井下電機車牽引力的影響因素分析

賈金梁

（陽煤集團五礦，山西陽泉 045000）

0 引言

井下電機車在煤礦井下運輸中發揮著重要的作用，井下電機車具有牽引力較大、便于維護、性能穩定、節能環保等特點。它主要應用于沿軌道牽引礦車輸送煤炭、物資或人員方面。井下電機車最佳狀態是電動機牽引力等于黏著牽引力[1]，但在運行過程中二者不能很好地匹配。因此，合理優化牽引力的大小、增大礦車的容積，簡化井下運輸系統，有利于提高運輸效率及安全生產。

1 井下電機車牽引力產生原理及影響因素

1.1 井下電機車牽引力產生原理

圖1為電機車驅動輪受力分析圖，圖1中WZ為電機車的運行阻力，是電機車靜阻力與慣性阻力的合力；點O為輪對和軌道的接觸點，點O的線速度為0；P0為電機車自身重力在單個主動輪對上的平均分力；它的方向通過輪對的回轉中心C及接觸點O；N0為軌道對輪對的法向支反力，它作用在點O，方向通過輪對的回轉中心C與P0在一條直線上；F0為摩擦力，方向與電機車運行方向相同，與軌道面相切，使機車往前行走。M為電動機扭矩經傳動系統傳遞到輪對上的實際轉矩[2]。電機車產生的最大牽引力。

圖1 電機車驅動輪受力分析

表1 提高黏著系數的方法

其中：Pn為電機車黏著重力，N；

?為黏著系數。

1.2 牽引力影響因素

由式（1）可以看出，在同樣的電動機功率與運行速度下，影響電機車牽引力大小的因素包括兩個方面：電機車黏著重力與黏著系數。每種型號的電機車都能產生理論最大牽引力，但最大牽引力的大小與黏著牽引力要相等，這是車輪不打滑的前提條件：當電動機牽引力大于黏著牽引力時，車輪就會打滑，電機車將無法移動。同樣車輪壓力時，黏著牽引力與黏著系數成正比；同樣黏著系數時，黏著牽引力電機車對車輪壓力成正比[3]。

2 增加電機車牽引力的措施

2.1 提高黏著系數

黏著系數從理論計算是電機車不打滑時的最大牽引力除以電機車粘著重量得到的值。但由于車輪與軌道的材料不同、接觸面的磨損程度、軌道的安裝誤差、接觸面潮濕層度、表面清理情況及機車的運行速度的影響，實際黏著系數是個變化的值，它的大小介于靜摩擦因數與滑動摩擦因數的值之間。提高黏著系數的方法如表1所示。

2.2 提高黏著重量

在電機車電動機輸出的牽引力一定時，需要充分結合電機車的黏著條件（電動機牽引力與黏著牽引力相等），避免出現打滑現象，才能使電機車獲得較大牽引力，充分發揮電機車的運行效率。當車輪與軌道間黏著系數一定時，電機車的牽引力就與電機車對車輪的壓力成正比[4]。

（1）增加電機車對車輪的壓力最簡單的方法是增加電機車的總重，提高電機車分配在主動輪上的黏著重量，這是增加電機車牽引力最直接的方法。通過增加電機車質量，以增加驅動車輪隊地面軌道的正壓力，在黏著系數一定的情況下，可有效提高地面摩擦力。常用的方法是現場增加合理的增配，配重塊的質量要充分結合機車結構強度、電動機功率、電機車負載、實際運行速度、軌道承載公斤數等因素[5]。

（2）采用前后輪同時驅動，增加主動輪對的數量。使機車主動輪的黏著重量等于電機車全部重量。

2.3 優化電機車結構提高牽引力

2.3.1 車廂受力分析

一般情況下電機車前后車輪都是主動車輪，這樣便于雙向行駛。在靜止狀態下電機車前后車輪對軌道的壓力相等，其電機車受力示意圖如圖2所示。點O為機車重心，假設電機車以速度v向左勻速運行，電機車的右方牽引礦車，由力矩平衡原理可得到[6]：

其中：N1、N2分別為軌道對前后車輪支承力，N；F為車鉤牽引力，N；G為電機車重力，N；H為電機車車鉤離地高度，m；L為軸距。

解式（2）、（3）可得：

圖2 電機車受力示意圖

靜止情況下，電機車兩車輪受到電機車車身的分壓力相等。當電機車牽引礦車運行時，由式（4）、（5）可以看出：由于車鉤牽引力F的存在，電機車對前后車輪壓力會發生改變。前車輪壓力受車鉤牽引力F產生的傾翻力矩的影響會減小；同理，F產生的傾翻力矩會使后車輪壓力增大。前車輪壓力減小，直接導致電機車前車輪黏著重力減少。當前車輪的黏著牽引力小于前輪最大牽引力時，前車輪首先打滑，電機車整機牽引力降低[7]。

2.3.2 結構優化方案

由式（4）、（5）可以看出，電機車在運行過程中對兩車輪壓力是不相等的，這個現象會造成整機黏著牽引力下降，車鉤牽引力F的大小一般和礦車的結構和負載情況有關，這兩個參數不好改變。軸距L和主軌道彎矩有密切的關系，要符合轉彎要求，一般是規定值[8]。

（1）降低牽引高度H

降低牽引高度H越大，同樣的車鉤牽引力F所產生的傾翻力矩就越大，運行時對前車輪壓力的減弱就越大。因此，在滿足使用條件的情況下應盡量降低車鉤距地面高度H。有利于較少車鉤牽引力F引起的傾翻力矩，近而降低其對車輪壓力的影響[9]。

（2）調節電機車重心

在電機車上另外加一套自動配重裝置，按電機車行駛方向利用電機及絲桿傳動來驅動配重塊的位置。補償車輪壓力的降低。由式⑷、⑸可以看出，電機車向前運行時自動配重裝置驅動配重塊向前移動；電機車向后運行時自動配重裝置驅動配重塊向后移動，通過重心的移動附使前后車輪壓力相等。

3 結語

井下電機車在煤礦物資運輸中發揮著重要的作用，有效地發揮電機車牽引力對提高煤礦井下運輸效率有重要的意義。本文作者分析了特定功率下影響電機車的牽引力的主要因素，并歸納總結了提高黏著系數及電機車黏著重量的各種方法及優缺點，最后提出電機車結構方面的優化思路。包括降低牽引鉤高度及增加自動配重裝置。為提高電機車牽引力，降低能耗提供參考。