190噸礦用交流電動(dòng)輪自卸車電阻制動(dòng)裝置

孫博

摘? 要：文章主要闡述了190噸礦用交流電動(dòng)輪自卸車交流牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)中電阻制動(dòng)裝置的技術(shù)特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)及工作原理，以及制動(dòng)性能、主要部件參數(shù)、選型的設(shè)計(jì)計(jì)算。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)輪自卸車;電阻制動(dòng);散熱計(jì)算;制動(dòng)原理

中圖分類號(hào)：U469.4? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）16-0001-04

Abstract： This paper mainly expounds the technical characteristics， structure and working principle of the resistance braking device in the AC traction electric drive system of 190ton mine-used AC motor dump truck， as well as the design and calculation of braking performance， main component parameters and type selection.

Keywords： motor dump truck; resistance braking; heat dissipation calculation; braking principle

1 概述

在我國大型露天礦山、大型水電工程日益優(yōu)化生產(chǎn)與快速建設(shè)發(fā)展的今天，重型電動(dòng)輪自卸車以其高運(yùn)行效率、大運(yùn)載量、經(jīng)濟(jì)效益好而成為其理想的運(yùn)載工具。我國從上世紀(jì)70年代中期開始引進(jìn)使用國外電動(dòng)輪自卸車，經(jīng)過40多年的不斷推進(jìn)，我國重型電動(dòng)輪自卸車生產(chǎn)的歷程經(jīng)歷了引進(jìn)、合作生產(chǎn)、國有化生產(chǎn)、自主化研發(fā)制作這四個(gè)階段。

重型電動(dòng)輪自卸車制動(dòng)結(jié)構(gòu)采用液壓制動(dòng)和電阻制動(dòng)相結(jié)合的方式，簡稱電液制動(dòng)。電液制動(dòng)是提高重型電動(dòng)輪自卸車運(yùn)營經(jīng)濟(jì)效益、保障運(yùn)營安全上的一大助力。由于電阻制動(dòng)本身無機(jī)械磨損情況，在電阻制動(dòng)的作用下，車輛降至低速（一般為5公里/小時(shí)以下）才使用液壓制動(dòng)停車。因而有效的減輕液壓制動(dòng)的負(fù)擔(dān)，延長液壓制動(dòng)工作機(jī)構(gòu)的使用壽命。通常在整車運(yùn)營成本中輪胎的消耗占第二位，先進(jìn)可靠的電阻制動(dòng)系統(tǒng)，在提高車輛行駛安全性的同時(shí)，最大程度的減輕輪胎在制動(dòng)時(shí)所受損傷，從而大幅度降低了運(yùn)營成本。

2 電阻制動(dòng)系統(tǒng)

2.1 電阻制動(dòng)總體

電動(dòng)輪自卸車電阻制動(dòng)采用動(dòng)力制動(dòng)方式，主要起車輛減速作用，特別是用于有效控制重載下坡時(shí)車輛的速度。其原理是司機(jī)踩下動(dòng)力制動(dòng)踏板，相關(guān)接觸器和繼電器按設(shè)定邏輯進(jìn)行轉(zhuǎn)換。此時(shí)，牽引電動(dòng)機(jī)在車輛慣性的作用下處于發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，其產(chǎn)生的電能經(jīng)由母線導(dǎo)入電阻制動(dòng)線路中，通過制動(dòng)電阻柵轉(zhuǎn)換成熱能消散在大氣中。

制動(dòng)電阻柵的冷卻方式有兩種：即自然通風(fēng)冷卻和強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻。而強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻使用的通風(fēng)機(jī)采用軸流式風(fēng)機(jī)，其風(fēng)機(jī)電機(jī)為串勵(lì)直流電機(jī)。風(fēng)機(jī)能源來自電制動(dòng)所產(chǎn)生的電能，而整套牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)采用直流系統(tǒng)懸浮隔離設(shè)計(jì)（風(fēng)機(jī)電機(jī)正負(fù)無需接地）。即根據(jù)線路連接技術(shù)要求將風(fēng)機(jī)電機(jī)正極（+）固定在電阻單元線路輸入端“1”，風(fēng)機(jī)電機(jī)負(fù)極（-）固定在電阻單元線路輸出端“2”，這樣通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量隨電制動(dòng)功率變化而變化，從而保證制動(dòng)電阻柵不會(huì)因制動(dòng)功率過大而燒毀。系統(tǒng)原理簡圖見圖1。

2.1.1 控制方面

2.1.2 散熱方面

通風(fēng)機(jī)根據(jù)不同制動(dòng)工況下所產(chǎn)生的電能經(jīng)由微機(jī)控制IGBT占空比大小，來控制加載在通風(fēng)機(jī)兩端的電壓：

