窄軌電機車技術及發展展望

湘潭電機股份有限公司 陳清理 錢明華

一 前言

受礦山巷道空間環境的限制，在這些礦山井下運輸礦石、物料、人員的電機車的軌距和干線機車1435mm軌距相比均窄了許多，所以人們一般把這些電機車稱之為窄軌電機車。窄軌電機車是一個門類繁多規格復雜，分類標準多樣。產品如按軌距分道有475mm、600mm、762mm、900mm，按機車的粘著重量分有：1.5t 、2.5t、3t、5t、6t、7t、8t、10t、12t、14t、15t、18t、20t。按電機車的安全程度分有增安型、礦用一般型、防爆特殊型、隔爆型，若按電壓等級分有：100V、25V、550V（架線式）48V、88V、90V、110V、120V、132V、140V、144V、196V、256V等電壓等級的電機車，按駕駛室的方位和數量又可分為一端或兩端司機室的電機車及司機室居中的電機車。但用的最廣泛是如下三種分類習慣，即按粘著質量的噸位大小分，按電機車得到的電源方式分為：架線式電機車和蓄電池電機車，按是否防爆分為防爆電機車和普通型電機車。

二 窄軌電機車的基本結構及功能

窄軌電機車不管如何分類，外形、大小如何不同但作為運輸工具，他們的最基本的結構卻是都必須的，基本功能也是相近的下面以蓄電池機車為例，對其結構、功能進行說明。蓄電池機車的外形結構見下面的圖1.

圖1 蓄電池電機車外形圖

窄軌電機車按牽引電力的來源分為架線式和蓄電池式電機車及即可由架線電網供電又可由蓄電池供電的復式能源電機車三種。其中架線式電機車由于電網導線和受電弓在運行中產生的電火花使架線式電機車只能使用在無瓦斯的煤礦中，而蓄電池由于自帶動力而廣泛運用在有瓦斯的礦井下，當然也適合于隧道掘進、過江通道等不安裝電網的工程中。圖中的司機室是電機車司機工作的地方內置司機控制器及機車運行所需的各類儀表、開關、照明等。而司機控制器是電機車司機對提供牽引動力的電動機發出啟動、調速、減速、制動、前進后退等指令的控制裝置，電動機是為電機車提供驅動力的機械。在小噸位電機車中如1.5t、2.5t少量3t電機車中由一臺直流串勵電動機提供動力。而在絕大多數電機車中是由2臺直流串勵電動機提供動力，一般在大噸位的電機車如12t以上的還有一臺為提供壓縮空氣的輔助直流牽引電動機。而在VVVF驅動系統中則是由兩臺交流異步電動機為電機車提供牽引動力的，目前VVVF驅動系統在整個窄軌電機車牽引技術中所占比例尚不會超過5%，但它卻是窄軌工礦電機車技術進步的最大空間。

制動裝置是保證電機車安全運行、滿足運輸要求的必備結構，其手動機械制動系統示意圖見如下圖2:

圖2 制動裝置示意圖

進行制動操作時順時鐘轉動手輪，其絲桿螺母傳動付2、3帶動橫臂4水平移動，與4相連的拉桿機構5帶動閘瓦7貼緊車輪6踏面，對車輪施加阻力距使電機車減速直至停止。由于該系統是由人力來操作的，因此要求杠桿機構的設計要使手輪操作力不大于160N力，否則要改用氣動操作的制動系統。

由輪對、減速箱聯軸器、電動機、托架等組成的走行裝置簡圖如下圖3所示：

它能通過減速箱內的齒輪傳動機構把電動機的轉矩、轉速傳遞到輪對上轉為電機車所需的輪周持續力和運行速度，其中的輪對是電機車安全可靠運行的最關鍵部件。緩沖器安裝于電機車的前后端下部位置，內外殼內安裝有彈簧和牽引銷，用以緩和礦車對電機車的沖擊并牽引礦車。其結構見如下圖4所示，

圖3 電機車走行裝置圖

圖4 電機車緩沖器結構圖

緩沖器有如下幾項性能指標：

緩沖器行程

緩沖器受到沖擊力時，其彈性元件產生的最大變形量稱為行程

緩沖器的最大阻抗力

緩沖器受到沖擊達到行程時的外沖擊力

緩沖器的容量

緩沖器在受到沖擊時彈性元件在壓縮過程中所作的功稱為緩沖器的容量

回彈能量

緩沖器的彈性元件在復原時所放出的能量

能量吸收率

緩沖器彈性元件在受沖擊而壓縮過程中，其中一部分能量被阻尼消耗，這被消耗的部分能量與緩沖器的容量之比即為能量吸收率

耐久性

緩沖器在使用中保持其容量的能力稱為耐久性，它主要取決于彈性元件的性能，溫度等因素。

緩沖器的示功圖見如下圖5所示，

圖5 緩沖器的示功圖

圖中的OAFO面積為緩沖器的容量。陰影面積OAEO為阻尼所消耗的能量。OEFO為緩沖器在沖擊外力消失后彈性元件復原時釋放出的能量。

撒砂裝置也是窄軌電機車可靠運行不可缺少的裝置之一，它的作用是在電機車車輪前的軌道面上撒砂，以增大輪、軌之間的粘著系數及摩擦系數加大牽引力。在正常情況下，撒砂對粘著系數的影響見下表1所示：

