何建成 申焱華 張文明

北京科技大學(xué)，北京，100083

0 引言

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2011年，國產(chǎn)礦用自卸車銷量達(dá)到7567輛，與2010年銷量約5000輛相比，增長51.34%。其中，國內(nèi)市場銷量5646輛，海外市場銷量1921輛，雙創(chuàng)歷史新高［1］。目前國內(nèi)百噸級電傳動礦用自卸車的設(shè)計(jì)還主要處于模仿階段，如在確定輪邊減速器傳動比時，往往參照國際相近噸位車型，但國內(nèi)自主生產(chǎn)的輪邊電機(jī)的性能與國際上先進(jìn)電機(jī)有較大差距。因此有必要研究適合國內(nèi)電機(jī)發(fā)展水平的輪邊驅(qū)動系統(tǒng)最佳配置方法。

1 傳動方式

百噸級礦用自卸車的傳動方式有兩種，即機(jī)械傳動和電傳動。機(jī)械傳動的傳遞結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)主要包括發(fā)動機(jī)、離合器、變速箱、萬向節(jié)、傳動軸、主減速器、差速器、半軸，各部件之間主要是機(jī)械能的傳遞；電傳動結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示，電傳動結(jié)構(gòu)主要包括發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、輪邊減速器，在動力傳遞過程中包含兩次機(jī)械能與電能的轉(zhuǎn)化及電能的傳遞。一次轉(zhuǎn)化是發(fā)電機(jī)將發(fā)動機(jī)傳遞的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，另一次轉(zhuǎn)化是電動機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

圖1 機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 電傳動結(jié)構(gòu)簡圖

表1所示為電傳動與機(jī)械傳動幾項(xiàng)重要性能的比較，電傳動除了傳動效率略低于機(jī)械傳動以外，其余幾項(xiàng)性能都要優(yōu)于機(jī)械傳動，因此目前百噸級以上礦車，除了CAT部分車型采用機(jī)械傳動以外，其余的大都采用電傳動。

表1 機(jī)械傳動、電傳動性能比較

2 輪邊減速器結(jié)構(gòu)及傳動比

電傳動礦用自卸車中，輪邊驅(qū)動系統(tǒng)是主要的動力傳遞系統(tǒng)，如圖3所示，主要包括電機(jī)和輪邊減速器兩部分。電動機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，輪邊減速器將動力減速增扭傳遞到輪轂，以驅(qū)動輪胎轉(zhuǎn)動提供礦車行駛所需動力，是電傳動礦用自卸車中唯一的減速增扭機(jī)構(gòu)。

圖3 GE輪邊三級驅(qū)動系統(tǒng)

國內(nèi)外礦用汽車輪邊減速器結(jié)構(gòu)主要有三種，其傳遞結(jié)構(gòu)原理圖如圖4～圖6所示［2－4］。國際礦用自卸車品牌中，BELAZ電傳動礦用自卸車輪邊減速器采用的是如圖4所示的輪邊二級行星減速機(jī)構(gòu)，其余品牌車型大都采用如圖5、圖6所示的GE輪邊二級或三級減速機(jī)構(gòu)，噸位較小的采用二級減速機(jī)構(gòu)，噸位較大的采用三級減速機(jī)構(gòu)。國內(nèi)電傳動礦用自卸車也大都采用這三種行星減速機(jī)構(gòu)。圖7所示為根據(jù)大噸位電傳動礦用自卸車需求設(shè)計(jì)的一種新型的輪邊三級行星減速機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)具有傳動比變化范圍大、安全系數(shù)高、軸向空間利用率高等優(yōu)點(diǎn)。

通過對 TEREX、BELAZ、HITACHI、KOMATSU、LIEBHERR五種品牌且載重從109t到360t，近30款車型輪邊減速器傳動比i進(jìn)行對比和整理，按照滿載時礦車總量從小到大排列［5－9］，得到如圖8所示的電傳動礦用自卸車輪邊減速器傳動比分布圖。圖9為按照不同品牌分類的輪邊減速器傳動比分布圖。

