吉強(qiáng)

(中國煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

防爆無軌膠輪車具有適應(yīng)性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)靈活性好、安全高效的特點(diǎn),在煤礦輔助運(yùn)輸中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。其中作業(yè)類井下無軌輔助運(yùn)輸車輛以其高工況適應(yīng)性得到了長足發(fā)展，而且安裝了液力變矩器的井下車輛液力機(jī)械傳動(dòng)用來在發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)橋之間傳遞和增大發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，液壓換擋操縱系統(tǒng)在液力機(jī)械變速器上得到了最廣泛的應(yīng)用，使車輛具有自動(dòng)適應(yīng)性、高壽命、高通過性、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。

油電雙動(dòng)源架線車是一種柴油機(jī)和電動(dòng)機(jī)分時(shí)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的無軌膠輪車，在架線輔運(yùn)大巷采用電驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)煤礦井下主要進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)的尾氣污染零排放；在非架線巷道采用防爆電噴柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)通風(fēng)條件不好的區(qū)域尾氣排放同比有效降低[2]。

油電雙動(dòng)源架線車方案在爬坡、噪聲、制動(dòng)、排放，燃油經(jīng)濟(jì)性等方面都大幅提高，尤其是在重型車各項(xiàng)指標(biāo)的提升就更為明顯。本文研究雙動(dòng)源重型鏟板車傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配和布置問題。

1 液力機(jī)械傳動(dòng)

液力機(jī)械傳動(dòng)(hydro-mechanical transmission)，由液力變矩器和輔助的機(jī)械變速器組成的傳動(dòng)系統(tǒng)。液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)在以發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的煤礦重型鏟運(yùn)設(shè)備的應(yīng)用較多，并有多種方案可用于不同類型設(shè)備的傳動(dòng)系統(tǒng)。但由于電動(dòng)機(jī)本身無級(jí)調(diào)速的性能以及對(duì)續(xù)航能力即傳動(dòng)效率的要求，在蓄電池為動(dòng)力的煤礦重型鏟運(yùn)設(shè)備的應(yīng)用較少。

由于柴油機(jī)的扭矩適應(yīng)性系數(shù)較小，不能滿足過載與載荷頻繁變化的工況，因此煤礦井下重型鏟板車大多采用液力機(jī)械傳動(dòng)形式，一般驅(qū)動(dòng)力傳輸過程是發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力裝置通過變矩器、變速箱、驅(qū)動(dòng)橋到輪胎，滿足車輛各種工況的運(yùn)輸行駛。其中液力變矩器、動(dòng)力換擋變速箱、驅(qū)動(dòng)橋就是液力機(jī)械傳動(dòng)的關(guān)鍵零部件。

液力變矩器的分類方式較多，主要是按照渦輪數(shù)量、軸面液流在渦輪中的流動(dòng)方向、渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向、能量是否可調(diào)、能否耦合、“單多相”分，目前我國井下裝載機(jī)、鏟板車液力機(jī)械傳動(dòng)變矩器大部分采用美國DANA公司的三元件單級(jí)渦輪單相向心渦輪液力變矩器。

動(dòng)力換擋變速箱是地下裝載機(jī)中的另一個(gè)重要部件。動(dòng)力換擋變速箱與非動(dòng)力換擋機(jī)械變速箱的主要區(qū)別是動(dòng)力換擋變速箱采用了液壓缸操縱換擋離合器。一般不必預(yù)先切斷動(dòng)力，可以直接換擋。動(dòng)力換擋變速箱有行星式和定軸式兩種。行星式主要用于大功率機(jī)械，卡特彼勒公司的地下裝載機(jī)采用該形式，其它大部分公司的地下裝載機(jī)都采用卡拉克公司的定軸式動(dòng)力換擋變速箱[3]。

原動(dòng)機(jī)、變矩器、變速箱的組成形式一般分為HR、MHR、R 3種形式，如圖1所示。

圖1 3種組合形式

3種組合形式的布置特點(diǎn)以及各自優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 3種組合形式對(duì)比表

傳動(dòng)系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)橋主要由主傳動(dòng)、差速器、輪邊減速器、制動(dòng)器等部件組成，主要作用就是繼續(xù)增大扭矩并改變扭矩的傳遞方向，并實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向以及制動(dòng)等功能，目前井下重型鏟板車主要使用DANA和Kessler的驅(qū)動(dòng)橋。

2 雙動(dòng)源重型鏟板車傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

煤礦井下重型鏟板車主要用于短距離搬運(yùn)支架嗎，擺放支架，聯(lián)合搬運(yùn)采煤機(jī)等特殊工況，屬作業(yè)類車輛，整車運(yùn)行沖擊較大，對(duì)車輛牽引力要求較高，因此大都采用液力機(jī)械傳動(dòng)。架線雙動(dòng)力源鏟板車傳動(dòng)方案，不同于傳統(tǒng)混合動(dòng)力的雙動(dòng)力設(shè)計(jì)，是兩種動(dòng)力完全獨(dú)立，可在架線輔運(yùn)大巷段采用電驅(qū)動(dòng)運(yùn)行;在非架線巷道采用防爆電噴柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，最大限度的發(fā)揮兩種動(dòng)力源的特點(diǎn)與優(yōu)勢，因此該設(shè)備的傳動(dòng)系統(tǒng)也提出了更高的要求：