（1）當(dāng)加載風(fēng)機(jī)兩端的電壓小于風(fēng)機(jī)啟動(dòng)電壓，此時(shí)制動(dòng)電阻為自散熱。

（2）當(dāng)加載風(fēng)機(jī)兩端的電壓大于風(fēng)機(jī)啟動(dòng)電壓時(shí)，風(fēng)機(jī)隨加載電壓逐步變化而提供不同轉(zhuǎn)速的風(fēng)量與風(fēng)壓，此時(shí)制動(dòng)電阻為強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱。

2.1.3 制動(dòng)特性

制動(dòng)功率的確定需要綜合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際路況與環(huán)境、用戶的使用需求以及電機(jī)性能，尤為注意制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的確定。制動(dòng)特性曲線見圖2。

2.2 電阻制動(dòng)控制

在電阻制動(dòng)工況下，柴油機(jī)保持高怠速運(yùn)行。主發(fā)電機(jī)通過中間直流環(huán)節(jié)和逆變器給異步電機(jī)提供預(yù)勵(lì)磁電壓，當(dāng)電動(dòng)機(jī)在預(yù)勵(lì)磁電壓下開始工作，則中間直流電壓依靠牽引電機(jī)制動(dòng)時(shí)反饋的能量迅速達(dá)到最大電壓，此時(shí)柴油機(jī)和主發(fā)電機(jī)不再向中間直流環(huán)節(jié)和制動(dòng)電阻提供能量。異步電機(jī)的定子頻率小于轉(zhuǎn)子頻率，處于發(fā)電工作狀態(tài)下，汽車位于制動(dòng)工況。

電阻制動(dòng)工況分為3個(gè)區(qū)域：恒壓非恒功制動(dòng)區(qū)、恒制動(dòng)功率區(qū)和降制動(dòng)力區(qū)。

2.3 電阻制動(dòng)裝置

電阻制動(dòng)裝置是電傳動(dòng)系統(tǒng)中重要組成部分，工作穩(wěn)定與可靠將直接影響整車的安全行駛，而電阻制動(dòng)裝置設(shè)計(jì)涉及傳熱學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、電機(jī)學(xué)等多個(gè)學(xué)科。隨著裝載噸位的不斷提升，電阻制動(dòng)裝置的功率隨之增大，受車體平臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸的限制，要求電阻制動(dòng)裝置盡可能緊湊、高效和耐高溫。既要求有足夠的散熱風(fēng)量、風(fēng)壓提供給電阻柵，又要滿足制動(dòng)功率能耗要求，由此給電阻制動(dòng)裝置設(shè)計(jì)提出了較高的要求。

電阻制動(dòng)裝置由柜體、風(fēng)機(jī)、導(dǎo)流風(fēng)道、電阻單元及連接銅排組成，電阻制動(dòng)裝置見圖4。冷卻空氣經(jīng)由風(fēng)機(jī)加壓后以一定速度經(jīng)過導(dǎo)流風(fēng)道送入電阻柜內(nèi)，冷卻空氣在電阻柜內(nèi)通過熱交換吸收高溫電阻帶散發(fā)的熱量，再經(jīng)電阻柜另一側(cè)百葉窗排入大氣。

1.柜體結(jié)構(gòu);2.散熱風(fēng)機(jī);3.導(dǎo)流風(fēng)道;

4.電阻單元;5.連接銅排

3 參數(shù)計(jì)算

3.1 電阻功率

電阻帶在發(fā)熱狀態(tài)其各部位的發(fā)熱溫度實(shí)際不是均勻分布的。受電阻帶體本身結(jié)構(gòu)形狀影響，各部位截面積流過電流密度的大小有差異，電阻帶各部位溫升不同;同時(shí)各部位在風(fēng)道截面中分布的位置不同，及各部位通風(fēng)效果也有差異;并且靠近風(fēng)機(jī)側(cè)與遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)側(cè)電阻帶通過的冷卻風(fēng)溫度也有變化，再加上熱能傳導(dǎo)與外界實(shí)際情況的不確定性。

為方便整體分析故做簡化處理，將整個(gè)電阻單元看做發(fā)熱均勻的整體，其表面溫度均勻分布沒有溫差。而電阻單元實(shí)際功能則在制動(dòng)工況時(shí)將牽引電機(jī)制動(dòng)過程產(chǎn)生的能量全部轉(zhuǎn)化成熱能消耗掉，此時(shí)電阻單元兩端加載電壓就是牽引端壓U。為確保汽車在任何情況下的制動(dòng)效果，電阻單元能承載的功率為最大制動(dòng)功率，即牽引制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的最大端電壓U與最大母線電流I。

由上可以得到電阻單元所要承載的最大功率P，根據(jù)熱量守恒定律，電阻單元所產(chǎn)生的熱能Q以功率P的形式呈現(xiàn)。

3.2 電阻材質(zhì)

電阻帶材質(zhì)的性能是電阻制動(dòng)裝置能否穩(wěn)定高效持久工作的依靠，首先材質(zhì)在高溫使用環(huán)境下必須具備其抗氧化性和耐熱性，因此才能擁有較高的使用壽命和使用溫度;其次材質(zhì)需要具備電阻系數(shù)高、電阻穩(wěn)定性長和電阻溫度系數(shù)小的特點(diǎn);再次材質(zhì)需要具備一定的耐高溫強(qiáng)度，以保證在高溫環(huán)境下帶體不變形和斷裂;最后材質(zhì)需要具備良好的加工特性。一般電阻帶材質(zhì)選用Ni-Cr和Fe-Cr-AI系列合金帶。性能見表1。

