架線式電機(jī)車電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)裝置及應(yīng)用

孫秀茹，閆豐偉,秦春彬，馮麗軍

(1.煙臺(tái)黃金職業(yè)學(xué)院； 2.煙臺(tái)盛玖源環(huán)?？萍加邢薰荆?3.青島城得發(fā)石業(yè)有限公司)

目前，電機(jī)車是金屬礦山的主要運(yùn)輸設(shè)備，可牽引礦車組在水平或坡度≤3 %的線路上進(jìn)行長距離運(yùn)輸，也可用于短距離運(yùn)輸或調(diào)車。但在實(shí)際使用中電機(jī)車普遍存在一些問題，如制動(dòng)效果差、制動(dòng)距離長等。根據(jù)GB 16423—2020 《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》，電機(jī)車在運(yùn)送人員時(shí)制動(dòng)距離不應(yīng)超過20 m，運(yùn)送物料時(shí)不應(yīng)超過40 m，14 t以上的大型電機(jī)車(或雙機(jī))牽引運(yùn)輸，應(yīng)根據(jù)運(yùn)輸條件予以確定，但應(yīng)不超過80 m[1]。3 t以上電機(jī)車普遍采用壓縮空氣制動(dòng)，能夠滿足規(guī)程要求。3 t以下電機(jī)車因車身空間有限，難以配置單獨(dú)的空氣壓縮機(jī)，普遍采用機(jī)械制動(dòng)，存在制動(dòng)力矩小、制動(dòng)距離長等缺點(diǎn)，且在惡劣工況和頻繁動(dòng)作下容易損壞[2-6]。因此，礦山企業(yè)多年來一直在探索、尋求一種制動(dòng)平穩(wěn)、制動(dòng)效果明顯的制動(dòng)裝置，以滿足生產(chǎn)需要。本文以3 t架線式電機(jī)車為研究對(duì)象，進(jìn)行電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)裝置的研究。

1 電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)裝置

1.1 工作原理

當(dāng)電機(jī)車制動(dòng)時(shí)，從高速降到低速(零速)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子因負(fù)載(生產(chǎn)機(jī)械)有較大的機(jī)械慣性，不能迅速停車，會(huì)產(chǎn)生反電勢(shì)EU(端電壓)，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，其產(chǎn)生的反向電磁轉(zhuǎn)矩與原電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩狀態(tài)相反，從而使電動(dòng)機(jī)具有一定的制動(dòng)力矩，迫使轉(zhuǎn)子停下，這種制動(dòng)方法不可控，制動(dòng)力矩有波動(dòng)。在電動(dòng)機(jī)的電樞端串接電阻，電機(jī)車制動(dòng)時(shí)，牽引電動(dòng)機(jī)以發(fā)電機(jī)工況運(yùn)行，機(jī)械能拖動(dòng)發(fā)電機(jī)的電樞繞組旋轉(zhuǎn)，切割勵(lì)磁繞組產(chǎn)生勵(lì)磁，在電樞繞組兩端形成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這樣閉合回路就產(chǎn)生了電流，感應(yīng)電流、電磁轉(zhuǎn)矩的方向反向，把多余的機(jī)械能(慣性能量)產(chǎn)生的電能耗散在制動(dòng)電阻上，從而避免了對(duì)機(jī)械部件的沖擊。

但是，架線式電機(jī)車配備的是直流電動(dòng)機(jī)，其勵(lì)磁方式為串勵(lì)，制動(dòng)特性如圖1所示。當(dāng)進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)后，隨著轉(zhuǎn)速(y)的降低，電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩(x)急速減小，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩相對(duì)于強(qiáng)大的慣性力矩來說，幾乎沒有作用。因此，需要把勵(lì)磁方式由串勵(lì)形式改接成他勵(lì)形式，進(jìn)入“他勵(lì)能耗制動(dòng)”。

圖1 串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的能耗制動(dòng)特性示意圖

他勵(lì)是將勵(lì)磁繞組和電樞繞組分別接到電源上。由于串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組的電阻、電感、電流很小，所以必須選擇適當(dāng)?shù)闹绷麟妷?，既要保證足夠的勵(lì)磁電流，又要保證不燒毀勵(lì)磁線圈。他勵(lì)能耗制動(dòng)時(shí)，將直流電壓注入電樞繞組中，產(chǎn)生一定的磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子會(huì)因產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩而慢慢停下來。施加的外部電壓與產(chǎn)生的磁場(chǎng)成正比，只要持續(xù)地供給直流電壓，轉(zhuǎn)子就會(huì)停在相應(yīng)的位置，外接電壓值越大，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大，制動(dòng)效果越好。

