何建成 申焱華 張文明

北京科技大學(xué)，北京，100083

0 引言

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2011年，國(guó)產(chǎn)礦用自卸車銷量達(dá)到7567輛，與2010年銷量約5000輛相比，增長(zhǎng)51.34%。其中，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)銷量5646輛，海外市場(chǎng)銷量1921輛，雙創(chuàng)歷史新高［1］。目前國(guó)內(nèi)百噸級(jí)電傳動(dòng)礦用自卸車的設(shè)計(jì)還主要處于模仿階段，如在確定輪邊減速器傳動(dòng)比時(shí)，往往參照國(guó)際相近噸位車型，但國(guó)內(nèi)自主生產(chǎn)的輪邊電機(jī)的性能與國(guó)際上先進(jìn)電機(jī)有較大差距。因此有必要研究適合國(guó)內(nèi)電機(jī)發(fā)展水平的輪邊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最佳配置方法。

1 傳動(dòng)方式

百噸級(jí)礦用自卸車的傳動(dòng)方式有兩種，即機(jī)械傳動(dòng)和電傳動(dòng)。機(jī)械傳動(dòng)的傳遞結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速箱、萬(wàn)向節(jié)、傳動(dòng)軸、主減速器、差速器、半軸，各部件之間主要是機(jī)械能的傳遞；電傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示，電傳動(dòng)結(jié)構(gòu)主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、輪邊減速器，在動(dòng)力傳遞過(guò)程中包含兩次機(jī)械能與電能的轉(zhuǎn)化及電能的傳遞。一次轉(zhuǎn)化是發(fā)電機(jī)將發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，另一次轉(zhuǎn)化是電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

圖1 機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 電傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

表1所示為電傳動(dòng)與機(jī)械傳動(dòng)幾項(xiàng)重要性能的比較，電傳動(dòng)除了傳動(dòng)效率略低于機(jī)械傳動(dòng)以外，其余幾項(xiàng)性能都要優(yōu)于機(jī)械傳動(dòng)，因此目前百噸級(jí)以上礦車，除了CAT部分車型采用機(jī)械傳動(dòng)以外，其余的大都采用電傳動(dòng)。

表1 機(jī)械傳動(dòng)、電傳動(dòng)性能比較

2 輪邊減速器結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)比

電傳動(dòng)礦用自卸車中，輪邊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是主要的動(dòng)力傳遞系統(tǒng)，如圖3所示，主要包括電機(jī)和輪邊減速器兩部分。電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，輪邊減速器將動(dòng)力減速增扭傳遞到輪轂，以驅(qū)動(dòng)輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)提供礦車行駛所需動(dòng)力，是電傳動(dòng)礦用自卸車中唯一的減速增扭機(jī)構(gòu)。

圖3 GE輪邊三級(jí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

國(guó)內(nèi)外礦用汽車輪邊減速器結(jié)構(gòu)主要有三種，其傳遞結(jié)構(gòu)原理圖如圖4～圖6所示［2－4］。國(guó)際礦用自卸車品牌中，BELAZ電傳動(dòng)礦用自卸車輪邊減速器采用的是如圖4所示的輪邊二級(jí)行星減速機(jī)構(gòu)，其余品牌車型大都采用如圖5、圖6所示的GE輪邊二級(jí)或三級(jí)減速機(jī)構(gòu)，噸位較小的采用二級(jí)減速機(jī)構(gòu)，噸位較大的采用三級(jí)減速機(jī)構(gòu)。國(guó)內(nèi)電傳動(dòng)礦用自卸車也大都采用這三種行星減速機(jī)構(gòu)。圖7所示為根據(jù)大噸位電傳動(dòng)礦用自卸車需求設(shè)計(jì)的一種新型的輪邊三級(jí)行星減速機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)具有傳動(dòng)比變化范圍大、安全系數(shù)高、軸向空間利用率高等優(yōu)點(diǎn)。

