張寧

摘 要：卡車(chē)架線(xiàn)輔助供電系統(tǒng)，如何改進(jìn)卡車(chē)硬件結(jié)構(gòu)和優(yōu)化軟件控制系統(tǒng)，分析重型電動(dòng)自卸卡車(chē)在露天礦坑里運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中可以降低生產(chǎn)成本提高生產(chǎn)效率和改善礦坑內(nèi)的大氣環(huán)境。

關(guān)鍵詞：露天礦坑；730E重型卡車(chē)；卡車(chē)架線(xiàn)；電制動(dòng)；直流驅(qū)動(dòng)；交流驅(qū)動(dòng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.156

0 引言

露天煤礦，在一條坡度為12%，長(zhǎng)度為960米的礦山道路上，采用730E卡車(chē)做了卡車(chē)架線(xiàn)輔助供電系統(tǒng)的測(cè)試，得到了卡車(chē)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，為今后進(jìn)一步探討卡車(chē)架線(xiàn)輔助供電系統(tǒng)提供了理論依據(jù)。

1 卡車(chē)架線(xiàn)輔助供電系統(tǒng)的作用

架線(xiàn)輔助運(yùn)行系統(tǒng)的原理并不復(fù)雜，在一條坡道上配有二根接觸導(dǎo)線(xiàn)，卡車(chē)通過(guò)受電弓（或集電桿）接到接觸導(dǎo)線(xiàn)上，然后用一定的控制方式把架線(xiàn)電壓加到卡車(chē)的直流或交流牽引電機(jī)，架線(xiàn)輔助運(yùn)行系統(tǒng)由主要有下幾個(gè)部分：

（1）電源供電設(shè)備是接收、變換、分配電能的環(huán)節(jié)，包括線(xiàn)路隔離開(kāi)關(guān)、變壓器、整流器、流斷路器等。

（2）集線(xiàn)裝置常用的有導(dǎo)線(xiàn)懸吊架線(xiàn)結(jié)構(gòu)和匯流條架線(xiàn)結(jié)構(gòu)兩種。

（3）受電器裝置相應(yīng)有受電弓式和集電桿滑塊式兩種供選擇。

（4）卡車(chē)牽引控制系統(tǒng)是卡車(chē)的雙動(dòng)力工況切換的核心大腦。

“架線(xiàn)輔助供電”是電傳動(dòng)礦用卡車(chē)一種雙動(dòng)力解決方案，通常采用高架線(xiàn)的方式對(duì)其提供外部電能的輸入，從而使其牽引力矩更大、沿坡道出礦坑的速度加快、縮短運(yùn)輸時(shí)間、提高生產(chǎn)率、減少柴油消耗、降低設(shè)備維護(hù)費(fèi)用、減少排放造成的空氣污染等，從而降低生產(chǎn)成本。用電能代替柴油燃料還將是很可觀(guān)的費(fèi)用節(jié)約，同時(shí)使柴油機(jī)的壽命增加、卡車(chē)維修保養(yǎng)費(fèi)用減少，并且發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲、尾氣排放污染也會(huì)明顯減少。在露天礦的運(yùn)輸線(xiàn)路中，大部分都是坡道運(yùn)行，此時(shí)卡車(chē)的速度被柴油機(jī)的功率所限制，由于爬坡時(shí)的柴油機(jī)是滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，所以此階段的燃料消耗率將占到總量的60%-70%。隨著礦山坑深的增加，電傳動(dòng)卡車(chē)主要就是受柴油機(jī)功率限制、重載上坡速度?。?%坡道、3%滾動(dòng)阻力時(shí)、320t卡車(chē)重載上坡速度約為9公里/小時(shí)），影響了生產(chǎn)效率。電動(dòng)重型卡車(chē)由柴油機(jī)帶動(dòng)車(chē)載發(fā)電機(jī)發(fā)出電能來(lái)驅(qū)動(dòng)輪馬達(dá)使車(chē)輛運(yùn)行，而輪馬達(dá)的容量是按車(chē)輛的制動(dòng)功率來(lái)設(shè)計(jì)的，除驅(qū)動(dòng)車(chē)輛運(yùn)行外它還要提供巨大的制動(dòng)能量，所以柴油機(jī)對(duì)其電能輸入根本不能發(fā)揮其全部潛能，采用架線(xiàn)輔助供電后，由于能量輸入大大增加，因此可以充分地發(fā)揮出輪馬達(dá)的潛力，使電動(dòng)輪能在設(shè)計(jì)極限之內(nèi)平穩(wěn)可靠地運(yùn)行，從而達(dá)到生產(chǎn)率的提高和運(yùn)行費(fèi)用的降低。另外，架線(xiàn)輔助系統(tǒng)使回收卡車(chē)制動(dòng)能耗成為可能。當(dāng)電傳動(dòng)卡車(chē)下坡時(shí)，牽引電動(dòng)機(jī)被當(dāng)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，如果在坡道上配有集線(xiàn)輔助系統(tǒng)，則電動(dòng)輪發(fā)出的再生電能就可能為其它卡車(chē)上坡提供電能。

