矿山机械强制冷却湿式制动器开发研究

　　摘要：在矿山和煤矿运输车辆设备中，制动器对保证生产和人员安全具有至关重要的作用。根据国家相关规定，矿山和煤矿现用运输车辆一律要求采用湿式制动器，但湿式制动器在长距离大坡度制动时容易产生高温导致制动器故障甚至制动失效事故。基于此，文章研究了一种带有冷却腔的湿式制动器，液压油通过相关管路流经该冷却腔进行制动器强制冷却，保证了制动器表面温度不超过70℃，降低了设备的使用维护费用，提高了制动可靠性与安全性。

　　关键词：矿用机械;矿用运输车;制动器;强制冷却

　　1矿用制动器发展现状

　　随着我国经济的高速发展，安全生产问题在矿用设备领域日益严峻，也备受各方关注。在矿山机械和煤矿机械中，矿用车辆的制动系统在安全性上起到关键性作用，不仅影响到车辆作业效率，也是保证人员安全和生产正常运行的重要系统。路面车辆常见的开放式钳盘制动器或蹄式制动器都是靠摩擦片干式摩擦制动的干式制动器，存在制动抗干扰性差、制动可靠性低、容易发生高温失效、故障率较高等缺陷，这些缺陷对工程矿用车辆来说都是极大的安全隐患[1-2]。

　　2019年2月23日，内蒙古锡林郭勒盟西乌旗银漫矿业公司井下运送工人的车辆发生翻车事故，经过调查组和专家分析，事故发生除了主观因素之外，还违反了煤矿安监部门对矿用车辆的相关要求，事故车辆刹车系统采用的干式制动器，在长距离制动过程中发了高温失效。内蒙古自治区应急管理厅2019年2月23日通报，初步查明，事故系车辆刹车出现问题，失去控制，撞在辅助斜坡道四车场巷道帮[3-4]。

　　2015年2月，国家安监局就发布了《关于发布金属非金属矿山禁止使用的设备及工艺目录(第二批)的通知》中要求：专门用于运输人员、炸药、油料的无轨胶轮车使用的干式制动器，自文件发布之日起一年后禁用，应采用内置封闭式湿式制动器[5]。《煤矿安全规程》中的第三百九十二条规定：采用无轨胶轮车运输时，工作制动必须采用湿式制动器[6-8]。湿式制动器具有封闭的结构，制动元部件都密闭在制动器壳体组成的空腔中，摩擦片工作在封闭浸油的环境里。因此湿式制动器具有抗干扰性强、可靠性高、制动力矩大等优点，解决了尘土、泥沙等外部污染以及干式摩擦容易高温等问题，可以避免干式制动器存在的缺陷和安全隐患，满足矿用车辆安全规程要求。

　　但是，随着我国采矿工业的深入发展，矿井开采越来越深，距离井口也越来越远，井下运输巷道的距离和坡度也逐步增加，仅仅依靠湿式制动的形式已经不能满足长时间制动的安全要求。运输车辆在长距离大坡度工况下运输时，存在制动频繁和制动持续时间长的问题，会使得制动器产生大量的热量，即使采用的是湿式制动，由于累积的热量太多，也难以通过自然散热的方式保证制动器不产生高温。

　　一旦长时间制动导致的制动器温度不断上升，难免会超过液压油的许用温度，造成制动器液压油变质、密封件老化失效等问题。不仅会造成制动性能下降，也大大降低了设备使用周期，持续高温严重时甚至会造成摩擦片烧结而制动失效，引发安全事故。因此，为了提高矿用车辆在长距离坡道时长期制动时的设备可靠性，在湿式制动的基础上还需要开发强制冷却系统，通过流动的液压油带走热量，强制冷却制动器。国外几大工程机械公司,如美国的克拉克公司(CLARK)、卡特彼勒公司(CATERPILLAR)、朗克威尔公司(RONKWELL)、瑞典的沃尔沃公司(VOLVO)、德国的凯斯勒公司(KESSLER)、日本小松公司(KOMATSU)等于20世纪80年代初开始研制开发全封闭多盘湿式制动器，并应用于工程机械和矿山机械中[9-10]。

　　近年国外的工程驱动桥，尤其是重型驱动桥中的湿式制动器都配有强制冷却功能。我国在20世纪90年代就开始研制开发湿式制动器，根据安监及管理部门的要求，现在强制矿山运输车辆必须使用全封闭的湿式多盘制动器，但是对于强制冷却功能，还没有相关规定和要求。随着国内矿用车辆大型化和重型化发展，以及井下运输工况长距离大坡度的新变化，为了提高矿用车辆的安全可靠性并适应市场需求，设计开发国产化的带有强制冷却功能的湿式制动器的驱动桥具有重要意义。

　　2强制冷却湿式制动器的设计

　　为了解决以上技术问题，设计一种带有冷却腔的湿式制动器，该湿式制动器内部设计了一个密闭的冷却腔，冷却液压油可以通过该冷却腔不断循环带走制动器内部热量，可以一直冷却驱动桥制动器，防止制动器长时间制动累积高温。相对于现有的湿式制动器，该设计进一步避免了制动器过热失效，提高了制动安全和可靠性。

　　壳体1与壳体2装配在一起，其中有一个较大的空腔，在壳体的外部环形均布安装了若干个壳体紧固螺栓将壳体两部分紧固。壳体2中安装了一组静摩擦片，静摩擦片的外圆上加工了花键，与壳体2内侧的花键配合，保证静摩擦片可以在壳体2中沿轴向运动。动摩擦片内圈上加工了花键，该花键可与驱动轴外圈上的花键配合将两者安装在一起，动摩擦片和静摩擦片每片间隔安装。

