電動防爆無軌膠輪運(yùn)輸車牽引電機(jī)參數(shù)設(shè)計*

許聯(lián)航

(神東煤炭集團(tuán)技術(shù)研究院，陜西 神木 719315)

0 引言

電動防爆無軌膠輪運(yùn)輸車是一種用于煤礦井下，以蓄電池為動力源、牽引電機(jī)驅(qū)動的無軌式運(yùn)輸機(jī)械[1-3]。它具有綠色環(huán)保、噪音低、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，也存在能量有限、續(xù)航里程短等電動車固有缺點(diǎn)[4-5]。在防爆車輛重量大、現(xiàn)有鋰電池技術(shù)難以突破的情況下，設(shè)計合理的電機(jī)參數(shù)、提高電驅(qū)效率是提高續(xù)航里程的有效途徑。

電機(jī)驅(qū)動效率變化大、高效區(qū)有限，若電機(jī)參數(shù)設(shè)計不能匹配整車特性，車輛續(xù)航里程難以達(dá)到要求[6-7]。以神華神東集團(tuán)與航天重工聯(lián)合研發(fā)的WLL-5A電動防爆無軌膠輪材料運(yùn)輸車為例，對牽引電機(jī)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析、計算、優(yōu)化，介紹了完整的計算推演過程。

1 總體動力性能指標(biāo)

根據(jù)整車總體設(shè)計輸入，整車動力性能參數(shù)見表1。

2 電機(jī)參數(shù)計算

電動機(jī)的參數(shù)選擇直接影響整車的動力性和經(jīng)濟(jì)性。電動機(jī)功率、轉(zhuǎn)矩越大，整車加速性和最大爬坡度越好。但也會增加電動機(jī)的體積和質(zhì)量，正常行駛時電動機(jī)不能長時間在高效率區(qū)附近工作，這將影響整車的經(jīng)濟(jì)性，降低車輛的續(xù)駛里程。電動機(jī)的額定功率可由最高車速、爬坡度、加速時間來確定。

2.1 額定功率

由表1可知，本車滿載最高車速30 km/h，空載最高車速40 km/h，根據(jù)最高車速vmax(km/h)確定的最大功率Pvmax為

(1)

式中：m—整車質(zhì)量；g—重力加速度；f—滾動阻力系數(shù)；CD—風(fēng)阻系數(shù)；A—分?jǐn)偟呐R風(fēng)面積；ηT—傳動效率。

經(jīng)計算，空載40 km/h時，Pvmax=28.3 kW，滿載30 km/h時，Pvmax=29.1 kW。

其次，根據(jù)最大爬坡度確定的最大功率Pvmax為

(2)

式中：vi—額定爬坡度時的穩(wěn)定車速,km/h；αmax—額定爬坡角，αmax=arctanλmax。

礦區(qū)一般最大爬坡度小于14%，取λmax=14%，vi=9 km/h，Pλmax=67 kW。經(jīng)計算，Pmax≥67 kW。

最后，根據(jù)加速性能確定的最大功率Pmax_T。假設(shè)電動輪在無風(fēng)的平直路面上全力加速，根據(jù)車輛加速過程動力學(xué)方程，加速過程中其瞬態(tài)總功率為

(3)

而加速過程中，瞬時車速可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式表示為

(4)

式中：vm—車輛的末速度，km/h；tm—車輛的加速時間，s；x—擬合系數(shù)，一般取0.5左右。

車輛在加速過程的末時刻，電動機(jī)輸出的功率最大，因此加速過程中最大功率需求Pmax_T為

(5)

(6)

將經(jīng)驗(yàn)公式(4)代入式(6)并化簡得

(7)

將礦用車電動輪的相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式(5)中，根據(jù)從速度0加速到30 km/h所需時間小于25 s，得出驅(qū)動系統(tǒng)總功率Pmax_T=110 kW。

根據(jù)上述由動力性3項(xiàng)指標(biāo)計算的各自最大的功率，驅(qū)動電機(jī)峰值功率Ppeak須滿足上述所有的要求，即Ppeak≥max(Pvmax,Pλmax,Pmax_T)，根據(jù)上式綜合考慮礦用車電動輪的3項(xiàng)動力性指標(biāo)，則可選電動輪電機(jī)的總額定功率Ppeak≥110 kW。考慮到該車輛由電池供電，續(xù)航里程是關(guān)鍵參數(shù)，故以Pλmax為額定功率選型，即Ppeak≥67 kW。在空間、質(zhì)量滿足總體設(shè)計要求的條件下，可適當(dāng)增加額定值。

