礦用電機車能耗制動的研究與應用

董永智，王新剛，楊建興

（招金礦業股份有限公司蠶莊金礦，山東 煙臺 265400）

1 背景

非煤礦山架線電機車和電瓶式電機車（以下統稱電機車）的使用已經全面普及，礦山井下使用電機車運輸具有效運載能力大、運輸效率高的優點。隨著礦山企業生產規模的不斷增加，電機車的安全運行，不僅事關生產高效有序進行，更成為事關安全的重中之重，這其中的電機車制動系統就成為保障其安全運行的最后一道屏障。井下特殊的生產現場導致電機車工作條件一般較差，且啟動頻繁，帶來的直接問題就是制動頻繁，易損壞。根據GB16423《金屬非金屬礦山安全規程》6.3.1.12“對電機車制動的要求列車制動距離：運送人員應不超過20m，運送物料應不超過40m；14t以上的大型機車(或雙機)牽引運輸，應根據運輸條件予以確定，但應不超過80m”。3t以上電機車普遍配備有壓縮空氣制動，能夠滿足規程要求。而3t以下電機車普遍采用機械制動，在惡劣工況和頻繁動作下，很容易損壞[1]。因此，亟需對3t及以下電機車的制動系統進行改進，以確保安全生產。

2 現狀

當前電機車制動方式基本采用機械制動。按照動力源不同又分為手動、液壓、氣動等不同方式。

（1）手動制動。手動制動方式又分為工作制動和駐車制動。①手動工作制動一般應用于2t以下電機車，該制動方式簡單、制動力矩能迅速作用于減速機。②駐車制動一般應用于3t及以上電機車，采用螺桿閉鎖制動方式。具有制動力矩大，能可靠自鎖的優點，但是其制銜鐵與輪面直接接觸制動，制動效果會因輪面污損而打折；螺桿傳動其固有特性導致其操作時間長，不能夠滿足制動要求的及時性。

（2）液壓制動。該制動方式原理上可以安裝于任何類型電機車上，且其具有制動力矩大，制動反應時間短的優點。但是其安裝和維護成本高；且因礦山井下環境所限，該裝置使用壽命較短，并不適于井下使用。

（3）氣動制動.7t以上電機車基本使用啟動制動作為工作制動，該制動方式反應時間短，能迅速產生制動力矩。但其最大的不足是需要外部壓縮氣體提供制動力矩，投資大、占用電機車空間大，因此并不適用3t及以下電機車。這里不再贅述。

綜上所述，眼下使用較普遍的機械制動均存在壽命、響應時間、成本、制動力矩不足等問題。在實際生產運輸中，機械制動系統因可靠性無法滿足需求，操作人員為做到迅速制動，便使用倒拉反接制動，來達到迅速減速的目的。顯而易見，反接倒拉制動會在電動機上迅速建立一個反向制動力矩，但是該種制動方式會突然增加電動機的運轉電流，輕則沖擊減速機構，造成機械部件損壞，重則燒壞線路、頂掉外部電源，失去制動力，造成跑車等嚴重事故[2]。

3 設計思路

面對機械制動存在的諸多問題，我們須轉變思路，向電氣系統的改進升級尋求突破。

3.1 電氣工作原理

當前，無論何種噸位的礦用電機車，均使用直流串勵電動機。因為直流相比交流電源更容易在井下特殊環境中使用，外部輔助供電設施易于擴展安裝，電機車上不需要增加繁雜的受電電纜等器件。

串勵電機的轉矩的瞬時表達式為：

式中：T——轉矩瞬時值；Ct——轉矩常數；Φm——每極磁通峰值；Im——電流峰值；θ——磁通滯后電流的角度。

單相交流串勵電機的機械特性：單相串勵電機的轉矩是隨時間變化的，即每一瞬間的轉矩大小是不同的，這和直流的電動機轉矩的平穩性存在明顯的差別，輸出轉矩實際上是平均值。電動機在磁路未飽和時，因磁通大小和勵磁電流大小成正比，故轉矩和電流的二次方成正比；當電動機的磁路飽和時，電流的變化對磁通的影響很小，故轉矩近似按照電流的變化而變化。啟動轉矩大，不容易堵轉，這是這類電動機的可貴優點，適用于啟動比較困難的場合。

