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作者来源:admin       发布时间:2019-03-17
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  pc蛋蛋28预测TCY-2HL地下内燃铲运机PosiStop制动系统设计与分析.pdf

  衬衣布,针织衫.球服,睡衣、牛仔衣、牛仔裤、休闲服装、西装、西裤、毛衣、羽绒服、茄克、风衣、棉衣、T恤衫、衬衫、袜子、帽子、运动套装等。(辅料):花边、拉链、钮扣、五金、制衣线、缝纶线、魔术贴、松紧带、涤纶线、胶袋、织带、棉纱等。(皮料):牛皮、羊皮、猪皮、人造皮等。(皮具):手袋、、包、电脑包、书包、背包、旅行包、拉杆包、箱包、样版包等。公司资金雄厚,信义至上,以追求量大利薄为宗旨,价位高于同行,凭借多年累积收购经验,做到专人专车上门现款收购,我们能自己拍板成交,竭诚欢迎有需要库存清仓业务的厂商来电洽谈!(24小时随时上门回收)诚实守信。中介现金重酬。公司立足东莞,业务面遍布广东省,泛珠三角地区华南地区较具有实力的库存收购公司。

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  原创性声明 本人声明,所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。论文主要是自己的研究所得,除了已注明的地方外,不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果,也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献,已在论文的致谢语中作了说明。 作者签名:易鱼 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留学位论 文,允许学位论文被查阅和借阅;学校可以公布学位论文的全部或部分内容,可以 采用复印、缩印或其他手段保存学位论文;学校可根据国家或湖南省有关部门的规 定,送交学位论文。对以上规定中的任何一项,本人表示同意,并愿意提供使用。 作者签名:监导师签名: 霭虬嗍厶,2年占 月,- 日 工程硕士学位论文 摘要 摘要 地下铲运机在巷道行驶中的制动稳定性与可靠性对矿井的安全 至关重要。由于地下路面情况复杂,地下铲运机工况恶劣,因此其制 动可靠性及机动性成为衡量地下铲运机的性能的关键指标之一。目 前,国内2立方地下铲运机普遍采用LCB制动系统,该制动系统在 恶劣环境中,制动盘上容易粘有水和泥,制动效果非常不佳,且维修 不方便。本文首次提出在2立方地下铲运上首次采用PosiStop制动系 要工作包括: (1).系统地论述了地下铲运机的发展概况、研究现状以及存在 的问题。 进行分析,通过对两种不同制动系统的制动效果及优缺点进行对比 后,论证选用PosiStop制动系统对2立方米地下铲运机进行改造的可 行性。 (3).对地下铲运机的制动要求进行分析;计算在不同工况下铲 运机的制动力矩;并根据制动力矩对制动器进行设计计算;对液压系 统中的主要零部件蓄能器、充液阀与液压泵进行计算与选型:最后对 采用新系统后的制动性能进行分析。 踏阀、液压缸与弹簧的Simulink模型;并将各模型组装成系统的仿真 模型;通过对模型的单位冲击响应分析,得到在制动过程中液压泵出 口压力、活塞缸压力、弹簧位移以及活塞缸容积的变化曲线).对制动器的制动过程进行了键合图仿真分析,分别建立了 蓄能器、液压缸、压缩弹簧与摩擦力的键合图模型,并对铲运机的启 动与制动过程进行了仿真分析,仿真结果表明系统具有良好的制动 性。 (6).对改进后的TCY-2HL地下内燃铲运机制动性能进行实验 研究;实验结果表明,在制动初速度为20km/h时,系统的制动加速 度为7.32m/s2,制动距离为2.85m,满足地下铲运机的制动要求。 关键词: 模,功率键合图,仿真分析 工程硕士学位论文 Abstnact ABSTRACT The and ofthe brakingstability reliability underground ina arevitaltothe load-haul—dumpvehicle(L皿)driving coal gallery mine the situationis the safety.As and complicated stability braking ofthe LHDbecomesa reliability critical for Underground pointt11e ofthe LHD.At design underground domestic2cubic present,the scraper are ofLCB thebrake widelyadopted brakingsystem,and has system beenin bad water andmudare environment,the sticktothebrake easily the effect isbadand disc,causing inconvenient braking repair.This paper the in2 proposed cubic posistopbrakingsystem’Sapplication scrapers and researchedthe atthefirst brakingperformance time.Themain contentsofthisdissertationareas follows. current trendand (1).The in developments,researchproblems and LHDinour were designing producing country accurately summarizedand systematically expounded. (2).This thestructureand ofthe paperpresented working principle LCBbrake and the brake system PosiStop