礦井無軌架線車試驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)及測(cè)試*

仇衛(wèi)建

(中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

近年來，無軌膠輪車輔助運(yùn)輸技術(shù)快速發(fā)展，雖然其已在煤礦的安全高效生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用，但是也存在一些問題，如：防爆柴油機(jī)的尾氣排放使煤礦巷道廢氣濃度升高[1]，嚴(yán)重影響員工身體健康，且與我國節(jié)能減排的發(fā)展戰(zhàn)略相悖；煤礦普遍存在采區(qū)水平落差大、運(yùn)行坡度較長(zhǎng)的情況，防爆柴油機(jī)車經(jīng)常面臨上坡過載、下坡制動(dòng)器熱失效的難題。基于此，中國煤炭科工集團(tuán)與神東煤炭集團(tuán)合作開發(fā)了礦井雙動(dòng)力無軌架線車輔助運(yùn)輸系統(tǒng)。為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的可靠性和可行性，按照設(shè)計(jì)方案在地面建立試驗(yàn)系統(tǒng)[2-4]，采用現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)方法對(duì)供電系統(tǒng)、接觸網(wǎng)懸掛形式、弓網(wǎng)關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證。通過積累前期數(shù)據(jù)，為后續(xù)項(xiàng)目的順利實(shí)施奠定實(shí)踐基礎(chǔ)。

1 總體設(shè)計(jì)

在廠區(qū)建設(shè)一段礦井無軌架線車試驗(yàn)用架空線網(wǎng)，擬定架線位置為2號(hào)廠房的北側(cè)和東側(cè)，試驗(yàn)段總長(zhǎng)度約400 m，其中包含一條轉(zhuǎn)彎半徑8 m的彎道以及一條坡度為14°的坡道。其供電系統(tǒng)原理及整流變電所分別如圖1、圖2所示。

圖1 供電系統(tǒng)原理

圖2 整流變電所

試驗(yàn)段采用室內(nèi)網(wǎng)柵圍欄變電站供電，變電所主要包括交流饋線柜、整流器柜、直流饋線柜、直流隔離開關(guān)柜、電容濾波和絕緣監(jiān)測(cè)柜、再生制動(dòng)能量吸收裝置(含斬波柜和電阻柜)。變電站中的進(jìn)線開關(guān)柜配備綜合保護(hù)測(cè)控裝置，能實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù)、漏電保護(hù)、過電壓保護(hù)、電流速斷保護(hù)和過負(fù)荷保護(hù)等多方位保護(hù)。整流器柜具有模塊故障保護(hù)、過流和過壓保護(hù)等。 為了保證運(yùn)行維護(hù)人員和設(shè)備的安全，不同設(shè)備之間設(shè)有可靠的聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)，包括開門跳閘聯(lián)鎖、開關(guān)動(dòng)作聯(lián)鎖等。地面設(shè)置制動(dòng)電阻箱，其通過檢測(cè)接觸網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)斬波器導(dǎo)通比來改變制動(dòng)電阻消耗功率。 根據(jù)電機(jī)變頻控制提出的濾波需求，在增加電容濾波功能的同時(shí)集成絕緣監(jiān)測(cè)功能。

2 接觸網(wǎng)架設(shè)及懸掛技術(shù)

目前，接觸網(wǎng)的主要結(jié)構(gòu)形式[5-6]分為4種：

a.架空懸掛式，即輸電線路架設(shè)在線路的正上方，通過車頂部的受電弓與接觸線的滑動(dòng)摩擦獲得電能，這種形式應(yīng)用非常廣泛，常稱之為架線。

b.地面第三軌形式，即導(dǎo)電軌設(shè)置在行走鋼軌的側(cè)面，通過車輛轉(zhuǎn)向架上的受電靴與導(dǎo)電軌的滑動(dòng)接觸而獲得電能，該形式常被用于地鐵與輕軌。

c.剛性復(fù)線式，即匯流排設(shè)置在行走軌梁或行走軌線的側(cè)壁上。

d.應(yīng)用在城市無軌電車和鋼索鐵道中的架空復(fù)線式。

煤礦巷道具有以下特殊性：

a.項(xiàng)目應(yīng)用于地下250 m的煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)中，對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)脫弓、拉弧有著嚴(yán)格的要求。

b.無軌交通系統(tǒng)的車輛在運(yùn)行時(shí)路面與接觸網(wǎng)無法保持“平行”，對(duì)弓網(wǎng)的跟隨性要求很高。

c.受隧道/巷道的低凈空、高濕度的環(huán)境等條件限制，結(jié)合柔性鏈形懸掛接觸網(wǎng)系統(tǒng)在坡道安裝中的局限性，本項(xiàng)目采用剛性懸掛式接觸網(wǎng)系統(tǒng)(見圖3)。

1-導(dǎo)軌；2-滑觸線；3-接地線；4-滑觸線；5-減震絕緣端子；6-門架。

3 礦用自動(dòng)上網(wǎng)受電弓技術(shù)

受電弓是礦井無軌架線車的主要電氣設(shè)備，承擔(dān)地面設(shè)備與車載設(shè)備的接口作用[7]。受電弓具備在距導(dǎo)向板最近的導(dǎo)軌0.5 m范圍內(nèi)利用電液控制系統(tǒng)一鍵啟動(dòng)自動(dòng)捕捉入網(wǎng)的功能。為了保證受流穩(wěn)定性，受電弓采用輔助軌導(dǎo)向頂滑式設(shè)計(jì)，其主要特點(diǎn)如下：

a.導(dǎo)向軌能起到穩(wěn)定受電弓的作用，入網(wǎng)后，受電弓的輪子卡住導(dǎo)向軌，受電弓向上或左右的自由度被導(dǎo)向軌限制，這樣能保證碳刷與銅排的良好接觸，避免由于受電弓左右擺動(dòng)而使銅排滑出碳刷(見圖4)。

