基于退役裝甲車再制造的電動(dòng)應(yīng)急救援車輛動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究*

張成玉，安 璐，范 艷，徐 潺，劉 成

(1.貴州省機(jī)電研究設(shè)計(jì)院，貴州 貴陽(yáng) 550001；2.天津銳微科技有限公司，天津 300450)

0 引言

應(yīng)急救援車輛是應(yīng)用于地震搶險(xiǎn)救援、火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)救援、洪澇災(zāi)害救援、?；芳昂溯椛渚仍?、公共交通事故救援、礦井油田救援以及軍事救援等自然災(zāi)害或突發(fā)事故救援領(lǐng)域的專用車輛[1]。由于應(yīng)急救援車輛特殊的工作性質(zhì)，要求應(yīng)能夠應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜路況，自身防護(hù)能力強(qiáng)，并且能夠滿足救援現(xiàn)場(chǎng)特殊的需求。國(guó)外針對(duì)應(yīng)急救援，研制出了功能強(qiáng)大的應(yīng)急救援車輛，我國(guó)專家學(xué)者也對(duì)此作了研究，葛亮等對(duì)井下災(zāi)區(qū)偵測(cè)車、應(yīng)急救援車的研制和應(yīng)用進(jìn)行了研究[2-3]；張勇等研發(fā)了一種狹小地域用的消防應(yīng)急救援車[4]。但各種研究成果中，偏重于研究專向應(yīng)急救援車輛，針對(duì)具有綜合救援能力的應(yīng)急救援車輛研究得較少，尤其是電動(dòng)綜合應(yīng)急救援車的研究處于起步階段?？傮w來(lái)說，我國(guó)目前的應(yīng)急救援車輛存在地域通過能力不強(qiáng)、功能單一、綜合防護(hù)救援能力較弱等問題[5-6]。

隨著國(guó)產(chǎn)第一代裝甲輸送車63式裝甲車的退役，退役裝甲車的再利用問題已經(jīng)成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)。63式裝甲車車體由特殊裝甲鋼板焊接而成，具有較好的外形和防護(hù)能力，具有水陸兩棲能力，但由于動(dòng)力來(lái)源于早期柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，存在污染排放、紅外特征明顯、運(yùn)行噪音大以及能耗較高的問題。研究表明，采用純電動(dòng)裝置作為坦克裝甲車輛動(dòng)力來(lái)源時(shí)，具有清潔、高效、運(yùn)轉(zhuǎn)部件少、無(wú)高熱排放、靜音性好且無(wú)尾氣排放的優(yōu)勢(shì)，可顯著提升整車隱蔽性，增強(qiáng)作戰(zhàn)能力[7]。本文基于63式退役裝甲車底盤及良好防護(hù)能力，用純電動(dòng)裝置代替原車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，將其再制造為電動(dòng)應(yīng)急救援車輛，在提高我國(guó)應(yīng)急救援車輛綜合能力的同時(shí)，大大降低制造成本。

1 動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案

根據(jù)63式退役裝甲車實(shí)際情況及應(yīng)急救援車輛使用要求，設(shè)計(jì)了單電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)和雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)兩種方案。

1.1 單電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)方案

在單電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)中，保留63式退役裝甲車原車傳動(dòng)系統(tǒng)，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器-永磁同步電動(dòng)機(jī)取代原柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)增加行星減速器，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 單電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)方案

1.2 雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)方案

在雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)中，保留原車側(cè)減速器，用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器 ——兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)取代原柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器，增加行星減速器，通過電子差速控制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)方案

1.3 方案比較及選擇

(1)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由于機(jī)械傳動(dòng)部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單在新研發(fā)設(shè)計(jì)中被廣泛使用。在本研究中，雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可去掉離合器、減速箱等機(jī)械裝置，使系統(tǒng)簡(jiǎn)潔可靠，但退役裝甲車有著完善、可靠、零價(jià)格的離合器及減速箱等裝置，在此基礎(chǔ)上安裝單電機(jī)系統(tǒng)取代內(nèi)燃機(jī)不破壞原有車輛的傳動(dòng)及行走裝置，能充分發(fā)揮原有裝甲車的整體性能，比新設(shè)計(jì)研發(fā)雙電機(jī)系統(tǒng)省時(shí)且可靠。

(2)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)的調(diào)速范圍寬，可采用高效率的永磁同步電機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速30%～100%范圍相對(duì)較高，但額定轉(zhuǎn)速30%以內(nèi)(車速≤10 km/h)和弱磁擴(kuò)速(車速≥40 km/h)段的效率低。根據(jù)應(yīng)急救援車應(yīng)用需求，在救援現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常使用低速大力矩作業(yè)(車速≤10 km/h)，而此時(shí)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式效率比單電機(jī)效率低，能耗約增加25%。

