礦用自卸車電傳動(dòng)系統(tǒng)組合試驗(yàn)技術(shù)研究

株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司 湖南株洲 412001

1 937 年美國(guó)開(kāi)啟了用自卸車運(yùn)輸?shù)V石和巖石的時(shí)代，這時(shí)自卸車仍是傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)方式。隨著礦山規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)礦用自卸車的噸位、性能和數(shù)量等都提出了更高的要求，傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)自卸車已不能滿足實(shí)際需要[1]。而電動(dòng)輪自卸車與傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)自卸車相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、制動(dòng)靈活、維修費(fèi)用低、使用壽命長(zhǎng)、牽引性能好和運(yùn)行平穩(wěn)等一系列優(yōu)點(diǎn)，目前絕大多數(shù)礦用自卸車都是電動(dòng)輪自卸車。而電傳動(dòng)根據(jù)發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的不同，又經(jīng)歷了“直流發(fā)電機(jī)—直流電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)”、“交流發(fā)電機(jī)—直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)”、“交流發(fā)電機(jī)—交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)”等過(guò)程。而交流電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)相比，具有體積小、噪聲低和成本低的優(yōu)點(diǎn)，目前交流電傳動(dòng)系統(tǒng)已成為主流，也是礦用電動(dòng)輪車發(fā)展的主要方向。

礦用自卸車電傳動(dòng)系統(tǒng)組合試驗(yàn)主要用于驗(yàn)證變流器、電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)在組合系統(tǒng)的匹配性[2]，以便及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題，降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，縮短裝車后的調(diào)試時(shí)間。但目前礦用自卸車僅有整車的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，而針對(duì)電傳動(dòng)系統(tǒng)卻沒(méi)有相應(yīng)的組合試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)作為規(guī)范性文件，導(dǎo)致在開(kāi)展礦用自卸車電傳動(dòng)系統(tǒng)的試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)方法均由主機(jī)廠或者生產(chǎn)廠商提出，這樣不可避免地會(huì)出現(xiàn)試驗(yàn)項(xiàng)目不全面、試驗(yàn)方法不合適等情況，從而對(duì)電傳動(dòng)系統(tǒng)驗(yàn)證不充分，導(dǎo)致出現(xiàn)裝車后調(diào)試周期長(zhǎng)、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)大等問(wèn)題。為此，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究，筆者研制了一套礦用自卸車電傳動(dòng)系統(tǒng)組合試驗(yàn)系統(tǒng)，并基于此進(jìn)行試驗(yàn)研究，歸納出礦用自卸車電傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行的組合試驗(yàn)項(xiàng)目，結(jié)合該試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，為礦用自卸車電傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的建立提供參考。

1 礦用自卸車電傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理

典型的礦用自卸車電傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理如圖 1 所示。電傳動(dòng)礦用自卸車常采用自身配置的發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電輸送至變流器后，經(jīng)過(guò)整流、逆變等環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)的三相交流電供給交流電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。控制裝置根據(jù)指令控制變流器的輸出，實(shí)現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩控制。此外，控制系統(tǒng)還可根據(jù)設(shè)備各系統(tǒng)工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)顯示、報(bào)警及各種保護(hù)功能。

圖1 礦用自卸車電傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理Fig.1 Working principle of electric drive system of mining dump truck

2 組合試驗(yàn)系統(tǒng)方案

為了全面驗(yàn)證礦用自卸車電傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)圖 1 所示的礦用自卸車電傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理，設(shè)計(jì)了礦用自卸車電傳動(dòng)系統(tǒng)組合試驗(yàn)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

2.1 工作原理

該組合試驗(yàn)系統(tǒng)采用了典型的“背靠背”能量回饋原理，其主要由陪試系統(tǒng)(含變壓器、變流器及其控制裝置、電機(jī)等)、交流供電系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、被試設(shè)備(含變流器及其控制裝置、牽引電機(jī)等)等組成。根據(jù)實(shí)際情況，被試牽引電機(jī)可以是 1 臺(tái)，也可以是多臺(tái)。為了便于理解，下面僅描述單臺(tái)被試牽引電機(jī)的情況，多臺(tái)牽引電機(jī)情況與之相似。

