礦用無軌膠輪車的整車性能測試分析

靳 聰， 秦亞洲， 孫世光， 侯學(xué)軼

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

目前，國內(nèi)煤礦的開采進入到高速發(fā)展的階段，為了提高工作效率，國內(nèi)開始引入礦用膠輪車來承擔(dān)煤礦井下的輔助運輸.隨著國內(nèi)礦用車的應(yīng)用出勤率不斷增加，用戶對礦用防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌膠輪車的性能要求日益提升，新能源礦用運輸車輛具有了廣闊的市場前景以及豐厚的利潤空間，因而國內(nèi)的企業(yè)或科研機構(gòu)越來越多地關(guān)注對防爆鋰離子蓄電池礦用車的技術(shù)研發(fā)[1-2]和相關(guān)性能測試.

本研究基于國家標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)行業(yè)的技術(shù)要求，在給定的試驗條件下，采用相關(guān)測試儀器設(shè)備針對調(diào)試無誤后的礦用車進行性能測試，分析所獲得的測試數(shù)據(jù)，給出進一步需要優(yōu)化的意見.

1 試驗樣車概況

本試驗中采用的樣車是某公司生產(chǎn)的WLR-19B(A)礦用防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌膠輪車.表1為該車型的基本技術(shù)指標(biāo).

WLR-19B(A)型礦用防爆鋰離子電池?zé)o軌膠輪車,是一款新動力型式的19人運輸車，整車的驅(qū)動型式為后輪驅(qū)動，主要用于運載人員及其隨身物品，進行煤礦環(huán)境下的安全運輸工作.由于采用了以電能為動力，因此本車具有無排油污染、噪聲小的特點；該車改善了煤礦井巷空氣質(zhì)量，又可回收在制動與下坡時的能量，提高了能量的利用率，是一種新型的高效的綠色環(huán)保車.

表1 整車技術(shù)指標(biāo)

本車主要組成部分為動力系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、車架(懸架)與車身等.本車的車架結(jié)構(gòu)型式為汽車邊梁式車架，由汽車大梁用鋼板沖壓成型，專用夾具平臺組焊而成，并經(jīng)特殊防腐處理，結(jié)構(gòu)合理且強度大，前、后懸架均為非獨立板簧，結(jié)構(gòu)安全舒適、簡單可靠；該車為全液壓式轉(zhuǎn)向機構(gòu)，轉(zhuǎn)向輕便靈活，制動系統(tǒng)包含腳制動踏板組、多盤濕式制動器、手制動操縱機構(gòu)等，前、后橋制動管路各自獨立；本車動力系統(tǒng)由3套礦用隔爆型鋰離子蓄電池電源裝置串聯(lián)、電機調(diào)速裝置以及牽引電機組成，配用的是隔爆型永磁電機，絕緣等級為H級，傳動方式采用機械傳動，牽引電機產(chǎn)生的動力，通過變速箱,經(jīng)傳動軸傳遞至主減速器、半軸,最終傳遞到車輪上；該車為純電動礦用無軌膠輪車，電氣系統(tǒng)分為兩大部分，即動力部分與控制部分，動力部分由鋰離子蓄電池電源裝置、手動饋電開關(guān)、電機調(diào)速裝置、牽引電機、充電插座等組成，控制部分由電源控制箱、總控制裝置、控制顯示器、LED前照燈、LED后指示燈、電子喇叭等組成.

2 試驗內(nèi)容與結(jié)果

2.1 試驗方法和條件

礦用車的整車性能主要指的是車輛的動力性能，包括車輛的最高車速、加速性能、制動性能、爬坡能力、行駛系統(tǒng)表面溫度等方面，主要針對該礦用車的質(zhì)量尺寸和動力性能方面進行分析，并通過實車測試，得到測試結(jié)果并繪制相關(guān)的曲線，再基于獲得的數(shù)據(jù)和曲線情況與整車設(shè)計技術(shù)指標(biāo)進行對比分析，找到其存在不足的地方，以便可以對車輛的設(shè)計方案進行修正.

整車性能測試對外部環(huán)境的要求比較高，具體要求如下：試驗時應(yīng)是相對晴朗天氣，無雨無霧；相對濕度小于95%大于30%；氣溫5～32℃；風(fēng)速不大于3 m/s；大氣壓力為85～106 kPa范圍內(nèi).所有試驗項目均是在溫度20℃、濕度50%、風(fēng)速不大于3 m/s、大氣壓力101 kPa的條件下完成的.試驗測試所需的儀器及設(shè)備是由英國RACELOGIC生產(chǎn)制造的V-BOX車輛動態(tài)測試儀一套，激光測溫計一個，卷尺一個，稱重設(shè)備一套，各儀器設(shè)備均滿足使用要求；試驗測試的場地為某研究所環(huán)形試驗場.在礦用車完全充電之后，進行最高車速測試、加速性能、制動性能、14°坡道起步能力、行駛系統(tǒng)表面溫度測試的相關(guān)試驗.