thebrake ofthetwobrake were and efficiency systemanalyzed compared, the2cubic withthe brake wasrebuild. scrapers PosiStopsystem this brake ofLHDwere (3).Inpaper,therequirements proposed, andthebrake under differentconditionswere torque calculated. tOthebrake brake was and According the torque,thesystemdesigned main suchas valveand components accumulator,charge hydraulicpump ofthe wereselected. hydraulicsystem tothecharacterofSimulink modelofthe (4).According software,the hydraulicpump,foot and were valve,hydrauliccylinderspring the established,andmodelwereassembledintothe simulation system onthe simulationofthe model,based analysis model,obtainedthe outlet hydraulicpump pressure,the pistoncylinderpressure, ofthe andthe volume curve displacement spring pistoncylinder change inthe ofbrake. process bond modeloftheaccumulatorwere (5).Thegraph established,the andthe startand hydrauliccylinder,thecompressionspring friction,the the were theresultsshowthatthe brake of scrapersimulated,and process has goodbrakingperformance. system brake ofthe TCY-2HL improved underground (6).The performance resultsshow theinitial LHDwasstudied that,in byexperiment,the 20kilometers was hour,the brakingspeed per systembraking rice distancewas accelerationwas7.32 seconds,the everysquare braking 2.85 the of scraper. meters,meetbrakingrequirementsunderground braking KEYWORDS:Undergroundload-haul—dumpvehicle,Posistop and band calculatation,Simulinkmodeling,Powergraph, system,Design Simulation analysis 工程硕士学位论文 目录 目录 摘要……………………………………………………………I ABSTRACT………………………………………………………..II 目录…………………………………………………………..IV 第一章绪论……………………………………………………..1 1.1本课题研究背景………………………………………………l 1.2地下铲运机的发展历史…………………………………………1 1.2.1地下铲运机在国外的应用情况………………………………..2 1.2.2国内地下铲运机发展概况……………………………………3 1.3地下铲运机制动系统国内外研究现状………………………………4 1.3.1制动器的研究现状…………………………………………4 1.3.2制动执行机构的研究现状……………………………………6 1.3.3液压系统动态特性分析的研究现状…………………………….7 1.4本文研究目的与主要工作………………………………………10 第二章TCY-2HL地下内燃铲运机制动系统结构与原理分析…………………11 2.1TCY一2HL地下内燃铲运机制动系统的构造及工作原理…………………11 2.2PosISToP制动系统的构造与工作原理………………………………13 2.2.1制动器工作原理………………………………………….13 2.2.2PosiStop制动器液压系统工作原理…………………………..14 2.3本章小结…………………………………………………..16 3.1制动器的设计计算……………………………………………17 3.1.1制动器的制动要求………………………………………..17 3.1.2不同工况下的制动力矩计算…………………………………18 3.1.3制动弹簧预压缩量的计算…………………………………..20 3.1.5制动力设计计算…………………………………………21 3.1.5温升校核………………………………………………22 3.2 3.2.1制动系统蓄能器的选择…………………………………….23 3.2.2充液阀的选择……………………………………………24 3.2.3制动泵的选取……………………………………………26 3.2.4PosiStop液压制动系统总体参数…………………………….26 3.4本章小结…………………………………………………..28 第四章POSISTOP制动系统动态特性仿真分析……………………………29 IV 工程硕士学位论文 目录 4.1 4.2.1液压泵建模……………………………………………..31 4.2.2脚踏阀建模……………………………………………..31 4.2.3液压缸与弹簧系统建模…………………………………….32 4.3仿真结果分析……………………………………………….34 