杜佳霖，胡 勇

(1.中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司，山西 太原 030006；2.山西天地煤機裝備有限公司，山西 太原 030006)

以神東集團為代表的大型煤炭集團引進使用了以鉛酸電池為動力的鏟車、支架搬運車、運煤車等煤礦用作業(yè)車輛，引進使用至今已接近20年[1]。我國的蓄電池特種車輛在引進吸收國外技術的同時也有了一定的發(fā)展，研制了CLX3膠輪鏟車、WJX-10FB防爆鉛酸蓄電池鏟運機、WX45J蓄電池支架搬運車、WX100J蓄電池支架搬運車等多種車型，從之前的模仿到如今的自主創(chuàng)新取得了一定的成果。

目前煤礦所使用的礦用純電動四驅(qū)鉸接式防爆車輛主要以鉛酸蓄電池為動力源，依靠電機作為驅(qū)動源為整車提供動力，實現(xiàn)車輛的“零排放”。采用純電動車輛可有效改善煤礦井下工作環(huán)境，從長遠看來純電動車輛將成為未來煤礦井下無軌輔助運輸技術與裝備領域新的發(fā)展方向。

驅(qū)動系統(tǒng)是純電動車輛的核心，如何合理布置和高效控制驅(qū)動系統(tǒng)是煤礦用純電動車輛設計的重點和難點。國內(nèi)外學者在電動車輛的驅(qū)動力分配、車輛經(jīng)濟性以及分布式驅(qū)動電動車輛的動力學控制方面做了不少研究，多集中在地面電動車輛，車輛電壓等級以480V或640V居多。本文結合目前現(xiàn)有的煤礦用純電動鉸接車輛對幾種典型的四輪驅(qū)動方式進行分析，為煤礦鉸接純電動車輛的設計提供參考。

1 單電機集中四輪驅(qū)動模式

單電機四輪驅(qū)動模式布置結構如圖1所示，驅(qū)動系統(tǒng)由電機、分動箱、前后傳動軸、前后車橋(主減速器、差速器、輪邊減速器)，其前后軸間動力依靠分動箱分配，該結構形式與傳統(tǒng)四驅(qū)燃油車基本相同，唯一區(qū)別在于使用電動機取代了發(fā)動機，由于電機的外特性曲線與車輛驅(qū)動系統(tǒng)的理想供應特性場比較接近，可以省去離合器，所以采用這種動力布置方式的電動汽車結構與傳統(tǒng)四驅(qū)車相差不大。此種四驅(qū)布置方式在煤礦車輛應用比較普遍。比如進口488鏟車、818運煤車，國產(chǎn)WJX-10FB防爆鉛酸蓄電池鏟運機車型均采用單電機集中四輪驅(qū)動方式。在控制方面集中式四輪驅(qū)動方式僅需利用單個變頻器控制行走電機，輪間差速由車橋的差速器來實現(xiàn)，轉(zhuǎn)向通過液壓油缸轉(zhuǎn)向[2]。

1—蓄電池；2—后驅(qū)動橋；3—防爆牽引電動機；4—油泵電機；5—減速器；6—傳動軸；7—電控箱；8—前驅(qū)動橋圖1 單電機四輪驅(qū)動模式布置結構

以WJX-10FB防爆鉛酸蓄電池鏟運機為例，單電機集中四輪驅(qū)動控制系統(tǒng)主要由大容量防爆鉛酸蓄電池、一臺防爆行走變頻調(diào)速裝置、一臺油泵調(diào)速裝置、一臺防爆牽引交流變頻電動機、一臺油泵交流變頻電動機、防爆低壓控制系統(tǒng)及顯示器等組成[2]。防爆特殊型鉛酸蓄電池為整機提供動力輸出，同時作為整車配重，電壓一般采用128V或240V居多。其電控系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 單電機集中驅(qū)動電控系統(tǒng)

2 雙電機雙橋驅(qū)動模式

由于單電機的功率逐漸不能滿足使用的需求，井下純電動車輛需要更大功率的電動機為整車提供動力，而整車的布置空間是非常有限的，由于大功率電機的體積和重量的原因，造成整機布置困難。因此就需要將整機功率進行分解，減小大功率電機的布置難度，優(yōu)化整機的重量分配，采用兩個電機分別驅(qū)動前后橋是比較理想的選擇[3，4]。