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架線式電機車和蓄電池電機車由于功能相同，故大部分結構、功能都是相同或相近，但仍有不少不同的地方，如在外形上架線式電機車就有蓄電池機車不具有的受電弓和自動開關等電氣配置，而自帶電源的蓄電池電機車上的蓄電池卻成為區別它們的根本標志見圖1中的項9,同時由于井下沒有調車場返回時列車變為礦車在前，機車在后的隊列，使在司機室開車的司機由于被蓄電池箱的高度擋住了嘹望視線不利安全行車，為此又有了將蓄電池電機車的司機室增加為前后各一個的新車種，以利司機可在往返路程上使用便于他們嘹望的司機室。圖1即是有兩端司機室的蓄電池電機車的外形圖。

三 窄軌電機車傳統控制模式

傳統的窄軌工礦電機車的控制運行模式除了極少量小噸位蓄電池電機車利用兩組電池作串、并聯組合來控制電機車的啟動、調速運行外，絕大多數是利用如圖6方式所示：

這種方法是利用在串勵直流電動機電樞繞組內串電阻并在啟動過程中不斷切去部分電阻并改變兩臺電機的聯接方式的模式來操控電機運行的。圖中經濟級是指串、并聯電路中的電阻全部切完后電機可以長時間運行的級位，而在串、并聯回路中電阻尚未全部切除的情況下該級位是不能長時間運行的。對于窄軌電機車在尚有電阻串在電路中的情況下該級運行時間應在8秒鐘以下，早期的北京地鐵在串有電阻的調車位，只能運行13秒鐘時間，該模式可以安全地操縱電機車在井下的各種運輸作業的要求，但是該模式有大量的電能消耗在電阻上并且電阻產生的熱量還會危及安裝在它周圍的電氣設備的安全。這給安裝空間極其狹窄的電機車設計帶來很大的困難。同時電阻、電路的不斷切除、轉換使司機控制器設計復雜體積增大，所需大容量接觸器數量均會增加，而這又會造成電路復雜，故障率增高。

圖6 雙機牽引電機車串并聯起動、調速示意圖

下面的圖7即為運用該種模式控制電機的一個實用電路。

圖7 7t調阻車電氣原理圖

大多數調阻車電氣原理，該模式的各種實用電路不管結構如何復雜在進入到最高速運行的電動運行方式和進入到動力制動后的雙機交叉橋式連接多為如下面的圖8所示，

圖8 雙機牽引時電機車的電動狀態和制動狀態示意圖

其中的a)圖即為切除所有電阻并且雙電動機轉換成并聯狀態兩電動機施加最高電壓運行于最高速的電動運行狀態，而b)圖上所示為已斷開電源電動機連接成穩定電氣聯系的交叉橋式連接的制動電路，在這個制動電路中的兩臺電動機在斷開電源后仍在電機車繼續旋轉的狀下變成發電機并且由于M1電樞發生的電動勢給M2的磁場Q2供電，而M2的電樞給M1的磁場Q1供電M1、M2發出的電能消耗在R1～R4中，并通過調節R1～R4串在電路中阻值的大小調節制動力矩的大小。

四 窄軌電機車的斬波控制模式

由前敘知傳統控制模式由于大量電能消耗在電阻上造成能源的大量浪費并且由于電阻分斷切除造成電路電流沖擊使電機車運行速度波動，于是人們開始采用脈沖開關取代電阻降壓來對加在電動機上的電壓進行斬波以調節電動機得到電壓的大小，從而改變電機車運行速度的高低，目前利用脈沖斬波技術對電動機轉速進行控制的技術已經非常成熟，該脈沖斬波控制模式見圖9所示，

依據斬波器所采用的電力電子功率器件的不同，目前的斬波控制技術又可分為可控硅斬波技術和IGBT斬波控制技術兩種。由于可控硅斬波技術運用更早，技術上更加成熟，現有斬波技術控制系統中使用可控硅電力功率器件又占了大部分，所以下面以可控硅斬波技術為例，對該模式進行分析論述。該模式的實用主原理圖和觸發控制線路圖如下圖10、圖11所示。

圖11 可控硅觸發控制電路圖

斬波控制模式不管實用電路如何復雜，使用何種類型的電力電子器件其主電路的兩臺電動機總只作并聯連接，這使得司機控制器的設計簡化、線路觸點大為減少、電路故障率降低、電機車運行可靠性提高。