4.4本章小结…………………………………………………..37 第五章POSISTOP制动系统制动过程键合图仿真分析………………………39 5.1键合图理论简介……………………………………………..39 5.1.1键合图的基本元件………………………………………..40 5.1.2由键合图模型推导系统状态方程……………………………..42 5.2制动系统元件的键合图建模…………………………………….43 5.2.1蓄能器的键合图建模………………………………………44 5.2.2液压缸的键合图建模………………………………………45 5.2.3预压弹簧的键合图建模…………………………………….45 5.2.4摩擦力的键合图建模………………………………………46 5.3制动系统键合图建模与仿真…………………………………….47 5.4本章小结…………………………………………………..49 6.1整机主要性能参数与整机主要配置……………………………….50 6.2铲运机制动距离试验………………………………………….52 6.2.1铲运机制动距离试验方法…………………………………….52 6.2.2铲运机制动器的试验准备…………………………………..53 6.2.3试验条件、仪器及设备…………………………………….53 6.2.4试验方法步骤……………………………………………54 经实验数据平均制动距离为2.85M左右。……………………………..55 6.3试验结果及仿真数据的分析…………………………………….55 6.4理论分析与实验对比………………………………………….57 第七章结论与展望………………………………………………..58 7.1全文总结…………………………………………………..58 7.2研究展望…………………………………………………..58 参考文献………………………………………………………,.60 致谢…………………………………………………………..64 攻读硕士学位期间的研究成果………………………………………..65 V 工程硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1.1本课题研究背景 地下矿藏的开采,主要包括开拓、采准、回采三个步骤。开拓是矿山的基建工程, 它是用井巷反地表与地下矿体接通,并建成完整的运输、通风、排水的井巷工程系统; 采准是掘进形成采区区域内的一些巷道及为了回采工作的需要而开掘的自由空间;回采 就是做完采准后,在采矿工作面进行落矿、装运和进行相应的管理作业。装载工作是整 个地下采矿的重要环节。因其工作量最繁重、费时间最多,对采矿生产率影nlaj很.大。20 世纪60年代以来,世界采矿业的国际竞争日益加居0,各发达国家纷纷将先进的露天矿开 采技术运用到地下矿生产中,使地下矿劳动生产率成倍甚至十几倍地提高,矿石成本大 幅度下降。地下铲运机就是在这种背景下,由露天矿前端式装载机演变发展起来的一种 新型高效地下无轨装运卸设备(如图卜1所示)。由于其操作方便,运行灵活,工作可靠, 出矿效率高,因此,在我国地下矿山得到了广泛应用…。 图卜1地下内燃铲运机实物图 但是,由于地下矿山路窄、坡大、弯多,特别是随着近年来国家对地下矿藏安全开 采的重视,如何保证行车安全已成为当今地下铲运机设计中一项十分引人关注的重大问 题㈨,因此,对地下铲运机制动系统的设计与分析具有重要的二[程意义和实用价值。 1.2地下铲运机的发展历史 地下铲运机主要用于井下矿料的铲取和短途运输。因运输工作量最繁重、费时问最 工程硕士学位论文 第一章绪论 多,对采矿生产率影响很大。美国E/MJ编辑部于1978年对全球各大型地下矿山作了国 际调查,其中对62个矿山的调查表明:81%以上的矿山在采场、出矿点和短途运输中采 用铲运机和其它方式。据统计,在掘进工作循环中,消耗于这一工序上的劳动量占循环 时间的25%45%,在井下回采出矿中,装载作业也同样占很大比重。正因为如此国外许 多国家十分重视装载机械的开发、推广与使用。据报道,西方世界的约85%以上的矿山 采用了地下铲运机,俄罗斯1994年开采了1900万吨有色金属矿,用地下铲运机出矿占58% 以上。由此可见,地下铲运机在矿山采矿中应用广泛、作用巨大。 1.2.1地下铲运机在国外的应用情况 运机以来,地下铲运机得到了迅速的发展,相应地也加速了地下矿山无轨凿岩、运输、 装药、喷锚支护、撬毛及辅助作业设备的发展,从而形成了以地下铲运机为主体的无轨 化采矿技术口1。 地下铲运机在国外的发展主要经历以下几个阶段: (1)20世纪60-70年代:地下铲运机发展和推广的年代。 在地下矿山的苛刻作业环境中,由于铲运机具有高效、灵活、机动、多用和生产费 用低等突出优点,随着无轨化采矿技术的推广,而得到了广泛的应用盥_1。进入20世纪70 年代,国外地下铲运机技术己渐趋成熟,形成了系列化产品。当时市场铲运机的主要生 公司等。这时的铲运机几乎都是柴油机驱动的内燃铲运机,与以往的有轨或风动轮胎式 装运机械相比,已经具有无可置疑的优越性,但还存在柴油机所排出的废气、烟雾、热 辐射及噪声却严重地污染了地下矿山的作业环境等缺点。为此,低污染柴油机动力并在 机上设置柴油机尾气净化装置是首选设备。此种设备采用贵金属催化净化器水洗涤箱, 增加了设备投资和维护费用;还需增设通风设施,加大地下通风量来稀释柴油机尾气, 并将其排出坑外,以便为矿山提供合乎卫生标准的作业条件,从而使大方向通风费用几 乎成倍增加口1。 (2)20世纪80-、一90世纪年代:地下铲运机迅速发展和技术进步的年代。 20世纪80年代,由于世界矿业不景气,矿山机械产品的市场竞争更趋激烈。许多采 矿与工程设备制造公司进行了兼并或联合,优化资源组合,以增强市场竞争力呻1。其主 要技术发展成就可归纳为:电动铲运机取得突破性进展,取得和内燃铲运机启动和调整 特性相比拟的性能,一直是电动铲运机的追求。其次,地下铲运机向大型化发展的同时, 也向窄机身、微形化方向发展,大型铲运机载重量大,功率利用率高,比重量小、生产 率高、每吨矿石的总装运成本上升低,比采用小型设备更为经济合理。再次,支力机出 2 工程硕士学位论文 第一章绪论 公司的水冷柴油机。地下铲运机多用化、组合化,为了满足不同矿山和不同作业的需要, 各铲运机制造厂家在提供标准配置的机型外,还按不同的矿石物理机械性质和作业条件 提供各种可选件,发挥一机多能、一机多用的优势。