通過(guò)對(duì) TEREX、BELAZ、HITACHI、KOMATSU、LIEBHERR五種品牌且載重從109t到360t，近30款車型輪邊減速器傳動(dòng)比i進(jìn)行對(duì)比和整理，按照滿載時(shí)礦車總量從小到大排列［5－9］，得到如圖8所示的電傳動(dòng)礦用自卸車輪邊減速器傳動(dòng)比分布圖。圖9為按照不同品牌分類的輪邊減速器傳動(dòng)比分布圖。

圖4 輪邊二級(jí)行星減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)原理圖

圖5 GE輪邊二級(jí)行星減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)原理圖

圖6 GE輪邊三級(jí)行星減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)原理圖

圖7 輪邊三級(jí)行星減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)原理圖

圖8 輪邊減速器傳動(dòng)比分布圖

圖9 國(guó)際常見(jiàn)礦車輪邊減速器傳動(dòng)比

由圖9可以看出，同一品牌車型，隨著滿載總量的增加，輪邊減速器傳動(dòng)比有增大的趨勢(shì)，而且存在滿載總量相近車型的輪邊減速器傳動(dòng)比相同的情況，也存在隨著滿載總量增大而輪邊減速器傳動(dòng)比減小的情況，如HITACHIEH3000載重156.9t，滿載總量為278.9t，輪邊減速器傳動(dòng)比為28.85，HITACHI EH3500載重193.3t，滿載總量為324.3t，輪邊減速器傳動(dòng)比為26.83。結(jié)合圖8、圖9可以看出，對(duì)于不同品牌的車型，滿載總量相近時(shí)，傳動(dòng)比不盡相同，且相差較大。如BELAZ 75306載重220t，滿載總量372t，輪邊減速器采用如圖4所示的輪邊二級(jí)行星減速器，傳動(dòng)比為38.67，而Liebherr T262載重218t，滿載總量368t，輪邊減速器采用如圖5所示的GE輪邊二級(jí)行星減速器，傳動(dòng)比為31.9。同時(shí)部分車型可以選用不同傳動(dòng)比的輪邊減速器，如Liebherr T252，在載重相同、自重相同的情況下可以選配輪邊減速器傳動(dòng)比為26.8或22.3，而TEREX MT6300給定的輪邊減速器傳動(dòng)比選用范圍從32到42。

3 電機(jī)選型及輪邊減速器傳動(dòng)比計(jì)算

通過(guò)上文分析，可以看出電傳動(dòng)礦用自卸車選配的輪邊減速器傳動(dòng)比并沒(méi)有隨噸位增大而一直增大，而是中間存在波動(dòng)。因此，在確定輪邊減速器傳動(dòng)比時(shí)不能單純以車輛噸位作為依據(jù)，車輛噸位的變化只是決定了行駛所需驅(qū)動(dòng)力的大小和所需動(dòng)力源即發(fā)動(dòng)機(jī)功率大小。在對(duì)一款新型礦車進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，其輪邊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)流程如圖10所示。

圖10 輪邊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)流程

汽車行駛方程為［10］

其中，F(xiàn)t為驅(qū)動(dòng)力；Ff為滾動(dòng)阻力，與路面滾動(dòng)系數(shù)相關(guān)，礦山路面滾動(dòng)系數(shù)一般取0.02；Fw為空氣阻力，在礦用汽車初期設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于一般礦用汽車常用行駛速度在7.5～30km／h之間，且最高車速一般在65km／h以下，車速相對(duì)較低，所以在礦車一般不考慮空氣阻力Fw的影響；Fi為坡度阻力，行駛路面坡度有關(guān)，電傳動(dòng)礦用自卸車的要求是最大爬坡度不應(yīng)低于16%［11］；Fj為加速阻力。