通過理論計(jì)算與多次試驗(yàn)，選定4節(jié)直流電瓶(12 V，100 A·h)作為外接電源，當(dāng)電機(jī)車需要制動(dòng)時(shí)，利用直流電動(dòng)機(jī)的可逆性，使直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換到直流發(fā)電機(jī)狀態(tài)，將牽引電動(dòng)機(jī)與原工作回路中的電源斷開。然后，勵(lì)磁繞組中通入可控可調(diào)的直流電源，以保證電動(dòng)機(jī)不發(fā)生飛車事故。同時(shí)，在電樞繞組中也通入合適的電源，使其產(chǎn)生足夠大的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)車限速、降速直至停車。

1.2 制動(dòng)特點(diǎn)

電機(jī)車制動(dòng)時(shí)，只需踩下制動(dòng)踏板(或者手動(dòng)制動(dòng))，切斷架線與電機(jī)車的連接。此時(shí)，直流電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，電樞繞組中串接的制動(dòng)電阻參與制動(dòng)；同時(shí)，勵(lì)磁繞組與電樞繞組由串接狀態(tài)斷開，外部直流電瓶供電給電樞繞組，進(jìn)入能耗制動(dòng)裝置，勵(lì)磁方式轉(zhuǎn)化為他勵(lì)。通過調(diào)節(jié)他勵(lì)電流的大小，使施加于電樞的制動(dòng)力矩與電動(dòng)機(jī)的慣性力矩相平衡，當(dāng)制動(dòng)過程結(jié)束后，切換至正常運(yùn)行狀態(tài)。電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)裝置的特點(diǎn)在于：

1)制動(dòng)電流為峰值可控，采用功能先進(jìn)的霍爾開關(guān)控制通過勵(lì)磁繞組電流的大小，實(shí)現(xiàn)多段位分段控制，可實(shí)現(xiàn)在滿足工作制動(dòng)、緊急制動(dòng)距離要求的前提下，始終保持制動(dòng)轉(zhuǎn)矩在合理區(qū)間，使制動(dòng)過程無抱死、不脫軌、無機(jī)械沖擊和電動(dòng)機(jī)打火。

2)勵(lì)磁繞組中串聯(lián)了快速熔斷裝置，一旦制動(dòng)電流過大，能快速切斷回路，保證電機(jī)車運(yùn)行安全。

3)電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)裝置是“傻瓜式”自動(dòng)化操作系統(tǒng)，操作難度小。

2 電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)裝置功能

1)電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)裝置帶有車門聯(lián)鎖裝置，在電機(jī)車車門未關(guān)好的情況下不能啟動(dòng)設(shè)備，提高了設(shè)備操作的安全性。

2)選擇工作制動(dòng)或緊急制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，司乘人員無需將主軸手柄歸零并拉下集電弓，只需按下相應(yīng)開關(guān)，裝置將自動(dòng)按設(shè)定的程序工作。司乘人員也可隨時(shí)中斷制動(dòng)過程，使電機(jī)車按照慣性或按選擇的檔位與方向運(yùn)行，操作靈活方便，實(shí)用性較強(qiáng)。

3)電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)裝置能與雙機(jī)車編組的三段LED黃綠紅提示功能相輔助，有利于工作協(xié)調(diào)，同時(shí)提高了電機(jī)車運(yùn)行安全性。

4)電量顯示功能除提醒司乘人員注意電瓶殘存電量外，還提醒司乘人員長時(shí)間離車必須切斷控制器工作電源以節(jié)省電瓶電量。

5)電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)裝置具有故障診斷功能，方便維修人員快速查找故障點(diǎn)并更換器件。

6)電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)裝置預(yù)設(shè)實(shí)現(xiàn)重車高速時(shí)，工作制動(dòng)距離10～15 m，緊急制動(dòng)距離10 m之內(nèi)的技術(shù)指標(biāo)，符合相關(guān)規(guī)程的規(guī)定。

3 工業(yè)試驗(yàn)

3.1 模擬試驗(yàn)

3.1.1 模擬試驗(yàn)條件

1)制作1個(gè)操場(chǎng)式的環(huán)形軌道，其中直線軌道長30 m，以便于測(cè)試。

2)制作1個(gè)自動(dòng)撒沙裝置，模擬不同摩擦力條件下的軌面狀況。

3)為使負(fù)載模擬與實(shí)際工況接近，采取加大電機(jī)車自重的辦法(增加了1.5 t的鐵塊作為配重)，以增大其黏著力。

當(dāng)電機(jī)車在直線段位置達(dá)到規(guī)定速度時(shí)，開始投入電機(jī)車能耗制動(dòng)裝置。

3.1.2 試驗(yàn)結(jié)果

模擬試驗(yàn)條件下投入電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)裝置的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 投入電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)裝置的電機(jī)車制動(dòng)情況

3.2 工業(yè)試驗(yàn)