地下铲运机变速箱采用电/液换档 和电子控制技术,液力机械传动式铲运机主要采用美国克拉克(Clark)公司的定轴式动力 换档变速箱,这种简单可靠的变速箱除了发展“可调式”技术解决启动、抵挡时的机械 冲击问题外,还推出了电/液换档和电子控制技术。地下铲运机驱动桥采用防滑差速器、 全封闭湿式多盘制动器和光面耐切割轮胎。国外铲运机工作制动从80年代就开始采用全 封闭湿式多盘制运器,90年代以来得到普遍应用,这种制动器是全封闭式的,可防止泥 沙、污物的浸入,采用油冷和多盘制动结构,圆盘间隙不用调整且允许滑转传递扭矩, 特别适用于重车下坡制动工况。地下铲运机液压系统不断完善提高口’10l,液压系统普遍 采用先导控制,使操作轻便,采用电/液换档或电子自动换挡,减轻司机操作疲劳。再 次,重视和发展自动化技术。随着社会对环境越来越严格的要求和电子信息技术的迅速 发展,铲运机自动化技术的发展引起人们更大的兴趣和关注。已经启动了一个革命性的 矿山自动化计划(MAP),这使得以在危险地区的机器自主方式工作为特征的机器(自 动化)采矿展示出现的可能性崎1。 (3)进入2l世纪:地下铲运机进入成熟发展阶段。 目前,国外地下铲运机在经历了将近40年的发展和技术进步之后,已经进入成熟发 展阶段。据统计,地下铲运机在上世纪九十年代拥有量超过15000台呻1。进入2l世纪,世 界铲运机拥有量保持较高的增长速度。 1.2.2国内地下铲运机发展概况 我国地下采矿于1975年开始使用铲运机,由寿王坟铜矿使用从波兰引进的铲斗斗容 为1立方的LK.1型地下内燃铲运机开始。由于显示出的优越性,很快在全国许多推广, 揭开了我国矿山无轨化开采发展的序幕。 80年代中期以来,随着我国矿山无轨化开采技术的发展及一批采用无轨化开采的新 型矿山上马,对大中型铲运机的需要有增长的趋势,陆续引进了不同厂家,技术先进的 新型铲运机近300台,其中以中型铲运机为主,也有黄金矿山所需的微型铲运机n¨。 90年代中期以来,为了填补国产大中型铲运机几乎是空白的局面,有关单位又研制 生产了一批具有90年代国外铲运机水平的大中型铲运机。这种铲运机的共同特点是:采 用道依茨风冷低污染柴油机、克拉克液力机械传动装置、全封闭湿式多盘制动器, 2。。 NO.SPIN防滑差速器、工作装置液压系统采用双泵合流、先导控制等技术n 经历了近30多年的发展,目前我国已有60多个冶金、有色金属、黄金和化工矿山使 用地下铲运机,拥有60多种型号的铲运机约lOOOO台Ⅲ,铲斗斗容为0.386.1立方米, 其中以柴油机为动力源的约占70%,居主导地位。30多年的快速发展,地下铲运机技术 工程硕士学位论文 第一章绪论 己趋于成熟,已日益接近或达到世界先进水平。 1.3地下铲运机制动系统国内外研究现状 制动系统是影响铲运机行驶安全的重要部分,地下铲运机制动系统应该满足以下功 能:可以迅速降低行驶铲运机的车速,必要时可以在预定的短距离内停车,并维持行驶 方向的稳定性;下长坡时能维持一定的车速驻留制动功能,是对已经停驶的铲运机,特 别是在坡道上停驶的铲运机,使其可靠地驻留原地不动;在上坡或下坡过程中停车时; 必须稳定地驻留原地不动n引。 根据制动系统的作用可将地下铲运机制动系统可以分为行车制动系统、应急制动系 统、驻车制动系统以及辅助制动系统。行车制动系统是在行驶过程中使铲运机降低速度 直至停车的制动系统;驻车制动系统是使已经停止的铲运机停留原地不动的一套装置; 应急制动系统是在行车制动系统失效的情况下,仍然能使铲运机实现减速或停车的制动 系统;辅助制动系统是为在下长坡时保持稳定车速,避免超速失事,并减轻或能解除行 车制动装置负荷的制动系统。同时采取两种及以上传动方式的制动系统,称为组合式制 动系统,如气顶油制动能量的传输方式。 铲运机的制动系统由执行机构和控制机构组成。执行机构是产生阻碍铲运机的运动 或运动趋势的力的部件。除包括制动鼓,制动蹄,制动盘,制动钳,制动轮缸外,还应 包括报警装置,压力保护,故障诊断等部件n41。控制机构是为适应所需制动力而进行操 纵控制,供能,调节制动力,传递制动能量的部件。 1.3.1制动器的研究现状 过去广泛使用的轮式车辆采用蹄式结构行车制动器,由于蹄式结构受轮毂尺寸的限 制,制动鼓长期经常使用,磨损严重,需要经常调整间隙;制动鼓上粘黏泥、水、油难 于除去,影响制动稳定性,且存在作用面积小,散热不好等缺点,被随后出现的制动性 能较好的盘式制动器所代替。马晓燕n51等对安装在德国LAD.488型铲运机上的干式摩 擦盘制动器的工作原理进行分析,制动盘安装在减速器的输出轴上,制动闸由液压系统 控制,制动时,操作工人通过脚踏板控制活塞移动,使液压系统推动制动闸实现对减速 器输出轴的制动,当松开脚踏板时,系统压力减小,闸自动释放。由于制动盘采用的是 干式摩擦盘,刹车时,制动器温度急剧升高,容易造成制动油膜分离出现泄漏,严重影 响制动效果,并且闸片磨损较快,使用寿命短;此外,制动器为开式,工作过程中容易 进水、矿渣等杂物,导致闸失灵。因此,这种制动器虽然克服了蹄式制动器的一些缺点, 但仍存在有摩擦面积小的缺点,因而摩擦表面单位压力高,对摩擦衬片材料的强度及高 温下耐压性能要求高,而且自动补偿衬片磨损间隙的可靠性差,因此又出现了制动性能 更好的封闭多盘油冷式制动器。高彦n63对美国埃姆科公司进口的Eimeo928型制动系统 进行了分析,研究表明Eimeo 928铲运机采用的油浸式盘式制动器为全封闭式制动器, 4 工程硕士学位论文 第一章绪论 型,并对模型进行了稳定性与其他动态特性分析。但是传递函数法只适用单输入单输出 的线性定常系统,当液压系统包含众多非线性因素时,很难对系统内部各变量之间的特 征进行描述。而状态空间法则较好的弥补了传递函数法存在的缺陷,在液压系统建模中 得到了广泛的应用。如侯明亮髓现等采用状态空间法建立了螺纹插装式二位二通电液换向 阀开闭过程的动态特性数学模型,通过仿真分析,研究了相关阀的结构参数和系统性能 参数与相关阀的开启、关闭过程中动态性能的关系。功率键合图方法是在功率流概念的 基础上,采用图形化的符号反映系统中功率的传递、储存、转化、耗散以及系统中各变 量之间的内在联系,采用规则化的建模方式,通过功率键合图模型可以方便的推导出系 统的状态方程,已成为复杂工程系统建模与动态分析的有力工具啪哪!。