2.2 牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍和額定轉(zhuǎn)速

由電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速對應(yīng)整車的最高速度，則電機(jī)所需最高轉(zhuǎn)速為

(8)

式中：Vmax—車輛的最高速度；δ—電動輪減速比；D—輪胎直徑。

經(jīng)計算，nmax≥4 276 r/min。故電機(jī)最高可調(diào)轉(zhuǎn)速應(yīng)不低于4 276 r/min。而電動機(jī)最高轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的比值也稱為電機(jī)擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)β，隨β值的增大，電動機(jī)可在低轉(zhuǎn)速區(qū)獲得較大的轉(zhuǎn)矩，有利于提高車輛的加速性和爬坡性能，但β值過大會導(dǎo)致電動機(jī)工作電流的增大，增大電機(jī)的尺寸和質(zhì)量，因此β值一般取2～4。

車輛電機(jī)額定點(diǎn)的選取應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況的需要進(jìn)行選擇，該車型在井下作業(yè)，首先應(yīng)滿足額定14%坡度的爬坡能力，故額定點(diǎn)選在該工況。

14%滿載爬坡牽整車總阻力為

(9)

整車電機(jī)所需轉(zhuǎn)矩為

(10)

(11)

經(jīng)計算ηr=964 r/min。

綜上考慮，選取14%坡度爬坡最小牽引轉(zhuǎn)矩Tr=664 N·m為額定轉(zhuǎn)矩，額定轉(zhuǎn)速964 rpm，其滿足β≥4。

電機(jī)的峰值參數(shù)包括峰值轉(zhuǎn)矩及峰值功率，為滿足表1中的整車總體設(shè)計要求，滿載最大爬坡坡度為25%，即牽引電機(jī)應(yīng)具備一定的短時過載能力，本方案短時過載對電機(jī)峰值，由公式(10)、(11)可計算得25%坡度滿載所需牽引轉(zhuǎn)矩為1 091 N·m，故過載倍數(shù)為1.64，峰值轉(zhuǎn)矩為1 091 N·m，峰值功率為110 kW。

2.3 電機(jī)功率分配方案

根據(jù)總體設(shè)計要求，車輛根據(jù)實(shí)時路況及車輛工作狀態(tài)切換兩驅(qū)/四驅(qū)牽引模式，且通過改變前后軸保有的電機(jī)功率比例，可有效提高電池能量利用率，增加續(xù)航里程；根據(jù)總體設(shè)計，當(dāng)前后電機(jī)的扭矩與前后軸的負(fù)載率相匹配時，即前后載荷比與前后軸轉(zhuǎn)矩比相同，電機(jī)的驅(qū)動能力與前后軸承受的載荷以及內(nèi)部傳遞轉(zhuǎn)矩零部件的強(qiáng)度等能得到充分的利用，同時有益于提高各部分的壽命以及降低整車結(jié)構(gòu)件質(zhì)量。則后軸電機(jī)扭矩占滿負(fù)荷的比x確定所應(yīng)遵守的原則是：要保證在各工況下，電機(jī)能夠提供足夠的驅(qū)動能力；要保證前后輪的路面附著率盡量接近。表2為前、后軸電機(jī)理論上最佳的轉(zhuǎn)矩分配比。

表2 前、后軸電機(jī)理論上最佳的轉(zhuǎn)矩分配比

根據(jù)總體設(shè)計，車輛驅(qū)動采取分路況驅(qū)動模式，在x小于0.5時可采取前驅(qū)，當(dāng)大于0.5時采取后驅(qū)，在超出前軸或后軸保有功率的工況時采取四驅(qū)。

為提高電機(jī)工作效率，前、后電機(jī)扭矩比要盡可能接近四驅(qū)工況下載荷分布值。使工作點(diǎn)盡量接近額定點(diǎn)，前后軸電機(jī)功率比選用和前后軸扭矩比相同，也就是在5∶10(0.5)和4∶10(0.4)之間?？傠姍C(jī)額定功率為67 kW，因此前后軸額定功率比例在22 kW∶45 kW～19 kW∶48 kW之間。

2.4 電制動需求分析

根據(jù)實(shí)際礦區(qū)工況，車輛長時間運(yùn)行在滿載下坡工況，單獨(dú)采用液壓制動無法滿足長時間滿載下坡，造成制動器溫度過高而失效，有必要增加電制動進(jìn)行輔助制動，將電制動和液壓制動并聯(lián)使用可提高整車制動性能，滿足滿載長時間下坡工況。電制動系統(tǒng)由制動踏板給予輸入指令，制動控制單元控制IGBT斬波，控制流過制動電阻的電流的大小。電制動能力應(yīng)滿足下坡時在不采取液壓制動的條件時可勻速行駛。不同坡度時下坡車速與制動功率為線性關(guān)系，如圖1所示?？筛鶕?jù)下圖取定電制動系統(tǒng)的功率并完成選型。