1)兩種動(dòng)力完全獨(dú)立，互不影響，因此需要?jiǎng)恿υ辞袚Q和識(shí)別裝置。

2)增加電制動(dòng)回饋系統(tǒng)，減少長距離下坡對(duì)制動(dòng)器的磨損，保證行駛安全。

3)保證車輛整體尺寸的情況下，在車體有限空間內(nèi)布置兩種不同的動(dòng)力源及其配套系統(tǒng)。

4)發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速特性與電動(dòng)機(jī)模擬怠速特性的設(shè)置。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)與變矩器匹配

發(fā)動(dòng)機(jī)與變矩器匹配是指液力變矩器按照工作的要求，以指定工況(或傳動(dòng)比)傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和功率的一種共同工作情況[3]。

將發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性曲線及調(diào)速特性曲線與變矩器輸入特性曲線按相同比例繪在一起是發(fā)動(dòng)機(jī)與變矩器的共同工作輸入特性曲線。并根據(jù)公式：

(1)

MT=KMB

(2)

nT=nBiTB

(3)

NT=0.104 7×10-3MTnT

(4)

式中:λMB為泵輪力矩系數(shù)，min2/(m·r2)；γ為油的重度，N/m3；nB為泵輪轉(zhuǎn)速，r/min；nT為渦輪轉(zhuǎn)速，r/min；K為變矩系數(shù)；D為液力變矩器的有效直徑，m；MB，MT為分別為泵輪、渦輪轉(zhuǎn)矩，N·m；iTB為渦輪和泵輪轉(zhuǎn)速比;NT為變矩器渦輪輸出功率，kW。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)和變矩器共同工作輸入特性曲線求得共同工作點(diǎn)(nB,MB)由上式計(jì)算得到聯(lián)合工作特性曲線上的各點(diǎn)數(shù)值(MT,nT,NT)就可以得到輸出特性曲線?？梢源藶橐罁?jù)，計(jì)算整車格擋車速、牽引特性和爬坡能力。

2.2 電動(dòng)機(jī)與液力變矩器的匹配

液力變矩器與電動(dòng)機(jī)的匹配問題和液力變矩器與柴油機(jī)的匹配有相似之處，但也有特殊性。確定了電動(dòng)機(jī)傳給變矩器泵路的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，液力變矩器與電動(dòng)機(jī)的匹配的輸入特性與輸出特性、液力變矩器與柴油機(jī)的匹配的輸入特性與輸出特性兩者求法基本相同。

3 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

動(dòng)力源的傳動(dòng)方案較多，下面對(duì)幾種傳動(dòng)路徑的布置方案和配套選型進(jìn)行分析。

3.1 HR型傳動(dòng)方案

HR型系列為變速箱、變矩器、發(fā)動(dòng)機(jī)三位一體，因此電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)路徑中需增加減速器以代替變速箱的功能，實(shí)現(xiàn)電驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下整車的速度和扭矩匹配，實(shí)際傳動(dòng)方案如圖2所示。

圖2 HR型傳動(dòng)方案

此傳動(dòng)方案是理論上最理想的傳動(dòng)路徑，兩種動(dòng)力源傳輸完全獨(dú)立，且電驅(qū)回饋制動(dòng)不受影響。該方案有兩個(gè)技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)。

1)選型問題。三位一體的發(fā)動(dòng)機(jī)在煤礦井下重型鏟板車上的應(yīng)用非常少，三位一體的發(fā)動(dòng)機(jī)不利于整車布置，它會(huì)導(dǎo)致整車高度不適應(yīng)大部分井下工況，因此，目前市場上并無此類三位一體的具備安標(biāo)的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備。

2)動(dòng)力合并裝置問題。重型車輛全部為全驅(qū)動(dòng)，由于動(dòng)力合并裝置在變速箱之后，全驅(qū)動(dòng)時(shí)變速箱的分動(dòng)作用消失，因此動(dòng)力合并裝置必須還原變速箱的分動(dòng)功能，這種動(dòng)力合并裝置的設(shè)計(jì)難度極大。

3.2 MHR型傳動(dòng)方案

MHR型為變速箱變矩器一體，與發(fā)動(dòng)機(jī)分開，此方案中，變速箱變矩器可由兩種動(dòng)力源共用，不必增加與電動(dòng)機(jī)匹配的減速器，其傳動(dòng)方案如圖3所示。

圖3 MHR型傳動(dòng)方案

此傳動(dòng)方案不用增加任何其它機(jī)構(gòu)，兩種動(dòng)力源共用變速箱和變矩器，是最適合整車布置的方案，該方案有3個(gè)技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)。