雙電機驅(qū)動模式布置結構如圖3所示，前后橋分別由兩個電機獨立驅(qū)動，車輛的前后車橋的差速由前后橋自帶的差速器完成。這種布置方式與單電機驅(qū)動模式相比，縮短了動力傳動路線，提高傳動效率，主要適用于中厚煤層鉸接車輛的驅(qū)動布置。

1—蓄電池；2—后驅(qū)動橋；3—電控箱；4—后減速器；5—后電機；6—油泵電動機；7—前電機；8—前減速器；9—傳動軸；10—前驅(qū)動橋圖3 雙電機雙橋驅(qū)動模式布置結構

與地面電動車輛采用的雙電機驅(qū)動模式不同，地面雙電機之間布置有機械耦合器，鉸接車輛雙電機驅(qū)動由于受到鉸接車輛形式的限制，采用兩個獨立的電機分別驅(qū)動前后橋，通過軸重傳感器對車輛前后輪承載進行測量，然后進行動力耦合分配，保證車輛的最佳滑轉(zhuǎn)率，保證整機具有的牽引性能[5，6]。

雙橋雙電機驅(qū)動控制系統(tǒng)與集中式驅(qū)動控制系統(tǒng)的主要區(qū)別在于采用兩臺防爆行走變頻調(diào)速裝置、兩臺防爆牽引交流變頻電動機，前后兩臺牽引電動機分別由不同的行走變頻器控制。防爆特殊型鉛酸蓄電池電壓一般也采用128V或240V居多。

此種控制方式采用兩個變頻器分別控制前后兩個電機，存在的問題是前后橋載荷不同時如何合理分配兩個電機的驅(qū)動力使能發(fā)揮最大的牽引力是考慮的關鍵。

以WX45J支架搬運車的驅(qū)動控制系統(tǒng)為例，其電氣控制主要包括大容量防爆鉛酸蓄電池、兩臺防爆行走變頻調(diào)速裝置、一臺油泵調(diào)速裝置、兩臺防爆牽引交流變頻電動機、一臺油泵交流變頻電動機、防爆低壓控制系統(tǒng)及顯示器等組成[7]。各系統(tǒng)由PLC控制器進行統(tǒng)一管理協(xié)調(diào)，內(nèi)部采用CAN總線通信，PLC作為整機的總控單元通過CAN總線對三臺逆變器控制器進行調(diào)節(jié)控制，驅(qū)動控制系統(tǒng)如圖4所示[8，9]。

圖4 雙電機雙橋驅(qū)動電控系統(tǒng)圖

3 分布式輪邊四輪驅(qū)動模式

分布式四輪驅(qū)動模式布置結構如圖5所示，是利用四個獨立控制的防爆電動機分別通過減速器驅(qū)動井下作業(yè)車輛的四個車輪，四個車輪之間沒有機械傳動環(huán)節(jié)。牽引電機與輪轂可以是軸式連接，也可以將電機直接嵌入車輪做成電動輪。分布式驅(qū)動沒有復雜的傳動系統(tǒng)，而且動力直接由電動機經(jīng)花鍵軸直接輸出，結構簡單；容易實現(xiàn)動力學控制，操作更簡單；振動和噪聲也大大減少；可以有效利用車輛的空間，降低整車布置難度，提高了車輛的整體性能[10]。所采用的防爆特殊型鉛酸蓄電池電壓一般采用240V或480V。其控制方式的關鍵在于電子差速控制、橫擺力矩控制、車輪載荷控制等。

1—蓄電池；2—牽引防爆電動機；3—減速器；4—電控箱；5—油泵電機圖5 四電機驅(qū)動模式布置結構

分布式輪邊電控四驅(qū)系統(tǒng)技術需要根據(jù)各輪的轉(zhuǎn)速等信息，保證各輪的最佳滑轉(zhuǎn)率來控制并分配各輪的驅(qū)動力，使車輛具有防滑能力、良好的加速性能、爬坡性能和行駛穩(wěn)定性[11，12]。

且轉(zhuǎn)向過程中，鉸接轉(zhuǎn)向油缸可作為輔助電子轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向，而橋驅(qū)電動鉸接車輛需完全依靠轉(zhuǎn)向油缸的動作來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向操作。因此在設計中，在電子差速轉(zhuǎn)向可靠的前提下，可適當將轉(zhuǎn)向油缸的設計裕量減小[13]。分布式輪邊驅(qū)動電控系統(tǒng)結構，如圖6所示。

