摘要：針對鏟運設(shè)備較為復(fù)雜的運行工況，選擇鏟運設(shè)備中輪式裝載機為研究對象，分析典型工況設(shè)計交流電傳動系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，優(yōu)化電傳動系統(tǒng)參數(shù)匹配。以25t電傳動裝載機為研究對象，建立數(shù)學(xué)模型計算各部件參數(shù)，優(yōu)化參數(shù)匹配完成電傳動系統(tǒng)設(shè)計方案，同時對電傳動和傳統(tǒng)機械傳動方式展開能耗分析。計算結(jié)果表明，裝載機牽引特性能滿足工況需求，同時串聯(lián)式四輪電驅(qū)動牽引系統(tǒng)具備更好的節(jié)能降耗效果。

關(guān)鍵詞：鏟運設(shè)備；交流電傳動；輪式裝載機；運行工況；參數(shù)匹配

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目《智能電驅(qū)動重載車輛平臺關(guān)鍵技術(shù)研究與示范應(yīng)用》（2021YFB2501800）

0" "引言

隨著鏟土運輸機械朝大型化發(fā)展，受制于傳動部件選型困難，國內(nèi)企業(yè)在傳統(tǒng)大型或巨型工程機械制造方面存在一定難度[1-3]。對成熟的電力電子技術(shù)采用有效控制方案，有利于電傳動技術(shù)在工程機械上更好的應(yīng)用。文獻[4-6]為了提高液壓混合動力挖掘機電傳動系統(tǒng)的效率，提出了一種對其動力傳動系統(tǒng)的參數(shù)匹配方法，使系統(tǒng)效率得到了顯著提高。文獻[7-8]針對雙側(cè)獨立驅(qū)動履帶裝甲車的電傳動系統(tǒng)進行參數(shù)匹配，經(jīng)過對樣車的試驗得出，參數(shù)匹配的合理與否直接關(guān)系到裝甲車的機動性和動力性等。本文以鏟土運輸機械的典型代表裝載機為研究對象，分析典型工況設(shè)計交流電傳動系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，優(yōu)化電傳動系統(tǒng)參數(shù)匹配。以25t電傳動裝載機為研究對象，建立數(shù)學(xué)模型計算各部件參數(shù)，優(yōu)化參數(shù)匹配，從而完成電傳動系統(tǒng)方案設(shè)計。

1" "裝載機交流電傳動系統(tǒng)組成

輪式裝載機載荷與礦山車相比，波動劇烈且快速，為此要求電傳動裝載機機傳動系統(tǒng)，可以實時根據(jù)載荷大小進行自適應(yīng)的調(diào)節(jié)控制，以使各個元器件的效率更高。某輪式裝載機電驅(qū)動牽引系統(tǒng)主要由主發(fā)電機、牽引變流器、牽引電機、制動電阻、蓄電池、外部開關(guān)柜等組成。

2" "儲能裝置與牽引系統(tǒng)匹配關(guān)系

裝載機具有頻繁啟停、輸出功率波動大等特點，基于此，儲能裝置需具備短時間內(nèi)獲取或釋放功率高、充放電速度快、可充放電次數(shù)多等特點。利用超級電容瞬時高功率特性，不僅可以避免發(fā)動機的頻繁啟動，還可以對制動再生能量進行回收和利用，從而進一步起到節(jié)能減排的作用。

超級電容輸出最大能量計算如下：

（1）

式中：C為超級電容容量；Umax為超級電容最高電壓；Umain為超級電容最低電壓；

由公式（1）可以推出超級電容計算公式（2）

（2）

電傳動裝載機牽引系統(tǒng)根據(jù)整車參數(shù)需求，包括功率、載重、電壓等級、電流等，選擇是否需要使用超級電容裝置。

3" "裝載機交流電傳動系統(tǒng)設(shè)計

本文以25t級裝載機為研究對象，分析并設(shè)計適用的交流電傳動牽引系統(tǒng)。

3.1" 行駛阻力計算

設(shè)發(fā)動機功率為700kW，整機質(zhì)量為107t，額定載重量為25t，車輪半徑為1.26m，輪邊速比為75.46。不同坡道下整機阻力[8]計算公式如下：

