電機(jī)驅(qū)動(dòng)型礦山運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)行速度比優(yōu)化設(shè)計(jì)

李麗萍

（廣西大學(xué)行健文理學(xué)院，廣西 南寧 530005）

在礦山運(yùn)輸設(shè)備工作中，電機(jī)與變速箱將組成一個(gè)機(jī)電耦合裝置，擁有固定動(dòng)力源功率，需要在保證運(yùn)輸設(shè)備動(dòng)力性要求得到滿足的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)系速比的合理設(shè)計(jì)。而電機(jī)驅(qū)動(dòng)型運(yùn)輸設(shè)備不再設(shè)置變速器等部件，需保證固定檔速比能夠得到優(yōu)化設(shè)計(jì)，以便與車輛動(dòng)力性能參數(shù)相匹配。因此，需要加強(qiáng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)型礦山運(yùn)輸設(shè)備的速比優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，使電機(jī)能耗達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)型礦山運(yùn)輸設(shè)備的速度比優(yōu)化設(shè)計(jì)需求

相較于傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)型運(yùn)輸設(shè)備，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)型的運(yùn)輸設(shè)備對(duì)變速器、傳動(dòng)軸等部件進(jìn)行了省略，可以將簧下質(zhì)量直接傳遞至設(shè)備本身，促使設(shè)備操縱穩(wěn)定性、動(dòng)力性等性能得到提升。實(shí)際在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，采用固定速比變速器匹配方案能夠使運(yùn)輸設(shè)備保持簡(jiǎn)單傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。但是想要滿足最高穩(wěn)定其運(yùn)行速度、起步加速等要求，需要使驅(qū)動(dòng)電機(jī)在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域內(nèi)提供高瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩，并在恒功率區(qū)域提供高轉(zhuǎn)速[1]。選擇較小速比的減速器，將導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間在大電流、高轉(zhuǎn)矩狀態(tài)下工作，繼而導(dǎo)致電機(jī)能量利用率較低，影響運(yùn)輸設(shè)備的續(xù)航里程。因此在電機(jī)設(shè)計(jì)方面，需要保證電機(jī)參數(shù)與其他部件匹配，保證不同工況下運(yùn)行速度區(qū)間與電機(jī)高效區(qū)相重合。

2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)型礦山運(yùn)輸設(shè)備速度比優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

2.1 設(shè)備的動(dòng)力性能參數(shù)

在驅(qū)動(dòng)電機(jī)擁有較大峰值轉(zhuǎn)矩時(shí)，運(yùn)輸設(shè)備將獲得較好動(dòng)力性，但與此同時(shí)將造成電機(jī)質(zhì)量與尺寸增加，導(dǎo)致其經(jīng)濟(jì)性受到影響。綜合考慮各方面因素，需要完成一級(jí)或兩級(jí)齒輪的固定檔減速器設(shè)置，促使電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩需求得到降低。為保證設(shè)備能耗經(jīng)濟(jì)性得到提高，需要使電機(jī)額定參數(shù)與工況高頻運(yùn)行速度區(qū)間相匹配。

2.2 參數(shù)匹配設(shè)計(jì)分析

實(shí)際在參數(shù)匹配設(shè)計(jì)上，可以選用三種循環(huán)工況，分別為NEDC、UD-DC和JC08，對(duì)應(yīng)頻次較高運(yùn)行速度區(qū)間存在差異，NEDC區(qū)間為0km/h～10km/h和30km/h～50km/h；UD-DC區(qū)間和JC08區(qū)間均為0km/h～10km/h、30km/h～40km/h和50km/h～60km/h。確定各工況加權(quán)因子，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)參數(shù)匹配分析，得到電機(jī)高頻運(yùn)行速度區(qū)間：

其中，б1、б2、б3為加權(quán)因子，可以分別取0.5、0.3和0.2。在車輪滑移率達(dá)到10%的情況下，電機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速與瞬速車速、輪胎滾動(dòng)半徑和固定檔減速器速比相關(guān)。在車輪半徑等參數(shù)確定的情況下，可以確定速比范圍，得到i≤0.377×0.9Rnmax/uamax。Nmax為電機(jī)最高轉(zhuǎn)速，uamax為對(duì)應(yīng)運(yùn)輸設(shè)備最高行駛速度，R為車輪半徑，可以根據(jù)設(shè)備動(dòng)力性能參數(shù)確認(rèn)，得到i≤6.778，得到電機(jī)額定轉(zhuǎn)速在2451r/min～3291r/min范圍內(nèi)，可以選擇為3000r/min。根據(jù)各項(xiàng)性能指標(biāo)要求，可以求得峰值功率為27.5kW，峰值轉(zhuǎn)矩為87.54N·m。

