220 t礦用自卸車電動輪驅(qū)動電機風(fēng)摩損耗研究

劉維維，宮海龍，王 亮

(哈電發(fā)電設(shè)備國家工程研究中心有限公司，哈爾濱 150028)

0 引言

大型礦用電動輪自卸車是大型露天礦山的主要運輸工具。目前常見的百噸級礦用自卸車主要車型有130 t、170 t、190 t、220 t、240 t、300 t以及400 t等。電動輪及驅(qū)動系統(tǒng)是礦用自卸車的核心部件，一般由電動輪、車載變頻器、柴油發(fā)電機組成。與傳統(tǒng)內(nèi)燃機機械驅(qū)動方式相比，電動輪及驅(qū)動系統(tǒng)具有更高的傳動效率，更大的載重能力，已成為礦用自卸車領(lǐng)域的主要發(fā)展方向。

20世紀60年代，美國GE公司率先推出電動輪結(jié)構(gòu)，90年代實現(xiàn)了交流電傳動。國際上的主要公司有卡特彼勒、特雷克斯、小松、別拉茲等，整車最大載重可達450 t。國外電動輪產(chǎn)品類型豐富，具有系列化、專業(yè)化的生產(chǎn)體系和配套體系，在國際市場占據(jù)絕對壟斷地位(約占礦車總量的90%)。我國對礦用自卸車的研究起步較晚，在20世紀70年代開始研制電動輪，直到90年代才形成一定規(guī)模，主要生產(chǎn)企業(yè)有北方重工、湘電重裝、徐工集團、中車集團等。

國內(nèi)礦山的主力車型之一是220 t礦用自卸車，其電動輪驅(qū)動電機為異步電動機，采用軸向通風(fēng)冷卻方式。該電機額定轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，但是根據(jù)礦山現(xiàn)場運行工況來看，電機轉(zhuǎn)速最高可達3 300 r/min。隨著轉(zhuǎn)速的變化，電機內(nèi)風(fēng)摩損耗將顯著增加，影響電機的運行效率。因此，應(yīng)對風(fēng)摩損耗引起足夠的重視。目前在電機設(shè)計階段一般采用經(jīng)驗公式[1-2]進行計算，但是經(jīng)驗公式對電機的依賴很大，不是普遍適用的，所以只能通過試驗的方法來獲得較為準確的風(fēng)摩損耗值。因此，有必要對電機內(nèi)的風(fēng)摩損耗進行仔細研究，找到一種相對準確的計算方法。

風(fēng)摩損耗受電機結(jié)構(gòu)及電機內(nèi)流體流動狀態(tài)影響，本文采用數(shù)值模擬的方法對電機內(nèi)的流場進行計算分析。通過處理，得到風(fēng)摩損耗的大小，并探討電機轉(zhuǎn)速、壁面粗糙度對風(fēng)摩損耗的影響。該方法可以在設(shè)計階段為電機設(shè)計提供重要參考。

1 計算域的確定

電動輪驅(qū)動電機采用軸向通風(fēng)的冷卻方式，冷卻空氣來源于車輛上的冷卻風(fēng)機。冷卻空氣經(jīng)風(fēng)機加壓后，進入后風(fēng)道流向后橋殼，經(jīng)電機傳動端端蓋進入電機，然后分成三路(定子通風(fēng)道；氣隙；轉(zhuǎn)子通風(fēng)道)將電機內(nèi)部的損耗帶走，最后由非傳動端端蓋排到大氣中，完成電機的冷卻。

為了便于對仿真結(jié)果進行校對，根據(jù)電機試驗的實際情況進行仿真建模，并在建模時進行合理簡化。驅(qū)動電機的三維模型包括轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子銅條、轉(zhuǎn)子壓板、擋風(fēng)板、定子鐵心、定子繞組、定子壓板、機座等主要部件，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)圖

考慮到電機試驗時，是在室溫環(huán)境下，不同轉(zhuǎn)速時進行的空載試驗，試驗過程中電機是敞開式的。因此計算域除了轉(zhuǎn)子計算域和定子計算域，還包含了電機外部空氣計算域，如圖2所示。

圖2 計算域示意圖

2 流場仿真分析

2．1 風(fēng)摩損耗計算

電機內(nèi)流體流動換熱問題需滿足質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒。其中能量守恒定律是計算流體溫度場的基本方程，其方程式為：