（5）內(nèi)燃機(jī)是燃料在氣缸內(nèi)部燃燒，將產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的動(dòng)力裝置。內(nèi)燃機(jī)是工程機(jī)械和車(chē)輛的動(dòng)力源。其主要由機(jī)體和曲柄連桿機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)、冷卻系、潤(rùn)滑系、燃料供給系、電器設(shè)備等組成。

2 730E卡車(chē)架線(xiàn)輔助供電系統(tǒng)的測(cè)試

2.1 730E卡車(chē)的負(fù)載特性

730E卡車(chē)在礦坑里運(yùn)行，電動(dòng)輪的負(fù)載主要是摩擦性負(fù)載，負(fù)載大小不變，負(fù)載轉(zhuǎn)矩方向總是與電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向相反，總是阻礙電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向改變時(shí)，負(fù)載的轉(zhuǎn)矩方向也隨之改變。在不計(jì)摩擦和介質(zhì)阻力的情況下物體只發(fā)生動(dòng)能和勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化且機(jī)械能的總量保持不變，也就是動(dòng)能的增加或減少等于勢(shì)能的減少或增加。機(jī)械能與整個(gè)物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)情況有關(guān)。當(dāng)有摩擦?xí)r，一部分的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，在空氣中散失，另一部分轉(zhuǎn)化為動(dòng)能或勢(shì)能。

2.2 730E卡車(chē)GE788電動(dòng)輪的構(gòu)成

730E卡車(chē)有2臺(tái)GE788電動(dòng)輪， 其額定功率552kW，最高電壓800 V，最大電流2 500 A，減速比26.825：1，按卡車(chē)運(yùn)行速度為40 km/h計(jì)算，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)1674 r/min。是驅(qū)動(dòng)卡車(chē)運(yùn)行的重要傳動(dòng)部件，主要由直流電動(dòng)機(jī)、輪邊齒輪減速器、輪轂及車(chē)輪制動(dòng)器構(gòu)成。GE788電動(dòng)輪強(qiáng)制通風(fēng)的直流電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，機(jī)械能通過(guò)NW行星輪系減速機(jī)構(gòu)傳送到輪轂上。由直流電機(jī)帶動(dòng)太陽(yáng)輪旋轉(zhuǎn)，太陽(yáng)輪帶動(dòng)3個(gè)大行星輪旋轉(zhuǎn)，并通過(guò)與大行星輪同軸的小行星輪帶動(dòng)扭力管上的內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)，再經(jīng)輪轂最后帶動(dòng)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng).在電動(dòng)輪自卸車(chē)運(yùn)行中，施加到每個(gè)輪電機(jī)部分的電能，隨著電樞對(duì)行星輪等減速齒輪的驅(qū)動(dòng)而變成機(jī)械能，電機(jī)扭矩通過(guò)NW行星輪系的減速而放大。采用架線(xiàn)輔助供電后，由于能量輸入大大增加，因此可以充分地發(fā)揮出輪馬達(dá)的潛力，使電動(dòng)輪工作在額定功率，電樞電流等于額定電流。滿(mǎn)足電機(jī)的發(fā)熱量及溫升要求可以長(zhǎng)時(shí)間在額定功率下工作。

2.3 730E卡車(chē)架線(xiàn)輔助供電測(cè)試數(shù)據(jù)

露天煤礦，在一條坡度為12%，長(zhǎng)度為960米的礦山道路上，采用730E卡車(chē)做了卡車(chē)架線(xiàn)輔助供電系統(tǒng)的測(cè)試。730E卡車(chē)架線(xiàn)輔助供電電壓是1100V，電樞電流是1600A，分別測(cè)試了卡車(chē)的柴油機(jī)牽引模式和卡車(chē)架線(xiàn)輔助供電模式柴油消耗情況，數(shù)據(jù)如表一。當(dāng)電傳動(dòng)卡車(chē)下坡時(shí)，牽引電動(dòng)機(jī)被當(dāng)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，卡車(chē)以30公里/小時(shí)勻速下坡則電動(dòng)輪發(fā)出的再生電能功率約為350 kVA，在長(zhǎng)度為700米的礦山道路上兩臺(tái)電動(dòng)輪可再生電能約為18度電能。

