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矿用卡车制动器的配置、种类、工作原理及性能特点

2020-06-05  xiaoweij1...

矿用卡车(下文简称矿卡)作为水利工程建设和煤炭、金属、水泥 等大型矿山的主力运输工具,在生产中有至关重要的作用,矿卡的使用性能直接影响甚至决定了生产效率 。矿卡载重量和自重很大,往往达到几十甚至几百吨,而实际的使用工况尤其是路面条件差,多为非修缮碎石或者松散沙土路面,运行时可能经常遇到转弯、坡道等,如何在这样的条件下保证安全运行,这就要求作为保障的终端执行部件制动器要有卓越的制动能力和绝对的可靠性。矿用卡车的制动性能要求主要依据ISO3450 轮胎式或高速橡胶履带土方运输机械制动系统性能和测试要求,对应的国家标准是GB/T 21152 土方机械轮胎式机器制动系统性能要求和试验方法。

国外矿卡主要生产企业有卡特 、小松、沃尔沃、利勃海尔、别拉斯等,国内企业有内蒙古北方重型、三一重工、徐工集团、中冶京诚 等,这些企业生产的全系列矿用卡车从载重量30吨 到 400吨共有近百种车型,这些矿卡的制动配置主要以盘式制动为主,下面将按照不同车型分类详述 。

矿卡盘式制动一般是液压实施的, 其中液压实施的又分为干盘制动和湿盘制动。

干盘式制动

干盘式制动因为成本较低、安装和维护方便、零部件重量轻和性能稳定等诸多优点,很多种经典车型一直在使用,例如小松的630E、 730E、 830E 系列 和 卡特的MT3700、MT4400、MT5500 ,勃海尔的 T264、T274、T282 和内蒙古北方重型的NTE系列等车型。 配置全干盘制动的矿卡多为电驱动,因为电驱动矿卡的电缓行功能(即车辆在高速运行时通过电控和电驱动系统把动能转化成电能再经过电阻转化为热能消耗掉)能够有效地降低车速(一般是降到5Km/h或者更低),然后使用机械制动把车辆停住 。下面图示了干盘制动器的基本结构原理,每套干盘制动器配2片刹车片(序号5),活塞(序号3)安装在制动器壳体(序号1)的座孔内,制动盘(序号6)安装在车轮上并随车轮同步转动,制动器安装在车桥上;实施制动时液压系统控制阀通过管路在制动器壳体和活塞之间的空间充入液压油,高压油推动制动器活塞,活塞推动刹车片夹紧制动盘产生摩擦,摩擦力阻止车轮继续旋转。

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典型的干盘式制动器

美国卡莱公司(Carlisle Brake and Friction)生产的6活塞制动器(用于前桥或者大吨位车型的后桥),载重200吨级别或者更低吨位的车型后桥因为安装空间所限制,一般每轮使用2套4活塞的制动器。

为了增大制动力矩经常会在同一个车轮端安装2套以上的制动器,例如小松的830E车型前桥每个车轮使用了3套制动器,卡特的MT4400和MT5500车型前桥每个车轮使用了4套制动器 。

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小松的830E车型与卡特彼勒TR100

湿式盘制动

相比干盘式制动,湿式盘制动因为刹车片的数量多、制动摩擦面积大,制动器使用强制循环冷却散热以保证稳定性,所以能提供更大的制动力矩 ; 下面图示了典型的湿盘制动器结构原理:

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典型的湿盘制动器

该湿盘制动器集合了行车和驻车功能一体,制动器的壳体(序号2)使用螺栓(序号3)安装在桥壳(序号1)上,驱动盘(序号4)通过花键与摩擦片(序号6)啮合并随车轮(序号7)带动摩擦片同步转动,对偶钢片(序号9)与制动器壳体通过花键啮合连接,是不转动的 。发动机熄火车辆不工作时,弹簧力推动驻车制动活塞(序号10),驻车制动活塞再推动行车制动活塞(序号8)压紧摩擦片和对偶钢片产生摩擦力,这个摩擦力阻止驱动盘转动,驱动盘再阻止车轮转动实施驻车制动。车辆行走之前,液压系统给制动器壳体和驻车制动活塞之间充压力油,驻车制动活塞受液压力压缩弹簧,这个时候行车制动活塞也不再受驻车制动活塞推动,不再压紧摩擦片和对偶钢片,驻车制动解除;车辆在行走过程中,需要制动的时候行车制动活塞与制动器壳体之间充压力油,行车制动活塞受压力压紧摩擦片和对偶钢片产生摩擦力,这个摩擦力阻止驱动盘转动,驱动盘再阻止车轮转动实施行车制动。

