架線式電機車電動機能耗制動裝置及應用

2023-03-15 05:45:28孫秀茹閆豐偉秦春彬馮麗軍

黃金 2023年2期

孫秀茹，閆豐偉,秦春彬，馮麗軍

(1.煙臺黃金職業學院； 2.煙臺盛玖源環?？萍加邢薰荆?3.青島城得發石業有限公司)

目前，電機車是金屬礦山的主要運輸設備，可牽引礦車組在水平或坡度≤3 %的線路上進行長距離運輸，也可用于短距離運輸或調車。但在實際使用中電機車普遍存在一些問題，如制動效果差、制動距離長等。根據GB 16423—2020 《金屬非金屬礦山安全規程》，電機車在運送人員時制動距離不應超過20 m，運送物料時不應超過40 m，14 t以上的大型電機車(或雙機)牽引運輸，應根據運輸條件予以確定，但應不超過80 m[1]。3 t以上電機車普遍采用壓縮空氣制動，能夠滿足規程要求。3 t以下電機車因車身空間有限，難以配置單獨的空氣壓縮機，普遍采用機械制動，存在制動力矩小、制動距離長等缺點，且在惡劣工況和頻繁動作下容易損壞[2-6]。因此，礦山企業多年來一直在探索、尋求一種制動平穩、制動效果明顯的制動裝置，以滿足生產需要。本文以3 t架線式電機車為研究對象，進行電動機能耗制動裝置的研究。

1 電動機能耗制動裝置

1.1 工作原理

當電機車制動時，從高速降到低速(零速)，電動機的轉子因負載(生產機械)有較大的機械慣性，不能迅速停車，會產生反電勢EU(端電壓)，電動機處于發電狀態，其產生的反向電磁轉矩與原電動機轉矩狀態相反，從而使電動機具有一定的制動力矩，迫使轉子停下，這種制動方法不可控，制動力矩有波動。在電動機的電樞端串接電阻，電機車制動時，牽引電動機以發電機工況運行，機械能拖動發電機的電樞繞組旋轉，切割勵磁繞組產生勵磁，在電樞繞組兩端形成感應電動勢，這樣閉合回路就產生了電流，感應電流、電磁轉矩的方向反向，把多余的機械能(慣性能量)產生的電能耗散在制動電阻上，從而避免了對機械部件的沖擊。

但是，架線式電機車配備的是直流電動機，其勵磁方式為串勵，制動特性如圖1所示。當進入制動狀態后，隨著轉速(y)的降低，電動機的制動轉矩(x)急速減小，制動轉矩相對于強大的慣性力矩來說，幾乎沒有作用。因此，需要把勵磁方式由串勵形式改接成他勵形式，進入“他勵能耗制動”。

圖1 串勵電動機的能耗制動特性示意圖

他勵是將勵磁繞組和電樞繞組分別接到電源上。由于串勵直流電動機的勵磁繞組的電阻、電感、電流很小，所以必須選擇適當的直流電壓，既要保證足夠的勵磁電流，又要保證不燒毀勵磁線圈。他勵能耗制動時，將直流電壓注入電樞繞組中，產生一定的磁場，轉子會因產生的轉矩而慢慢停下來。施加的外部電壓與產生的磁場成正比，只要持續地供給直流電壓，轉子就會停在相應的位置，外接電壓值越大，制動轉矩越大，制動效果越好。

通過理論計算與多次試驗，選定4節直流電瓶(12 V，100 A·h)作為外接電源，當電機車需要制動時，利用直流電動機的可逆性，使直流電動機轉換到直流發電機狀態，將牽引電動機與原工作回路中的電源斷開。然后，勵磁繞組中通入可控可調的直流電源，以保證電動機不發生飛車事故。同時，在電樞繞組中也通入合適的電源，使其產生足夠大的制動轉矩，使電機車限速、降速直至停車。

1.2 制動特點

電機車制動時，只需踩下制動踏板(或者手動制動)，切斷架線與電機車的連接。此時，直流電動機處于發電狀態，電樞繞組中串接的制動電阻參與制動；同時，勵磁繞組與電樞繞組由串接狀態斷開，外部直流電瓶供電給電樞繞組，進入能耗制動裝置，勵磁方式轉化為他勵。通過調節他勵電流的大小，使施加于電樞的制動力矩與電動機的慣性力矩相平衡，當制動過程結束后，切換至正常運行狀態。電動機能耗制動裝置的特點在于：

1)制動電流為峰值可控，采用功能先進的霍爾開關控制通過勵磁繞組電流的大小，實現多段位分段控制，可實現在滿足工作制動、緊急制動距離要求的前提下，始終保持制動轉矩在合理區間，使制動過程無抱死、不脫軌、無機械沖擊和電動機打火。