陈嫦口∞等采用功 率键合图建模方法建立了减振器试验台压缩时代液压系统功率键合图模型,通过仿真得 Athanasatos口¨等人运用功率键合图 到系统输出速度和输出压力的动态特性曲线。Pavlos 建模方法对含有三位四通阀的高压液压系统进行了建模,该模型可用于阀槽故障的主动 conversion Kumiawan口21等人建立了Wave 预测。Adi energy 力输出系统的键合图模型。GongYouping恻等人对多功能装载机的液压操纵系统进行了 键合图建模,根据键合图模型列出来系统的状态方程,并采用数字仿真技术对系统的动 态特性进行了仿真分析。 的液压仿线,该软件采用液压元件功率口模型方式进行建模,建立的 of 具有通过计算机自动建立液压系统动态仿真模型的能力,采用预建模型库将典型液压元 件的模型进行预先设计,用户可通过仿真语言从模型库中调出需要的模型子项,并列出 系统的状态方程,完成自动建模。此外,还支持模型求解技术、数据后处理与输出等功 键合图在描述液压系统动态特性方面的成熟,出现了基于键合图建模技术的仿真软件, 如ENPORTH 2l,但初期的ENPORT软件对计算机的要求较高,而且对非线性系统求解困难。 因此,日本油空压学会推出了适用于非线性机、电、液综合流体动力学系统的键合图仿 线.但是该软件在使用时,要先将流体动力系统转换成键合图,并且程序 格式复杂。 上个世纪90年代以后,随着计算机及仿真技术的飞速发展,液压仿真软件的研究 主要集中在加强对模型描述的能力及增强对模型建立、试验、分析、设计和检验方面的 功能,如University 块以及模型数据库管理功能。RWTH Aachen大学也在原有DSH仿真软件的基础上,推 工程硕士学位论文 第一章绪论 件相连。ENPORT的最新版本也提供了两个分立模块MB(Model 其中MB模块采用键合图与方块图相组合的建模方式,可进行图形化的建模,但是对于 非线性问题,仍然采用线性化的求解方式。 国内浙江大学流体传动与控制研究所通过对德国DSH软件的消化、移植和二次开发, 推出了SIMUL/ZD液压仿线。该软件在原来的基础上增加了基于分布参数的管道 仿真模块、静态特性仿真模块和优化模块;并采用变步长龙格库塔法对积分算法进行了 改进;但是该软件通用性不好。 压仿真软件包。 华中理工大学研制开发的CHISP网复杂液压系统仿真软件,采用了面向液压原理 图的液压系统自动仿真技术,以AUTOCAD的ADS编程实现液压原理图的绘制,通过 读取中间交换文件即DXF进行图形的识别,在后台元件模型库的支持下,通过组装方式 实现自动建模n8。哈尔滨工业大学也以AUTOCAD开发了液压系统原理图智能仿真软 件,不同的是其引入了智能技术,利用一个媒介系统,将信息推理与数值上的仿线。 的结合起来,为建立液压领域仿真专家系统奠定了一定的理论基础H 大连理工大学是国内较早开展液压系统动态特性仿真研究的单位之一,在国内率先 采用了键合图建模方法对具体的液压元件以专用仿真程序进行仿真研究,并与试验结果 用BASIC语言编写,能够自动将用户输入的键合图描述文件转换为系统的状态方程, 同时该软件以建立非线性模型库的方式,有效地解决了液压系统中各种非线性因素表达 术,建立了节点类处理节点方程。 液压模块对液压系统进行仿线等采用键合图建模方法建立了液压激振系 法呻1类似,都是采用图形方式描述系统中各元件的相互关系,能够对元件间的负载效应 及功率流动情况进行描述。但是AMESim建立的系统模型与液压工作原理图十分相似, 绍,该模块可以在同一界面下建立液压系统与机械系统相互耦合的模型并对系统的运动 特性进行设置,进行各种静态、动态和模态的特征分析。 9 工程硕士学位论文 第一章绪论 1.4本文研究目的与主要工作 本文针对目前国内外地下内燃铲运机制动系统的研发和应用情况,提出了采用一种 新型的全封闭弹簧制动液压释放多盘湿式制动器来代替现有的制动装置,并对全封闭弹 簧制动液压释放多盘湿式制动器进行动力学仿真分析,实现其和整车的匹配。从而为其 进一步优化和推广应用提供理论和实践基础。本文的选题是基于作者的生产工作实践, 安徽铜陵铜冠机械股份有限公司目前在研发此类型的地下内燃铲运机。 目前,国内2立方铲运机普遍采用的第二代制动系统(即LCB制动系统),这种制 动系统的缺点是,在恶劣环境中,制动盘上容易粘有水和泥,造成制动效果非常不好, 且不方便维修。为了确保安全,有时会在前桥的支架上,对称安装2个弹簧制动器,以 确保制动效果。弹簧制动器的摩擦片经常需要调整,以保证摩擦片与制动盘的间隙在规 定的范围内。当发动机熄火时,驾驶员需要按下紧急制动按钮,即时有些设计把紧急制 动与发动机实现电磁联锁,发动机熄火紧急制动阀失电,实施紧急制动,但效果也不是 研究内容如下: 动系统和PosiStop制动系统进行对比分析。 进行设计计算。 了解制动系统的反应时间。 4.对型号为TCY-2HL的2立方铲运机制动系统进行改造,对改造后的铲运机进行制 动实验,验证本文所设计的制动系统的可靠性。 工程硕士学位论文 第二章TCY-2HL地下内燃铲运机制动系统结构与原理分析 第二章TCY.2HL地下内燃铲运机制动系统结构与原理分析 TCY-2HL地下内燃铲运机专门用于非煤地下矿山以铲装、运输、爆破后的松散物 料为主,要求工作的地下巷道应是无爆炸介质,底板牢固,通风良好,项板,边帮无浮 石的巷道。巷道截面尺寸宽不得小于2.4m,高不低于2.5m。外侧转弯外半径不小于 6m。也可以用于铁路、公路以及水利等隧道工程,特别适合于工作条件恶劣、作业现场 狭窄、低矮以及泥泞作业面的场合。 制动系统是地下铲运机一个重要的组成部分。特别对地下矿山工作机械来说,由于 其工作环境复杂、条件恶劣,保证施工安全十分重要,因此制动装置的可靠性与安全性 已成为当今地下装载机设计中一项十分引人关注的内容。本章主要对TCY-2HY地下内 燃铲运机制动系统的组成与原理进行详细的分析。 2.1TCY-2HL地下内燃铲运机制动系统的构造及工作原理 铲运机制动系统由制动或保持原地不动的所有零件的总成,它由操纵机构、传动机 构和制动器所组成。 铲运机制动性能的好坏直接影响铲运机的安全性,其评价指标为以下几个方面:制 动效能,即制动距离和制动减速度;制动方向的稳定性,即制动时汽车不发生跑偏,侧 滑以及失去转向能力:制动效能的恒定性,即抗热衰退性和水衰退性的能力。 