圖4 受電弓結(jié)構(gòu)示意圖

b.頂滑式設(shè)計(jì)是碳刷在滑觸線的下方，有利于受電弓的快速入網(wǎng)與脫網(wǎng)。

c.滑觸頭采用冗余設(shè)計(jì)，同一根滑觸線接觸的2個(gè)碳刷在2個(gè)獨(dú)立的小四連桿機(jī)構(gòu)上，通過彈簧的拉力保證其與滑觸線接觸，在車輛顛簸時(shí)，至少能保證1個(gè)碳刷與滑觸線接觸，從而保證受流的可靠性。

4 測(cè)試分析

測(cè)試分為接觸網(wǎng)的電氣試驗(yàn)、受電弓自動(dòng)上網(wǎng)試驗(yàn)及試驗(yàn)車輛的冷滑試驗(yàn)兩個(gè)階段。

4.1 接觸網(wǎng)的電氣試驗(yàn)

接觸網(wǎng)的電氣試驗(yàn)?zāi)康氖谦@取受電弓的滑動(dòng)、受流等參數(shù)，以測(cè)試設(shè)計(jì)的合理性，并分析改進(jìn)方案及后期其他測(cè)試技術(shù)與試驗(yàn)裝置的可靠性。試驗(yàn)方法是使用工裝將弓頭安裝上網(wǎng)，并用起吊帶拉動(dòng)弓頭在導(dǎo)軌上滑動(dòng)，測(cè)試項(xiàng)目及試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 接觸網(wǎng)的電氣試驗(yàn)

測(cè)試結(jié)果表明：接觸網(wǎng)絕緣效果良好，接地電阻為0.3 Ω，遠(yuǎn)低于煤礦井下的2 Ω技術(shù)要求；滑觸線接觸電阻為2～3 mΩ，通電后碳刷未磨合情況下的發(fā)熱量稍大，其溫度為42.3 ℃，分析原因是線網(wǎng)初安裝導(dǎo)線表面存在銅銹，摩擦副不穩(wěn)定，需要弓網(wǎng)進(jìn)一步磨合。現(xiàn)場(chǎng)電氣測(cè)試結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 靜態(tài)接觸電阻測(cè)試結(jié)果

圖6 接觸發(fā)熱測(cè)試結(jié)果

4.2 受電弓自動(dòng)捕捉上網(wǎng)、冷滑及低壓受流試驗(yàn)

受電弓的自動(dòng)捕捉上網(wǎng)、冷滑及低壓受流試驗(yàn)的目的是獲取集電弓與接觸網(wǎng)的自動(dòng)捕捉上網(wǎng)、滑動(dòng)、受流和壽命等參數(shù)，以測(cè)試設(shè)計(jì)的合理性，并分析改進(jìn)方案及后期其他測(cè)試技術(shù)與試驗(yàn)裝置的可靠性。試驗(yàn)儀器和設(shè)備有試驗(yàn)車輛(見圖7)、DC30A穩(wěn)壓穩(wěn)流電源、示波器、測(cè)速儀、卷尺和扁銅導(dǎo)線等。測(cè)試項(xiàng)目及試驗(yàn)結(jié)果見表2。

圖7 試驗(yàn)車輛偏移線網(wǎng)2.5 m直線行駛

表2 自動(dòng)捕捉上網(wǎng)、冷滑及低壓受流試驗(yàn)項(xiàng)目和結(jié)果

大量測(cè)試結(jié)果顯示：上下線最大時(shí)間在15 s以內(nèi)，滿足20 s的設(shè)計(jì)要求；試驗(yàn)車輛直線段受流穩(wěn)定性試驗(yàn)滿足最大車速25 km/h的設(shè)計(jì)要求；受電弓與接觸網(wǎng)滑觸良好，運(yùn)行穩(wěn)定，表明該系統(tǒng)是可靠的。

5 結(jié)論

a.開發(fā)了首個(gè)DC1500V無軌膠輪架線車地面試驗(yàn)系統(tǒng)，能夠滿足裝備功率不大于250 kW的礦井無軌架線車的高壓調(diào)試、跑合試驗(yàn)以及出廠檢驗(yàn)的要求。

b.開發(fā)了適用于煤礦井下特定條件的集電裝置，其具有雙重補(bǔ)償功能，跟隨性好，受流質(zhì)量高，采用電液控制，能夠自動(dòng)上網(wǎng)和下網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)集電裝置的自動(dòng)化控制。

c.開發(fā)了一套車輛無人駕駛控制系統(tǒng)，使用無人駕駛車輛進(jìn)行高壓受電試驗(yàn)。經(jīng)過多次測(cè)試，該系統(tǒng)操控靈敏、可靠，安全有效地完成了車載受電系統(tǒng)的冷滑試驗(yàn)、高壓受流試驗(yàn)和絕緣監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，保障了人員安全。該試驗(yàn)系統(tǒng)的成功研制，實(shí)現(xiàn)了地面無軌電車向礦山行業(yè)的推廣與應(yīng)用，對(duì)煤礦無軌輔助運(yùn)輸技術(shù)提升具有積極作用。