　　壳体1上通过压紧座螺栓安装了一个压紧座。制动压紧盘安装在壳体2内部，制动压紧盘与壳体2之间形成一个制动空腔，在这个空腔的两侧的制动压紧盘的外圈上加工有凹槽用于安装密封圈，在制动油口的油压下制动压紧盘可以在壳体2内部沿着轴向方向运动。制动压紧盘上环形均布四个由回位螺塞、回位弹簧组成的回位机构，回位弹簧安装在回位螺塞和制动压紧盘之间，回位螺塞的一侧通过螺纹安装在壳体2上，在制动压紧盘在壳体2中运动时，回位弹簧进行压紧和释放运动。壳体1与壳体2的中心穿过一个驱动轴，驱动轴与两个壳体通过两端的轴承安装在一起，该驱动轴中间具有外花键，与动摩擦片法兰的内花键配合安装。

　　驱动轴可通过花键带动动摩擦片法兰和动摩擦片在壳体1与壳体2中转动。驱动轴两端的轴承保证机构旋转的稳定和可靠。两边的轴承外侧安装了其防尘和密闭作用的盖板，盖板通过盖板螺栓安装在壳体上，在盖板外侧安装了黄油嘴，可为轴承加注润滑油。

　　壳体1、壳体2及动摩擦片法兰之间安装了浮动密封环和橡胶密封圈。浮动密封环和橡胶密封圈的作用是密闭这个冷却腔，阻止冷却油从缝隙中流出制动器。该制动器在非制动状态时，静摩擦片和动摩擦片没有压紧，有一定空隙，保证两者可以自由旋转运动，也即是驱动轴可以在壳体中正常旋转。制动时压力油从制动油口进入制动空腔，在油压的作用下，制动压紧盘向压紧座方向运动，静摩擦片和动摩擦片逐渐压紧，直至无法相对旋转运动，此时驱动轴相对于壳体也停止转动，完成制动工作。

　　当制动停止时，制动油口失压，在回位弹簧的作用下制动压紧盘往壳体2方向运动，制动空腔中的制动油通过管路流向液压油箱，静摩擦片和动摩擦片不再压紧在一起，逐渐恢复间隙之后两者可以再次旋转运动，驱动轴即可恢复旋转。冷却油通过冷却油口1和冷却油口2进出壳体1与壳体2形成的空腔，在冷却油不断流动的过程中，制动产生的热量被逐步带走。

　　3工艺与装配

　　3.1关键零部件制造

　　制动器中的壳体、驱动轴、动摩擦片法兰等零部件因为要求安装密封件，对其工艺尺寸和安装面粗糙度要求高，加工精度高，加工工序多，工艺较复杂。加工期间，需要改进工艺，优化使用刀具，避免加工过程出现返工甚至报废，加工出符合设计和装配要求的零部件。

　　3.2制动器与驱动桥轮毂之间的密封

　　制动器与驱动桥轮毂之间均采用浮动油封密封，采用浮动密封环+O型圈的密封形式。因为制动器与驱动桥轮毂之间有旋转运动，浮动密封环要求耐磨，材质可选用CrMo合金铸铁;O型圈要求耐温、耐油、耐压等，材质可选用氟橡胶，要根据O型圈及浮动密封环的比压选定O型圈的压缩模量和弹性模量。对选定零部件进行高压、耐油、耐温、压缩回复、比压试验及空载磨合试验，确定产品性能要求。

　　3.3浮动密封环比压与安装尺寸的确定

　　内外密封的浮动密封环位置不同，其比压也不同。经过多次比压测试与试验，确定浮动密封环的比压，通过调整相应零件尺寸，达到安装要求。

　　3.4制动器的装配

　　两端浮动密封环装配合并时，为了防止浮动密封环在制动器重力压力下受力不均匀而产生一侧受压，在其外部四周增加磁性限位块，保证平衡装配。

　　矿山机械论文投稿刊物：《南方农机》(双月刊)创刊于1970年，由江西省农业机械研究所、江西省农业机械化技术推广站、江西省农业机械学会主办。主要读者群为南方15省市各级农机工作者及广大农林机手、拖拉机驾驶员。涵盖面广、发行量大，是贵单位宣传企业形象、扩大知名度、特别是产品迅速占领市场、扩大市场份额的最佳媒体。

　　4结束语

　　该强制冷却湿式制动器经过生产装配，进行工业性试验时经测试，在下坡路段连续制动20min，湿式制动器表面温度不超过70℃，湿式制动器无漏油现象出现，达到设计要求。该强制冷却湿式制动器设计合理，运行可靠，在降低制动温度的同时减少了摩擦片的磨损，并提高了密封圈的使用周期，降低了设备的使用维护费用。此外，该制动器的研发成功大大提高了现有工程、矿用机械运输设备制动的可靠性与安全性。

　　参考文献：

　　[1]鲍文，袁梦.长大下坡重型货车制动器温升模型分析[J].南方农机，2020，51(10)：9+20.

　　[2]邹新斌.新型后桥摆动架综述[J].南方农机，2014，45(5)：43-44.

　　[3]赵影刚.驾驶人不具资质操作不当挂三挡报废车超期服役制动不灵撞上墙：内蒙古西乌珠穆沁旗银漫矿业有限责任公司“2.23”井下车辆伤害重大生产安全事故分析[J].吉林劳动保护，2019(12)：36-39.

　　[4]宋鹏飞，夏永波.内蒙古矿难为矿山运输安全敲响警钟[J].消防界(电子版)，2019，5(4)：12-16.

　　[5]国家安全监管总局关于发布金属非金属矿山禁止使用的设备及工艺目录(第二批)的通知[J].国家安全生产监督管理总局国家煤矿安全监察局公告，2015(3)：25-26.

　　作者：陆纪文