行车制动系统是指使机械停车和保持不动的系统;停车制动系统是指使机械保持不 动的系统;辅助制动系统是指行车制动系统失效时,使机构停止的系统。 地下铲运机的制动系统要求能够满足几个方面嘞1: (1)制动系统要有足够的制动力矩。能够提供车辆与路面间附着力C所允许的足 够的制动力R,即: 厂足2缈GK,.K FB≤F妒2伊Gr或M8≤凡 (7.1) 式中 伊一车轮与路面的附着系数; GK一作用在车轮上的垂直荷重; 朋B一制动器提供的制动力矩; ,.r一车轮滚动半径; (2)操纵轻便,且按人机工程学原理进行设计; (3)制动时,地下装载机不应当丧失操纵性和方向稳定性; (4)防止水和污泥进入制动器工作表面; (5)制动平衡性,制动时制动力应迅速而稳定地增加,在放松踏板时,制动作用应 迅速消失; 工程硕士学位论文 第二章TcY.2HL地下内燃铲运机制动系统结构与原理分近 (6)避免自动制动,在车轮跳动或转向时,不应引起自身自制动; (7)当制动驱动装置的任何元件发生故障并使其基本功能遭到破坏时,制动系应装 有音响或光信号等警报装置; (8)要求制动能力的热稳定性好。 制动系统由两大部分组成:制动器和制动驱动机构。制动器是用来给机械直接施加 阻力的机构;制动驱动机构是用来将驾驶员的操纵力,或将来自其它能源的制动驱动力 传给制动器产部分。 为了保证安全,TCY-2HL地下内燃铲运机一般有两套制动系统:一为LCB制动系统, 另一个为钳盘式制动系统。 LCB制动器是多盘湿式制动器的一种,又称液体冷却制动器,是一种由液压力实 施制动,无压时由弹簧力复位的制动器脚1。LCB制动装置液压系统的原理(如图2—1所 示)。 1、液压泵;2、溢流阀;3、充液阀;4、压力表; 5、蓄能器;6、压力继电器;7、脚踏制动阀;8、制动器 图2—1 LCB制动装置液压系统的原理图Ⅲ 由图可见,LCB制动系统为液压制动弹簧释放:当启动铲运机,电动机或柴油机带 动液压制动泵1开始工作,通过充液阀2调定预设的压力,给蓄能器5充压,当压力达 到充液阀调定压力后,充液阀内部动作,进行保压卸荷,压力油只到脚踏阀7,此时脚 踏阀7处封闭状态,制动器油路封闭。当铲运机工作需要制动时,踩下脚踏阀7,此时 脚踏阀处上位状态。压力油可从脚踏阀7至轮边制动器8,达到制动停车目的,松开脚 踏阀,此时脚踏阀处下位状态,轮边制动器的压力油再回入油箱。 该系统中有两个重要的阀:充液阀和脚踏制动阀,充液阀的作用是优先给蓄能器 工程硕士学位论文 第二章TCY-2HL地下内燃铲运机制动系统结构与原理分析 回路供油,并将该回路的压力保持在所设定的工作范围内,使制动时有充足的液压力供 给,保持行车制动安全可靠。待该系统回路的压力足够高时,充液阀自动换位,主泵向 二次回路供油。脚踏制动阀的作用主要是控制前后桥制动器,是实施制动与解除制动的 直接实施者, 它可以控制制动力的大小。数次制动后,充液回路及蓄能器内的油液减 少,压力下降,待压力下降至所设定的下限工作压力时,充液阀在弹簧力作用下换位, 液压泵恢复向充液回路及蓄能器供油,直到达到充液的上限压力为止。如此,该回路又 可在需要时及时地为车辆实施制动晦9I。 这种铲运机的制动系统在恶劣环境中使用时,特别是制动盘上有水和泥时,制动效 果非常不好,且不易维修不方便。因此,为了安全生产,确保制动效果,有时会在前桥 的支架上,对称安装2个弹簧制动器。或者,经常调整弹簧制动器的摩擦片,以保证摩 擦片与制动盘的间隙在规定的范围内。当发动机熄火时,驾驶员要按紧急制动按钮,即 使有些设计把紧急制动与发动机实现电磁联锁,发动机熄火紧急制动阀失电,实施紧急 制动,但制动效果不理想。 2.2PosiStop制动系统的构造与工作原理 PosiStop制动液压系统应用于由液压解锁弹簧制动的全封闭多盘湿式制动器,该 制动器是世界上目前最为先进的制动器,集停车制动、紧急制动、工作制动于一体,三 者合一,改变了以往车辆需另配置停车制动器的状况,使车辆结构简化,该制动器的 全封闭整体结构,使制动性能不受外界泥水的影响,制动性能稳定可靠,广受欢迎, 特别是美国克拉克公司生产的驱动桥都装有这种制动器,其工作机理是弹簧制动液压 解锁,如果制动系统的任何部位失效使液压力损失,制动器都会立即制动,安全可靠。 该制动器是一种失效保安型,具有实际应用潜力。 制动装置主要是由制动器和制动液压系统两个部分组成‘哪¨,以完成行车制动、停 车制动等功能。全封闭多盘湿式制动器彻底解决了井下多泥水引起的热衰退现象和重载 斜坡道运行时出现的热衰退现象,充分整车制动的安全可靠性。全液压双管路蓄能制动 回路,采用蓄能器充液保压,即使在发动机突然熄火的状态下,仍然能在短时间内应急 制动。 2.2.1制动器工作原理 全封闭多盘湿式制动器的结构呻1(如图2—2所示)。 工程硕士学位论文 第二章TCY-2HL地下内燃铲运机制动系统结构与原理分析 (2)、采用弹簧制动液压释放的液压系统,将行车制动系统与紧急制动系统和停车 制动三者合一,在同一个制动器上,可以分别实现三种功能的制动。 (3)、当动力出现故障或液压系统发生泄漏时,不会出现溜车事故,安全可靠。 制动系统重新设计计算。 2.3本章小结 本章主要对TCY-2HL地下内燃铲运机原有的LCB制动系统的结构和工作原理进行 适应地下作业的恶劣环境,工作性能稳定,即使液压系统发生泄漏,也不会出现溜车事 进行改造,并对主要的零部件进行设计计算。 16 工程硕士学位论文 根据第二章对地下铲运机的制动系统的对比分析,选用PosiStop制动系统对 TCY-2HL地下内燃铲运机制动系统进行改造,本章主要对制动系统的各主要零部件进 行设计与选项,主要包括制动器的设计计算、液压制动泵、充液阀、蓄能器、手动换向 阀、单向阀等液压参数的计算与选型。为了保证铲运机出现故障后的拖动问题,在脚制 动阀与手动阀之间,设计一套单向阀、手动泵的供油系统,以用于故障时松闸。 3.1制动器的设计计算 因PosiStop制动系统采用弹簧制动液压释放型制动方式,因此必须对弹簧的预压缩 长度进行设计,在此之前,需对内燃机在各种不同工况下制动所需的制动力矩和所能产 生的制动力矩进行设计计算。 3.1.1制动器的制动要求 地下铲运机的制动系统需要在以下工况下均能满足制动要求。 (1)对制动性能的要求: 如表3-1所示。 