孫博

摘? 要：文章主要闡述了190噸礦用交流電動輪自卸車交流牽引電傳動系統(tǒng)中電阻制動裝置的技術特點、結構及工作原理，以及制動性能、主要部件參數(shù)、選型的設計計算。

關鍵詞：電動輪自卸車;電阻制動;散熱計算;制動原理

中圖分類號：U469.4? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）16-0001-04

Abstract： This paper mainly expounds the technical characteristics， structure and working principle of the resistance braking device in the AC traction electric drive system of 190ton mine-used AC motor dump truck， as well as the design and calculation of braking performance， main component parameters and type selection.

Keywords： motor dump truck; resistance braking; heat dissipation calculation; braking principle

1 概述

在我國大型露天礦山、大型水電工程日益優(yōu)化生產(chǎn)與快速建設發(fā)展的今天，重型電動輪自卸車以其高運行效率、大運載量、經(jīng)濟效益好而成為其理想的運載工具。我國從上世紀70年代中期開始引進使用國外電動輪自卸車，經(jīng)過40多年的不斷推進，我國重型電動輪自卸車生產(chǎn)的歷程經(jīng)歷了引進、合作生產(chǎn)、國有化生產(chǎn)、自主化研發(fā)制作這四個階段。

重型電動輪自卸車制動結構采用液壓制動和電阻制動相結合的方式，簡稱電液制動。電液制動是提高重型電動輪自卸車運營經(jīng)濟效益、保障運營安全上的一大助力。由于電阻制動本身無機械磨損情況，在電阻制動的作用下，車輛降至低速（一般為5公里/小時以下）才使用液壓制動停車。因而有效的減輕液壓制動的負擔，延長液壓制動工作機構的使用壽命。通常在整車運營成本中輪胎的消耗占第二位，先進可靠的電阻制動系統(tǒng)，在提高車輛行駛安全性的同時，最大程度的減輕輪胎在制動時所受損傷，從而大幅度降低了運營成本。

2 電阻制動系統(tǒng)

2.1 電阻制動總體

電動輪自卸車電阻制動采用動力制動方式，主要起車輛減速作用，特別是用于有效控制重載下坡時車輛的速度。其原理是司機踩下動力制動踏板，相關接觸器和繼電器按設定邏輯進行轉(zhuǎn)換。此時，牽引電動機在車輛慣性的作用下處于發(fā)電機運行狀態(tài)，其產(chǎn)生的電能經(jīng)由母線導入電阻制動線路中，通過制動電阻柵轉(zhuǎn)換成熱能消散在大氣中。

制動電阻柵的冷卻方式有兩種：即自然通風冷卻和強迫通風冷卻。而強迫通風冷卻使用的通風機采用軸流式風機，其風機電機為串勵直流電機。風機能源來自電制動所產(chǎn)生的電能，而整套牽引電傳動系統(tǒng)采用直流系統(tǒng)懸浮隔離設計（風機電機正負無需接地）。即根據(jù)線路連接技術要求將風機電機正極（+）固定在電阻單元線路輸入端“1”，風機電機負極（-）固定在電阻單元線路輸出端“2”，這樣通風機的通風量隨電制動功率變化而變化，從而保證制動電阻柵不會因制動功率過大而燒毀。系統(tǒng)原理簡圖見圖1。

