劉志更

（1.煤礦采掘機械裝備國家工程實驗室，山西 太原 030006；2.中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司，山西 太原 030006；3.山西天地煤機裝備有限公司， 山西 太原 030006）

0 引言

高產(chǎn)高效礦井近幾年出現(xiàn)了很多的長距離連續(xù)坡度巷道， 在其中使用防爆柴油機無軌膠輪車完成礦井生產(chǎn)輔助運輸任務(wù)， 勢必會引起井下巷道內(nèi)有害氣體污染加劇， 同時面臨著車輛在行駛于較長距離連續(xù)坡道時出現(xiàn)柴油機上坡動力不足和下坡制動安全難以保障等一系列適應(yīng)性問題[1-2]。從巷道環(huán)境、車輛使用壽命、行駛制動安全及運行費用等方面綜合考慮，在這樣的巷道內(nèi)使用傳統(tǒng)的防爆柴油機無軌膠輪車完成輔助運輸綜合成本較高。

本文研究一種適用于煤礦井下的礦用油電雙動力運人車，該車由防爆電噴柴油機和架線電源供電電機驅(qū)動，在架線電網(wǎng)巷道與非架線巷道都能高效靈活作業(yè)， 預期能有效降低礦井大巷CO、NOx 等有害氣體的排放， 提高駕乘人員的舒適性；在架線電網(wǎng)覆蓋路段使用電機工作，在順槽巷道及工作面使用柴油機工作， 兩套動力源獨立驅(qū)動，極大地降低礦用無軌膠輪車燃油消耗，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，改善工人作業(yè)環(huán)境，也解決了車輛特殊工況動力不足問題， 并通過電機回饋制動解決長距離連續(xù)下坡的制動失效等問題[3-4]。

1 傳動系統(tǒng)研究

傳動系統(tǒng)的設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化， 直接決定整車結(jié)構(gòu)的合理性及整車布置。 由于車輛設(shè)計具有柴油機和電機兩個動力源， 如何將兩個動力源有機結(jié)合是傳動系統(tǒng)設(shè)計研究的關(guān)鍵。 經(jīng)過多方案的論證對比研究，將動力切換箱的位置提前，由動力切換箱直接連接離合器、變速箱，雙動力驅(qū)動共用一套傳動輸出系統(tǒng)， 通過動力切換箱實現(xiàn)動力源的選擇及互鎖， 整個系統(tǒng)使用一套離合器和變速箱，使得駕駛操縱方式簡化，傳動系統(tǒng)三維布置見圖1。

圖1 傳動系統(tǒng)三維布置圖

此傳動方案結(jié)構(gòu)布置合理、零部件連接緊湊，技術(shù)穩(wěn)定成熟，機械傳動效率高，對柴油機和電機設(shè)計研究要求較低。 動力切換裝置是傳動系統(tǒng)中最重要的部件[5]，它的使命是安全可靠地完成柴油機和電機兩種動力的切換和互鎖，因為兩種動力是單獨驅(qū)動的，所以動力切換箱的操縱機構(gòu)設(shè)計為手動機械式的， 手柄執(zhí)行動作完成后設(shè)計有鎖止機構(gòu)，防止切換動作完后的誤動作帶來安全隱患。

2 整車載荷分布研究

（1）車架設(shè)計研究。整車可以承載20 個人，總重量按照1600 kg 計算，整車滿載后質(zhì)量預計約10800kg。 依據(jù)承載情況選用某公司成熟底盤結(jié)構(gòu)，主要參數(shù)見表1。 該底盤額定載重12000kg，車架為“8+4”結(jié)構(gòu)，采用汽車大梁專用鋼板，材質(zhì)為510L，這種底盤車輛應(yīng)用很多，且實際使用過載能力強。 同時可以根據(jù)實際應(yīng)用進行加強和電泳防銹處理，滿足雙動力運人車使用要求。

表1 車架技術(shù)參數(shù)

（2）整車重心分布計算。 整車的重心計算，直接關(guān)系著整車性能優(yōu)越性，影響整車的爬坡，轉(zhuǎn)彎，制動，輪胎壽命等。根據(jù)各個系統(tǒng)主要原部件重量，反復進行三維布置設(shè)計， 進行了質(zhì)量分布計算， 滿足前后橋載荷的設(shè)計要求。表2 為空載和滿載，平路、上坡、下坡工況下前后橋載荷的分布情況，下坡14°時前橋載荷最大，超過額度載荷778kg， 但根據(jù)實際使用工況和前橋的1.3 倍的超載荷能力，滿足設(shè)計要求。

表2 車架工況載荷分布

3 車載集電裝置研究

礦井架線車運輸系統(tǒng)與無軌電車相似， 采用正負極懸浮，膠輪行駛的形式。無軌電車的供電技術(shù)、受電技術(shù)、車輛驅(qū)動技術(shù)較為成熟，特別是集電器受電技術(shù)，本項目可以借鑒。為了保證受流穩(wěn)定性，集電裝置采用有輔助軌導向，頂滑式，雙碳刷設(shè)計，集電頭結(jié)構(gòu)見圖2。 集電裝置整體采用的輕量化設(shè)計，零部件采用薄壁鈑金件，回避焊接，絕緣材料能滿足強度的盡量使用絕緣材料，非絕緣的元部件采用鏤空設(shè)計[6]。

