劉志更

（1.煤礦采掘機(jī)械裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030006；2.中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司，山西 太原 030006；3.山西天地煤機(jī)裝備有限公司， 山西 太原 030006）

0 引言

高產(chǎn)高效礦井近幾年出現(xiàn)了很多的長(zhǎng)距離連續(xù)坡度巷道， 在其中使用防爆柴油機(jī)無軌膠輪車完成礦井生產(chǎn)輔助運(yùn)輸任務(wù)， 勢(shì)必會(huì)引起井下巷道內(nèi)有害氣體污染加劇， 同時(shí)面臨著車輛在行駛于較長(zhǎng)距離連續(xù)坡道時(shí)出現(xiàn)柴油機(jī)上坡動(dòng)力不足和下坡制動(dòng)安全難以保障等一系列適應(yīng)性問題[1-2]。從巷道環(huán)境、車輛使用壽命、行駛制動(dòng)安全及運(yùn)行費(fèi)用等方面綜合考慮，在這樣的巷道內(nèi)使用傳統(tǒng)的防爆柴油機(jī)無軌膠輪車完成輔助運(yùn)輸綜合成本較高。

本文研究一種適用于煤礦井下的礦用油電雙動(dòng)力運(yùn)人車，該車由防爆電噴柴油機(jī)和架線電源供電電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在架線電網(wǎng)巷道與非架線巷道都能高效靈活作業(yè)， 預(yù)期能有效降低礦井大巷CO、NOx 等有害氣體的排放， 提高駕乘人員的舒適性；在架線電網(wǎng)覆蓋路段使用電機(jī)工作，在順槽巷道及工作面使用柴油機(jī)工作， 兩套動(dòng)力源獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，極大地降低礦用無軌膠輪車燃油消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，改善工人作業(yè)環(huán)境，也解決了車輛特殊工況動(dòng)力不足問題， 并通過電機(jī)回饋制動(dòng)解決長(zhǎng)距離連續(xù)下坡的制動(dòng)失效等問題[3-4]。

1 傳動(dòng)系統(tǒng)研究

傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化， 直接決定整車結(jié)構(gòu)的合理性及整車布置。 由于車輛設(shè)計(jì)具有柴油機(jī)和電機(jī)兩個(gè)動(dòng)力源， 如何將兩個(gè)動(dòng)力源有機(jī)結(jié)合是傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究的關(guān)鍵。 經(jīng)過多方案的論證對(duì)比研究，將動(dòng)力切換箱的位置提前，由動(dòng)力切換箱直接連接離合器、變速箱，雙動(dòng)力驅(qū)動(dòng)共用一套傳動(dòng)輸出系統(tǒng)， 通過動(dòng)力切換箱實(shí)現(xiàn)動(dòng)力源的選擇及互鎖， 整個(gè)系統(tǒng)使用一套離合器和變速箱，使得駕駛操縱方式簡(jiǎn)化，傳動(dòng)系統(tǒng)三維布置見圖1。

圖1 傳動(dòng)系統(tǒng)三維布置圖

此傳動(dòng)方案結(jié)構(gòu)布置合理、零部件連接緊湊，技術(shù)穩(wěn)定成熟，機(jī)械傳動(dòng)效率高，對(duì)柴油機(jī)和電機(jī)設(shè)計(jì)研究要求較低。 動(dòng)力切換裝置是傳動(dòng)系統(tǒng)中最重要的部件[5]，它的使命是安全可靠地完成柴油機(jī)和電機(jī)兩種動(dòng)力的切換和互鎖，因?yàn)閮煞N動(dòng)力是單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的，所以動(dòng)力切換箱的操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為手動(dòng)機(jī)械式的， 手柄執(zhí)行動(dòng)作完成后設(shè)計(jì)有鎖止機(jī)構(gòu)，防止切換動(dòng)作完后的誤動(dòng)作帶來安全隱患。