2.1.1 控制方面

2.1.2 散熱方面

通風機根據(jù)不同制動工況下所產(chǎn)生的電能經(jīng)由微機控制IGBT占空比大小，來控制加載在通風機兩端的電壓：

（1）當加載風機兩端的電壓小于風機啟動電壓，此時制動電阻為自散熱。

（2）當加載風機兩端的電壓大于風機啟動電壓時，風機隨加載電壓逐步變化而提供不同轉(zhuǎn)速的風量與風壓，此時制動電阻為強迫風冷散熱。

2.1.3 制動特性

制動功率的確定需要綜合現(xiàn)場實際路況與環(huán)境、用戶的使用需求以及電機性能，尤為注意制動轉(zhuǎn)矩的確定。制動特性曲線見圖2。

2.2 電阻制動控制

在電阻制動工況下，柴油機保持高怠速運行。主發(fā)電機通過中間直流環(huán)節(jié)和逆變器給異步電機提供預勵磁電壓，當電動機在預勵磁電壓下開始工作，則中間直流電壓依靠牽引電機制動時反饋的能量迅速達到最大電壓，此時柴油機和主發(fā)電機不再向中間直流環(huán)節(jié)和制動電阻提供能量。異步電機的定子頻率小于轉(zhuǎn)子頻率，處于發(fā)電工作狀態(tài)下，汽車位于制動工況。

電阻制動工況分為3個區(qū)域：恒壓非恒功制動區(qū)、恒制動功率區(qū)和降制動力區(qū)。

2.3 電阻制動裝置

電阻制動裝置是電傳動系統(tǒng)中重要組成部分，工作穩(wěn)定與可靠將直接影響整車的安全行駛，而電阻制動裝置設計涉及傳熱學、空氣動力學、電機學等多個學科。隨著裝載噸位的不斷提升，電阻制動裝置的功率隨之增大，受車體平臺結構尺寸的限制，要求電阻制動裝置盡可能緊湊、高效和耐高溫。既要求有足夠的散熱風量、風壓提供給電阻柵，又要滿足制動功率能耗要求，由此給電阻制動裝置設計提出了較高的要求。

電阻制動裝置由柜體、風機、導流風道、電阻單元及連接銅排組成，電阻制動裝置見圖4。冷卻空氣經(jīng)由風機加壓后以一定速度經(jīng)過導流風道送入電阻柜內(nèi)，冷卻空氣在電阻柜內(nèi)通過熱交換吸收高溫電阻帶散發(fā)的熱量，再經(jīng)電阻柜另一側百葉窗排入大氣。

1.柜體結構;2.散熱風機;3.導流風道;

4.電阻單元;5.連接銅排

3 參數(shù)計算

3.1 電阻功率

電阻帶在發(fā)熱狀態(tài)其各部位的發(fā)熱溫度實際不是均勻分布的。受電阻帶體本身結構形狀影響，各部位截面積流過電流密度的大小有差異，電阻帶各部位溫升不同;同時各部位在風道截面中分布的位置不同，及各部位通風效果也有差異;并且靠近風機側與遠離風機側電阻帶通過的冷卻風溫度也有變化，再加上熱能傳導與外界實際情況的不確定性。

為方便整體分析故做簡化處理，將整個電阻單元看做發(fā)熱均勻的整體，其表面溫度均勻分布沒有溫差。而電阻單元實際功能則在制動工況時將牽引電機制動過程產(chǎn)生的能量全部轉(zhuǎn)化成熱能消耗掉，此時電阻單元兩端加載電壓就是牽引端壓U。為確保汽車在任何情況下的制動效果，電阻單元能承載的功率為最大制動功率，即牽引制動時產(chǎn)生的最大端電壓U與最大母線電流I。

由上可以得到電阻單元所要承載的最大功率P，根據(jù)熱量守恒定律，電阻單元所產(chǎn)生的熱能Q以功率P的形式呈現(xiàn)。

3.2 電阻材質(zhì)

電阻帶材質(zhì)的性能是電阻制動裝置能否穩(wěn)定高效持久工作的依靠，首先材質(zhì)在高溫使用環(huán)境下必須具備其抗氧化性和耐熱性，因此才能擁有較高的使用壽命和使用溫度;其次材質(zhì)需要具備電阻系數(shù)高、電阻穩(wěn)定性長和電阻溫度系數(shù)小的特點;再次材質(zhì)需要具備一定的耐高溫強度，以保證在高溫環(huán)境下帶體不變形和斷裂;最后材質(zhì)需要具備良好的加工特性。一般電阻帶材質(zhì)選用Ni-Cr和Fe-Cr-AI系列合金帶。性能見表1。