Fz=F?+Fw+Fi" " " " " " " " （3）

F?=?mgcosα" " " " " " " "（4）

（5）

Fi=mgsinα" " " " " " " "（6）

式中：Fz表示坡道阻力，F(xiàn)?表示行駛時車輪的滾動阻力；Fw表示空氣阻力，F(xiàn)i表示坡度阻力；CD表示風(fēng)阻系數(shù)，A表示車頭正面投影面積，u表示車速，F(xiàn)w空氣阻力值較可忽略不計。

3.2" "驅(qū)動性能參數(shù)計算

裝載機車輪周功率計算公式如下：

P=P0η1η2η3η4η5" " " " " " " "（7）

式中：P0表示柴油機飛輪功率，η1表示主發(fā)電機效率，η3表示變流器效率，η4表示減速器效率，η5表示分動箱傳遞效率。由式（7）可計算行駛工況下，不考慮舉升對應(yīng)車輪的最大可用周功率。

單電機功率充分考慮留有余量，單電機的設(shè)計功率P1按照式（8）計算：

P1=1.5P/4" " " " " " " " "（8）

根據(jù)裝載機典型工況分析可知，進行鏟裝作業(yè)時距離較短，最高車速不超過6km/h，一次作業(yè)循環(huán)時間約1～2min。在進行物料運輸時，作業(yè)距離很少超過50m，長距離行駛主要為轉(zhuǎn)場，為空載行駛。

裝載機牽引力按照10%的實際坡度計算額定牽引力，整機的功率P2、車速V和牽引力Fz關(guān)系如下：

P2=FzV/3.6" " " " " " " " "（9）

由式（9）計算，可得出裝載機在額定工況下的持續(xù)車速為17.2km/h，滿足設(shè)計要求。

裝載機啟動牽引力F1設(shè)計一般選擇額定工況，即12%等效坡度下（10%的實際坡度）兩倍常規(guī)持續(xù)牽引力F2：

F1=2F2" " " " " " " " " （10）

3.3" "牽引電機特性區(qū)間計算

電機轉(zhuǎn)矩和整車力矩的關(guān)系如下：

（11）

式中：η為輪邊減速器效率，取0.98；i0為傳動比，取75.46；T為單個電機最大轉(zhuǎn)矩（按70%載荷分配）；r為車輪半徑；F為整車力矩。經(jīng)計算，得到等效坡度12%對應(yīng)的電機力矩15020N·m，等效坡度27%對應(yīng)的電機力矩33800N·m。

裝載機主要作業(yè)時間集中于鏟裝工況，根據(jù)裝載機工況需求最大牽引力取800kN。由式（11）計算得出單個電機最大轉(zhuǎn)矩為4774N·m。

裝載機的傳動比i0為75.46，輪胎半徑r為1.26m，電機轉(zhuǎn)速n與車速V關(guān)系如下：

（12）

由式（12）得出車速與電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系V=0.00629n。在進行鏟裝作業(yè)時，整機車速小于6km/h，一次作業(yè)循環(huán)時間約1～2min。

3.4" "牽引電機電性能參數(shù)確定

針對裝載機的典型作業(yè)工況，選取整機車速3km/h對應(yīng)的電機轉(zhuǎn)速為額定工作點，整車車速1km/h對應(yīng)的電機轉(zhuǎn)速為恒轉(zhuǎn)矩結(jié)束點。

裝載機在鏟裝作業(yè)工況，整機的最大牽引力需求為75t，由式（11）得出對應(yīng)的電機轉(zhuǎn)矩4774kN·m。整車3km/h對應(yīng)電機進入恒功率區(qū)間，由式（13）得出單電機最大功率210.35kW。

T=9550P/n" " " " " " " "（13）

式中：P表示電機功率，單位kW；T表示電機轉(zhuǎn)速，單位r/min；n表示電機轉(zhuǎn)矩，單位N·m。由式（13）得出電機最大轉(zhuǎn)矩為4704N·m，其與整車設(shè)計的電機最大牽引力4774kN·m基本相符。