圖4 輪邊二級行星減速機(jī)構(gòu)傳動原理圖

圖5 GE輪邊二級行星減速機(jī)構(gòu)傳動原理圖

圖6 GE輪邊三級行星減速機(jī)構(gòu)傳動原理圖

圖7 輪邊三級行星減速機(jī)構(gòu)傳動原理圖

圖8 輪邊減速器傳動比分布圖

圖9 國際常見礦車輪邊減速器傳動比

由圖9可以看出，同一品牌車型，隨著滿載總量的增加，輪邊減速器傳動比有增大的趨勢，而且存在滿載總量相近車型的輪邊減速器傳動比相同的情況，也存在隨著滿載總量增大而輪邊減速器傳動比減小的情況，如HITACHIEH3000載重156.9t，滿載總量為278.9t，輪邊減速器傳動比為28.85，HITACHI EH3500載重193.3t，滿載總量為324.3t，輪邊減速器傳動比為26.83。結(jié)合圖8、圖9可以看出，對于不同品牌的車型，滿載總量相近時，傳動比不盡相同，且相差較大。如BELAZ 75306載重220t，滿載總量372t，輪邊減速器采用如圖4所示的輪邊二級行星減速器，傳動比為38.67，而Liebherr T262載重218t，滿載總量368t，輪邊減速器采用如圖5所示的GE輪邊二級行星減速器，傳動比為31.9。同時部分車型可以選用不同傳動比的輪邊減速器，如Liebherr T252，在載重相同、自重相同的情況下可以選配輪邊減速器傳動比為26.8或22.3，而TEREX MT6300給定的輪邊減速器傳動比選用范圍從32到42。

3 電機(jī)選型及輪邊減速器傳動比計(jì)算

通過上文分析，可以看出電傳動礦用自卸車選配的輪邊減速器傳動比并沒有隨噸位增大而一直增大，而是中間存在波動。因此，在確定輪邊減速器傳動比時不能單純以車輛噸位作為依據(jù)，車輛噸位的變化只是決定了行駛所需驅(qū)動力的大小和所需動力源即發(fā)動機(jī)功率大小。在對一款新型礦車進(jìn)行設(shè)計(jì)時，其輪邊驅(qū)動系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)流程如圖10所示。

圖10 輪邊驅(qū)動系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)流程

汽車行駛方程為［10］

其中，F(xiàn)t為驅(qū)動力；Ff為滾動阻力，與路面滾動系數(shù)相關(guān)，礦山路面滾動系數(shù)一般取0.02；Fw為空氣阻力，在礦用汽車初期設(shè)計(jì)過程中，由于一般礦用汽車常用行駛速度在7.5～30km／h之間，且最高車速一般在65km／h以下，車速相對較低，所以在礦車一般不考慮空氣阻力Fw的影響；Fi為坡度阻力，行駛路面坡度有關(guān)，電傳動礦用自卸車的要求是最大爬坡度不應(yīng)低于16%［11］；Fj為加速阻力。

根據(jù)式（1）可以求得礦車在不同坡度上行駛時驅(qū)動力需求，但確定發(fā)動機(jī)功率大小還需要知道車輛行駛速度。在確定發(fā)動機(jī)功率時一般以礦車在8%坡度行駛時的功率需求為準(zhǔn)。電傳動自卸車滿載時在8%坡度上爬長坡的穩(wěn)定車速不應(yīng)低于表2所規(guī)定的數(shù)值［11］。

表2 電傳動礦用自卸車穩(wěn)定車速要求

由礦車在8%坡度行駛時驅(qū)動力及最低車速要求，根據(jù)公式P＝Fv可以得到礦車行駛功率需求。但此功率并不能直接作為確定發(fā)動機(jī)功率的標(biāo)準(zhǔn)，在確定發(fā)動機(jī)功率時還需要考慮傳遞過程中發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動機(jī)以及輪邊減速器等的能量傳遞在各環(huán)節(jié)中的功率損失。另外，為了保證足夠的動力，在確定發(fā)電機(jī)、電動機(jī)功率時還應(yīng)考慮存在一定的過載空間，一般在選定電機(jī)功率時需要20%以上的過載牽引空間。

根據(jù)功率選定電機(jī)以后，就得到電機(jī)的功率外特性曲線和傳動效率變化曲線。圖11為設(shè)計(jì)的某載重220t電傳動礦用自卸車選用電機(jī)的恒功率外特性曲線和效率曲線，電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到292.4r／min時，開始進(jìn)入恒功區(qū)，直到電機(jī)達(dá)到最高轉(zhuǎn)速。但電機(jī)轉(zhuǎn)速低于651.5r／min時，只能持續(xù)工作一定時間，不能長時間持續(xù)工作，且電機(jī)工作效率較低，小于93%；轉(zhuǎn)速達(dá)到651.5r／min以上，電機(jī)才可以長時間工作，電機(jī)效率也可提高到93%以上。

圖11 某礦車用電機(jī)外特性和效率曲線

為了保證礦車的持續(xù)工作和傳動效率，輪邊減速器傳動比i需要滿足礦車常用運(yùn)行速度空間7.5～30km／h對應(yīng)電機(jī)的長時高效工作區(qū)間，圖11示出了電機(jī)長時高效工作區(qū)間即電機(jī)轉(zhuǎn)速大于651.5r／min的空間。該高效工作區(qū)間范圍較大，在確定傳動比時為了保證車輛最高轉(zhuǎn)速，一般讓電機(jī)長時高效工作區(qū)起點(diǎn)來對應(yīng)礦車運(yùn)行速度7.5km／h來確定傳動比i。即

