煤礦用防爆電動人車的設計分析

洪曉飛， 王維平

（國家能源投資集團神東煤炭集團補連塔煤礦， 內(nèi)蒙古自治區(qū) 鄂爾多斯 017209）

1 采礦電動車結(jié)構設計

采礦電動車輛，主要由車輛的車身、車底盤等組成，車身采用輕質(zhì)量的塑料纖維組成，不僅提高了車輛整體質(zhì)量，也為企業(yè)的安全生產(chǎn)打下了基礎，汽車的驅(qū)動系統(tǒng)主要由，氣動、液壓、控制等單元組成。

2 采礦電動車輛整體設計

2.1 車身與車架設計

在汽車的設計過程中，為了提高采礦電動車的安全性能，汽車采用鋼鐵骨架構成，為了減輕車輛的整體重量，汽車的其他部分則采用復合材料組成，在保護車內(nèi)人員的同時，盡可能減輕車的自身重量。在車輛的實際設計過程中，運用三維軟件對車輛進行輕量化設計，與此同時這些優(yōu)化設計為駕駛員營造了良好的操作環(huán)境。在對電動汽車的底部設計時，應將安全和承重問題充分考慮進去，因此在實際生產(chǎn)中，實行主副一體式車架結(jié)構，并對車輛的設計進行模型分析、有限元分析，充分保障車輛的安全穩(wěn)定運輸。

2.2 采礦電動車動力總成設計

在對汽車整體的設計過程中，更應重點考慮汽車的動力情況，車輛的動力、經(jīng)濟性及平順性都與動力性能直接相關。因此本文將從電動車的電機選型、齒輪傳動比設計、車輛效率和電動車最大行駛里程的計算等問題開始，介紹電動車的整體設計情況。

2.2.1 采礦電動車的電動機選型計算

在電機的選型方面上優(yōu)先考慮永磁同步電動機，相比傳統(tǒng)電機該電動機有著體積更輕、并且該電機的質(zhì)量也比較輕，不僅可以長時間工作，還可以為車輛提供穩(wěn)定的動力性能，永磁同步電動機是該電車的最優(yōu)選擇。

2.2.1.1 電機輸出功率計算

車輛的實際輸出功率應滿足汽車的實際工作性能要求，功率太大其質(zhì)量也會增加，車輛的電機負擔也會增加，功率太小不利于車輛穩(wěn)定運行，因此要對電機的實際輸出功率進行嚴格計算。在計算的過程中滾動阻力和坡度阻力需考慮在內(nèi)。

式中：Pe為車輛行駛速度最高下的功率；vmax為車輛行駛過程中最高車速；η1為車輛行駛中傳動效率；m為車輛質(zhì)量；f 為車輛受到的滾動阻力系數(shù)；α 為爬坡度（最大）；vi為（爬坡）速度；Pa為爬坡功率。

2.2.1.2 采礦電動汽車的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速計算

車輛在工作過程中最大轉(zhuǎn)矩通常在車輛位于半坡起步的狀態(tài)，或者在較短的距離里爬坡運行。當車輛在正常行駛的過程中，車輛運行在最高的速度時電機也轉(zhuǎn)動最快。

采礦電動機的額定轉(zhuǎn)矩計算公式為：

式中：ig為減速器速比（正常工作環(huán)境下）；i0為橋速比（正常工作環(huán)境下）；ηT為電動機傳動效率；r 為電動機轉(zhuǎn)速。

車輛正常運行過程中，電動機大多工作區(qū)間在額定轉(zhuǎn)速附近。因此為了提高車輛的使用效率和性價比，車輛的高頻使用車速通常和額定轉(zhuǎn)速相對應。

2.2.2 采礦電車續(xù)航里程計算過程

1）計算出電機在工作過程中，輸出功率與電池輸出電流I 的表達式為I=P/U。

2）在采礦電車工作的過程中時間由t=Fη/I 可得，式中，η 為系統(tǒng)總效率，取 0.65。

3）采礦電車的速度計算根據(jù)公式：S=vt。

2.3 采礦電車的控制系統(tǒng)設計過程

整個車輛正常運行的核心是控制系統(tǒng)，體現(xiàn)了電動車輛與傳統(tǒng)燃油車輛之間的區(qū)別，其主要由整車控制器、電機控制器、CAN 模塊、主控制模塊等組成，如圖1 所示。車輛的設計根據(jù)國家電車設計規(guī)則的要求，將整車控制系統(tǒng)布置在主控箱內(nèi)，既減輕了車輛的種類也滿足防爆要求。

