防爆油電雙動力并行驅動運人車的研制

劉志更

（1.煤礦采掘機械裝備國家工程實驗室，山西 太原 030006；2.中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司，山西 太原 030006；3.山西天地煤機裝備有限公司， 山西 太原 030006）

0 引言

高產高效礦井近幾年出現了很多的長距離連續坡度巷道， 在其中使用防爆柴油機無軌膠輪車完成礦井生產輔助運輸任務， 勢必會引起井下巷道內有害氣體污染加劇， 同時面臨著車輛在行駛于較長距離連續坡道時出現柴油機上坡動力不足和下坡制動安全難以保障等一系列適應性問題[1-2]。從巷道環境、車輛使用壽命、行駛制動安全及運行費用等方面綜合考慮，在這樣的巷道內使用傳統的防爆柴油機無軌膠輪車完成輔助運輸綜合成本較高。

本文研究一種適用于煤礦井下的礦用油電雙動力運人車，該車由防爆電噴柴油機和架線電源供電電機驅動，在架線電網巷道與非架線巷道都能高效靈活作業， 預期能有效降低礦井大巷CO、NOx 等有害氣體的排放， 提高駕乘人員的舒適性；在架線電網覆蓋路段使用電機工作，在順槽巷道及工作面使用柴油機工作， 兩套動力源獨立驅動，極大地降低礦用無軌膠輪車燃油消耗，實現節能環保，改善工人作業環境，也解決了車輛特殊工況動力不足問題， 并通過電機回饋制動解決長距離連續下坡的制動失效等問題[3-4]。

1 傳動系統研究

傳動系統的設計和結構優化， 直接決定整車結構的合理性及整車布置。 由于車輛設計具有柴油機和電機兩個動力源， 如何將兩個動力源有機結合是傳動系統設計研究的關鍵。 經過多方案的論證對比研究，將動力切換箱的位置提前，由動力切換箱直接連接離合器、變速箱，雙動力驅動共用一套傳動輸出系統， 通過動力切換箱實現動力源的選擇及互鎖， 整個系統使用一套離合器和變速箱，使得駕駛操縱方式簡化，傳動系統三維布置見圖1。

圖1 傳動系統三維布置圖

此傳動方案結構布置合理、零部件連接緊湊，技術穩定成熟，機械傳動效率高，對柴油機和電機設計研究要求較低。 動力切換裝置是傳動系統中最重要的部件[5]，它的使命是安全可靠地完成柴油機和電機兩種動力的切換和互鎖，因為兩種動力是單獨驅動的，所以動力切換箱的操縱機構設計為手動機械式的， 手柄執行動作完成后設計有鎖止機構，防止切換動作完后的誤動作帶來安全隱患。

2 整車載荷分布研究

（1）車架設計研究。整車可以承載20 個人，總重量按照1600 kg 計算，整車滿載后質量預計約10800kg。 依據承載情況選用某公司成熟底盤結構，主要參數見表1。 該底盤額定載重12000kg，車架為“8+4”結構，采用汽車大梁專用鋼板，材質為510L，這種底盤車輛應用很多，且實際使用過載能力強。 同時可以根據實際應用進行加強和電泳防銹處理，滿足雙動力運人車使用要求。

表1 車架技術參數

（2）整車重心分布計算。 整車的重心計算，直接關系著整車性能優越性，影響整車的爬坡，轉彎，制動，輪胎壽命等。根據各個系統主要原部件重量，反復進行三維布置設計， 進行了質量分布計算， 滿足前后橋載荷的設計要求。表2 為空載和滿載，平路、上坡、下坡工況下前后橋載荷的分布情況，下坡14°時前橋載荷最大，超過額度載荷778kg， 但根據實際使用工況和前橋的1.3 倍的超載荷能力，滿足設計要求。

表2 車架工況載荷分布

3 車載集電裝置研究

礦井架線車運輸系統與無軌電車相似， 采用正負極懸浮，膠輪行駛的形式。無軌電車的供電技術、受電技術、車輛驅動技術較為成熟，特別是集電器受電技術，本項目可以借鑒。為了保證受流穩定性，集電裝置采用有輔助軌導向，頂滑式，雙碳刷設計，集電頭結構見圖2。 集電裝置整體采用的輕量化設計，零部件采用薄壁鈑金件，回避焊接，絕緣材料能滿足強度的盡量使用絕緣材料，非絕緣的元部件采用鏤空設計[6]。