2)勵磁繞組中串聯了快速熔斷裝置，一旦制動電流過大，能快速切斷回路，保證電機車運行安全。

3)電動機能耗制動裝置是“傻瓜式”自動化操作系統，操作難度小。

2 電動機能耗制動裝置功能

1)電動機能耗制動裝置帶有車門聯鎖裝置，在電機車車門未關好的情況下不能啟動設備，提高了設備操作的安全性。

2)選擇工作制動或緊急制動狀態時，司乘人員無需將主軸手柄歸零并拉下集電弓，只需按下相應開關，裝置將自動按設定的程序工作。司乘人員也可隨時中斷制動過程，使電機車按照慣性或按選擇的檔位與方向運行，操作靈活方便，實用性較強。

3)電動機能耗制動裝置能與雙機車編組的三段LED黃綠紅提示功能相輔助，有利于工作協調，同時提高了電機車運行安全性。

4)電量顯示功能除提醒司乘人員注意電瓶殘存電量外，還提醒司乘人員長時間離車必須切斷控制器工作電源以節省電瓶電量。

5)電動機能耗制動裝置具有故障診斷功能，方便維修人員快速查找故障點并更換器件。

6)電動機能耗制動裝置預設實現重車高速時，工作制動距離10～15 m，緊急制動距離10 m之內的技術指標，符合相關規程的規定。

3 工業試驗

3.1 模擬試驗

3.1.1 模擬試驗條件

1)制作1個操場式的環形軌道，其中直線軌道長30 m，以便于測試。

2)制作1個自動撒沙裝置，模擬不同摩擦力條件下的軌面狀況。

3)為使負載模擬與實際工況接近，采取加大電機車自重的辦法(增加了1.5 t的鐵塊作為配重)，以增大其黏著力。

當電機車在直線段位置達到規定速度時，開始投入電機車能耗制動裝置。

3.1.2 試驗結果

模擬試驗條件下投入電動機能耗制動裝置的試驗數據如表1所示。

表1 投入電動機能耗制動裝置的電機車制動情況

3.2 工業試驗

選擇招遠市阜山黃金礦業工程有限責任公司南仁澗礦區進行了電動機能耗制動裝置投入前后的電機車制動性能試驗。

3.2.1 投入電動機能耗制動裝置前制動性能

試驗選擇路段比較平穩，無彎道，基本屬于直線段的地點，導軌面比較干凈，只有少許粉末，經多次試驗，選擇3組具有代表性的數據,如表2、表3所示。其中，表2的試驗條件為滿載0.75 m3的礦車10輛，軌面干燥；表3的試驗條件為滿載0.75 m3的礦車7輛，軌面潮濕，略有油污。

表2 干燥軌面3 t架線式電機車制動情況

表3 潮濕軌面3 t架線式電機車制動情況

由表2、表3可知，電機車的制動距離與軌面的摩擦系數關系很大。摩擦系數越小，制動距離越長。所以，需要改善導軌面的狀況，以便縮短制動距離。同等試驗條件下的制動距離，與負載大小成正比，即負載越大，制動距離越長，基本正比于電機車制動時的慣性大小。

3.2.2 投入電動機能耗制動裝置后制動性能

由于實際工況的復雜性遠遠不是實驗室所能模擬出來的，因此，系統采用的電氣元件參數的合理性需要在礦山現場進行檢驗。在與投入電動機能耗制動裝置前電機車制動性能相同的試驗條件下，測試了投入電動機能耗制動裝置后電機車制動性能，現場實測試驗數據如表4(試驗條件同表2)、表5(試驗條件同表3)所示。

表4 現場干燥軌面3 t架線式電機車制動情況

表5 現場潮濕軌面3 t架線式電機車制動情況

由表4、表5可知，采用電動機能耗制動裝置后，制動距離縮短了近1/2,且電機車運行速度越小，其制動效果越明顯。

3.3 效益分析

電動機能耗制動裝置制動力矩可調可控，電機車的脫軌事故、撞車事故發生概率大大降低，并有效提高了電機車制動的準確性、安全性，縮短制動時間。經過在招遠市阜山黃金礦業工程有限責任公司南仁澗礦區試運行發現，電機車的維修率及維修成本縮減至原來的1/4左右。粗略計算，每臺3 t架線式電機車每年節約的直接維修費達2萬元以上；另外，因其縮短了停機時間，即間接地提高了工作效率。按照每班增加1 h的運輸時間計算，每年可增產礦石6萬t，其增加的經濟效益非?？捎^。

在電動機能耗制動裝置未投入使用前，從事電機車運輸作業的工區，幾乎每年都發生過由于電機車脫軌或者撞車而導致的傷人事故，其給社會帶來的負面影響不言而喻。但是，采用該電動機能耗制動裝置以后，類似事故沒有發生，大大提高了運輸系統的安全性。