一種蓄電池鏟運(yùn)機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周思強(qiáng)，丁 帥，趙天明

（金誠(chéng)信礦業(yè)管理股份有限公司，北京 101500）

0 引言

地下鏟運(yùn)機(jī)是礦山建設(shè)和生產(chǎn)的主力設(shè)備，在礦山主要應(yīng)用于礦山開(kāi)拓基建工程清理廢石和生產(chǎn)工程出礦石，是當(dāng)前主流礦山基建和生產(chǎn)必不可少的設(shè)備之一。近年來(lái)，隨著國(guó)家戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，環(huán)境保護(hù)日益受到重視，可持續(xù)發(fā)展和建設(shè)綠色礦山成為了礦業(yè)發(fā)展的主要方向，我國(guó)礦產(chǎn)資源開(kāi)采技術(shù)進(jìn)一步的智能化、無(wú)軌化，礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)將全面進(jìn)入地下采礦，并向深部開(kāi)采延伸且開(kāi)采規(guī)模不斷加大，對(duì)井下空氣質(zhì)量要求也越來(lái)越高，這勢(shì)必要求無(wú)軌采礦設(shè)備增加更多新的品種和規(guī)格，實(shí)現(xiàn)配套作業(yè)，充分發(fā)揮主要生產(chǎn)設(shè)備效率，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。

隨著國(guó)家對(duì)新能源交通工具產(chǎn)業(yè)的大力支持，國(guó)內(nèi)外電池技術(shù)和電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）不斷更新和成熟，蓄電池工程機(jī)械得以蓬勃發(fā)展，進(jìn)入各種施工現(xiàn)場(chǎng)。電池快充技術(shù)和快換技術(shù)的發(fā)展，讓蓄電池為動(dòng)力源的設(shè)備進(jìn)入礦山領(lǐng)域成為現(xiàn)實(shí)，蓄電池鏟運(yùn)機(jī)技術(shù)也是當(dāng)前礦山智能裝備研究的熱門(mén)方向。

1 動(dòng)力系統(tǒng)組成

與純電動(dòng)汽車(chē)相類(lèi)似，蓄電池鏟運(yùn)機(jī)僅采用蓄電池作為唯一動(dòng)力源，其動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分為蓄電池、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、變速箱及分動(dòng)器和前后車(chē)橋四大部分（圖1）。其中，蓄電池一般采用鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鎘電池、鋰電池、燃料電池等[1]；電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器一般采用異步電機(jī)及逆變器組合、永磁同步電機(jī)及逆變器組合或者開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)及其控制器組合；傳動(dòng)系統(tǒng)部分，工程機(jī)械一般使用一體式變速箱，新能源汽車(chē)則按照驅(qū)動(dòng)橋數(shù)量一般選用多檔位變速箱和分動(dòng)橋。

本案蓄電池鏟運(yùn)機(jī)采用磷酸鐵鋰電池、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)及控制器、帶分動(dòng)的一體式變速箱和帶濕式多盤(pán)制動(dòng)器的車(chē)橋。

2 動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)

圖1 蓄電池鏟運(yùn)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)組成

地下鏟運(yùn)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，參照機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其中地下鏟運(yùn)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)為JB/T5500—2015，鏟斗容量為2 m3的地下鏟運(yùn)機(jī)最大牽引力為≥100 kN，空載整機(jī)重量≤14 t[2]。最大牽引力的測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)為JB/T5501—2017，鏟運(yùn)機(jī)鏟斗內(nèi)裝入額定載質(zhì)量，其工作裝置處于運(yùn)輸狀態(tài)，鏟運(yùn)機(jī)掛低速擋起步拖動(dòng)負(fù)荷車(chē)后，平穩(wěn)地在負(fù)荷車(chē)中加載，直到鏟運(yùn)機(jī)輪胎打滑或變速器失速為止[3]。根據(jù)上面這兩個(gè)規(guī)范，車(chē)輛的最大牽引力見(jiàn)式（1）[1]。