表3-1非公路行驶机车的制动距离 (2)对工作制动系统的性能要求: 除了满足制动距离要求外,还要求工作制动系统能使铲运机空载在25%(14.00)的坡 度上停住。 (3)对辅助制动系统的性能要求: 驻车无滑移,工作制动系统失效时,应能作为紧急制动。 17 工程硕士学位论文 3.1.2不同工况下的制动力矩计算 为了使地下铲运机制动性能的安全可靠,需对上述不同工况下的制动力矩分别进行 计算,然后再确定制动器应该输出的制动力矩。 (1)按所需制动距离计算: 由文献[72]可知,对于在水平路面上四轮制动的轮式机械,其工作制动总制动力矩 Msl可用下式计算: MBi=艿×Gx口l×yI (3—1) 式中万为回转质量换算系数;G为整机工作质量,取为13000Kg;q为制动加速度;Ix 为车轮滚动半径。 其中万可根据下式计算: (3—2) 厂;×G 万:1+一4Jk+Z(J-×i:) 式中五一轮胎和轮辋的转动惯量,单位:kg.n12 厶-m转动件的转动惯量,单位:kg.m2 葫1转动件到车轮的传动比 ,r——车轮滚动半径,0.6m 若五、厶尚未知,可近似取8=1.1m3; 由表3-1可确定制动距离为: (3-3) SO丽V2+(盖)×(鑫)+0.1(32叫_8-4朋 则制动加速度可用下式进行计算口扪: @叫) 25.92.00一1,o×芸1 伪2丽矗三巧=2.12m/s2 式中,Oo为制动初速度,根据本文的实际设备运行uo=20km/h; tl为制动系统滞后 时间,单位:s;对全液压制动系统取tI=O.2s[721。 带入参数后计算得施l:18.19×103Ⅳ.聊 (2)按坡道上驻车计算总制动力矩口21 用工作制动器时总制动力矩: sinl4。×rk (3-5) MPl=G×gx 式中, 『重力加速度,单位:rn/s2。 代入参数后可得M。l=18.49×103N.聊 空载驻车用停车制动器时总制动力矩: 工程硕士学位论文 Mp2=G·g·sinl0.20·,.々 (3-6) 代入计算得到Mp2=13.64x103N·m 根据上述计算,则所需工作制动总制动力矩: (3—7) Ms’=max{M即MPl)=18.49×103N·m 所需驻车制动总制动力矩: (3—8) 尬’=maX{Mpl,M尸2)=18.49×103N哪 (3)按附着条件校核总制动力矩口21 水平路面工作制动: Map=G·g·万·∥·rx (3-9) 式中∥一轮胎与水泥路面的滑动摩擦系数,~般取∥=O.6。 计算可得Ma.=50.4x103N.m 坡道空载驻车制动: Mp.1=G。g·f·rkCOS0.20/(id·if) (3一10) 式中:,一轮胎与水泥路面的静摩擦系数,取0.65睇1; 如、z,一桥主传动传动比及桥终传动比为26陌1; N.m。 计算可得M阳l=1.88×103 坡道满载驻车制动: 103N·m (3一11) Mp/。2=(G+∥)·g·f·rkCOS8.5。/(id·if)=2.47x 从计算可知:Mpa2≥Mpal。 (4)制动力矩确定 综合上述计算,则工作制动总力矩Ms应满足: (3—12) Ms=min{肜’8,M助)=18.49×103N蜘 驻车制动总力矩Mp应满足: 在确定Ms后,再重新计算制动减速度口和制动距离S口引: 口=M8/(G·万·rk) =18.49×103/13000×1.1×0.6=2.16m/s2(3—14) S=D2/(25.92a)+uo·tl/3.6 =8.25m (3—15) 确定MP后,还可计算停车制动作为紧急制动用时的制动减速度口e和制动距离S∥72J: 19 工程硕士学位论文 血:上:Q:!墨:!Q!:8.2一mm△X=——=—————二_二=芍. 【(3…-22)J K·刀 25·9.8·24 足制动的要求。 3.1.4制动系统压力Pz的确定 系统压力应大于推动弹簧所需压力,弹簧所需最小推力: F曲=n·K·Axl=1.18×105N (3—23) 式中:缸l——实际压缩量20ram。 该制动器靠液压油作用于环形缸面产生的液压力推动压力弹簧,解除制动。活塞受 动器的液压力F,在90%额定压力时,完全松闸盯¨,则最小液压力F,: 0.9F。F。iIl =].,』Ⅵf,Ⅱ ~。一ZqJ (3—24) ‘’ 爿7’·0.9 O.023×O.9 凡石Fm丽in=丽1.18x105=5.7x106Pa=5.7胁 一,.户一=一= 故根据设计口¨,制动液压系统压力为P:=10MPa完全可满足制动系统压力要求。 3.1.5制动力设计计算 四轮制动器所能产生的制动力矩应大于或等于总制动力矩口¨,即: 4F。i。·(协+rid一1)肛·re≥MBl (3~25) 式中:,一每个制动器中静摩擦盘片数: rid一每个制动器中动摩擦盘片数,一般玎』=nd+l; ∥J一动、静摩擦盘问的摩擦系数,一般取0.08--0.1; 纨一作用在摩擦衬块上的压强,单位:MPa;Pd≤[办]; [办]一摩擦衬块许可压强有力; 么d一摩擦盘有效面积,m2;Ad=3.14x(R2,一天}) Rz、R,一摩擦衬块的内径外径,m,由结构布置和摩擦盘生产厂家产品的尺寸系 列决定,R2为0.2m,Rl为0.2184m瞄引; 凡~制动器活塞回位弹簧作用力,N,一般取凡=O.1F ,.e一摩擦盘当量摩擦半径,单位:m; 假设摩擦盘均匀受力,可按下式计算n1: (3-26) 名=Rl(1一y)2/[6(1+7)】+(灭l+R2)/27 其中:7=iRl 2l 工程硕士学位论文 ,--If4:,.。=Rl(1一厂)2/【6(1+y)】+(Rl+R2)/2y=O.21 故设计制动力矩:M=4Fmin·西+m一1)肛·n=5.94x104≥M日l 设计的整车制动力FB(N)n1 ’ 凡:丝:18.9×104N (3-26) ,七 式中FB——设计整车制动力,单位N。 3.1.5温升校核 (1)制动能量计算 制动器工作是产生的热量,一部分进入冷却器中,一部分传递给各零件,这时如 果制动器热容量不足时,温度将会升高,各摩擦面会因此磨损甚至烧坏,为了避免发生 这种情况,设计时控制制动器在110度左右,一般每制动一次温升一不得超过5℃盯¨。 