圖2 集電裝置集電頭結(jié)構(gòu)

此車載集電裝置的主要特點是： ①導向軌能起到穩(wěn)定集電小車的作用， 入網(wǎng)后集電小車的輪子卡住導向軌，集電小車向上與左右的自由度被導向軌限制，這樣能保證碳刷與銅排的良好接觸，避免由于集電小車左右擺動而使銅排滑出碳刷；②頂滑式是碳刷在滑觸線的下方，有利于集電小車快速入網(wǎng)與脫網(wǎng)；③與同一根滑觸線接觸的兩個碳刷在兩個獨立的小四連桿機構(gòu)上，通過彈簧的拉力保證與滑觸線接觸，在車輛遇到顛簸時，雙碳刷能保證一個碳刷與滑觸線接觸，保證受流可靠性。

4 礦用65kW 防爆風冷怠速電機變頻控制系統(tǒng)研究

整車電氣系統(tǒng)中65kW 防爆風冷怠速變頻牽引電機和變頻控制系統(tǒng)是運人車設(shè)計的重點之一。

4.1 65kW 防爆交流異步電機

防爆交流異步電機由于外殼材質(zhì)必須是鋼， 重量和散熱性能相對民用鋁質(zhì)較重，散熱較差。 由于純電動車輛上去除了水箱等，因此開發(fā)的電機全部使用風冷散熱。 調(diào)研電機廠家正在生產(chǎn)的交流異步電機規(guī)模和性能，針對性地選型并進行防爆改造，選取的65kW 防爆交流異步電機主要技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 電機主要技術(shù)參數(shù)表

4.2 DC/AC 變頻器的研究

對變頻器內(nèi)部的所有部件進行了合理排布， 有效降低了體積，提高了功率密度，同時針對接觸網(wǎng)取電，在設(shè)計控制策略時， 考慮了電壓波動和短時缺電給變頻器帶來的負面影響。

由于每臺電機需要配一套IGBT 控制器，本項目針對65kW 交流異步電機設(shè)計加工IGBT 控制器。 逆變器主要包括由IGBT 功率模塊、電容、各種傳感器及銅排組成的主電路組件，以及集檢測、調(diào)速于一體的DSP 控制電路。采樣得到的位置、電流信號送入DSP，通過編程實現(xiàn)合理的控制策略，使電動機控制性能達到系統(tǒng)設(shè)計要求。

5 整車試驗

研制完成的油電雙動力運人車主要參數(shù)見表4。

表4 整車主要參數(shù)表

為了能夠更好試驗整車性能，檢驗整車動力匹配的可靠性、駕駛操縱的合理性、駕乘人員的舒適性以及檢驗各項研究內(nèi)容的實用性，整車裝配完成后，采取了臺架測試和路面跑合相結(jié)合的技術(shù)路線，對整車進行了一系列有步驟的試驗驗證，分別試驗了柴油機和電機的動力性，爬坡、整車的制動性，以及常規(guī)參數(shù)的檢測，爬坡試驗見圖3。

圖3 運人車爬坡試驗

試驗表明，整車駕駛平穩(wěn)，離合器分離徹底，變速箱各檔位換擋靈活到位，駐車制動手柄、動力換擋手柄、氣控球閥各手柄操作靈活，方向盤轉(zhuǎn)向靈活，離合、制動、油門各個踏板操縱可靠。 整車駕駛動力可靠，制動性好，駕乘人員舒適性高，達到了整車設(shè)計要求。

不足之處是兩種動力的疊加致使整車自重和外觀尺寸較大， 高度高、 轉(zhuǎn)彎半徑大會導致井下巷道通過性變差，寬度寬導致井下不易快速錯車。

6 結(jié)束語

出于最優(yōu)化和高效的傳動路線考慮， 對油電雙動力車輛的傳動系統(tǒng)進行設(shè)計， 根據(jù)整車負載情況對原有底盤進行改造設(shè)計。結(jié)合金屬礦山集電裝置設(shè)計理念，研發(fā)了無軌膠輪車集電裝置， 研究了防爆風冷變頻電機和控制器，配套研發(fā)了適合輕型運人車用防爆、高效、節(jié)能、安全、模擬柴油機特性的礦用逆變交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。經(jīng)過上述相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計， 成功研制了油電雙動力并行驅(qū)動運人車，并進行了整車系統(tǒng)試驗驗證，滿足了設(shè)計要求。油電雙動力運人車的研發(fā)，開創(chuàng)了礦用雙動力車輛設(shè)計的先河， 為以后的混動或者新型系統(tǒng)研發(fā)奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。