(3)電機(jī)電流跟輸出轉(zhuǎn)矩成正比，由于電池放電倍率的限制，雙電機(jī)模式對(duì)電池的容量配置要求更高，雙電機(jī)模式幾乎需要雙倍的單電機(jī)模式電池配置。本研究使用退役裝甲車原有底盤和行走裝置，電池組的重量和體積受艙內(nèi)空間尺寸和底盤最大載重限制，電池組重量和體積的增加將使救援車載人空間和能力急劇下降。

單電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案保留零成本、成熟的六檔變速器，擴(kuò)展了電機(jī)調(diào)速范圍，高效率范圍相對(duì)更寬，借鑒成熟應(yīng)用的大功率永磁同步電機(jī)，可滿足裝甲搶險(xiǎn)救援車的動(dòng)力性能指標(biāo)要求，并且可使再制造成本下降，可靠性提高。因此，基于退役裝甲車再制造的電動(dòng)應(yīng)急救援車輛動(dòng)力系統(tǒng)選擇單電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

2 動(dòng)力分析計(jì)算

2.1 退役裝甲車基本參數(shù)及設(shè)計(jì)目標(biāo)

2.1.1 退役63式裝甲車基本參數(shù)(見表1)2.1.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

設(shè)計(jì)該電動(dòng)應(yīng)急救援車瀝青公路最高車速60 km/h，融化雪地或軟地最高車速50 km/h，爬坡度≤62%。

2.2 整車驅(qū)動(dòng)力分析[8-9]

根據(jù)履帶車輛行駛力學(xué)，車輛在加速、爬坡行駛時(shí)，受到的外界阻力由滾動(dòng)阻力Ff、上坡阻力Fi、空氣阻力Fw和加速阻力Fj四種阻力組成。

表1 退役63式裝甲車基本參數(shù)

整車直線行駛時(shí)的驅(qū)動(dòng)力等于滾動(dòng)阻力、上坡阻力、空氣阻力和加速度阻力總和，直線行駛整車驅(qū)動(dòng)力Ft計(jì)算公式為：

Ft=Ff+Fi+Fw+Fj

(1)

(2)

式中：m—車輛總質(zhì)量(kg)；g—重力加速度(m/s2)；f—地面滾動(dòng)阻力系數(shù)；α—路面的坡度角(°)；ρL—空氣密度；CW—空氣阻力系數(shù)；A—正面迎風(fēng)面積(m2)；δ—質(zhì)量增加系數(shù)；v—車輛行駛速度(km/h)。

2.3 電機(jī)轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速分析

基于退役裝甲車再制造的電動(dòng)應(yīng)急救援車驅(qū)動(dòng)裝置是驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速通過傳動(dòng)系作用在主動(dòng)輪上產(chǎn)生整車驅(qū)動(dòng)力Ft，在機(jī)械傳動(dòng)系中的傳動(dòng)效率小于1，根據(jù)直線行駛力學(xué)分析，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Tel滿足：

(3)

式中：i—傳動(dòng)比；rz—驅(qū)動(dòng)輪半徑；η—傳動(dòng)系統(tǒng)效率；ηch—驅(qū)動(dòng)電機(jī)到驅(qū)動(dòng)輪的傳動(dòng)效率；ηx—履帶行駛裝置的效率。

電機(jī)最高轉(zhuǎn)速nmax用于滿足車輛最高車速vmax要求，因此：

(4)

根據(jù)履帶車輛的轉(zhuǎn)向特性，通過對(duì)車輛在坡道上的轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)分析，得出式(3)式(4)中的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于履帶車輛轉(zhuǎn)向所需電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，完全滿足車輛轉(zhuǎn)向要求。

2.4 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)確定

將退役63式裝甲車基本參數(shù)及再制造的電動(dòng)應(yīng)急救援車設(shè)計(jì)目標(biāo)代入相關(guān)計(jì)算式，考慮電機(jī)及控制器綜合性能，得出動(dòng)力系統(tǒng)基本參數(shù)見表2。

表2 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)

3 試驗(yàn)及結(jié)果

2020年6月，對(duì)采用該動(dòng)力系統(tǒng)的基于63式退役裝甲車再制造的電動(dòng)應(yīng)急救援車進(jìn)行了試驗(yàn)。該車分別在公路、松軟草地及復(fù)雜路況行駛30 min，滿載時(shí)公路最高時(shí)速可達(dá)60 km/h，松軟草地最高時(shí)速可達(dá)50 km/h，最大爬坡度可達(dá)60%。

4 結(jié)語(yǔ)

1)設(shè)計(jì)了單電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)兩種動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案，并對(duì)方案進(jìn)行比較分析，確定單電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為基于退役裝甲車再制造的電動(dòng)應(yīng)急救援車動(dòng)力系統(tǒng)。

2)對(duì)整車動(dòng)力需求進(jìn)行分析計(jì)算，確定了動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器、行星減速器參數(shù)。

3)試驗(yàn)表明：采用該動(dòng)力系統(tǒng)的63式退役裝甲車再制造的電動(dòng)應(yīng)急救援車滿載時(shí)公路最高時(shí)速可達(dá)60 km/h，松軟草地最高時(shí)速可達(dá)50 km/h，最大爬坡度可達(dá)60%。