根據(jù)式（1）可以求得礦車在不同坡度上行駛時(shí)驅(qū)動(dòng)力需求，但確定發(fā)動(dòng)機(jī)功率大小還需要知道車輛行駛速度。在確定發(fā)動(dòng)機(jī)功率時(shí)一般以礦車在8%坡度行駛時(shí)的功率需求為準(zhǔn)。電傳動(dòng)自卸車滿載時(shí)在8%坡度上爬長(zhǎng)坡的穩(wěn)定車速不應(yīng)低于表2所規(guī)定的數(shù)值［11］。

表2 電傳動(dòng)礦用自卸車穩(wěn)定車速要求

由礦車在8%坡度行駛時(shí)驅(qū)動(dòng)力及最低車速要求，根據(jù)公式P＝Fv可以得到礦車行駛功率需求。但此功率并不能直接作為確定發(fā)動(dòng)機(jī)功率的標(biāo)準(zhǔn)，在確定發(fā)動(dòng)機(jī)功率時(shí)還需要考慮傳遞過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)以及輪邊減速器等的能量傳遞在各環(huán)節(jié)中的功率損失。另外，為了保證足夠的動(dòng)力，在確定發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)功率時(shí)還應(yīng)考慮存在一定的過(guò)載空間，一般在選定電機(jī)功率時(shí)需要20%以上的過(guò)載牽引空間。

根據(jù)功率選定電機(jī)以后，就得到電機(jī)的功率外特性曲線和傳動(dòng)效率變化曲線。圖11為設(shè)計(jì)的某載重220t電傳動(dòng)礦用自卸車選用電機(jī)的恒功率外特性曲線和效率曲線，電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到292.4r／min時(shí)，開(kāi)始進(jìn)入恒功區(qū)，直到電機(jī)達(dá)到最高轉(zhuǎn)速。但電機(jī)轉(zhuǎn)速低于651.5r／min時(shí)，只能持續(xù)工作一定時(shí)間，不能長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作，且電機(jī)工作效率較低，小于93%；轉(zhuǎn)速達(dá)到651.5r／min以上，電機(jī)才可以長(zhǎng)時(shí)間工作，電機(jī)效率也可提高到93%以上。

圖11 某礦車用電機(jī)外特性和效率曲線

為了保證礦車的持續(xù)工作和傳動(dòng)效率，輪邊減速器傳動(dòng)比i需要滿足礦車常用運(yùn)行速度空間7.5～30km／h對(duì)應(yīng)電機(jī)的長(zhǎng)時(shí)高效工作區(qū)間，圖11示出了電機(jī)長(zhǎng)時(shí)高效工作區(qū)間即電機(jī)轉(zhuǎn)速大于651.5r／min的空間。該高效工作區(qū)間范圍較大，在確定傳動(dòng)比時(shí)為了保證車輛最高轉(zhuǎn)速，一般讓電機(jī)長(zhǎng)時(shí)高效工作區(qū)起點(diǎn)來(lái)對(duì)應(yīng)礦車運(yùn)行速度7.5km／h來(lái)確定傳動(dòng)比i。即

式中，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，即電機(jī)長(zhǎng)時(shí)高效工作區(qū)初始點(diǎn)轉(zhuǎn)速；v為礦車運(yùn)行速度，一般取值7.5km／h；r為輪胎滾動(dòng)半徑。

在220t礦車設(shè)計(jì)中，選用輪胎滾動(dòng)半徑為1.7075m，根據(jù)式（2）求得輪邊合理傳動(dòng)比為55.89。但在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到空間、結(jié)構(gòu)形式、齒輪強(qiáng)度、行星齒輪安裝條件等因素，最終傳動(dòng)比確定為55.09。BELAZ 75306載重也是220t，但輪邊減速器傳動(dòng)比為38.67，這是因?yàn)槠溥x用電機(jī)DK－724的長(zhǎng)時(shí)高效工作區(qū)起點(diǎn)轉(zhuǎn)速低于國(guó)內(nèi)電機(jī)決定的起點(diǎn)轉(zhuǎn)速。