圖1 控制系統(tǒng)原理

控制系統(tǒng)是車輛的重要部分，控制系統(tǒng)擔任著對汽車整體性能的監(jiān)控，一個安全可靠的車輛系統(tǒng)是行車安全的重要保障，在行車的過程中，控制器是汽車安全重要保證，因次控制器的設計也需要足夠的重視，在控制器的設計過程中應充分考慮汽車的性能與功能，保證采礦電車的正常運行。

2.4 能量管理系統(tǒng)設計

在汽車的蓄能方面，汽車的電車設計是汽車的蓄能裝置，電池組是電動車的蓄能部分，電池組的性能影響著汽車車輛的行駛效果，在采礦電動車的設計過程中，電池組采用高性能的磷酸鐵鏗電池，其不僅能為電車提供穩(wěn)定的能量，還符合國家有關電車設計電池安裝規(guī)則在，在車輛的設計過程中使用雙電池組，為汽車的行駛提供穩(wěn)定的電源輸入，兩電池互相連接既提高了車輛的續(xù)航能力也保證了行車的安全。

在電池組里安裝有智能調(diào)節(jié)設備，該設備主要保證電池始終有一個在工作，另一個電池處于待機或者充電的狀態(tài)，實現(xiàn)即時預測電池系統(tǒng)的剩余電量提醒駕駛員即時充電，還要實時監(jiān)測單體電池的工作電壓和工作溫度、診斷故障并上傳；在行駛過程中保證電池管理系統(tǒng)正常工作，實時顯示提醒采礦電動車的運行狀況，該智能裝置分別通過傳感器采集信息，顯示屏顯示電車運行參數(shù)，控制部分時刻對電車進行智能監(jiān)控狀態(tài)，如圖2 所示。

2.5 采礦電車的液壓系統(tǒng)設計過程

在對車輛的設計過程中，對車輛的液壓系統(tǒng)的系統(tǒng)設計也具有重要的意義，該結(jié)構有多個單元組成蓄能器單元、停車制動閥單元、雙回路腳踏制動閥單元等構成，液壓系統(tǒng)的功能主要是維持車輛的正常啟動和停止，當車輛需要轉(zhuǎn)向時也要發(fā)揮液壓系統(tǒng)的作用，如圖3 所示。當車輛在失效等發(fā)生安全操作時，車輛的液壓抱死系統(tǒng)就會工作，保證在緊急狀態(tài)下汽車可以位于安全狀態(tài)。

圖2 電池管理系統(tǒng)原理框圖

在汽車的行駛過程中，車輛的制動器為常開式，通過壓力控制制動。實現(xiàn)車輛的減速，借助液壓助力轉(zhuǎn)向器帶動前輪偏轉(zhuǎn)，實現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向動作。

3 車輛設計的特點

1）操作說明簡單易懂，駕駛員可以輕松完成各項駕駛操作，液壓轉(zhuǎn)向、座椅滿足駕駛要求、給駕駛員和乘客營造了良好的環(huán)境。

2）車輛在設計中采用防爆鏗電池為動力源，運行過程中零污染、對人體危害性小。

3）采礦電動汽車使用的電機，具有質(zhì)量小、動力十足、輸出功率高以及工作壽命長等特點，該電機可為車輛提供穩(wěn)定的動力，彌補其他電機效率低下的不足。

4）車輛的電池系統(tǒng)是整車的核心部分，因此車輛采用自動均衡技術的電池管理系統(tǒng)，該技術不僅提高了電池組的使用時間以及電動車的運行時間，而且還具有快速充電的功效，大幅度地提高了工作效率。

圖3 液壓原理圖

5）電車的控制系統(tǒng)也是一大創(chuàng)新，采取了微電腦控制平臺，實時反饋和檢測電車的工作狀態(tài)，提高了電車的使用和維修效率，為采礦工作節(jié)約了時間。

4 結(jié)論

1）防爆電池車在煤企井道工作環(huán)境中更適用，運行更加安全可靠、低碳環(huán)保。

2）采礦電動車可以彌補原有采礦車輛的不足，并且符合國家相關政策的要求，因此，防爆鋰離子蓄電池人車在未來的煤炭開采業(yè)具有更廣闊的市場前景。