試驗(yàn)時(shí)將兩臺(tái)電機(jī)通過(guò)機(jī)械聯(lián)軸器連接，牽引電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，負(fù)載電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，并經(jīng)陪試變流器及其控制裝置反饋回電網(wǎng)。反饋系統(tǒng)可將能量反饋回電網(wǎng)，而電網(wǎng)僅需要提供整個(gè)系統(tǒng)所需的能量即可，極大地避免了能量浪費(fèi)。陪試電機(jī)一般采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，被試牽引電機(jī)采用轉(zhuǎn)矩控制，根據(jù)試驗(yàn)需求的不同，被試牽引電機(jī)可實(shí)現(xiàn)牽引、制動(dòng)等不同工況的模擬。

當(dāng)被試牽引電機(jī)在牽引工況下工作時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)陪試電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)行被試礦用自卸車電傳動(dòng)系統(tǒng)在不同車速下?tīng)恳芰Α恳省⑥D(zhuǎn)矩控制精度等性能的驗(yàn)證；此時(shí)，被試牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速小于同步轉(zhuǎn)速，工作在電動(dòng)狀態(tài)，而陪試電機(jī)轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速，工作在發(fā)電狀態(tài)。牽引工況下系統(tǒng)的能量流動(dòng)如圖 3 所示。當(dāng)被試牽引電機(jī)在制動(dòng)工況下工作時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)陪試電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)行被試礦用自卸車電傳動(dòng)系統(tǒng)在不同車速下制動(dòng)能力的驗(yàn)證；此時(shí)，被試牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速，工作在發(fā)電狀態(tài)，而陪試電機(jī)轉(zhuǎn)速小于同步轉(zhuǎn)速，工作在電動(dòng)狀態(tài)。制動(dòng)工況下系統(tǒng)能量流動(dòng)如圖 4 所示。

圖2 礦用自卸車電傳動(dòng)系統(tǒng)組合試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structural sketch of combined test system for electric drive system of mining dump truck

圖3 牽引工況下系統(tǒng)能量流動(dòng)示意Fig.3 System energy flow sketch in driving mode

圖4 制動(dòng)工況下系統(tǒng)能量流動(dòng)示意Fig.4 System energy flow sketch in braking mode

采用“背靠背”能量回饋原理，不但能夠降低試驗(yàn)中的能量損耗，而且可以達(dá)到以小功率等級(jí)的電源實(shí)現(xiàn)大功率產(chǎn)品的試驗(yàn)需求，并且根據(jù)控制模式的轉(zhuǎn)變，可以非常方便地實(shí)現(xiàn)礦用自卸車電傳動(dòng)系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下?tīng)恳⒅苿?dòng)工況的模擬。

2.2 被試電傳動(dòng)系統(tǒng)

被試電傳動(dòng)系統(tǒng)一般由發(fā)電機(jī)(根據(jù)需求，也可采用變壓器供電)、變流器及其控制裝置、牽引電機(jī)等組成。被試變流器及其控制裝置可以采用外接交流電源供電，也可由發(fā)電機(jī)供電。根據(jù)實(shí)際情況，當(dāng)被試牽引電機(jī)不止 1 臺(tái)時(shí)，并列布置在圖 2 中虛線方框內(nèi)，多臺(tái)被試牽引電機(jī)均由同一臺(tái)被試變流器及其控制裝置控制；但是當(dāng)需要驗(yàn)證發(fā)電機(jī)、變流器及其控制裝置溫升時(shí)，應(yīng)配備多臺(tái)牽引電機(jī)，從而使發(fā)電機(jī)、變流器及其控制裝置在額定功率下工作。被試電傳動(dòng)系統(tǒng)部件應(yīng)根據(jù)制造商與用戶協(xié)議，在相應(yīng)測(cè)量點(diǎn)安裝溫度傳感器，且布置在預(yù)期最高溫度點(diǎn)，并對(duì)安裝傳感器的最佳位置負(fù)責(zé)。

2.3 陪試負(fù)載系統(tǒng)