式中，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，即電機(jī)長時高效工作區(qū)初始點(diǎn)轉(zhuǎn)速；v為礦車運(yùn)行速度，一般取值7.5km／h；r為輪胎滾動半徑。

在220t礦車設(shè)計(jì)中，選用輪胎滾動半徑為1.7075m，根據(jù)式（2）求得輪邊合理傳動比為55.89。但在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，考慮到空間、結(jié)構(gòu)形式、齒輪強(qiáng)度、行星齒輪安裝條件等因素，最終傳動比確定為55.09。BELAZ 75306載重也是220t，但輪邊減速器傳動比為38.67，這是因?yàn)槠溥x用電機(jī)DK－724的長時高效工作區(qū)起點(diǎn)轉(zhuǎn)速低于國內(nèi)電機(jī)決定的起點(diǎn)轉(zhuǎn)速。

4 結(jié)語

國際電傳動礦用自卸車輪邊減速器傳動比隨噸位增加有增大趨勢，但中間存在著波動。對輪邊驅(qū)動系統(tǒng)中輪邊電機(jī)和輪邊減速器進(jìn)行優(yōu)化配置以滿足整車牽引特性需求，輪邊電機(jī)長時高效工作區(qū)決定輪邊減速器傳動比的初始值。在輪邊減速器進(jìn)一步設(shè)計(jì)的過程中，還需考慮空間、結(jié)構(gòu)形式、齒輪強(qiáng)度等因素。根據(jù)本文方法設(shè)計(jì)的220t電動輪礦用自卸車已經(jīng)生產(chǎn)完畢并投入試驗(yàn)，運(yùn)行良好，證明了所述配置方法的可行性。

［1］沈溪，盛太蓮.2011年國產(chǎn)礦用自卸車銷量分析及展望［J］.商用汽車，2012，（4）：14－17.Shen Xi，Sheng Tailian.Analysis and Outlook of Domestic Mining Dump Truck’s Sales in 2011［J］.Commercial Vehicle，2012（4）：14－17.

［2］何建成，張文明，申焱華，等.電動輪礦用自卸車輪邊三級行星減速器設(shè)計(jì)［J］.煤礦機(jī)械，2012，33（6）：46－48.He Jiancheng，Zhang Wenming，Shen Yanhua，et al.Three－stage Planetary Wheel Reducer Design of Electric Drive Mining Dump Truck［J］.Coal Mining Machinery，2012，33（6）：46－48.

［3］楊鐘勝.GE788電動輪自卸車輪邊減速器NW行星輪系減速機(jī)構(gòu)的綜合評述［J］.汽車工藝與材料，2008（11）：52－56.Yang Zhongsheng.Comprehensive Review of GE788 NW Planetary Gear Train’s Institutions Used by Electric Wheel Dump Truck’s Wheel Reducers［J］.AT＆M，2008（11）：52－56.

［4］焦萬銘，馮雅麗，楊玨.礦用汽車輪邊二級行星減速器設(shè)計(jì)［J］.礦山機(jī)械，2008，36（21）：38－39.Jiao Wanming，F(xiàn)eng Yali，Yang Jue.Two－stage Planetary Wheel Reducer of Mine Trucks［J］.Mining ＆ Processing Equipment，2008，36（21）：38－39.

［5］Unit Rig，O＆K Mining，Payhauler：Mining Truck［OL］.5400S.49th West Ave.，P.O.Box 3107，Tulsa.［2012－01－21］.http：／／www.terex.com.

［6］Belarusian Auto Works：Belaz［OL］.40let Oktyabrya str.4，222160，Zhodino，Republic of Belarus.［2012－01－21］.http：／／gpfk.ru／userfiles／.

［7］Hitachi Construction Machinery（America）Corp：Hitachi［OL］.20411Imperial Valley Dr.Houston.［2012－01－21］.http：／／www.hcmacorp.com.

［8］Komatsu：komatsumining［OL］.440N.Fairway Dr.P.O.Box 8112.［2012－01－21］.http：／／www.komatsumining.com.

［9］Liebherr Mining Equipment Co.：Technical Description Mining Truck［OL］.4100Chestnut Avenue，Newport News，VA 23607，USA.［2012－01－21］.http：／／www.liebherr.com.

［10］余志生.汽車?yán)碚摚跰］.3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［11］中華人民共和國機(jī)械工業(yè)部.JB／T 7641.1－1994電傳動礦用自卸車技術(shù)條件［S］.北京：機(jī)械科學(xué)研究院出版社，1994.