電機的功率、電壓和電流的關(guān)系如下：

I=P/Uη5η6=140A" " " " " " " （14）

式中：P表示電機功率，單位kW；U表示電機輸入額定電壓，取1140V；η5表示電機額定效率，取0.93，η6表示電機的功率因素。

4" "整車牽引特性匹配及分析

牽引電機功率由柴發(fā)機組提供，已知發(fā)動機功率700kW，發(fā)電機功率應(yīng)覆蓋牽引電機功率，取720kW，輸出電壓1300V。根據(jù)前述推導(dǎo)，設(shè)計的牽引電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和功率性能參數(shù)。牽引電機轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩關(guān)系如圖1所示。由圖1可得出，電機最大轉(zhuǎn)矩5000N·m，恒功率點轉(zhuǎn)速430r/min，符合電機參數(shù)設(shè)計要求。轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩與功率關(guān)系如圖2所示。由圖2可以看出，設(shè)計的牽引電機啟動轉(zhuǎn)矩5kN·m，在430r/min左右進入恒功率點，功率為210kW。電機轉(zhuǎn)速超過2300r/min后進入降功區(qū)。

圖3所示的整車牽引力、車速、車重、坡度關(guān)系曲線，反映了裝載機的動力性。轉(zhuǎn)運工況，裝載機最高速度低于25km/h。滿載工況下，等效坡度25%時對應(yīng)整車速度約7km/h，滿足爬坡性能要求。鏟裝工況下，整車最高速度6km/h。鏟裝過程中整車速度小于1km/h，整車發(fā)揮最大牽引力。電機處于恒轉(zhuǎn)矩區(qū)對應(yīng)最大牽引力矩，滿足鏟裝極限工況要求。

5" "節(jié)能性對比分析

本文裝載機采用混合動力驅(qū)動，柴油機的能量傳遞途徑有兩條：第一條途徑通過分動箱經(jīng)過發(fā)電機、變流器、牽引電機，將動力由牽引電機傳遞到每個電動輪的輪邊減速器，驅(qū)動輪胎運行；第二條途徑經(jīng)液壓系統(tǒng)完成挖掘、鏟裝和卸貨等動作。牽引系統(tǒng)主要作用是驅(qū)動裝載機行走，在此對傳統(tǒng)機械傳動與電傳動第一條能量傳遞途徑進行分析。對于傳統(tǒng)裝載機來講，液力變矩器效率較低，取為85%；變速箱種類繁多，效率較高可到達75%～85%，取為85%；傳動軸效率較高，取為95%；減速橋的效率值為為98%。

對于電傳動裝載機，車輪的最大可用功率計算如下：

P1=Pσ1σ2σ3σ4σ5" " " " " " " （15）

式中：σ1為柴油機飛輪效率，取0.98；σ2為分動箱效率，取0.98；σ3為主發(fā)電機效率，取0.96；σ4為牽引電機效率，取0.98；σ5為牽引電機效率，取0.95。

按25t電傳動柴油機功率700kW計算，可得到傳統(tǒng)裝載機車輪最大可用功率為4711kW，交流電傳動系統(tǒng)裝載機車輪最大可用功率為601kW。

按照裝載機典型工況，鏟裝運輸工況的一個工作周期分為6個階段。分別計算一個鏟土運輸周期內(nèi)傳統(tǒng)機械裝載機與電傳動裝載機的能耗如下：

（16）

式中：T1、T2、T3、T4、T5、T6分別代表6個階段時間段。

本文只考慮牽引運輸工況的系統(tǒng)傳動效率，認(rèn)為相同工況下柴油機的功率相同，則電傳動裝載機相比傳統(tǒng)輪式裝載機效率值為：

（17）

式中：W1、W2分別表示傳動裝載機和電傳動裝載機能耗。

經(jīng)計算反向驗證，電傳動牽引系統(tǒng)滿足25t裝載機載重、車速等匹配后，柴油機需求功率為1050kW，牽引電機功率為300kW，需配置儲能電池。

6" 結(jié)束語

本文以25t電傳動裝載機為研究對象，建立數(shù)學(xué)模型計算各部件參數(shù)，優(yōu)化參數(shù)匹配完成電傳動系統(tǒng)設(shè)計方案，同時對電傳動和傳統(tǒng)機械傳動方式展開能耗分析。計算結(jié)果表明，裝載機牽引特性能滿足工況需求，同時串聯(lián)式四輪電驅(qū)動牽引系統(tǒng)具備更好的節(jié)能降耗效果。

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