轮式装载机制动器性能的试验研究

作者：李亿祥 范明月

欢迎访问e展厅 展厅 2 装载机展厅 装载机, 轮式装载机, 履带装载机, 滑移式装载机, 小型装载机, ... 摘要：通过几种典型轮式装载机制动器的台架性能试验研究，对不同结构制动器性能参数进行测评对比。在相同试验条件下测出了影响装载机制动性能的主要参数，该研究成果对装载机制动器的设计具有参考价值。 关键词：装载机；制动器；性能试验；磨损 引言 近年来，随着我国轮式装载机制造技术的迅速发展，对其制动性能的要求越来越高。对装载机制动器进行台架性能试验就尤其必要和重要。在制动性能理论研究方面人们已经作了大量工作，但在实验研究方面相对很少。 一般装载机多采用制动力矩输出稳定、通风散热性能良好、结构简单、维修方便的盘式制动器。装载机制动性能优劣主要由以下几方面来评价：制动效能(即制动距离)与制动减速度；制动效能的恒定性(即抗热衰退性能)；制动时装载机的行驶方向稳定性。本文述及的有关试验研究成果对装载机制动器的设计具有参考价值。 1试验设备及试验对象 试验采用惯性式双制动器总成试验台(型号是：LBA0050，CarlSchenck)。它可同时对同一车型的两个制动器总成进行试验，亦可单独进行一个制动器总成试验。该试验台可对制动力矩、制动温度、制动距离、制动初速度、制动系统气压、油压等数据进行测试。控制操作分为手动和程控，可自动记录和手动记录， 试验精度达1.5级以上，装载机制动器的制动盘采用无通风道实心制动盘或曲线通风道空心盘，其制动钳为整体式或剖分式。 装载机制动器的工作过程为循环式， 其带载运行速度很低且距离较短；带载运行速度一般不超过额定速度的1/3。试验项目主要包括效能试验、热衰退试验、恢复试验，同时对摩擦衬片的磨损量、制动钳刚度进行测量。 2试验结果的分析讨论 对装载机制动性能的几个主要参数进行了试验研究和分析，它们包括制动力矩、制动距离、制动减速度、制动时间、制动盘的温度及制动衬片的磨损量。此时还要求摩擦材料的热衰退低、恢复性能好， 摩擦材料的摩擦系数稳定(即当制动盘温度升高时摩擦系数基本不变)，其波动不应超过名义平均值的±15%。 2.1制动距离与车速的关系 全面评价制动器的制动性能需进行“效能试验”。 车辆的制动过程使得装载机的动能、势能通过制动器制动吸收而转化为热能，其中95%的热能被制动盘吸收，5%的热能由摩擦衬片吸收， 从而引起制动盘温度急剧升高，摩擦材料摩擦系数降低；在制动油压不变的情况下， 使制动力矩减小，制动距离增大。在效能试验中，应对制动温度加以限制，使每次制动前制动盘的温度t≤70℃。制动减速度(j)用下式计算：j=v2／2S 式中：v－－制动初速度； S－－制动距离。 一些国家规定制动减速度j不得小于12g，(其中g=9.8m/s2)。 ISO3450-75《越野式土方机械制动系统最低性能标准》对轮式装载机制动性能的要求是，制动初速度v=24km/h时，车重G≤16300kg的装载机的最大允许制动距离［S］=9m，当16300kg＜G≤32000kg,［S］=11m［2］。在制动系统压力不变时，制动距离随着车速的提高而迅速增大，制动距离与车速的关系曲线见图1。 在制动油压p=10MPa时，当制动车速为最高速度，可测得国产ZL30、ZL40装载机的制动距离S＜［S］； 在额定制动油压、最高车速时，实测制动距离仅为允许最大距离的70%。 因此在设计制动器时， 可考虑降低系统压力或减少制动容量。而川崎、TCM75B、ZL50型装载机在最高车速(32.5km/h、38km/h)时其制动距离超出了允许值。 2.2制动力矩与车速的关系 影响制动力矩的主要因素有制动器的结构参数、地面与轮胎的摩擦力、车轮的有效滚动半径和车重量等，且与有效制动半径及摩擦材料的摩擦系数有关。