選擇招遠(yuǎn)市阜山黃金礦業(yè)工程有限責(zé)任公司南仁澗礦區(qū)進(jìn)行了電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)裝置投入前后的電機(jī)車制動(dòng)性能試驗(yàn)。

3.2.1 投入電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)裝置前制動(dòng)性能

試驗(yàn)選擇路段比較平穩(wěn)，無彎道，基本屬于直線段的地點(diǎn)，導(dǎo)軌面比較干凈，只有少許粉末，經(jīng)多次試驗(yàn)，選擇3組具有代表性的數(shù)據(jù),如表2、表3所示。其中，表2的試驗(yàn)條件為滿載0.75 m3的礦車10輛，軌面干燥；表3的試驗(yàn)條件為滿載0.75 m3的礦車7輛，軌面潮濕，略有油污。

表2 干燥軌面3 t架線式電機(jī)車制動(dòng)情況

表3 潮濕軌面3 t架線式電機(jī)車制動(dòng)情況

由表2、表3可知，電機(jī)車的制動(dòng)距離與軌面的摩擦系數(shù)關(guān)系很大。摩擦系數(shù)越小，制動(dòng)距離越長。所以，需要改善導(dǎo)軌面的狀況，以便縮短制動(dòng)距離。同等試驗(yàn)條件下的制動(dòng)距離，與負(fù)載大小成正比，即負(fù)載越大，制動(dòng)距離越長，基本正比于電機(jī)車制動(dòng)時(shí)的慣性大小。

3.2.2 投入電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)裝置后制動(dòng)性能

由于實(shí)際工況的復(fù)雜性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是實(shí)驗(yàn)室所能模擬出來的，因此，系統(tǒng)采用的電氣元件參數(shù)的合理性需要在礦山現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢驗(yàn)。在與投入電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)裝置前電機(jī)車制動(dòng)性能相同的試驗(yàn)條件下，測(cè)試了投入電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)裝置后電機(jī)車制動(dòng)性能，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4(試驗(yàn)條件同表2)、表5(試驗(yàn)條件同表3)所示。

表4 現(xiàn)場(chǎng)干燥軌面3 t架線式電機(jī)車制動(dòng)情況

表5 現(xiàn)場(chǎng)潮濕軌面3 t架線式電機(jī)車制動(dòng)情況

由表4、表5可知，采用電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)裝置后，制動(dòng)距離縮短了近1/2,且電機(jī)車運(yùn)行速度越小，其制動(dòng)效果越明顯。

3.3 效益分析

電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)裝置制動(dòng)力矩可調(diào)可控，電機(jī)車的脫軌事故、撞車事故發(fā)生概率大大降低，并有效提高了電機(jī)車制動(dòng)的準(zhǔn)確性、安全性，縮短制動(dòng)時(shí)間。經(jīng)過在招遠(yuǎn)市阜山黃金礦業(yè)工程有限責(zé)任公司南仁澗礦區(qū)試運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，電機(jī)車的維修率及維修成本縮減至原來的1/4左右。粗略計(jì)算，每臺(tái)3 t架線式電機(jī)車每年節(jié)約的直接維修費(fèi)達(dá)2萬元以上；另外，因其縮短了停機(jī)時(shí)間，即間接地提高了工作效率。按照每班增加1 h的運(yùn)輸時(shí)間計(jì)算，每年可增產(chǎn)礦石6萬t，其增加的經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。

在電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)裝置未投入使用前，從事電機(jī)車運(yùn)輸作業(yè)的工區(qū)，幾乎每年都發(fā)生過由于電機(jī)車脫軌或者撞車而導(dǎo)致的傷人事故，其給社會(huì)帶來的負(fù)面影響不言而喻。但是，采用該電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)裝置以后，類似事故沒有發(fā)生，大大提高了運(yùn)輸系統(tǒng)的安全性。

4 結(jié) 論

1)架線式電機(jī)車電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)裝置，是針對(duì)礦山企業(yè)架線式電機(jī)車的機(jī)械制動(dòng)方式(或液壓制動(dòng)方式)存在制動(dòng)距離過長、主令控制器損壞嚴(yán)重、安全隱患大等問題而研發(fā)的新型產(chǎn)品。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試和樣車的試運(yùn)行，證明了電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)裝置的研究方向正確、技術(shù)路線合理、產(chǎn)品適用。

2)電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)裝置投資少、操作簡便、實(shí)用性強(qiáng)，可在同類設(shè)備上推廣應(yīng)用。

3)在應(yīng)用與推廣過程中，通過不斷完善，使電機(jī)車電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)裝置功能更加全面，為再次研發(fā)提供依據(jù)。

4)在提高可靠性的基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)相鄰電機(jī)車之間的距離監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程通信及自動(dòng)化調(diào)度等功能。