2.2 試驗內(nèi)容

2.2.1 質(zhì)量和尺寸測試

依據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)對樣車的尺寸、重量進行測量[3-4]，結(jié)果如表2所示.

表2 整車尺寸和質(zhì)量

可以看到，將表2的測試結(jié)果與表1的整車技術(shù)指標(biāo)要求相比，實際測量獲得的該車型的車寬出現(xiàn)誤差，即車身較寬，可能會造成車頭部分迎風(fēng)面積較大，車輛向前行駛時受到的阻力較大；另外整車質(zhì)量與技術(shù)要求也有所出入，車輛的整備質(zhì)量較重，尤其是后軸較前軸承重較大.綜上所述，該車輛應(yīng)適當(dāng)考慮改進車身寬度尺寸的設(shè)計并改善整車前軸與后軸承重壓力的平衡程度，同時注重整車的輕量化設(shè)計.

2.2.2 最高車速試驗

基于最新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求[5-6]，在檢查試驗車輛安全并無故障后，使用沙袋對車輛進行加載，保證車輛處于滿載狀態(tài)并且車輛軸荷分配合理.礦用車在充電完成的情況下，對此車輛進行試驗.當(dāng)試驗車輛達(dá)到最高車速并穩(wěn)定后由北向南行駛200 m，記錄行駛時間T1，計算出車輛的最高車速平均值V1；接下來車輛反方向由南向北行駛200 m，再進行一次試驗，并記錄行駛時間T2，計算出礦用車的最高車速平均值V2.此試驗結(jié)果見表3.

表3 最高車速試驗數(shù)據(jù)

該測試樣車為低速礦用運人車，其最高車速達(dá)到26 km/h即可滿足設(shè)計要求.從表3可以得知該車型實際測得的最高車速符合設(shè)計技術(shù)指標(biāo).

2.2.3 加速性能試驗

依據(jù)相應(yīng)的技術(shù)要求進行加速性能試驗[7].試驗車輛保持滿載狀態(tài)，將車輛放置好，記錄其初始位置，啟動車輛，然后快速將加速踏板踩到底，車輛進入加速行駛狀態(tài)，當(dāng)車速達(dá)到約25.6 km/h時，記錄車輛從啟動至車速達(dá)到25.6 km/h的時間.然后反方向行駛對車輛再進行一次相同試驗并記錄相關(guān)數(shù)據(jù).計算正反兩方向上相關(guān)數(shù)據(jù)的平均值，并依據(jù)這些平均數(shù)值繪制相關(guān)的關(guān)系曲線圖，如圖1所示.當(dāng)車速達(dá)到最高車速約25.6 km/h時，所用加速時間約為28.1 s.

圖1 速度和加速時間變化曲線

礦用車的加速性能是反映車輛整體動力性能是否足夠優(yōu)秀的很重要因素.一般來說，車輛從起步到設(shè)定的車速所用時間越短，說明其加速性能越好.該樣車所用總加速時間基本滿足設(shè)計技術(shù)指標(biāo)，但從圖1可以分析得出，該試驗樣車在0～20 km/h速度區(qū)間段加速較快，時間約為13 s，但在20～26 km/h速度區(qū)間段加速較為緩慢，時間約為15 s，此結(jié)果與表1中該車的基本設(shè)計技術(shù)要求有所出入，需要進一步的改進并完善.由分析可知，車速在20～26 km/h的范圍內(nèi)時，車輛需求的功率較大，而車輛的扭矩較小，致使加速時間較長，因此該車型應(yīng)增加電機功率或換擋機構(gòu)，以保證礦用車在車速相對較高情況下的加速需求.

2.2.4 制動性能試驗

根據(jù)相關(guān)的行業(yè)技術(shù)要求和國家標(biāo)準(zhǔn)進行制動性能試驗[5，8].本項試驗選取水平干硬路面中2.5 m通道寬度的路面作為測試區(qū)，在其兩邊劃線標(biāo)記，車輛沿測試區(qū)中線行駛，當(dāng)以額定載荷裝配的車輛的速度達(dá)到20 km/h后，松開加速踏板并將制動踏板踩到底直至試驗車輛完全停止，記錄所使用的時間t和行駛的距離s.然后反方向行駛再進行一次試驗，并記錄所使用的時間t和行駛的距離s.依據(jù)所得的數(shù)據(jù)分別繪制冷態(tài)與熱態(tài)下速度和制動距離關(guān)系變化曲線圖，如圖2所示.

圖2 冷態(tài)與熱態(tài)下的速度和制動距離變化曲線

在水平干硬路面，被測試的礦用車以滿載狀態(tài)且20 km/h初速度的要求開始進行此項試驗，需要滿足冷態(tài)制動距離為6 m、熱態(tài)制動距離為7.5 m的技術(shù)要求.車輛應(yīng)先按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求進行冷態(tài)制動測試，然后在完成行駛系統(tǒng)表面溫度測試后的1 min內(nèi)，進行車輛的熱態(tài)制動性能試驗，此時，除了其溫度條件不同于冷態(tài)制動，其余的條件均與冷態(tài)制動性能試驗時相同.由圖2可以看到，熱態(tài)制動時速度下降的程度比冷態(tài)制動時更快，冷態(tài)下相應(yīng)的制動距離比熱態(tài)下更長，當(dāng)速度減為0 km/h時，冷態(tài)制動距離和熱態(tài)制動距離的值分別為4.58 m和3.29 m.