圖10中的主可硅SCR1在啟動時若加上脈沖SCR1使接通主電路兩并聯的電動機得到電壓，SCR1若關斷，兩并聯的電動機得不到電壓，而要關斷SCR1必須設置換流電感L1、換流電容C和副硅SCR2組成關斷電路原理如下：

主電路電源E首先通過L1、 D1、L2電機支路及R0、D3支路對C充電成上正下負，觸發主硅SCR1使其導通，電動機得到電壓而轉動，要關斷SCR1主硅時則在副硅SCR2上加上觸發脈沖，使之導通則C通過副硅及L1放電，放電完畢因L1的電慣性作用使C又反向充電成上負下正此時這個電壓對主、副硅而言均為反向電壓，這使得副硅、主硅先后關斷故由于主硅關斷后兩并聯電動機又失去電壓，電源又繼續對C充電，重復上述過程并再次關斷主硅、副硅作準備。

由上述知控制主硅SCR1導通時間的長短就能改變電動機上得到電壓的多少而改變電機的轉速進而使電機車的速度高低得到調節，那么怎樣控制SCR1導通時間的長短呢？這是通過圖11的脈沖觸發電路的作用而實現的。由圖11可見左邊為主振環節和功率放大環節，而右邊為副脈沖振蕩環節和功率放大環節，為了保證主副脈沖同步，采用了由SCR5、C5和SCR4組成的可控硅雙穩態觸發電路。當接通電源后，由于C4的充電比C6快，當VC4按指標曲線逐漸上升到單結晶體管BT1的峰點電壓Vp時，單結晶體管BT1導通，C4上的電壓VC4接近發射極E與第一基極B1向電阻R6放電而在R6上得到一個脈沖電壓VB6此脈沖一路去觸發SCR3經放大后MB2輸出副脈沖經D5去觸發副可控硅SCR2，另有一路去觸發SCR4，SCR4導通后電源經R9、SCR4對C5充電成“左正右負”使單結晶體管BT1失去電源而停振。

主脈沖G1的發出：在SCR6和MB1構成的放大電路中，R15的阻值較大并使流過R15和SCR6支路的電流小于SCR6的維持電流，所以正常情況下SCR6是斷開的，當VC6上的電壓上升到單結晶體管BT2的峰點電壓Vp時，BT2導通，在電阻R12上產生脈沖電壓VB2使SCR6導通，電容C1通過MB1和SCR6放電，當放電電流小于SCR6的維持電流時，SCR6又關閉這使得MB1二次線圈中感應出一個寬脈沖，經二極管D10去觸發主可控硅SCR1，當R12產生的脈沖電壓VB2使SCR6導通的同時也觸發導通了SCR5使SCR4因承受反壓而關閉，這使得C5又經SCR5電源和R8反向充電，使得單結晶體管BT1又得工作電壓重新起振重新發出副脈沖，使上述過程重新持續工作。

在主電路圖中還有一些重要的元件是必不可少的，如二極管D2為續流二極管它所起的作用是當主可控硅SCR1關斷后給兩臺并聯的電動機的感應電動勢提供一條通路保持電動機電流的連續性使其運轉平穩。電阻R0和二極管D3這條支路是為了加快電容C的正向充電速度而設的。而電感L2除了能保證續流可靠外還能延長電容C反向放電的時間，確保SCR1和SCR2可靠關斷，斬波器運行平穩、可靠。圖中的4條阻容吸收電路R、C00是為主電路中4個大功率器件SCR1、SCR2、D1、D2提供保護作用的?？煽毓栌|發控制電路圖11中的電源輸入端的電容器C1和穩壓管DW1是對電源提供穩壓、濾波功能的。

另外用新型元件IGBT作為斬波電路開關器件的斬波系統由于運用時間不長成熟性不如可控硅斬波調速系統，但IGBT斬波系統由于不要L、C元件組成關斷回路故使電路得到簡化，故IGBT斬波調速系統是很有發展前途的。