1)電動(dòng)機(jī)需具備怠速模式。即電動(dòng)機(jī)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行，因?yàn)檎嚨囊簤簞?dòng)力和傳動(dòng)換擋壓力均由變矩器配套泵提供，為整車提供轉(zhuǎn)向、制動(dòng)和換擋離合器壓力，因此電動(dòng)機(jī)的怠速控制是整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵和難點(diǎn)。

2)回饋制動(dòng)問題?；仞佒苿?dòng)能量傳遞經(jīng)過變矩器，需要變矩器具備鎖止功能。但是目前所有變矩器的鎖止均為有限鎖止，當(dāng)制動(dòng)力矩過大時(shí)，會(huì)使得鎖止離合器分開，影響鎖止離合器的使用壽命且無法實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)，反而會(huì)造成變矩器油溫升高等問題，影響變矩器使用壽命。對(duì)于重型鏟板車，其重載下坡情況下，緊急制動(dòng)力矩非常大，此時(shí)如果輪邊制動(dòng)器無法及時(shí)介入，會(huì)對(duì)變矩器造成影響，影響整車運(yùn)行安全。

3)傳動(dòng)散熱問題。傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力下，傳動(dòng)油散熱是由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)風(fēng)扇給散熱器降溫。電驅(qū)模式下，變矩器并未停止工作，因此傳動(dòng)系統(tǒng)仍需散熱，但此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，風(fēng)扇沒有動(dòng)力無法工作，因此該模式下需要為風(fēng)扇提供額外動(dòng)力，保證風(fēng)扇工作，因此給傳動(dòng)散熱系統(tǒng)方案的排布帶來較大工作量。

3.3 R型傳動(dòng)方案

R型傳動(dòng)方案為變矩器與變速箱分置，變矩器直接安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上，電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)共用變速箱，如圖4所示。

圖4 R型傳動(dòng)方案

該傳動(dòng)方案電驅(qū)模式下增加了一個(gè)傳動(dòng)泵以保證動(dòng)力換擋變速箱的換擋問題，該方案有以下技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)。

1)換擋沖擊問題。由于變矩器與發(fā)動(dòng)機(jī)一體，電動(dòng)機(jī)與變速箱直接剛性連接，電驅(qū)模式下的換擋沖擊問題需要解決。

2)輔助動(dòng)力問題。同HR方案一樣，由于變矩器與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，無法在電驅(qū)模式下提供液壓動(dòng)力和動(dòng)力換擋的傳動(dòng)壓力，因此兩種方案都需要油泵電動(dòng)機(jī)在電驅(qū)模式下工作。

比較3種傳動(dòng)方案，考慮到整車布置和實(shí)際使用工況，選擇了第3種R型傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)整車傳動(dòng)系統(tǒng)。由于R型方案由于要用到變速箱，需要再配套一個(gè)傳動(dòng)泵以提供傳動(dòng)換擋動(dòng)力，并與發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)共用傳動(dòng)油，需要設(shè)計(jì)一套分時(shí)工作的傳動(dòng)系統(tǒng)，保證兩種動(dòng)力源模式都可以提供換擋動(dòng)力。但是該系統(tǒng)下變矩器不工作，因此靠傳動(dòng)油自循環(huán)冷卻即可，不需要風(fēng)扇冷卻。

4 應(yīng)用情況

R型方案應(yīng)用于某架線雙動(dòng)源重型鏟板車，研制的整機(jī)在地面試驗(yàn)場進(jìn)行了試驗(yàn)，如圖5所示，基本滿足了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。由于電動(dòng)機(jī)與變速箱直接剛性連接，電驅(qū)模式下變速箱換擋時(shí)會(huì)出現(xiàn)換擋沖擊，再增加緩沖系統(tǒng)對(duì)整車的布置和操作系統(tǒng)的匹配會(huì)帶來困難，同時(shí)考慮到電驅(qū)模式的運(yùn)行工況，即架線區(qū)間內(nèi)的運(yùn)行，主要以運(yùn)輸為主，于是調(diào)整操作工藝，在架線區(qū)間內(nèi)采取停車換擋的方式，由于電動(dòng)機(jī)的短時(shí)過載能力可以滿足不同工況的停車換擋，可減少換擋沖擊給駕駛員帶來的不適感。

圖5 某型雙動(dòng)源架線重型鏟板車

5 結(jié)論

煤礦用雙動(dòng)源重型鏟運(yùn)車的研制，可以減少續(xù)航焦慮并實(shí)現(xiàn)架線段零排放，顯著提高長距離大坡度架線段的制動(dòng)性能和爬坡能力，提升了整車的制動(dòng)安全性和駕駛舒適性。

煤礦用雙動(dòng)源重型鏟運(yùn)車傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，區(qū)別于單動(dòng)力液力機(jī)械傳動(dòng)形式，重點(diǎn)兼顧了傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配和傳動(dòng)件的布置問題，探索了一種新型的礦用膠輪車雙動(dòng)源傳動(dòng)方案。