、煤矸石以及人员。卡轨车作为辅助运输系统的一种形式，在实际应用由于其制动性能不佳导致制动不稳定、发生跑车、掉道等事故的发生。根据《煤炭安全规程》的相关规定，要求卡轨车具有稳定的制动装置，保证其在正常、复杂工况下确保卡轨车运行的安全性和可靠性。本文重点对卡轨车紧急制动器的关键零件进行选型设计。

1 卡轨车紧急制动器的设计

以卡轨车为代表的辅助运输系统，其轨道除了承受车体的重量外，还需在卡轨车出现跑车、断绳等事故时实现对其紧急制动。随着工作面生产能力的增加，对传统卡轨车的运输能力、安全性和可靠性提出了更高的要求。本小节重点完成包括制动器在内的制动系统的设计。

1.1 卡轨车制动轨道的选型

目前，可作为开轨车制动轨道的类型包括有普通轨道、槽钢轨道以及异性轨道。为保证最终卡轨车紧急制动系统的安全性和可靠性，对当前轨道的综合性能进行对比，对比结果如表1 所示。

表1 卡轨车紧急制动轨道的综合性能对比

综上所述，对比SMJ 异形轨道、SMT 异形轨道、普通轨道以及槽钢轨道的承载能力、在制动情况下抱轨的稳定性、卡轨的性能以及其与普通轨道连接的难易程度等性能；最终确定选用SMJ 异形轨道为卡轨车的紧急制动轨道。

1.2 卡轨车紧急制动器的总体设计

根据《煤炭安全规程》的相关规定，对卡轨车紧急制动系统的安全制动系统提出如下要求：

1）为保证卡轨车在正常工况和非正常工况下的稳定停车，要求制动器提供的制动力为卡轨车额定牵引力的1.5～2 倍；同时，每辆卡轨车均需配套安全制动装置，并且每套安全制动装置具备自动限速功能。

2）卡轨车制动系统具备自动和手动控制两种功能。当卡轨车的运行速度超过其额定速度15%后要求制动系统实现自动制动功能；卡轨车制动系统在制动操作过程中要求其空动时间小于0.7 s[1]。

结合上述《煤炭安全规程》的相关标准要求，卡轨车制动系统包括有液压弹簧蓄能制动器、液压系统和离心式限速器。其中，液压弹簧蓄能制动器选用失效安全性，并在液压系统和离心式限速器的共同作用下实现卡轨车的紧急制动。卡轨车紧急制动器的总体结构如图1 所示。

图1 卡轨车紧急制动系统结构设计

2 紧急制动器主要零件设计

紧急制动器在制动过程中，其主要依靠摩擦力实现制动[2]。因此，本节主要对紧急制动器的主要零件，包括摩擦衬垫材料、制动弹簧进行设计。本文所研究卡轨车的具体参数如下页表2 所示。

表2 卡轨车关键参数

2.1 摩擦衬垫材料的选型

在实际制动过程中，系统的制动液压系统中的液压油缸卸掉载荷，制动闸靴在制动弹簧的作用下将其与轨道表面接触，并通过摩擦力实现制动。即在制动过程中制动闸靴与轨道由于摩擦会产生大量的热，并出现一定程度的磨损。因此，选择高性能、耐磨且具有较好制动性能的摩擦衬垫非常重要。

摩擦衬垫可以分为金属和非金属两大类。结合卡轨车的实际工况和紧急制动功能，要求摩擦衬垫满足如下具体要求：具有较高的摩擦系数、可靠的安全性、合理的使用寿命。同时，由于综采工作面相对恶劣的工作环境，应选用各向同性的摩擦衬垫材料[3]。

综上所述各类要求和目前市面上摩擦衬垫产品，本方案选用铜基粉末冶金材料为核心制备摩擦衬垫。铜基粉末冶金材料不仅具有较好的耐磨性，而且其较高的导热性也能够满足工作面的防爆要求。

2.2 制动弹簧的设计

根据《煤炭安全规程》中规定的：为保证卡轨车在正常工况和非正常工况下的稳定停车，要求制动器提供的制动力为卡轨车额定牵引力的1.5～2 倍。得出，满足上述卡轨车制动效果的制动力为135 kN。

综合对比当前市面上各类弹簧性能，本方案选用压缩螺旋弹簧作为紧急制动器的制动弹簧，该弹簧拟采用60Si2MnA 材料制备，其对应的许用切应力为590 MPa。

结合紧急制动器的制动力为135 kN，并结合螺旋式弹簧的结构形式确定满足制动功能的弹簧刚度为405 N/mm，压缩载荷为41.85 kN。

根据弹簧钢丝的计算公式，如式（1）所示：

式中：d 为弹簧钢丝直径；K 为曲度系数；C 为弹簧旋绕比，取5；F2为弹簧所承受的压缩载荷，取41.85 kN；τp为弹簧材料的许用切应力，取值为590 MPa。

将参数代入式（1）得出，弹簧钢丝直径为34.5 mm；对应的弹簧中径D 为34.5 mm×5=175 mm。

结合卡轨车的制动工况需求，确定弹簧的有效圈数，如式（2）所示：

式中：G 为弹簧材料切变模量；k 为弹簧刚度。

将参数代入式（2）中得出，弹簧的有效圈数为6.74 圈，圆整为7 圈。

综上所述，最终确定制动弹簧的材料为60Si2MnA、弹簧形式为压缩螺旋弹簧，弹簧中径为175 mm，有效圈数为7 圈。

3 结论

1）卡轨车紧急制动器的设计综合满足《煤炭安全规程》的相关标准要求，保证其能够真正服务煤矿生产；

2）综合对比各类轨道的承载能力、在制动情况下抱轨的稳定性、卡轨的性能以及其与普通轨道连接的难易程度，最终确定SMJ 型制动轨道；

3）采用液压弹簧蓄能制动器、液压系统和离心式限速器相结合实现制动器的紧急制动功能；

4）选用铜基粉末冶金材料为核心制备摩擦衬垫，所设计制动弹簧的结构形式为压缩螺旋弹簧，对应材料为60Si2MnA，弹簧中径为175 mm，有效圈数为7 圈。