2 整車載荷分布研究

（1）車架設(shè)計(jì)研究。整車可以承載20 個(gè)人，總重量按照1600 kg 計(jì)算，整車滿載后質(zhì)量預(yù)計(jì)約10800kg。 依據(jù)承載情況選用某公司成熟底盤結(jié)構(gòu)，主要參數(shù)見表1。 該底盤額定載重12000kg，車架為“8+4”結(jié)構(gòu)，采用汽車大梁專用鋼板，材質(zhì)為510L，這種底盤車輛應(yīng)用很多，且實(shí)際使用過載能力強(qiáng)。 同時(shí)可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行加強(qiáng)和電泳防銹處理，滿足雙動(dòng)力運(yùn)人車使用要求。

表1 車架技術(shù)參數(shù)

（2）整車重心分布計(jì)算。 整車的重心計(jì)算，直接關(guān)系著整車性能優(yōu)越性，影響整車的爬坡，轉(zhuǎn)彎，制動(dòng)，輪胎壽命等。根據(jù)各個(gè)系統(tǒng)主要原部件重量，反復(fù)進(jìn)行三維布置設(shè)計(jì)， 進(jìn)行了質(zhì)量分布計(jì)算， 滿足前后橋載荷的設(shè)計(jì)要求。表2 為空載和滿載，平路、上坡、下坡工況下前后橋載荷的分布情況，下坡14°時(shí)前橋載荷最大，超過額度載荷778kg， 但根據(jù)實(shí)際使用工況和前橋的1.3 倍的超載荷能力，滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 車架工況載荷分布

3 車載集電裝置研究

礦井架線車運(yùn)輸系統(tǒng)與無軌電車相似， 采用正負(fù)極懸浮，膠輪行駛的形式。無軌電車的供電技術(shù)、受電技術(shù)、車輛驅(qū)動(dòng)技術(shù)較為成熟，特別是集電器受電技術(shù)，本項(xiàng)目可以借鑒。為了保證受流穩(wěn)定性，集電裝置采用有輔助軌導(dǎo)向，頂滑式，雙碳刷設(shè)計(jì)，集電頭結(jié)構(gòu)見圖2。 集電裝置整體采用的輕量化設(shè)計(jì)，零部件采用薄壁鈑金件，回避焊接，絕緣材料能滿足強(qiáng)度的盡量使用絕緣材料，非絕緣的元部件采用鏤空設(shè)計(jì)[6]。

圖2 集電裝置集電頭結(jié)構(gòu)

此車載集電裝置的主要特點(diǎn)是： ①導(dǎo)向軌能起到穩(wěn)定集電小車的作用， 入網(wǎng)后集電小車的輪子卡住導(dǎo)向軌，集電小車向上與左右的自由度被導(dǎo)向軌限制，這樣能保證碳刷與銅排的良好接觸，避免由于集電小車左右擺動(dòng)而使銅排滑出碳刷；②頂滑式是碳刷在滑觸線的下方，有利于集電小車快速入網(wǎng)與脫網(wǎng)；③與同一根滑觸線接觸的兩個(gè)碳刷在兩個(gè)獨(dú)立的小四連桿機(jī)構(gòu)上，通過彈簧的拉力保證與滑觸線接觸，在車輛遇到顛簸時(shí)，雙碳刷能保證一個(gè)碳刷與滑觸線接觸，保證受流可靠性。

4 礦用65kW 防爆風(fēng)冷怠速電機(jī)變頻控制系統(tǒng)研究

整車電氣系統(tǒng)中65kW 防爆風(fēng)冷怠速變頻牽引電機(jī)和變頻控制系統(tǒng)是運(yùn)人車設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。

4.1 65kW 防爆交流異步電機(jī)

防爆交流異步電機(jī)由于外殼材質(zhì)必須是鋼， 重量和散熱性能相對(duì)民用鋁質(zhì)較重，散熱較差。 由于純電動(dòng)車輛上去除了水箱等，因此開發(fā)的電機(jī)全部使用風(fēng)冷散熱。 調(diào)研電機(jī)廠家正在生產(chǎn)的交流異步電機(jī)規(guī)模和性能，針對(duì)性地選型并進(jìn)行防爆改造，選取的65kW 防爆交流異步電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)表