圖1 不同坡度的勻速制動功率曲線

以10%的坡度為例，電制動所滿足不同初始速度制動到勻速運(yùn)行的制動功率如圖1所示：初速3 km/h所需制動功率10 kW，6 km/h所需制動功率20 kW，初速8 km/h所需制動功率約30 kW，初速10 km/h所需制動功率約40 kW。

因制動電阻工作時為高電壓、強(qiáng)電流狀態(tài)，故需安裝在防爆箱內(nèi)部，箱體內(nèi)部不能采用直接風(fēng)冷散熱，制動電阻的散熱是關(guān)鍵問題?？刹捎脽峁苌崞骷夹g(shù)，該技術(shù)是一種成熟應(yīng)用的方法，具有極高的導(dǎo)熱性能，散熱效果好，熱阻小的優(yōu)點(diǎn)。

考慮箱體內(nèi)部散熱能力有限，且電制動為輔助制動，理論值可初步選取10 kW的制動電阻及相應(yīng)散熱系統(tǒng)。

3 牽引電機(jī)參數(shù)選型

根據(jù)上述的結(jié)果分析，對牽引電機(jī)進(jìn)行選型。

3.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

該牽引電機(jī)為輪邊安裝方式，液壓油冷卻，受減速機(jī)和制動器的安裝空間限制，根據(jù)總體設(shè)計方案，考慮安裝距離，牽引電機(jī)軸向尺寸應(yīng)小于450 mm(不包括伸出軸)，考慮離地安全距離，徑向尺寸應(yīng)小于400 mm。在該尺寸內(nèi)最大可選防爆電機(jī)外殼基座號為180，該機(jī)殼與減速機(jī)連接的法蘭外徑350 mm，機(jī)身直徑350 mm，其連接方式及尺寸如圖2所示。該基座號外殼可與總體所選減速機(jī)配合安裝。前軸尺寸余量較大，可選擇160基座，法蘭外徑350 mm，機(jī)身直徑350 mm。

與電機(jī)生產(chǎn)廠家協(xié)調(diào)，該基座號電機(jī)最大額定功率可至25 kW，故后軸牽引電機(jī)額定功率選取25 kW。由于計算所得的整車牽引功率大于67 kW，考慮標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)功率等級及前后軸載荷比值，前軸牽引電機(jī)額定功率選取13 kW，整車牽引功率76 kW。

圖2 后軸牽引電機(jī)與減速機(jī)配合安裝模擬圖

3.2 電機(jī)電氣參數(shù)

由上述計算可得，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為964 rpm。電機(jī)廠家一般生產(chǎn)額定轉(zhuǎn)速750 rpm、1 000 rpm、1 500 rpm規(guī)格電機(jī)，故選電機(jī)額定轉(zhuǎn)速1 000 rpm。由于最高可調(diào)轉(zhuǎn)速為4 276 rpm，考慮參數(shù)余量，選取峰值轉(zhuǎn)速4 500 rpm。

由電機(jī)的額定功率和額定轉(zhuǎn)速可計算得額定轉(zhuǎn)矩。由于電機(jī)所需過載倍數(shù)為1.64，實(shí)際電機(jī)可短時過載倍數(shù)一般大于2，實(shí)際選取牽引電機(jī)參數(shù)見表3。

4 牽引電機(jī)電氣性能復(fù)核與整車試驗(yàn)

4.1 額定功率及峰值功率匹配

表3中選取兩個額定功率為25 kW的牽引電機(jī)，前軸選取兩個額定功率13 kW的牽引電機(jī)，整車總牽引電機(jī)功率為76 kW，滿足整車所需的額定67 kW的要求。

表3中所選電機(jī)過載倍數(shù)為2，峰值功率為額定功率的2倍，為152 kW，運(yùn)行時間1 min，大于所需110 kW的峰值功率。25%坡度爬坡所對應(yīng)的峰值功率110 kW為所選電機(jī)方案額定功率的1.45倍過載，可滿足3 min運(yùn)行。

4.2 調(diào)速范圍

表3中調(diào)速范圍為0～4 500 rpm，調(diào)速范圍大于最大車速40 km/h對應(yīng)的4 276 rpm，可以滿足最大車速要求。所選電機(jī)系統(tǒng)最高車速見式(12)。

表3 牽引電機(jī)參數(shù)

