礦用蓄電池鏟板式支架搬運車設計*

丁仁政

(中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

蓄電池鏟板式支架搬運車以防爆特殊型大容量鉛酸蓄電池為動力源，是一種零排放、承載能力大、靈活機動性強的鏟板式搬運車，也是綜采工作面搬家倒面的主要運輸設備。它的主要用途是將支架拖拽或擺放到工作面，也可作為長距離運輸重物的主要設備，包括聯合搬運采煤機、刮板機、皮帶機機頭、破碎機、移變、泵站等大件設備[1]。

為了提高蓄電池鏟板式支架搬運車的運行可靠性，本文針對WX35J支架搬運車的設計，對整車質量分配、交流變頻調速、雙電動機同步控制、主要結構件受力、CAN總線控制等進行了研究。

1 整車結構和參數

WX35J支架搬運車的最大承載能力為35 t，適應巷道斷面(寬×高)3.8 m×1.9 m，主要結構特點是三段機架鉸接式，電力機械傳動，4×4前后輪驅動，液壓油缸轉向。整車總體布置如圖1。

1-鏟板;2-前機架;3-中機架;4-后機架;5-蓄電池托架;6-輪胎;7-舉升油缸;8-傾翻油缸;9-轉向油缸;10-蓄電池;11-液壓絞車。

機架采用前、中、后三段兩處鉸接結構，中、后機架采用回轉軸承鉸接。由于該車載荷大且集中于車輛前端，前、中機架連接部受力很大，所以將前、中機架作為裝載系統整體，僅實現車輛轉向。中、后機架連接處擺動設計的優點在于既可以保證車輛在路面條件較差時能夠平穩行駛，在突遇障礙物時避免側翻，又可以使驅動橋保持良好的對地牽引力。車輛采用雙舉升油缸和雙傾翻油缸，可實現整車的搬運功能；具有一部160 kN牽引能力的液壓絞車，用來拖動重物；采用NO-SPIN防滑自鎖差速器的重型驅動橋，承載能力大；車上使用彈簧制動液壓釋放的安全型輪邊制動器，保證車輛行駛安全；配備獨立駕駛室，可以雙向駕駛，方便井下作業使用；車輛配備運行故障診斷、實時監測顯示系統，對車輛的運行狀況實時監測，對故障進行及時報警和緊急停機，為車輛維護、檢修提供依據。落地式電池更換系統能夠快速完成電池更換。主要技術參數見表1。

表1 主要技術參數表

2 設計技術研究

2.1 整車質量控制和局部配重分配

WX35鏟板式搬運車的載重位于整車前端的鏟板部位，且與車輛自重接近，造成車輛在空載和滿載時重心位置變化很大。為了保證整車在滿載時的運行穩定性，蓄電池布置在車輛尾部作為配重。若蓄電池質量太大，對中央鉸接機構連接強度的要求也大大提高，這必然會增加中央鉸接部件的外形尺寸及材料制造成本，且整車電量消耗及輪胎磨損等情況勢必增加，整車經濟性下降；而蓄電池質量過小，既無法保證車輛的續航能力，又不能保證整車滿載時的運行穩定性，降低整車運載能力。因此,整車布局在計算力學平衡的同時，也需要考慮蓄電池質量對整車穩定性的影響，以及重載工況對機架結構各連接處可靠性的影響。這些都是影響整車井下巷道適應性的重要因素。

根據整車載荷需求和以上各因素綜合分析，在保證車輛續航能力的前提下，保證了足夠的車輛配重及整車運行穩定性,同時不影響車輛外觀和尺寸。整車質量控制與分配如圖2所示。

圖2 質量控制與分配

2.2 牽引逆變交流變頻調速技術

本車輛采用礦用交流變頻調速系統，充分利用變頻調速系統較寬的調速范圍和交流電動機免維護的優點，采用雙55 kW變頻感應電動機和防爆低壓大轉矩DC/AC牽引逆變器，控制策略是閉環轉矩矢量控制方式[2]。重點進行了矢量控制理論及算法研究、逆變器外形布局設計、控制器硬件設計、軟件算法研究[3]。在以DSP2812為核心的逆變器設計上，實現了速度閉環的感應電動機矢量控制系統，并對空載、負載、過載、堵轉等控制性能進行了試驗分析，如圖3所示。