式中 TW——為動(dòng)力系統(tǒng)傳遞到驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)矩，N·m

rd——驅(qū)動(dòng)輪半徑，m

Tp——?jiǎng)恿ρb置的輸出轉(zhuǎn)矩，N·m

ig——傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)比

io——車(chē)橋傳動(dòng)比

ηt——從電機(jī)到驅(qū)動(dòng)輪的傳動(dòng)效率

2.2 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)選擇

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 5500—2015《地下鏟運(yùn)機(jī)》的要求，本案2 m3地下鏟運(yùn)機(jī)的車(chē)橋適配為常閉免維護(hù)車(chē)橋，配置自鎖式防滑差速器（NO-SPIN），彈簧制動(dòng)、液壓松閘（SAHR）彈簧制動(dòng)器，總速比為27.3。在地下鏟運(yùn)機(jī)中廣泛采用動(dòng)力換擋變速箱[4]，本案適配變速箱為4 速動(dòng)力換擋變速箱，配置電—液控制系統(tǒng)，通過(guò)整車(chē)控制器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋，其1 擋速比ig為4.73，2 擋速比2.24，3擋速比1.29，4 擋速比0.75；輪胎半徑rd為0.6 m，傳動(dòng)效率ηt取0.9，帶入式（1）：≥100 000 N，則Tp≥

因此，選配電機(jī)的最大扭矩大于516 N·m，充分考慮機(jī)械傳動(dòng)的其他損耗，本案選配系統(tǒng)傳動(dòng)電機(jī)的最大輸出扭矩為600 N·m，最大輸出功率60 kW，額定輸出功率30 kW，額定轉(zhuǎn)速1500 r/min。將選擇參數(shù)帶入式（1）可得116 216.1 N。

因此，車(chē)輛運(yùn)行額定速度為：

當(dāng)變速箱1 擋時(shí)，能滿足滿載上坡和車(chē)輛牽引等要求，該車(chē)最高車(chē)速可達(dá)16.6 km/h，能滿足生產(chǎn)時(shí)的運(yùn)行效率要求。

2.3 牽引力測(cè)試數(shù)據(jù)

按照上述參數(shù)選配制作了一臺(tái)2 m3蓄電池鏟運(yùn)機(jī)，根據(jù)地下鏟運(yùn)機(jī)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)JB/T5501—2017[3]，使用固定基樁方式對(duì)該鏟運(yùn)機(jī)進(jìn)行了最大牽引力測(cè)定，測(cè)量數(shù)據(jù)如表1 所示。

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)理論計(jì)算和測(cè)定數(shù)據(jù)驗(yàn)證，2 m3蓄電池鏟運(yùn)機(jī)滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，其他各項(xiàng)指標(biāo)性能不差于傳統(tǒng)的柴油鏟運(yùn)機(jī)和電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)：①蓄電池鏟運(yùn)機(jī)滿足無(wú)污染、綠色、環(huán)保、低噪聲的要求，又可以滿足移動(dòng)的便捷性可以避免電纜彈起傷人和破損中電傷人；②沒(méi)有尾氣排放，不會(huì)增加尾氣排放帶來(lái)的空氣污染和巷道溫度增加，從而可以減少通風(fēng)投入，對(duì)員工職業(yè)健康有較大改善，無(wú)廢機(jī)油排放污染；③減少了發(fā)動(dòng)機(jī)、變矩器等進(jìn)口部件，而采用了國(guó)內(nèi)強(qiáng)勢(shì)發(fā)展的電驅(qū)系統(tǒng)，維修、保養(yǎng)的工作量大大降低，無(wú)須儲(chǔ)備進(jìn)口的發(fā)動(dòng)機(jī)、變矩器的備件，便于提升整個(gè)設(shè)備管理水平和降低庫(kù)存積壓減輕企業(yè)資金壓力；④整車(chē)高度電氣化，可控性和可觀性高，在遙控、無(wú)人駕駛、故障診斷、自動(dòng)化計(jì)量等礦業(yè)裝備數(shù)字化、智能化發(fā)展方面優(yōu)勢(shì)明顯。

表1 牽引性能記錄

綜上所述，蓄電池地下鏟運(yùn)機(jī)值得在各大礦山，尤其是智能化礦山或者通風(fēng)條件較差的井工礦山推廣使用。