陪試變流器及其控制裝置、陪試電機(jī)與被試變流器及其控制裝置、被試牽引電機(jī)可以相同也可以不同，相同時(shí)被試件與陪試件可以互換[3]。這種方式可根據(jù)不同類型的礦用自卸車電傳動(dòng)系統(tǒng)臨時(shí)搭建，試驗(yàn)時(shí)需要提供兩套完全一樣的電傳動(dòng)系統(tǒng)，試驗(yàn)時(shí)一套工作在牽引工況下，而另一套工作在制動(dòng)工況下，使用時(shí)應(yīng)評(píng)估電傳動(dòng)系統(tǒng)牽引能力與制動(dòng)能力的匹配性。基于成本和可靠性因素，一般不采用這種模式。

采用不同設(shè)備時(shí)，陪試電機(jī)可由同一臺(tái)陪試變流器及其控制裝置進(jìn)行控制，也可由不同的陪試變流器及其控制裝置進(jìn)行控制。當(dāng)由不同的陪試變流器及其控制裝置進(jìn)行控制時(shí)，這些陪試變流器及其控制裝置應(yīng)相互通信，以保證陪試電機(jī)控制情況的一致性。采用這種方式時(shí)，一般根據(jù)產(chǎn)品類型進(jìn)行通用性設(shè)計(jì)，使其能夠普遍適用于多種類型礦用自卸車電傳動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)陪試負(fù)載系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制范圍應(yīng)大于被試電傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速范圍，且其在不同轉(zhuǎn)速下的牽引/制動(dòng)轉(zhuǎn)矩輸出能力應(yīng)大于被試電傳動(dòng)系統(tǒng)在相應(yīng)轉(zhuǎn)速下的最大制動(dòng)/牽引轉(zhuǎn)矩輸出能力。

2.4 測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。它可以實(shí)現(xiàn)電傳動(dòng)系統(tǒng)的電壓、電流等電參數(shù)以及基于電壓、電流的功率、諧波等參數(shù)的測(cè)量，測(cè)量精度高于 0.5%；亦可進(jìn)行轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的測(cè)量，測(cè)量精度高于 0.5%；同時(shí)可測(cè)量被試件不同位置的溫度，溫度測(cè)量主要采用直接測(cè)量和間接測(cè)量?jī)煞N方式。

參數(shù)的采集根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型，主要采用功率分析儀、示波器等測(cè)量?jī)x器，PXI 自動(dòng)化測(cè)量平臺(tái)以及通過(guò) CAN 卡等方式實(shí)現(xiàn)。其中被試變流器及陪試變流器通過(guò) CAN 進(jìn)行上下位機(jī)通信，而電壓、電流等參數(shù)采用功率分析儀等測(cè)量?jī)x器或者 PXI 自動(dòng)化測(cè)量平臺(tái)進(jìn)行測(cè)量。

圖5 礦用自卸車電傳動(dòng)系統(tǒng)組合試驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Structural sketch of testing system for combined test system for electric drive system of mining dump truck

2.5 試驗(yàn)中的冷卻

試驗(yàn)應(yīng)在規(guī)定的冷卻條件下進(jìn)行，為模擬不同的冷卻條件，冷卻設(shè)備的冷卻能力應(yīng)可調(diào)，且當(dāng)冷卻介質(zhì)溫度與規(guī)定的環(huán)境溫度不同進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，溫度測(cè)量結(jié)果應(yīng)進(jìn)行線性修訂。當(dāng)采用強(qiáng)迫風(fēng)冷時(shí)，為了保證測(cè)試的準(zhǔn)確性，進(jìn)風(fēng)筒的直線長(zhǎng)度應(yīng)不小于其直徑的7～10 倍。

3 組合試驗(yàn)項(xiàng)目

為了全面驗(yàn)證礦用自卸車電傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)及性能，經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)研究(包括型式試驗(yàn)、研究性試驗(yàn))，不斷積累試驗(yàn)驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)，并通過(guò)對(duì)礦用自卸車使用環(huán)境的分析，結(jié)合 JB/T 7641.1—1994《電傳動(dòng)礦用自卸車整車技術(shù)條件》、JB/T 7641.2—1994《電傳動(dòng)礦用自卸車整車試驗(yàn)方法》，參考軌道交通內(nèi)燃機(jī)車組合試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn) GB/T 25117.3—2010《軌道交通 機(jī)車車輛 組合試驗(yàn) 第 3 部分：間接變流器供電的交流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的組合試驗(yàn)》，及電動(dòng)汽車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) GB/T 18488.1—2015《電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)技術(shù)條件》、GB/T 18488.2—2015《電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)方法》等，總結(jié)了礦用自卸車電傳動(dòng)系統(tǒng)組合試驗(yàn)項(xiàng)目，如表 1 所列。按照?qǐng)D 6 中的試驗(yàn)流程進(jìn)行逐項(xiàng)驗(yàn)證，將很好地保證礦用自卸車電傳動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)性能。

