矿用电机车制动系统设计与研究

摘要

矿用电机车作为煤炭运输的主要工具之一，为了提高它的运输效率，需要提高其运行速度，但是矿用电机车制动系统的性能直接影响它的最高运行速度，进而影响其运输效率，并且制动系统性能的优劣直接关系到矿用电机车的运输安全，所以需要设计一种操作简单、制动可靠、容易实现自动化的制动系统。　　针对当前矿用电机车制动系统存在的操作复杂、制动空行程长、自动化程度低等问题，提出一种液压防抱死盘式制动系统，基于5t矿用蓄电池电机车基本技术参数对制动系统主要部件进行分析计算，明确液压防抱死盘式制动系统应用在矿用电机车上的可行性。　　通过对矿用电机车制动时轮轨间的粘着机理深入分析，建立矿用电机车防抱死制动系统数学模型，并在MATLAB/Simulink中建立其对应的仿真模型。分析有无防抱死制动系统矿用电机车车速、轮速、滑移率和制动距离的变化规律，仿真表明：有防抱死制动系统的矿用电机车制动性能明显占优，尤其是充分利用了轮轨间的粘着，满足煤矿安全规程对矿用电机车制动距离的要求。在同等条件下对有无防抱死制动系统的矿用电机车车速和制动距离进行分析，仿真表明：在满足煤矿安全规程对制动距离的要求下，有防抱死制动系统允许的最高运行速度要比无防抱死制动系统允许的最高运行速度高35%，即矿用电机车的运输效率得到很大提高。　　基于矿用电机车低速、重载的运行特性，通过对摩擦理论、传热理论深入研究，建立了制动盘瞬态传热微分方程，并在ABAQUS中建立了制动盘直接热机耦合有限元模型。对防抱死工况下制动盘温度场、应力场的分布规律进行深入分析，结果表明：制动盘表面的温升曲线是呈锯齿状上升的，并且制动前期温升比较快，后期趋于稳定，最重要的是最高温度低于150℃，满足矿用电机车制动系统对制动盘最高温度的要求，最大等效应力值远小于许用应力250MPa，满足制动盘材料的强度要求。最后选择台架试验方法，验证了制动盘温度场仿真结果的可靠性，从而间接证明所建制动盘热机耦合有限元模型的正确性，至此也从侧面证明液压防抱死盘式制动系统应用在矿用电机车上的合理性。

目录

声明

变量注释表

1 绪 论

1.1研究背景及意义

1.2.1 矿用电机车制动系统的国内外研究现状

1.2.2 盘式制动器热机耦合的国内外研究现状

1.3 主要研究内容

2 矿用电机车制动系统分析及计算

2.1矿用电机车的主要参数

2.2矿用电机车制动系统的总体方案

2.2.1 制动执行机构布置

2.2.2 防抱死制动系统的基本结构和工作原理

2.3制动系统主要零部件的计算

2.3.1 盘式制动器的主要尺寸

2.3.2 制动液压缸的主要尺寸

2.4 本章小结

3 防抱死盘式制动系统的数学建模与仿真分析

3.1制动过程分析

3.2制动力分析

3.4轮轨间粘着分析

3.4.1 蠕滑的形成

3.4.2 粘着的概念

3.4.3 滑移率与粘着系数的关系

3.4.4 影响粘着系数的因素

3.5防抱死制动动力学的数学模型

3.5.1 车辆动力学数学模型建立

3.5.2 车轮数学模型建立

3.5.3 滑移率数学模型建立

3.5.4 制动系统数学模型建立

3.5.5 控制算法数学模型建立

3.6防抱死制动动力学的仿真模型

3.6.1 单轮车辆子系统仿真模型

3.6.2 车轮子系统仿真模型

3.6.3 滑移率子系统仿真模型

3.6.4 制动子系统仿真模型

3.6.5 PID控制子系统仿真模型

3.6.6 矿用电机车防抱死制动系统的仿真模型

3.7.1 无防抱死制动系统的仿真结果

3.7.2 有防抱死制动系统的仿真结果

3.7.3 有无防抱死制动系统制动距离的对比

3.8 本章小结

4 制动盘热机耦合有限元模型建立

4.1有限元分析的基本原理

4.2制动盘热机耦合建模的理论基础

4.2.1 接触理论

4.2.2 摩擦生热理论

4.2.3 传热理论

4.2.4 应力的计算

4.2.5 热机耦合求解方法

4.3有限元模型建立

4.3.1 几何模型的建立

4.3.2 材料属性的定义

4.3.3 制动器的装配

4.3.4 分析步的设定

4.3.5 接触的定义

4.3.6 载荷和边界的设定

4.3.7 模型网格划分

4.4 本章小结

5 制动盘热机耦合分析与试验验证

5.1 制动盘温度场分析

5.1.1 径向温度分布

5.1.2 周向温度分布

5.1.3 轴向温度分布

5.2 制动盘应力场分析

5.3.1 试验方法的选取

5.3.2 LINK3000惯性台架原理介绍

5.3.3 试验目的

5.3.4 试验步骤

5.3.5 台架试验与仿真分析结果对比

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

作者简历

致谢

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