4 結(jié)語(yǔ)

國(guó)際電傳動(dòng)礦用自卸車輪邊減速器傳動(dòng)比隨噸位增加有增大趨勢(shì)，但中間存在著波動(dòng)。對(duì)輪邊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中輪邊電機(jī)和輪邊減速器進(jìn)行優(yōu)化配置以滿足整車牽引特性需求，輪邊電機(jī)長(zhǎng)時(shí)高效工作區(qū)決定輪邊減速器傳動(dòng)比的初始值。在輪邊減速器進(jìn)一步設(shè)計(jì)的過(guò)程中，還需考慮空間、結(jié)構(gòu)形式、齒輪強(qiáng)度等因素。根據(jù)本文方法設(shè)計(jì)的220t電動(dòng)輪礦用自卸車已經(jīng)生產(chǎn)完畢并投入試驗(yàn)，運(yùn)行良好，證明了所述配置方法的可行性。

［1］沈溪，盛太蓮.2011年國(guó)產(chǎn)礦用自卸車銷量分析及展望［J］.商用汽車，2012，（4）：14－17.Shen Xi，Sheng Tailian.Analysis and Outlook of Domestic Mining Dump Truck’s Sales in 2011［J］.Commercial Vehicle，2012（4）：14－17.

［2］何建成，張文明，申焱華，等.電動(dòng)輪礦用自卸車輪邊三級(jí)行星減速器設(shè)計(jì)［J］.煤礦機(jī)械，2012，33（6）：46－48.He Jiancheng，Zhang Wenming，Shen Yanhua，et al.Three－stage Planetary Wheel Reducer Design of Electric Drive Mining Dump Truck［J］.Coal Mining Machinery，2012，33（6）：46－48.

［3］楊鐘勝.GE788電動(dòng)輪自卸車輪邊減速器NW行星輪系減速機(jī)構(gòu)的綜合評(píng)述［J］.汽車工藝與材料，2008（11）：52－56.Yang Zhongsheng.Comprehensive Review of GE788 NW Planetary Gear Train’s Institutions Used by Electric Wheel Dump Truck’s Wheel Reducers［J］.AT＆M，2008（11）：52－56.

［4］焦萬(wàn)銘，馮雅麗，楊玨.礦用汽車輪邊二級(jí)行星減速器設(shè)計(jì)［J］.礦山機(jī)械，2008，36（21）：38－39.Jiao Wanming，F(xiàn)eng Yali，Yang Jue.Two－stage Planetary Wheel Reducer of Mine Trucks［J］.Mining ＆ Processing Equipment，2008，36（21）：38－39.

［5］Unit Rig，O＆K Mining，Payhauler：Mining Truck［OL］.5400S.49th West Ave.，P.O.Box 3107，Tulsa.［2012－01－21］.http：／／www.terex.com.

［6］Belarusian Auto Works：Belaz［OL］.40let Oktyabrya str.4，222160，Zhodino，Republic of Belarus.［2012－01－21］.http：／／gpfk.ru／userfiles／.

［7］Hitachi Construction Machinery（America）Corp：Hitachi［OL］.20411Imperial Valley Dr.Houston.［2012－01－21］.http：／／www.hcmacorp.com.

［8］Komatsu：komatsumining［OL］.440N.Fairway Dr.P.O.Box 8112.［2012－01－21］.http：／／www.komatsumining.com.

［9］Liebherr Mining Equipment Co.：Technical Description Mining Truck［OL］.4100Chestnut Avenue，Newport News，VA 23607，USA.［2012－01－21］.http：／／www.liebherr.com.

［10］余志生.汽車?yán)碚摚跰］.3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［11］中華人民共和國(guó)機(jī)械工業(yè)部.JB／T 7641.1－1994電傳動(dòng)礦用自卸車技術(shù)條件［S］.北京：機(jī)械科學(xué)研究院出版社，1994.