2.3 速比優(yōu)化設(shè)計(jì)算法

確定礦山運(yùn)輸設(shè)備的電機(jī)、蓄電池等裝置的性能參數(shù)后，其動(dòng)力性能將取決于固定檔速比。在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，初始值可以設(shè)定為i=6.7。將設(shè)備動(dòng)力性指標(biāo)當(dāng)成是約束，對(duì)循環(huán)工況加權(quán)因子下的運(yùn)輸機(jī)平均能耗進(jìn)行分析，使能耗保持最小，能夠得到最優(yōu)的速比。按照這一思路進(jìn)行加權(quán)工況下平均能耗分析，可以得到。

其中，Wcyc指的是運(yùn)輸機(jī)加權(quán)工況平均能耗，P值為各循環(huán)工況下的電池輸出功率，T值為工況仿真時(shí)間。在求取過(guò)程中，可以運(yùn)用粒子群算法和遺傳算法。

（1）粒子群算法。運(yùn)用粒子群算法，需要將解當(dāng)成是搜索空間粒子，各粒子與目標(biāo)函數(shù)之間存在適應(yīng)度值。在一維空間中，優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題的解可以看成是由n個(gè)粒子構(gòu)成的種群X=（X1，X2，…，Xn），利用目標(biāo)函數(shù)對(duì)各粒子位置適應(yīng)度進(jìn)行運(yùn)算，需要確定粒子速度Vi和個(gè)體極值pi，并確定群體極值pg。在迭代中，粒子可以按照規(guī)則更新速度和位置。

其中，w指的是慣性權(quán)重因子，可以取0.72，c1和c2則是學(xué)習(xí)因子，可取1.49，rand為0～1間隨機(jī)函數(shù)。

（2）遺傳算法。采用遺傳算法實(shí)現(xiàn)速比優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以完成固定檔速比的編碼，得到相應(yīng)二進(jìn)制字符串。結(jié)合目標(biāo)函數(shù)與適應(yīng)度映射關(guān)系，可以對(duì)個(gè)體適應(yīng)度進(jìn)行計(jì)算。將適應(yīng)度大的個(gè)體當(dāng)成是遺傳基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)交叉與變異操作，使個(gè)體結(jié)構(gòu)得到部分修改，能夠避免下一代遺傳過(guò)早陷入局部收斂問(wèn)題。得到的新串結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)可以重新插入，對(duì)原本種群中的數(shù)據(jù)進(jìn)行替代，得到新的種群。在迭代次數(shù)未到設(shè)定值時(shí)，可以重新生種群進(jìn)行迭代分析，達(dá)到設(shè)定值結(jié)束優(yōu)化過(guò)程。

2.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)仿真結(jié)果

在仿真分析過(guò)程中，NEDC、UD-DC和JC08三種工況仿真時(shí)間分別取1200s、1367s和1200s，N為30，迭代次數(shù)為40。在仿真過(guò)程中，需要先對(duì)單循環(huán)NEDC工況下的速比優(yōu)化情況進(jìn)行仿真，然后對(duì)加權(quán)工況下的速比優(yōu)化結(jié)果展開分析。結(jié)合仿真分析情況可知，礦山運(yùn)輸設(shè)備各項(xiàng)性能參數(shù)均能滿足要求。從能耗情況來(lái)看，如表1所示，為仿真分析結(jié)果。采用兩種算法獲得的結(jié)果相近，但運(yùn)用遺傳算法實(shí)現(xiàn)速比優(yōu)化設(shè)計(jì)，將出現(xiàn)較大波動(dòng)。分析原因可以發(fā)現(xiàn)，波動(dòng)由選擇和變異算子引起。在加權(quán)工況下追求能耗最小，能夠使多數(shù)工況條件下電機(jī)能耗最低。對(duì)兩種速比下的運(yùn)輸設(shè)備加速性能進(jìn)行仿真分析，需要完成其運(yùn)行狀態(tài)模擬，運(yùn)輸設(shè)備從20km/h加速到100s時(shí)，進(jìn)行20°轉(zhuǎn)向角施加，觀察設(shè)備狀態(tài)，確定速度變化隨著時(shí)間增大逐步穩(wěn)定，在20km/h時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。從模擬分析結(jié)果來(lái)看，加速時(shí)間盡管都小于15s，采用加權(quán)工況平均能耗最小的設(shè)計(jì)方法。

表1 仿真分析結(jié)果

3 結(jié)論

在實(shí)踐工作中，需要加強(qiáng)礦山運(yùn)輸設(shè)備性能參數(shù)研究，確保參數(shù)相互匹配，然后結(jié)合不同工況條件進(jìn)行電機(jī)能耗加權(quán)計(jì)算分析，保證平均能耗最小，能夠得到最優(yōu)的速比設(shè)計(jì)結(jié)果，繼而使電機(jī)能耗得到有效控制。