3.2 電氣制動改進原理

對于串勵電動機，若不考慮剩磁，只有n趨于無窮大時，才能出現Ea=U，要使Ea＞U，顯然無法實現。雖然電機中存在少量的剩磁，但要使Ea＞U，轉速將高達不能允許的數值，故串勵電動機不存在回饋制動狀態。串勵電動機只有反接制動和能耗制動兩種制動方法，其工作狀態下面分別進行分析。

（1）反接制動。串勵電動機進行電壓反接制動時，不是將電源電壓反接，因為這樣將會造成Ia和If同時改變方向，電磁轉矩方向不變，起不到制動作用。因此，只能將電樞兩端反接，而勵磁繞組的接法不變，如圖（a）所示。為了限制過大的制動電流，還應串入制動電阻RB。其機械特性如圖（b）中曲線BC所示。圖中A點是正向電動工作點，B點是制動起始點，減速時，工作點由B點沿特性曲線向C點移動，到達C點時，轉速為零。若要停車，應斷開電源，否則電動機將反向起動并加速到D點，在D點處于反向電動運行。應用于礦山井下現場，這就是前文敘述的在電機車機械剎車失靈時駕駛人員的“直接反轉”操作。從其制動曲線圖上可以看出當電機車工作高速運行，需要制動時，電動機工作點從A點轉移到B點，由串勵電動機瞬時轉矩公式可以得出，此時電動機會產生很大的制動力矩。對電機車機械傳動部件將會造成嚴重損傷。同時破壞直流電源回路，造成電氣回路燒壞，機車失速等惡性事故。因此，該制動方式并不能用于礦井電機車。

（2）能耗制動。串勵電動機的能耗制動分為他勵式和自勵式兩種。而他勵制動因結構復雜，也不適用于礦井使用，故不贅述。

圖1 串勵直流電動機反接制動機械特性

自勵式能耗制動時，電樞回路脫離電源后，通過制動電阻形成閉路，但為了實現制動，必須同時改接串勵繞組，以保證勵磁電流的方向不變，如圖1—55（a）所示。自勵式能耗制動時的機械特性如圖（b）中曲線BO所示。由圖可見，自勵式能耗制動開始制動轉矩較大，隨著轉速下降，電樞電動勢和電流也下降，同時磁通也減小，從公式Tem=CTΦIa可見，制動轉矩下降很快，制動效果變弱，所以制動時間較長且制動不平穩。由于這種制動方式不需要電源，因此主要用于事故停車。

圖2 能耗制動原理與力矩圖

4 理論總結

結合前文分析得出的觀點主要有亮點：①礦井3t及以下電機車采用機械制動方式并不能完全滿足日常安全生產的需求。②采用直接反接制動方式會嚴重損壞電機車的電氣和機械結構，降低電機車的使用壽命。③串勵直流電動機的反接能耗制動是可行的，并且其制動轉矩曲線與電動機重載啟動時只有矢量方向的差別，并無大小區別，也就是對電氣和電機車機械結構無任何額外沖擊，完全工作在設計轉矩內。④從前文圖4可以發現，隨著電動機轉速下降，其制動轉矩也將呈快速下降趨勢，因此在制動末端，需要機械制動方式進行零速制動，做到完全停車。

5 現場應用

根據理論支持，在招金礦業股份有限公司蠶莊金礦265礦井井下對現場電機車進行線路調整，增加一只雙刀雙擲開關（只做原理驗證用），將電源主回路接入雙刀雙擲開關中位。開關A端出線接入原電機車電源回路，開關B端短接。電機車正常行駛時，開關打到A位。需制動時，司機將方向和檔位扳手歸零，雙刀雙擲開關打到B位置。司機操作方向扳手反向，同時操作檔位扳手調整不同檔位，便可以獲得不同力矩的制動力。電機車便可以按照需要的減速度行駛。

以下為改造后的電路圖（圖示為電瓶車，架線式電機車改造原理與其相同）。

圖3 機電電路改進原理

表1 制動試驗數據（現場路況、車況不同，數據只做參考用）

6 總結

能耗制動方式對于在礦山井下的3t及以下只依靠機械制動的電機車來說是一個改善制動系統運行條件，在配備機械制動的前提下，可以對電路進行簡單改造，就能滿足能耗制動的要求。在機車運行時使用能耗制動，可以大幅減少機械剎車的維護成本和使用壽命，同時為電機車運行提供了完備的事故剎車方案，即使無機械制動，無外部電源都可以實現自身制動。這將極大提高電機車的安全性能，為礦山安全生產提供堅實保障。