3 卡車(chē)架線(xiàn)輔助供電的探討

3.1 730E卡車(chē)的硬件結(jié)構(gòu)優(yōu)化

730E卡車(chē)的硬件結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是卡車(chē)主回路和卡車(chē)絕緣檢測(cè)改造。由于架線(xiàn)電源的接入后卡車(chē)絕緣檢測(cè)無(wú)法檢測(cè)全車(chē)的絕緣狀態(tài)，需首先完成全車(chē)絕緣檢測(cè)改造工作。在卡車(chē)主回路中P1接觸器和P2接觸器是柴油機(jī)牽引模式閉合工作，TC1接觸器和TC2接觸器是架線(xiàn)供電牽引模式閉合工作?？ㄜ?chē)要實(shí)現(xiàn)卡車(chē)的雙動(dòng)力工況正常切換核心在卡車(chē)牽引控制系統(tǒng)。endprint

卡車(chē)牽引控制系統(tǒng)是卡車(chē)的雙動(dòng)力工況切換的核心大腦。要實(shí)現(xiàn)卡車(chē)的雙動(dòng)力工況正常切換，需進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，對(duì)多個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，修改卡車(chē)牽引控制邏輯，增加一些故障的觸發(fā)條件，完善整體監(jiān)控性能，確保人員和設(shè)備安全。

3.2 架線(xiàn)輔助供電運(yùn)行于常規(guī)柴油動(dòng)力的比較

卡車(chē)架線(xiàn)輔助供電系統(tǒng)的主要問(wèn)題是初次投資增加、道路靈活性受限制以及在維修和改造方面的花費(fèi)。路面平坦是采用該系統(tǒng)的首要條件。由于該系統(tǒng)采用架空電線(xiàn)通過(guò)集電弓向卡車(chē)電動(dòng)輪供電，因此必須保證集電弓與電線(xiàn)的接觸良好，這就要求路面平坦，起伏在集電弓容許的范圍之內(nèi)；受電弓為了得到良好的電流接收而沒(méi)有電弧產(chǎn)生，受電器對(duì)架線(xiàn)導(dǎo)體接觸壓力有重要意義，壓力不應(yīng)小于規(guī)定數(shù)值，但同時(shí)壓力也不應(yīng)太大，以致產(chǎn)生大的磨擦損耗，受電器應(yīng)該在架線(xiàn)導(dǎo)體高度的工作范圍內(nèi)保證壓力變化很小，采用液壓缸上舉式。受電弓式的優(yōu)點(diǎn)是操作方便，不受入口限制，可隨時(shí)隨處進(jìn)入架線(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)受電器接觸導(dǎo)體的要求是：導(dǎo)電性能良好、機(jī)械耐磨性能好、比重小，其中金屬石墨性能最佳。另一方面由于架線(xiàn)汽車(chē)運(yùn)行較快且受到架空線(xiàn)的限制，會(huì)出現(xiàn)超越其它燃油車(chē)輛的情況，就要求道路寬度較一般情況更寬以便超車(chē)，卡車(chē)的轉(zhuǎn)彎半徑也不應(yīng)小于200m，以保證轉(zhuǎn)向順利。一般情況下，應(yīng)盡量保證卡車(chē)在水平路段進(jìn)人架線(xiàn)系統(tǒng)；同時(shí)為充分體現(xiàn)架線(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，所有重車(chē)上坡段均應(yīng)布置在架線(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)。架線(xiàn)輔助供電運(yùn)行相對(duì)于常規(guī)柴油動(dòng)力的比較：

（1）靈活性不如常規(guī)動(dòng)力車(chē)型這一點(diǎn)可以說(shuō)是其最大不足，導(dǎo)致許多現(xiàn)有的露天礦不適用于架線(xiàn)輔助供電。

（2）生產(chǎn)率最大化坡道運(yùn)行速度更快，上坡時(shí)的卡車(chē)速度不再由車(chē)載引擎決定，而由外部供電決定：由于外部電能輸入遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目前的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)功率，所以卡車(chē)速度的會(huì)大大提升，這樣就能加快工作循環(huán)或使用較少的車(chē)輛。

（3）降低燃料消耗和發(fā)動(dòng)機(jī)維修、保養(yǎng)費(fèi)用，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命如果是常規(guī)柴油動(dòng)力，那么60-70%的燃料被消耗在坡道上，而架線(xiàn)輔助供電可以大降降低這項(xiàng)費(fèi)用，并且發(fā)動(dòng)機(jī)的維修和保養(yǎng)間隔能延長(zhǎng)。

（4）對(duì)環(huán)境更友好，采用架線(xiàn)輔助供電時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)基本牌怠速狀態(tài)，廢氣排放和噪音都明顯減少，提高了礦坑空氣質(zhì)量。

4 綜述

采用國(guó)內(nèi)自主技術(shù)完成730E卡車(chē)的硬件結(jié)構(gòu)優(yōu)化與卡車(chē)牽引控制系統(tǒng)改造實(shí)現(xiàn)730E卡車(chē)架線(xiàn)輔助供電。用電能代替柴油燃料可使柴油機(jī)的壽命增加、并且發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲、尾氣排放污染也會(huì)明顯減少，卡車(chē)架線(xiàn)輔助供電的在交流變頻卡車(chē)上會(huì)有更好的發(fā)展。

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