式中：cp為定壓比熱容；T為溫度；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；S為內(nèi)熱源及因黏性作用使流體機械能轉(zhuǎn)化為熱能的能量。

由于電機轉(zhuǎn)子外表面速度較高，電機內(nèi)空氣處于湍流狀態(tài)，電機中的風(fēng)摩損耗使內(nèi)能發(fā)生了變化，并最終通過熱量的形式散發(fā)出系統(tǒng)[3]。因此，在計算過程中激活能量方程，計算達到收斂條件后，對結(jié)果進行后處理，得到流出系統(tǒng)的內(nèi)能，即可得到風(fēng)摩損耗。

對本文中試驗工況下的電動輪驅(qū)動電機對計算域進行網(wǎng)格剖分，獲得網(wǎng)格節(jié)點數(shù)563萬，網(wǎng)格質(zhì)量滿足計算要求。經(jīng)過后處理，得到的風(fēng)摩損耗計算值如表1所示，表中同時還列出了對應(yīng)的試驗值，并給出了計算值的相對誤差(絕對值)。

表1 試驗條件下的風(fēng)摩損耗值

計算結(jié)果表明，計算值與實測值較為接近，在允許誤差范圍內(nèi)。通過監(jiān)測系統(tǒng)能量變化來獲取風(fēng)摩損耗的方法可以作為一種比較可靠的風(fēng)摩損耗計算方法。

為獲得電機實際工作中的風(fēng)摩損耗，需根據(jù)電機工作情況對模型進行相應(yīng)修改。由于驅(qū)動電機在實際工作時，是由礦用自卸車上的風(fēng)扇對其提供冷卻風(fēng)的。因此，修改后的仿真模型如圖3所示，計算后的電機剖面速度矢量圖如圖4所示。

圖3 電機實際工作時的流場仿真模型

圖4 電機剖面速度矢量圖

2．2 轉(zhuǎn)速及粗糙度對風(fēng)摩損耗的影響

采用2．1中的方法，對電機實際工作條件及轉(zhuǎn)速范圍下電機內(nèi)的風(fēng)摩損耗進行了計算，仿真結(jié)果如圖5所示。計算結(jié)果表明：風(fēng)摩損耗與電機轉(zhuǎn)速的三次方呈線性關(guān)系。

圖5 轉(zhuǎn)速與風(fēng)摩損耗的關(guān)系

需要說明的是，由于本文中所研究的電動輪驅(qū)動電機在實際工作中并非采用自循環(huán)通風(fēng)冷卻型式，而是通過自卸車上的冷卻風(fēng)扇來提供冷卻空氣進行的強迫通風(fēng)冷卻，因此，當電機轉(zhuǎn)速為0時，仍有冷卻空氣進入電機內(nèi)部，故此時的風(fēng)摩損耗并不為零，該損耗的大小主要與電機內(nèi)部的風(fēng)阻及風(fēng)量有關(guān)。

除了轉(zhuǎn)速的影響，風(fēng)摩損耗的大小與電機內(nèi)零部件的粗糙度也有直接關(guān)系。為此，圖6給出了電機轉(zhuǎn)速1 200 r/min時，不同通風(fēng)道粗糙度下風(fēng)摩損耗的大小。結(jié)果表明，粗糙顆粒高度在0.025 mm以內(nèi)時，風(fēng)摩損耗變化不大，當粗糙顆粒高度繼續(xù)升高時，風(fēng)摩損耗顯著增加。

圖6 通風(fēng)道粗糙度對風(fēng)摩損耗的影響

3 結(jié)論

針對220 t礦用自卸車電動輪驅(qū)動電機進行風(fēng)摩損耗計算分析，結(jié)合試驗結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

(1) 通過考察電機系統(tǒng)耗散的內(nèi)能來獲得電機風(fēng)摩損耗的方法，可以作為一種比較可靠的風(fēng)摩損耗計算方法；

(2) 電機內(nèi)風(fēng)摩損耗與電機轉(zhuǎn)速的三次方呈線性關(guān)系；

(3) 當通風(fēng)道粗糙顆粒高度較小時，電動輪驅(qū)動電機的風(fēng)摩損耗基本與粗糙程度沒有關(guān)系，當粗糙顆粒高度超過0.05 mm后，風(fēng)摩損耗與粗糙顆粒高度基本呈線性關(guān)系。