制动力矩随车速增大而变化的范围很小，仅为平均制动力矩的3%。制动力矩与车速关系的实测值与理论计算值相吻合。但制动速度过高可使制动盘温度升高且摩擦衬片摩擦系数下降，制动力矩则降低。 在制动油压一定的情况下，制动力矩的变化几乎与车速变化无关，制动力矩与车速的关系曲线见图2。 2.3制动力矩和制动油压的关系 在制动系统中其它诸参数(v=30km/h)确定的情况下，制动力矩与制动油压成正比，制动力矩与制动油压的曲线见图3,制动力矩(Tu)用下式计算： Tu=Cp 式中：C－－计算常数； p－－制动油压。 由图3可知，对于单钳制动器(如ZL40型)，油压增大时制动力矩增加缓慢。对于双钳制动器(如ZL50型) 制动力矩随制动油压增高时，制动力矩快速增加，但各机型的制动力矩都呈线性增长。 2.4摩擦材料的热衰退和磨损量 在连续制动过程中,随着制动温度升高，摩擦衬片的摩擦系数降低，制动力矩下降或不稳定(称热衰退)。制动时，制动器温度常在300℃以上，有时高达600℃～700℃。制动盘温度升高使摩擦材料表面产生热分解化学反应， 而且加快了摩擦衬片的磨损。几种制动器热衰退试验情况见图4。 由图4可知，在连续四次制动后制动盘快速上升到最高温度，对应的制动力矩急剧下降，随后温度上升变得缓慢。 每次制动前后的温差(瞬时温升)在50℃左右，制动温度处于热平衡状态，制动力矩在平均力矩之间跳跃波动，制动力矩衰退率为30%左右。在相同试验条件下， 对同一车型的实心无通风道制动盘(曲线1)和空心带曲线通风道制动盘(曲线2)平均温度相差120℃左右，平均制动力矩相差1kN·m左右。 摩擦材料不仅应有较好的抗热衰退性能， 同时还要有足够的机械强度及较高的抗磨损性能，耐磨性通常以摩擦材料的磨损量来表示。在中负荷下制动1000次的磨损量不超过0.04mm。在制动过程中和制动后，材料及磨损产物不应燃烧、发烟和散发不良气味。摩擦材料应具有稳定的摩擦系数，具有相当高的耐热性、导热性、最大的热容量和尽可能小的线膨胀系数。不同车型制动器的摩擦衬片磨损量见表1。在试验中制动次数共200次，磨损量显示为负减少，即试验后衬片的厚度比试验前增加，磨损率为-0.03mm/次，表明摩擦材料出现热膨胀现象。其原因是摩擦材料中的有机粘结剂和填加剂受高温后所致。 2.5制动钳体刚度测量 通过对制动钳的钳口张开度的测量，可以进一步反映制动器在工作状态下的刚度。制动钳刚度不足将影响制动性能，严重时会使制动油缸活塞出现回位卡死现象而形成拖带力矩，加快摩擦衬片的磨损。而且活塞密封圈受到偏载磨损时将导致密封不良，造成制动液泄漏， 直接影响制动的可靠性和安全性。不同结构的钳体刚度测试数据见表2。试验结果表明，钳口张开量与制动钳体结构型式有关，与制动系统油压成正比。在相同油压下，剖分式钳体比整体式钳体张开量大。 3结论 通过对不同的轮式装载机制动器总成进行台架性能试验，得出以下结论。 3.1效能试验表明，国产装载机制动距离符合ISO3450-75《非公路用土方机械制动性能》规定。其制动容量超过设计的30%～50%，因此可以缩小钳体结构尺寸。 3.2在额定制动油压制动、温度控制状态下，对于不同的制动车速其制动力矩输出稳定；在制动车速一定的情况下，制动力矩输出随制动油压变化呈线性变化。 3.3制动时，带曲线通风道的空心制动盘的温度显著低于无通风道的实心制动盘的温度。前者的制动力矩优于后者。 3.4摩擦衬片不同测点位置的磨损量不同，同一制动器的两摩擦衬片的磨损重量差值不大，其原因与摩擦材料化学成分的性能有关。 3.5钳体刚度取决于钳体结构形式，并影响制动性能，影响程度有待更深入地研究。(end)

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