從表1中兩者都能滿足材質(zhì)性能要求，但綜合來看Ni-Cr材質(zhì)加工性能好、高溫強度高、高溫振動及惡劣工況環(huán)境下更為可靠?？紤]到重型電動輪自卸車的運行環(huán)境比較惡劣所以材質(zhì)選用Ni-Cr，由此可根據(jù)材料性能確定電阻單元最高工作溫升K，并得出風道進出風口溫升ΔT。

3.3 風量與阻力

3.3.1 風量計算

3.3.2 風道空氣阻力

（1）導流風道風阻

通風機出風口截面為圓形，電阻單元進風口截面為矩形。兩者形狀尺寸差異過大，如直接將其對接會有較大突然擴張損失引起流場的不均勻產(chǎn)生大量風阻，因此在通風機與電阻單元之間增加導流風道，以使風道平緩地完成從圓到矩形的延展趨勢。導流風道由圓形進風口、矩形出風口、導流錐、間隔板和導風板組成。導流風道三維模型見圖5。

3.4.3 風機工作點

風機的流量Q與其所產(chǎn)生的壓頭P之間，保持一定的關系，據(jù)此所繪制的曲線，稱為風機的Q-P特性曲線。風機總是與風道連接在一起工作的，當負荷變化時，風流量相應變化，風道的流動阻力ΔP也隨之變化，根據(jù)它們之間的變化關系所繪制的曲線，稱管道的Q-ΔP特性曲線。

風機在工作時，它所能產(chǎn)生的壓頭，恰好等于該管道系統(tǒng)輸送相同流量氣體所消耗的總壓頭（即管道總流動阻力），它們在供求關系上處于平衡狀態(tài)。因此，風機的Q-P特性曲線與管道系統(tǒng)的Q-ΔP特性曲線的交點A即為風機的工作點，見圖8。工作點A的位置，決定了風機工作狀態(tài)下的一切參數(shù)。

4 柜體結構

受車體平臺空間限制，電阻柜外型既要緊湊又要滿足柜體內(nèi)部安裝空間及連線操作空間的要求。為此設計時放棄常用的型材結構組焊，改用鋼板沖壓成型組焊結構。既能減少型材結構帶來的空間干涉，增加內(nèi)部緊湊度，減少外型尺寸;又能保留結構整體強度，滿足柜體抗沖擊性能;同時結構各折彎處配合柜體底面排水口形成良好的雨、污水導流通道，確保在惡劣環(huán)境下柜體內(nèi)部無積水，保證制動電阻裝置長期穩(wěn)定高效的運行。柜體內(nèi)部結構見圖9。

5 制動電阻裝置整體參數(shù)

制動電阻裝置設計參數(shù)滿足190噸礦用交流電動輪自卸車牽引電傳動系統(tǒng)交流異步牽引電動機制動工況時制動特性，具體制動電阻裝置定額及電氣數(shù)據(jù)見表2。

6 結束語

（1）電阻制動為確保電動輪自卸車電傳動系統(tǒng)的可靠性起到重要作用，在設計時需要充分考慮用戶使用現(xiàn)場的路況與環(huán)境，來合理確定制動參數(shù)與結構強度，使電阻制動裝置能在惡劣的使用環(huán)境下保持穩(wěn)定可靠的工作。

（2）上述計算內(nèi)容對電動輪自卸車電阻制動裝置的設計起到一定指導意義。由于電阻單元排列密集內(nèi)部結構復雜，需要合理設計相關結構使內(nèi)部阻力系數(shù)控制在合理范圍。

參考文獻：

[1]劉嚴，石建成，鄔航東.制動電阻通風及溫升計算討論[J].電力機車技術，2002.

[2]吳志東.強迫風冷式制動電阻裝置風機設計探討[J].內(nèi)燃機車，2010.

[3]張云.大型電動輪自卸車的控制系統(tǒng)設計與研究[D].湖南：湖南大學，2006.