五 窄軌電機車的VVVF交流調速控制模式

窄軌電機車由傳統的凸輪調阻模式進入到節能的無級調速的可控硅斬波模式無疑是個巨大的進步，調阻模式還是引發瓦斯爆炸的現實隱患，斬波調速方式從根本上消除了這一危險因素。同時無級調速方式使電機車運行速度平穩無沖擊改善了司乘人員工作的舒適程度，但從技術的角度來說這樣的進步只能說是數量上的變化，而電機車從斬波調速的直流系統到VVVF的交流系統則是真正意義的質的變化是革命性的變化。VVVF是輸出電壓和頻率可變的逆變器的縮寫。VVVF交流驅動系統的出現使得原來在牽引系統占有絕對統治地位的直流電機驅動系統在短短的十幾年里徹底退出中國地鐵、輕軌牽引系統而簡單、堅固、耐用的三相交流鼠籠式電動機成了地鐵輕軌、干線電機車、動車組首選的牽引動力，從根本上杜絕了直流電動機容易造成環火故障的頑疾，大大提高了列車運行的可靠性，但由于礦山窄軌電機車這個行業的特殊性，選用VVVF交流驅動系統來作為電機車的牽引系統的比例還不高，仍是落后耗能的傳統模式電阻調速型電機車占大都數，在2009年對我國生產工礦窄軌機車的中心湘潭初步統計，落后的電阻調速的窄軌機車的產量占80%以上，而斬波調速和VVVF調速的電機車僅為20%左右，而最先進的VVVF所占比例不到1%,近年由于節能、環保、低碳的理念逐步深入人心，這個比例正在發生可喜的變化，創業剛剛十年的湘潭南方機電制造有限公司在2010年生產的窄軌電機車中，電阻調速的傳統電機車的比例已較大幅度地降到60%左右，現在該公司正在抓緊對架線式和蓄電池式電機車進行VVVF交流驅動電機車的研制和開發。VVVF交流驅動的主電路圖如下圖12所示。

圖12 VVVF變頻調速驅動系統主電路圖

這是一個典型的IC2M系統。電機車在正常進入制動運行時，如該網路附近沒有電機車吸收其制動能量時則將使支撐電容C1、C2的電壓升高，當這個電壓高到預定的整定值時電壓傳感器便會給制動斬波器T7給出信號，觸發導通該IGBT管，使支撐電容C1、C2的制動能量通過制動電阻R5發泄掉，從而保護了支撐電容。圖中T1～T6即為三相輸出逆變器，M1、M2即為三相交流鼠籠式電動機，電路圖上部的M3為驅動空壓機的直流電動機ZB，為直流變換器,將網壓轉換成24V的照明燈電壓，OF為接通電路的自動開關同時在電機車工作時擔負過載、短路保護，DJC為瓦斯斷電報警儀。

六 窄軌電機車今后的發展方向

工礦窄軌電機車今后的發展應在以下幾個方面：

首要的當然是大力發展斬波調速模式和VVVF調速模式，這顯然是符合節能、環保、低碳方向的，而且這個空間目前是很大的，是最有潛力的一個方面。

大力推進標準化、通用化方面的工作，這可從蓄電池的電壓等級之多看從這項工作的必要性和重要性，如88V、90V和140V、144V幾個電壓等級，從生產管理和技術角度看完全沒必要作如此細分，另外軌距方面，雖然給出了600mm、762mm、900mm三個標準的軌距，而礦山實際情況還有不少稍大于或稍小于這三種軌矩的情況，這顯然給生產管理、使用和維護方面加大了壓力。

可以放棄使用錐形踏面，而從新電機車出廠就使用磨耗形踏面以明顯減少電機車輪軌的磨損，減少更換車輪鏇輪的工作量及其成本、延長壽命、減少輪軌間接觸應力，增加電機車抗脫軌保安全及橫向運行的平穩性。

除了對于踏面的改進外，對輪箍的材料研究表明：降低鋼中碳和錳的含量完善熱處理工藝，將其硬度由現在HB240左右提高到HB320～HB340可以減少磨損和疲勞破壞?，F行輪箍成分、含量和布氏硬度見表2所示。

表2 輪箍鋼構成元素及含量

采用冷光源LED燈，1962年美國通用電氣公司HoLonyak博士發明了發光二極管就顯示了其巨大的優越性，由于他在常溫下就可發光且長期點燃溫度不超過50°C無瓦斯爆炸危險，比白熾燈的燈絲在3000°C才發光的效果要好并且LED非常節能，一盞9W的LED燈相當于一盞35W的白熾燈。且LED燈壽命長達5萬小時以上，遠遠超過白熾燈，同時LED燈采用寬電壓設計時可直接在網壓下工作而不必象現行用燈一樣首先要利用直變器將550V或220V的接觸網壓或其它高電位的蓄電池電壓降到24V或12V才能工作這樣在見縫插針安裝空間狹小的司機室內又可省出可觀的空間，由此可見用LED燈代替白熾燈的優點是很多的。

盡最大可能改善司機室的空間，這個問題受制約的因素太多，但供方仍應千方百計不懈努力給在狹小空間的司乘操作人員在長時間的工作中伸伸腰活動活動手腳的方便。

傳統理念附帶空氣制動等操作的電機車應在12t以上，而為了減輕司機的勞動強度，已有在6t電機車安裝空氣壓縮機的實例，由于以人為本觀念為大多數人所接受，在小噸位電機車上增加空氣壓縮系統有可能稱為一個發展方向。