試驗(yàn)項(xiàng)目可參照 GB/T 25117.3—2010、GB/T 18488.2—2015 等標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)方法實(shí)施，相關(guān)測(cè)試結(jié)果應(yīng)滿足 JB/T 7641.1—1994 及該車型技術(shù)文件要求。考慮到對(duì)整車爬坡性能的要求，在進(jìn)行電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩特性試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)驗(yàn)證電動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩特性。同時(shí) JB/T 7641.1—1994 對(duì)電傳動(dòng)系統(tǒng)的耐壓等試驗(yàn)有所要求，但由于耐壓等試驗(yàn)在相關(guān)部件的型式試驗(yàn)中進(jìn)行，筆者主要研究電傳動(dòng)系統(tǒng)的組合試驗(yàn)，因此在本文中不進(jìn)行敘述。

表1 礦用自卸車電傳動(dòng)系統(tǒng)組合試驗(yàn)項(xiàng)目Tab.1 Items of combined test for electric drive system of mining dump truck

4 組合試驗(yàn)驗(yàn)證

圖6 試驗(yàn)流程Fig.6 Process flow of test

結(jié)合圖 2 所示的試驗(yàn)系統(tǒng)，采用圖 5 所示的測(cè)試系統(tǒng)，筆者選取典型的某型礦用自卸車電傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行組合試驗(yàn)研究，該傳動(dòng)系統(tǒng)的變流器和牽引電機(jī)的主要參數(shù)分別如表 2、3 所列。圖 7～10 給出典型項(xiàng)目的測(cè)試曲線。

需要說(shuō)明的是，在利用該系統(tǒng)進(jìn)行礦用自卸車電傳動(dòng)系統(tǒng)組合試驗(yàn)時(shí)，各部件(變流器及其控制裝置、牽引電機(jī)等)部分型式試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果可同步獲得。

表2 某型礦用自卸車電傳動(dòng)系統(tǒng)變流器主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of current inverter in electric drive system of a mining dump truck

表3 某型礦用自卸車電傳動(dòng)系統(tǒng)牽引電機(jī)主要參數(shù)Tab.3 Main parameters of traction motor in electric drive system of a mining dump truck

圖7 礦用自卸車電傳動(dòng)系統(tǒng)典型牽引特性曲線Fig.7 Typical drive characteristic curve of electric drive system of mining dump truck

圖8 礦用自卸車電傳動(dòng)系統(tǒng)典型制動(dòng)特性曲線Fig.8 Typical braking characteristic curve of electric drive system of mining dump truck

圖9 不同供電電壓下輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.9 Variation curve of output torque with velocity at various voltage supply

圖10 輸出轉(zhuǎn)矩、功率變化曲線Fig.10 Variation curve of output torque and power

5 結(jié)語(yǔ)

筆者通過(guò)對(duì)礦用自卸車電傳動(dòng)系統(tǒng)基本原理進(jìn)行分析，介紹了一種礦用自卸車電傳動(dòng)系統(tǒng)組合試驗(yàn)系統(tǒng)，并對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究分析，結(jié)合大量的試驗(yàn)研究提出了礦用自卸車電傳動(dòng)系統(tǒng)組合試驗(yàn)項(xiàng)目。該研究成果已成功應(yīng)用于多種礦用自卸車電傳動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，有效驗(yàn)證了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)參數(shù)，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。隨著礦用自卸車電傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)據(jù)的積累和研究的深入，對(duì)相應(yīng)的試驗(yàn)方法、試驗(yàn)項(xiàng)目的研究也會(huì)更加深入。該研究成果在為礦用自卸車電傳動(dòng)系統(tǒng)組合試驗(yàn)系統(tǒng)的搭建提供指導(dǎo)的同時(shí)，也可為礦用自卸車電傳動(dòng)系統(tǒng)組合試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供參考。