從表1中兩者都能滿足材質(zhì)性能要求，但綜合來看Ni-Cr材質(zhì)加工性能好、高溫強(qiáng)度高、高溫振動(dòng)及惡劣工況環(huán)境下更為可靠?？紤]到重型電動(dòng)輪自卸車的運(yùn)行環(huán)境比較惡劣所以材質(zhì)選用Ni-Cr，由此可根據(jù)材料性能確定電阻單元最高工作溫升K，并得出風(fēng)道進(jìn)出風(fēng)口溫升ΔT。

3.3 風(fēng)量與阻力

3.3.1 風(fēng)量計(jì)算

3.3.2 風(fēng)道空氣阻力

（1）導(dǎo)流風(fēng)道風(fēng)阻

通風(fēng)機(jī)出風(fēng)口截面為圓形，電阻單元進(jìn)風(fēng)口截面為矩形。兩者形狀尺寸差異過大，如直接將其對(duì)接會(huì)有較大突然擴(kuò)張損失引起流場(chǎng)的不均勻產(chǎn)生大量風(fēng)阻，因此在通風(fēng)機(jī)與電阻單元之間增加導(dǎo)流風(fēng)道，以使風(fēng)道平緩地完成從圓到矩形的延展趨勢(shì)。導(dǎo)流風(fēng)道由圓形進(jìn)風(fēng)口、矩形出風(fēng)口、導(dǎo)流錐、間隔板和導(dǎo)風(fēng)板組成。導(dǎo)流風(fēng)道三維模型見圖5。

3.4.3 風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)

風(fēng)機(jī)的流量Q與其所產(chǎn)生的壓頭P之間，保持一定的關(guān)系，據(jù)此所繪制的曲線，稱為風(fēng)機(jī)的Q-P特性曲線。風(fēng)機(jī)總是與風(fēng)道連接在一起工作的，當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，風(fēng)流量相應(yīng)變化，風(fēng)道的流動(dòng)阻力ΔP也隨之變化，根據(jù)它們之間的變化關(guān)系所繪制的曲線，稱管道的Q-ΔP特性曲線。

風(fēng)機(jī)在工作時(shí)，它所能產(chǎn)生的壓頭，恰好等于該管道系統(tǒng)輸送相同流量氣體所消耗的總壓頭（即管道總流動(dòng)阻力），它們?cè)诠┣箨P(guān)系上處于平衡狀態(tài)。因此，風(fēng)機(jī)的Q-P特性曲線與管道系統(tǒng)的Q-ΔP特性曲線的交點(diǎn)A即為風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)，見圖8。工作點(diǎn)A的位置，決定了風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)下的一切參數(shù)。

4 柜體結(jié)構(gòu)

受車體平臺(tái)空間限制，電阻柜外型既要緊湊又要滿足柜體內(nèi)部安裝空間及連線操作空間的要求。為此設(shè)計(jì)時(shí)放棄常用的型材結(jié)構(gòu)組焊，改用鋼板沖壓成型組焊結(jié)構(gòu)。既能減少型材結(jié)構(gòu)帶來的空間干涉，增加內(nèi)部緊湊度，減少外型尺寸;又能保留結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度，滿足柜體抗沖擊性能;同時(shí)結(jié)構(gòu)各折彎處配合柜體底面排水口形成良好的雨、污水導(dǎo)流通道，確保在惡劣環(huán)境下柜體內(nèi)部無積水，保證制動(dòng)電阻裝置長期穩(wěn)定高效的運(yùn)行。柜體內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖9。

5 制動(dòng)電阻裝置整體參數(shù)

制動(dòng)電阻裝置設(shè)計(jì)參數(shù)滿足190噸礦用交流電動(dòng)輪自卸車牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)交流異步牽引電動(dòng)機(jī)制動(dòng)工況時(shí)制動(dòng)特性，具體制動(dòng)電阻裝置定額及電氣數(shù)據(jù)見表2。

6 結(jié)束語

（1）電阻制動(dòng)為確保電動(dòng)輪自卸車電傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性起到重要作用，在設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮用戶使用現(xiàn)場(chǎng)的路況與環(huán)境，來合理確定制動(dòng)參數(shù)與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使電阻制動(dòng)裝置能在惡劣的使用環(huán)境下保持穩(wěn)定可靠的工作。

（2）上述計(jì)算內(nèi)容對(duì)電動(dòng)輪自卸車電阻制動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)起到一定指導(dǎo)意義。由于電阻單元排列密集內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要合理設(shè)計(jì)相關(guān)結(jié)構(gòu)使內(nèi)部阻力系數(shù)控制在合理范圍。

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