因为矿车满载时前后桥分担的重量一般分别是总重量的33%和67%,使用湿盘制动器比起干盘制动能提供更大的制动扭矩,所以最经典的卡特777、特雷克斯TR100、三一的SRT95 等这些车型使用了经济有效的前干盘后湿盘的制动配置;

例如TR100车型前桥上使用了2套卡莱公司的J6型号制动器,能够提供的制动力矩计算如下

T = K×P×Rf×i×NC×ND×NW

  =1.378×110bar×428.8mm×1×1×2=129995Nm

其中,K是综合了制动器活塞面积和刹车片与制动盘之间摩擦系数的综合因数,是这个型号制动器的固定性能参数;P是制动压力油的压强;Rf是有效摩擦半径;i是制动盘安装位置与车轮之间的传动比; NC是每个制动盘上使用的制动器数量;ND是每个车轮上使用的制动盘的数量;NW是每车桥上参与制动的车轮数量。

后桥2套湿盘制动器能提供的制动力矩计算如下:

T =μ×F×Rcp×2NE×NH

  =0.12×260000×0.32×26×2=520000 Nm

其中,μ是制动器中摩擦片与对偶钢片之间的摩擦系数,这是由摩擦片使用的材料和环境温度决定的;F是活塞对摩擦片的正压力;Rcp是有效摩擦半径;NE是每套制动器中摩擦片的数量,每一片摩擦片有2个面参与制动; NH是每台车使用湿盘制动器的数量。

而小松的930E、960E和卡特793、795车型整车四个轮都是使用全湿盘制动器,这样的高端配置近些年来在载重300吨以上的超大型矿卡上越来越受到重视,国内中冶京诚的MCC600D和湘电集团SF35100也是整车前后轮都配置了全湿盘制动器;其优势是实现的制动力矩大,车辆制动效率高 。制动器总成是主机厂自己研发设计制造的,制动器中的关键核心零件刹车片(包括纸基摩擦片、对偶钢片和减震片)一般使用美国卡莱(Carlisle Brake and Friction)公司制造的。

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小松930E与卡特彼勒793F

这些车型湿盘制动器与TR100后轮湿盘制动器的制动力矩计算方法是一样的。

矿用卡车的驻车制动器都是弹簧实施、液压释放的 ,即车辆停止时靠制动器内的弹簧推动活塞和刹车片夹紧制动盘实施驻车制动,车辆行驶前靠液压系统提供的压力油推动活塞压缩弹簧,刹车片脱离开制动盘解除驻车制动;下面是2种典型的,即单一式和多片式驻车制动器的结构原理 :

单一式和多片式驻车制动器的结构原理

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单一式和多片式驻车制动器的结构原理

单盘式驻车制动器在卡特MT系列电驱动矿卡、小松630E 730E 830E车型、国内内蒙古北方重型的NTE系列车型、中冶京诚和湘潭电机等各家电驱动矿卡上应用广泛,例如MT4400矿卡使用了2套美国卡莱G2-7型干盘驻车制动器,全新状态时最终实现的制动力矩按如下方法计算:

T =K×Rf×NC×ND× i

  =56.98×266.7×2×31.8=966501Nm

其中,K是这个型号的制动器施加给制动盘的摩擦力; Rf是有效摩擦半径;

NC是每个制动盘上使用的制动器数量;ND是每个车轮上使用的制动盘的数量;i是制动盘安装位置与车轮之间的传动比。

多片式驻车制动器在结构上因为刹车片的数量多、面积大所以能提供更大的制动力矩,在小松的860E 、930E、 960E 车型上使用,制动力矩计算方法与湿盘式行车制动器计算方法相同 。

盘式行车制动器,其液压油的供给是由安装在驾驶室底板上的制动踏板阀控制油路的通断和压力大小的;如果车辆配置了全干盘制动,因为单次制动需要的液压油排量较小,制动踏板阀即可以控制;如果使用了湿盘制动器,推动活塞需要的液压油量比较大,需要有大排量的继动阀来配合 。下面是市场上使用最多的美国CBF公司的制动踏板阀和继动阀 :

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典型的制动踏板阀 与 典型的继动阀

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