備注：其中25 kW電機(jī)額定工作狀態(tài)時連續(xù)運(yùn)行時間不小于1 h；13 kW電機(jī)額定工作狀態(tài)時連續(xù)運(yùn)行時間不小于4 h；1.5倍過載連續(xù)運(yùn)行時間不小于3 min；2倍過載連續(xù)運(yùn)行時間不小于1 min；過載運(yùn)行時間間隔大于20 min。

(12)

式中：n—電機(jī)最高轉(zhuǎn)速4 500 rpm；i—傳動比19.36。計算可得最高車速v=42 km/h，滿足最高車速40 km/h的要求。

4.3 額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)矩匹配與整車試驗(yàn)

14%額定爬坡坡度時整車牽引轉(zhuǎn)矩為664 N·m，所選電機(jī)系統(tǒng)四驅(qū)狀態(tài)時額定轉(zhuǎn)矩為724 N·m，大于所需額定664 N·m，故滿足額定轉(zhuǎn)矩需求，即可在14%額定爬坡坡度上長時間運(yùn)行。

所選電機(jī)系統(tǒng)額定轉(zhuǎn)速1 000 rpm，大于需求額定轉(zhuǎn)速964 rpm，即整車可滿足在14%坡度以9 km/h的車速上長時間運(yùn)行。所選系統(tǒng)額定爬坡度的額定車速可由公式(12)計算得9.35 km/h。

4.4 峰值轉(zhuǎn)矩匹配

選電機(jī)系統(tǒng)有2倍的過載能力，合理利用電機(jī)過載能力，可提高短時爬坡能力和加速能力。過載爬坡能力見表4。

表4 過載爬坡能力

4.5 電機(jī)功率分配

選電機(jī)前軸額定功率共26 kW，后軸額定功率共50 kW，前后軸功率比為0.52，略大于理論設(shè)計值的0.4。選電機(jī)前軸額定轉(zhuǎn)矩248 N·m，后軸電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩476 N·m，可滿足的驅(qū)動模式見表5。

表5 實(shí)際驅(qū)動模式劃分

由實(shí)際可安裝空間約束及電機(jī)廠家的生產(chǎn)能力約束，所選13 kW/25 kW配比的電動機(jī)基本可以滿足前后軸載荷比例的要求，在表中所述工況下可選擇不同驅(qū)動模式。

4.6 整車試驗(yàn)

車輛在試驗(yàn)場進(jìn)行8.6%、30%爬坡，空滿載兩驅(qū)/四驅(qū)、滿載四驅(qū)越野路面續(xù)航里程等試驗(yàn)，試驗(yàn)情況現(xiàn)場如圖3、4所示。

圖3 長距離爬坡試驗(yàn)(8.6%、30%)

圖5為車輛8.6%坡爬坡試驗(yàn)及數(shù)據(jù)，將油門踏板踩到底，整車行駛比較平穩(wěn)，車速可持續(xù)穩(wěn)定在20 km/h，電機(jī)扭矩輸出滿足爬8.6%坡度要求。

圖6為車輛30%坡爬坡試驗(yàn)及數(shù)據(jù)，將油門踏板踩到底，整車緩慢平穩(wěn)地駛上坡頂，坡道上車速可持續(xù)穩(wěn)定在4.1 km/h，電機(jī)扭矩輸出滿足爬30%坡度要求。

圖4 泥濘越野路面試驗(yàn)

車輛進(jìn)行續(xù)航里程試驗(yàn)，包括：空載兩驅(qū)試驗(yàn)、滿載兩驅(qū)試驗(yàn)(一次全平路工況和一次含上下坡工況)、滿載四驅(qū)試驗(yàn)(一次全平路工況和一次松軟泥土路面、坡道、頻繁啟停車的復(fù)雜工況)。各次續(xù)航里程試驗(yàn)記錄見表6。

圖5 爬坡性能曲線(8.6%坡道)

表6 續(xù)航里程總試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖6 爬坡性能曲線(30%坡道)

5 結(jié)語

系統(tǒng)論述了煤礦井下電動防爆無軌膠輪材料運(yùn)輸車牽引電機(jī)參數(shù)的設(shè)計、計算與優(yōu)化推演過程，牽引電機(jī)在額定功率、額定轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速、調(diào)速范圍、峰值功率等方面參數(shù)均滿足整車設(shè)計要求。試驗(yàn)表明車輛最大爬坡度可達(dá)30%，兩驅(qū)/四驅(qū)空滿載電機(jī)效率均在80%以上。目前原理樣車在神東大柳塔礦試運(yùn)行表現(xiàn)良好，單次續(xù)航里程可達(dá)90 km。實(shí)踐表明，這種牽引電機(jī)的參數(shù)設(shè)計方法具有一定的推廣性和可操作性。