平均減速度(MFDD)是判斷該礦用車制動性能優(yōu)劣的另一項重要技術(shù)指標(biāo).MFDD的計算公式如下：

(1)

式中：速度v1代表0.8v0，km/h；速度v2代表0.1v0，km/h；速度v0為該車開始進行制動時的初速度，km/h；s1等于試驗車速從v0到v1之間該車行駛的距離，m；s2等于試驗車速從v0到v2之間該車行駛的距離，m.

由圖2的制動距離和速度關(guān)系變化曲線可以得知，冷態(tài)制動時vMFDD=4.77 m/s2，熱態(tài)制動時vMFDD=6.14 m/s2.熱態(tài)制動下的平均減速度相對更大，試驗結(jié)果滿足冷態(tài)與熱態(tài)制動下關(guān)于平均減速度的技術(shù)要求.

該礦用車采用行車制動(主動制動)和駐車制動(緊急制動)組合的制動系統(tǒng).一般來講，車輛的制動距離越短說明其制動性能越好.上述試驗獲得的結(jié)果說明整個制動系統(tǒng)符合GB7258機動車運行安全技術(shù)條件、礦用車安全技術(shù)要求以及相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，制動靈敏、安全可靠.

2.2.5 爬坡性能試驗

礦用車的爬坡性能是反映車輛整體性能的一個重要指標(biāo).基于相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進行額定載荷狀態(tài)下的爬陡坡及坡道起步的相關(guān)爬坡試驗[5，9]，試驗車輛在最大駐車坡道上保持靜止不產(chǎn)生位移.用沙袋將2 280 kg的載荷加載到試驗車輛上，所加載荷均勻放置在車輛載人的車箱中，使車輛達(dá)到所規(guī)定的最大總質(zhì)量.先將車輛停在坡度為14°的坡道上并保持靜止，然后踩下加速踏板，車輛起步并以不低于10 km/h的速度通過長度為10 m的測量區(qū)，如圖3所示.試驗結(jié)果說明該礦用車的爬坡能力符合設(shè)計要求.

圖3 爬坡性能試驗

2.2.6 行駛系統(tǒng)表面溫度測試

參照相關(guān)的試驗工況和方法[5，10]，礦用防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌車輛在額定載荷狀態(tài)下沿圖4所示的車輛行駛路線行駛.

①從A點開始，以安全且盡可能快的速度，后退行駛到B點；

②從B點由靜止全速加速至額定車速之后，立即用行車制動器實施制動，直至車輛有控制地停止在C點，從全速運行、減速運行到停止的這段行駛距離，不同型號的車輛可有所不同，但至少不應(yīng)小于6 m；

③從C點安全前進行駛到D點；

④在正常操作條件下以盡可能快的速度從D點行駛到A點.

圖4 車輛試驗循環(huán)路徑

在上述試驗條件下，試驗車輛應(yīng)重復(fù)進行這一試驗循環(huán)，試驗循環(huán)次數(shù)20次.

試驗完成后，對該車行駛系統(tǒng)的關(guān)鍵發(fā)熱部位進行表面溫度測量，并將實際測得的溫度按公式(2)修正到40 ℃環(huán)境溫度下的溫度測量值.

T=tt-tam+40.

(2)

式中：tt為試驗測得的最高溫度，℃；tam為試驗時的環(huán)境溫度，℃；T為修正后的設(shè)備或部件的最高表面溫度，℃.

試驗結(jié)果表明：該車正常使用時，經(jīng)過式(2)修正后獲得的行駛系統(tǒng)各關(guān)鍵部件的表面溫度均小于150 ℃.輪胎、制動器和車橋端蓋的具體測得的數(shù)據(jù)如表4所示.

表4 行駛系統(tǒng)關(guān)鍵部件的表面溫度數(shù)據(jù) ℃

3 結(jié) 論

綜上所述，被測試樣車以滿足應(yīng)用設(shè)計及技術(shù)要求為前提，較充分地考慮了礦用無軌膠輪車系統(tǒng)的尺寸結(jié)構(gòu)、性能及工作效率，對裝配完好的礦用車樣車進行匹配及調(diào)試，在該樣車調(diào)試完成后，基于相關(guān)技術(shù)要求及試驗方法對此樣車進行了各項專用性能試驗，結(jié)果表明：該礦用無軌膠輪車可以在規(guī)定的最高車速26 km/h下正常可靠地行駛，并且基本具備爬坡能力強、制動性能較好等優(yōu)點，但還

需要在車身外部尺寸結(jié)構(gòu)和加速時間方面進一步優(yōu)化完善.同時，為了保證該礦用車在性能方面更加舒適可靠，還有必要進一步對整車的動力性能進行更深入和更全面的測試評價與分析研究.