4.2 DC/AC 變頻器的研究

對(duì)變頻器內(nèi)部的所有部件進(jìn)行了合理排布， 有效降低了體積，提高了功率密度，同時(shí)針對(duì)接觸網(wǎng)取電，在設(shè)計(jì)控制策略時(shí)， 考慮了電壓波動(dòng)和短時(shí)缺電給變頻器帶來的負(fù)面影響。

由于每臺(tái)電機(jī)需要配一套IGBT 控制器，本項(xiàng)目針對(duì)65kW 交流異步電機(jī)設(shè)計(jì)加工IGBT 控制器。 逆變器主要包括由IGBT 功率模塊、電容、各種傳感器及銅排組成的主電路組件，以及集檢測(cè)、調(diào)速于一體的DSP 控制電路。采樣得到的位置、電流信號(hào)送入DSP，通過編程實(shí)現(xiàn)合理的控制策略，使電動(dòng)機(jī)控制性能達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

5 整車試驗(yàn)

研制完成的油電雙動(dòng)力運(yùn)人車主要參數(shù)見表4。

表4 整車主要參數(shù)表

為了能夠更好試驗(yàn)整車性能，檢驗(yàn)整車動(dòng)力匹配的可靠性、駕駛操縱的合理性、駕乘人員的舒適性以及檢驗(yàn)各項(xiàng)研究?jī)?nèi)容的實(shí)用性，整車裝配完成后，采取了臺(tái)架測(cè)試和路面跑合相結(jié)合的技術(shù)路線，對(duì)整車進(jìn)行了一系列有步驟的試驗(yàn)驗(yàn)證，分別試驗(yàn)了柴油機(jī)和電機(jī)的動(dòng)力性，爬坡、整車的制動(dòng)性，以及常規(guī)參數(shù)的檢測(cè)，爬坡試驗(yàn)見圖3。

圖3 運(yùn)人車爬坡試驗(yàn)

試驗(yàn)表明，整車駕駛平穩(wěn)，離合器分離徹底，變速箱各檔位換擋靈活到位，駐車制動(dòng)手柄、動(dòng)力換擋手柄、氣控球閥各手柄操作靈活，方向盤轉(zhuǎn)向靈活，離合、制動(dòng)、油門各個(gè)踏板操縱可靠。 整車駕駛動(dòng)力可靠，制動(dòng)性好，駕乘人員舒適性高，達(dá)到了整車設(shè)計(jì)要求。

不足之處是兩種動(dòng)力的疊加致使整車自重和外觀尺寸較大， 高度高、 轉(zhuǎn)彎半徑大會(huì)導(dǎo)致井下巷道通過性變差，寬度寬導(dǎo)致井下不易快速錯(cuò)車。

6 結(jié)束語

出于最優(yōu)化和高效的傳動(dòng)路線考慮， 對(duì)油電雙動(dòng)力車輛的傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)， 根據(jù)整車負(fù)載情況對(duì)原有底盤進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。結(jié)合金屬礦山集電裝置設(shè)計(jì)理念，研發(fā)了無軌膠輪車集電裝置， 研究了防爆風(fēng)冷變頻電機(jī)和控制器，配套研發(fā)了適合輕型運(yùn)人車用防爆、高效、節(jié)能、安全、模擬柴油機(jī)特性的礦用逆變交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。經(jīng)過上述相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)， 成功研制了油電雙動(dòng)力并行驅(qū)動(dòng)運(yùn)人車，并進(jìn)行了整車系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證，滿足了設(shè)計(jì)要求。油電雙動(dòng)力運(yùn)人車的研發(fā)，開創(chuàng)了礦用雙動(dòng)力車輛設(shè)計(jì)的先河， 為以后的混動(dòng)或者新型系統(tǒng)研發(fā)奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。