圖2 集電裝置集電頭結構

此車載集電裝置的主要特點是： ①導向軌能起到穩定集電小車的作用， 入網后集電小車的輪子卡住導向軌，集電小車向上與左右的自由度被導向軌限制，這樣能保證碳刷與銅排的良好接觸，避免由于集電小車左右擺動而使銅排滑出碳刷；②頂滑式是碳刷在滑觸線的下方，有利于集電小車快速入網與脫網；③與同一根滑觸線接觸的兩個碳刷在兩個獨立的小四連桿機構上，通過彈簧的拉力保證與滑觸線接觸，在車輛遇到顛簸時，雙碳刷能保證一個碳刷與滑觸線接觸，保證受流可靠性。

4 礦用65kW 防爆風冷怠速電機變頻控制系統研究

整車電氣系統中65kW 防爆風冷怠速變頻牽引電機和變頻控制系統是運人車設計的重點之一。

4.1 65kW 防爆交流異步電機

防爆交流異步電機由于外殼材質必須是鋼， 重量和散熱性能相對民用鋁質較重，散熱較差。 由于純電動車輛上去除了水箱等，因此開發的電機全部使用風冷散熱。 調研電機廠家正在生產的交流異步電機規模和性能，針對性地選型并進行防爆改造，選取的65kW 防爆交流異步電機主要技術參數見表3。

表3 電機主要技術參數表

4.2 DC/AC 變頻器的研究

對變頻器內部的所有部件進行了合理排布， 有效降低了體積，提高了功率密度，同時針對接觸網取電，在設計控制策略時， 考慮了電壓波動和短時缺電給變頻器帶來的負面影響。

由于每臺電機需要配一套IGBT 控制器，本項目針對65kW 交流異步電機設計加工IGBT 控制器。 逆變器主要包括由IGBT 功率模塊、電容、各種傳感器及銅排組成的主電路組件，以及集檢測、調速于一體的DSP 控制電路。采樣得到的位置、電流信號送入DSP，通過編程實現合理的控制策略，使電動機控制性能達到系統設計要求。

5 整車試驗

研制完成的油電雙動力運人車主要參數見表4。

表4 整車主要參數表

為了能夠更好試驗整車性能，檢驗整車動力匹配的可靠性、駕駛操縱的合理性、駕乘人員的舒適性以及檢驗各項研究內容的實用性，整車裝配完成后，采取了臺架測試和路面跑合相結合的技術路線，對整車進行了一系列有步驟的試驗驗證，分別試驗了柴油機和電機的動力性，爬坡、整車的制動性，以及常規參數的檢測，爬坡試驗見圖3。

圖3 運人車爬坡試驗

試驗表明，整車駕駛平穩，離合器分離徹底，變速箱各檔位換擋靈活到位，駐車制動手柄、動力換擋手柄、氣控球閥各手柄操作靈活，方向盤轉向靈活，離合、制動、油門各個踏板操縱可靠。 整車駕駛動力可靠，制動性好，駕乘人員舒適性高，達到了整車設計要求。

不足之處是兩種動力的疊加致使整車自重和外觀尺寸較大， 高度高、 轉彎半徑大會導致井下巷道通過性變差，寬度寬導致井下不易快速錯車。

6 結束語

出于最優化和高效的傳動路線考慮， 對油電雙動力車輛的傳動系統進行設計， 根據整車負載情況對原有底盤進行改造設計。結合金屬礦山集電裝置設計理念，研發了無軌膠輪車集電裝置， 研究了防爆風冷變頻電機和控制器，配套研發了適合輕型運人車用防爆、高效、節能、安全、模擬柴油機特性的礦用逆變交流變頻調速控制系統。經過上述相關系統的設計， 成功研制了油電雙動力并行驅動運人車，并進行了整車系統試驗驗證，滿足了設計要求。油電雙動力運人車的研發，開創了礦用雙動力車輛設計的先河， 為以后的混動或者新型系統研發奠定了一定的技術基礎。