圖6 分布式輪邊驅(qū)動電控系統(tǒng)結構圖

以WX100J蓄電池支架搬運車為例，整車電控系統(tǒng)包含：大容量防爆鉛酸蓄電池、四臺防爆行走調(diào)速裝置、一臺油泵調(diào)速裝置、四臺防爆牽引開關磁阻電動機、一臺油泵開關磁阻電動機、防爆低壓控制系統(tǒng)及顯示器等組成。PLC控制箱與調(diào)速裝置通過CAN總線通信連接，實現(xiàn)油泵啟停、車輛前進后退、燈光等操作[14-18]。

4 各類驅(qū)動系統(tǒng)的比較

1)單電機集中驅(qū)動結構簡單，可以沿用柴油機車輛的部分傳動裝置，繼承性好，便于處理電機冷卻，隔振以及電磁干擾等問題，可以采用減速器來改變傳動比，可以獲得較理想的動力性能，同時降低對電機的性能要求，但是單電機集中驅(qū)動傳動系統(tǒng)復雜，傳動效率低，不能對前后驅(qū)動橋的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩進行單獨控制，容易造成寄生功率的產(chǎn)生[19-22]。

2)雙電機雙橋驅(qū)動可解決單電機集中驅(qū)動由于電動機功率大導致的布置困難，使空載時整車布置更加協(xié)調(diào)，通過對前后電機的控制可實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)矩的獨立的控制，但不能對左右兩側(cè)驅(qū)動輪的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩進行單獨控制，使車輛的操縱穩(wěn)定性受到了限制。

3)分布式四輪驅(qū)動相比前兩種布置方式更加簡化，簡化了傳動系統(tǒng)，減少單個電機的電流和額定功率，提高驅(qū)動系統(tǒng)的傳動效率；四個輪邊電機均可單獨控制，容易實現(xiàn)車輛底盤的集成化、主動控制性能，極大地改善鉸接車輛的驅(qū)動性能和轉(zhuǎn)向性能。在制動能量回收方面，與前兩種驅(qū)動系統(tǒng)相比，分布式四輪驅(qū)動可提高車輛能量回收利用效率，對于井下電動車輛提高續(xù)航里程有很重要的影響。

但是分布式四輪驅(qū)動系統(tǒng)存在著電機布置空間緊張、安裝困難；電機的安裝位置偏低，電機的旋轉(zhuǎn)密封難度增加，使整車的涉水能力減弱；整車驅(qū)動系統(tǒng)控制復雜，不可靠環(huán)節(jié)增多的等缺點。

三種驅(qū)動系統(tǒng)的各自特點見表1。

表1 三種驅(qū)動系統(tǒng)特點對比

5 結 論

目前煤礦井下使用的純電動車輛的設計中，采用單電機集中驅(qū)動或者雙電機雙橋驅(qū)動仍然是鉸接式電動車輛驅(qū)動方式的首選。隨著煤礦開采趨于向薄煤層開采，以上兩種驅(qū)動方式逐漸難以滿足車輛布置的要求，分布式四輪驅(qū)動憑借高效率、緊湊型、可控性強等優(yōu)點將是未來煤礦井下純電動鉸接作業(yè)車輛驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展方向。

分布式輪邊驅(qū)動技術對于未來煤礦井下無人駕駛運輸車輛的研究也有積極的促進作用，通過附加的轉(zhuǎn)速傳感器、車輪載荷傳感器、陀螺儀、傾角傳感器等儀器的反饋信息實時控制車輛的轉(zhuǎn)向角度、動力輸出具有重要的意義。

針對煤礦電動車輛目前分布式四輪驅(qū)動的現(xiàn)狀需要提升以下幾點：

1)研制調(diào)速范圍寬，額定功率為50kW左右，開發(fā)出高效、高比功率/高比轉(zhuǎn)矩且結構緊湊的井下作業(yè)車輛用防爆電機。

2)解決電動機和控制器的冷卻，密封和抗振動技術。

3)提高鉸接車輛的電子差速和防滑控制技術，尤其是應對車輛滿載上坡的極限狀況下的控制技術，改善車輛的整體性能。