圖3 變頻調速試驗

試驗結果表明：

1) 起動性能方面,電動機在577 A下起動轉矩927 N·m(2.6倍額定轉矩)，符合車輛牽引最大起動轉矩要求。

2) 過載能力方面，電動機在0～50 Hz均能達到805 N·m，但是持續時間應符合礦用變頻過載持續時間標準(電動機熱態過載，保護時間<60 s)。

3) 最高轉速方面，交流逆變器輸出頻率能到90 Hz，但是帶負載能力將變差，電流波形質量變差，同時IGBT溫升將加快[4]。

礦用重型車輛電池電壓都較低，目前車用的蓄電池電壓等級有128 V、252 V和264 V，而牽引總功率均很大(至少在130 kW以上)，造成牽引電動機電流過大。在封閉的防爆箱體中，大功率逆變器IGBT組件對鋼板的熱傳導較差，散熱問題突出。通過將逆變器散熱鋁板通過導熱硅脂緊貼電控箱后背板，后背板增加水道，注入一定量的非循環水等措施[5]，保證IGBT大電流輸出時逆變器散熱良好。經試驗，電動機溫升63 K，電控箱最高溫度69 ℃，符合1 h工作制，滿足車輛牽引要求。

2.3 雙電動機同步控制

車輛采用雙電動機單獨驅動前后橋，運行時前后電動機不同步、前后輪胎因承載帶來的滾動半徑差異，會產生寄生功率[6-7]，引起功率損失，致使車載蓄電池的能量得不到高效利用。寄生功率的存在還會引起整車傳動系零件受力不均和沖擊過載，使輪胎因拖滑而加速磨損，降低了傳動系的效率及整車效率。因此,研究雙牽引電動機驅動系統的同步控制非常有必要?？梢圆扇∫韵麓胧p小寄生功率：

1) 在整車結構設計中，無法避免前后載荷不同所帶來的影響?？梢愿鶕休d情況，研究承載力和壓縮量的關系，選擇半徑相同、承載性能不同的前后輪胎，盡可能保證運行時前后輪胎半徑的差值，減小寄生功率值。

2) 車輛運行過程中前后橋載荷分配不一致，又要保證前后電動機的轉速一致。通過采集車輛運行時反饋的轉速和扭矩等參數，由相應控制算法對電動機控制器發出控制指令，調節前后電動機的輸出扭矩[8-9]。

2.4 關鍵結構件強度

鏟板提升架主體由16Mn材料焊接而成。為保證鏟板提升架所受載荷的準確性，建立和優化整車三維實體模型，利用ADAMS分析軟件施加邊界條件并進行動力學分析[10]。提取了鏟板提升架的動態載荷，這樣鏟板提升架所受的慣性力等動態特征載荷均被包含在內，從而很大程度上提高了鏟板提升架受力的準確性。

根據提取到的動態載荷，對提升架進行了強度分析,如圖4所示。該處應力最大值為122.6 MPa，材料屈服極限為345 MPa，可以滿足提升架安全使用要求。

叉子選用材料30CrMo。結合整車動力學分析結果及專家經驗，叉子折彎部位拐角處為最危險部位，強度分析如圖5所示。該處應力最大值為434.4 MPa,材料屈服極限為785 MPa，可以滿足叉子的安全使用要求。

2.5 基于現場總線的整車控制技術

CAN(Controller Area Network)是控制器局域網的簡稱，它是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。近年來，由于其所具有的高可靠性和良好的錯誤檢測能力被廣泛應用于汽車計算機控制系統。由于其具備數據傳輸速度高、抗干擾能力強(差分數據線)及自我診斷能力(錯誤偵測)等方面的優勢，在WX35J支架搬運車上進行了應用。通過CAN總線將整車中的主控模塊和顯示器連接，將整車的行走電動機電流、油泵電動機電流、電動機故障、蓄電池電壓、已用電量等信息實現可靠共享，并且還可以通過CAN總線修改整車控制器的參數，減少了整車線束數量，提高了整車的可靠性和安全性。

圖4 鏟板提升架受力分析

圖5 叉子受力分析

3 應用

WX35J支架搬運車電池電壓DC264V，容量為935 A·h，電池電量達到246.84 kWh，比進口的VT636蓄電池支架搬運車電量158.72 kWh增加了55%。分別在神東煤炭公司石圪臺煤礦、烏蘭木倫煤礦、補連塔煤礦和錦界煤礦等進行了設備運輸作業，共搬運液壓支架、采煤機搖臂、轉載機機頭、自移機尾等設備達120余件，質量達800余t，運行300余km。其速度與牽引力性能均優于進口同類機型，平路滿載續航里程能達到37～40 km，比VT636蓄電池支架搬運車多8～10 km，使用情況良好。

4 結語

蓄電池鏟板式支架搬運車是一種載重大、零排放、靈活性強的工作面搬家裝備，在工作面進行短距離作業時，克服了柴油機鏟板式搬運車污染大和噪音大的缺陷，改善了礦工的工作環境，提高了綜采工作面搬家倒面作業時的安全性。

通過對WX35J支架搬運車整車關鍵技術的設計研究，為后續類似產品的研發和系列化奠定了一定的技術基礎。