制动器产生的热速率H(J/s) H=P。.Ar·f·1, (3—27) 式中:1,一摩擦盘的平均摩擦速度,20Km/s=5.56m/s; 厂一摩擦材料摩擦系数,一般取0.08,010; P口一实际制动压强; Ar一制动盘的制动面积; 单根驱动桥中制动器一次所产生的热量T: r:丝里 1.1一 (3—28) ,=一 式中 ∥一制动器零件的吸热率,取∥=0.5; C一制动器的热容量,一般取473J/kg.oC; m一制动元件的质量110kg; Q一制动一次产生的热量,J; 其中:Q=topH 一般如=0.4s 故:H=尸口。Az·f·1,=1.2x105×0.1x5.56=0.67×105JIs 丝:旦:主:Q:兰堡兰!垡 T= =2.50C C.m 473.110 即每制动一次温升小于设计温度要求。 工程硕士学位论文 3.2TCY-2HL地下内燃铲运机PosiStop制动液压系统的设计 3.2.1制动系统蓄能器的选择 蓄能器的功用:液压蓄能器的功用主要分为:存储能量、吸收液压冲击、消除脉动 压盘 {手O 蓄能器总容积(即封入气体的最大容积)V0的计算。蓄能器的充气容积Vo的指供 油前充气压力(又称基准压力)为Po时的容积。根据蓄能器的排油速度快慢分别计算 如下: (1)当蓄能器作为动力源时,例如长期保压下的泄漏补偿,排油速度较缓慢,蓄 能器内气体压力和体积变化是在恒定的温度下变化的,即按等温状态计算口¨: 尸0Vo=PlVl=P2V2=常数 (3—29) Vl:(eO)v。, (3—30) P1 V2:(旦)‰ (3—31) P21 VH=V广V2 (3—32) 其中:尸I一气体最低工作压力MPa;P2一气体最高工作压力MPa; P。一供油前充气压力,对气囊式蓄能器,折合型号的取P。/P。=0.8--0.85, 波纹型的,取Po/Pl--0.6--0.65;活塞式蓄能器,取P。/Pl=O.8~0.95。 (2)当蓄能器作为改善紧急动作特性用的辅助能源时,其排油速度较迅速,这时气 体压力和体积变化,应按绝热状态来考虑。一般地说,绝热状态出现于气体压缩或膨胀 发生在lmin以内m3。 JPoy041=Ply:‘41=P2y141=常数 (3—33) Vl:(孕)¨1V。,(单位:£) (3—34) FI V2(孕)141V。,(单位:£) (3—35) 尸2 其中:上标数值1.41表示气体的定容比热与定压比热的比率。 根据气囊式蓄能器,折合型号的取P。/P.=0.8~O.85来计算,选取的制动液压系统 压力为10MPa,蓄能器充油之前,其内气体压力为预充气体的压力为0.8MPa。 为保证蓄能器容量要求它从高压降至低压时排出的油量使制动器制动次数至少3~7 次以上,故根据实际使用经验,初选蓄能器气体容积Vo为4L,一般为安装方便需2只(在 制动过程中进行校验)。 工程硕士学位论文 3.2.2充液阀的选择 充液阀的作用是优先给蓄能器回路供油,并将该回路的压力保持在所设定的工作 范围内,使制动时有充足的液压力供给,保持行车制动安全可靠,待该系统回路的压力 足够高时,充液阀自动换位,主泵向二次回路供油阳1 . 充液阀是一种液控单向阀,一个方向止流,另一个方向自由流通,先导动作是由油 口供压的控制阀芯用液压实现的,由此而直接打开主阀。这种阀是为叠加系统而设计的, 即在一个基础件上可以叠加各种各样的其它类别的液压阀。充液阀的工作原理(如图3—2 所示)。 A P 0 图3-7-充液阀的工作原理图‘川 充液阀采用弹簧加载式盘式截至结构,能使活塞在压力作用下快速充放,充液阀也 可以设置预开启压力,具有可靠的密封性能。在高压与大流量时,能起到卸荷作用,并 避免卸荷冲击,充液一般作为液压和油箱间的吸排油阀使用,大型压力机的快速行进时, 油缸要大量补充油液,自动向油箱吸油;慢进加压时要防止油液从油缸反串油箱。反向 时油液可从油缸排回油箱。充液阀结构原理如图3—3所示。 充液阀的主要作用是用一定的速率给蓄能器供油,并使蓄能器的压力保持在一定的 范围内,同时还可以通过溢注阀向下游的液压装置供油,由于蓄能器容量不大,因此向 充液阀供油时,油绝不会影响下游其它液压装置的正常工作。 P口为油泵供给的压力油进口;Pl为通向下游液压系统的出口;P2为通向蓄能器 的油口;T为回油口。 当蓄能器油压超过其上限时,油液通过C路作用在先导阀芯2上,克服弹簧力,推 动先导阀芯右行,使得A路与回油箱通。同时,由于压力油通过B路作用在充液先导 阀芯l上,克服充液阀弹簧力推动阀芯左行,使压力油直接通过非节流口流N-次压力 油路,充液阀自在非充液状态∞引。 24 三堡堡主堂垡论莲 当蓄能器油压低于其下限时,先导阀2右侧弹簧推动先导阀芯左行,此时压力油经 先导阀2流入A路,与先导阀l左侧弹簧共同作用,使先导阀1右行,油液从充液阀流 向蓄能器,直至蓄能器的油压达到上限。因此蓄能器压力始终保持在上限油压与下限油 压之间。 1、阀体;2、螺钉;3、弹簧;4、阀座;5、导杆;6、钢球;7、内阀座;8、阀芯; 9、钢球;10、导杆;11、弹簧;12、螺塞;13、挡圈;14、塞子;15、0形圈;16、挡杆: 17、0形圈;18、滑芯;19、塞子;20、挡圈 图3-3充液阀结构原理图‘711 在MICO的单回路液压制动系统中,充液阀可将蓄能器与制动阀连在一起。充液阀 控制蓄能器的充油量和压力,一量蓄能器的压力达到其预调的上限值时,充液阀自动停 止供油,当压力下降至下降值时,充液阀将使系统中的一小部分油回流给蓄能器充压。 因此蓄能器压力始终保持在上限油压与下限油压之间。MICO单路蓄能器充液阀可以用 在开式液压系统,与一个蓄能器和一个MICO调节阀或者其他液压元件组合使用。该充 液阀控制蓄能器的充液速度及其内部流体的压力。当蓄能器压力达到上限时,充液阀将 自动停止充液。当蓄能器压力达到下限时,充液阀从开式的主液压系统中分流少量油液 给蓄能器充液。充液阀根据需要及预设充液速度和最大压力,通过开式回路为蓄能器供 油。其他充液速度和压力可根据要求提供17¨。根据顾客的特殊需求,可在制造阶段调节 设定值。流量可达246L/min(5 GPM)。充液阀实物(如图3-4所示)。 工程硕士学位论文 图3-4无液阀买物图 ≈15.86±0.345 8.8L/min。 MPa的充压速率为5GPM≈1 3.2.3制动泵的选取 制动液压系统的制动泵的作用是给蓄能器系统充压,流量达到蓄能器充压速度即 可。考虑到发动机转速的影响,蓄能器充液阀的最大充压速度为5.0GPM,即18.8L/min

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