窄軌電機車技術(shù)及發(fā)展展望

湘潭電機股份有限公司 陳清理 錢明華

一 前言

受礦山巷道空間環(huán)境的限制，在這些礦山井下運輸?shù)V石、物料、人員的電機車的軌距和干線機車1435mm軌距相比均窄了許多，所以人們一般把這些電機車稱之為窄軌電機車。窄軌電機車是一個門類繁多規(guī)格復(fù)雜，分類標(biāo)準(zhǔn)多樣。產(chǎn)品如按軌距分道有475mm、600mm、762mm、900mm，按機車的粘著重量分有：1.5t 、2.5t、3t、5t、6t、7t、8t、10t、12t、14t、15t、18t、20t。按電機車的安全程度分有增安型、礦用一般型、防爆特殊型、隔爆型，若按電壓等級分有：100V、25V、550V（架線式）48V、88V、90V、110V、120V、132V、140V、144V、196V、256V等電壓等級的電機車，按駕駛室的方位和數(shù)量又可分為一端或兩端司機室的電機車及司機室居中的電機車。但用的最廣泛是如下三種分類習(xí)慣，即按粘著質(zhì)量的噸位大小分，按電機車得到的電源方式分為：架線式電機車和蓄電池電機車，按是否防爆分為防爆電機車和普通型電機車。

二 窄軌電機車的基本結(jié)構(gòu)及功能

窄軌電機車不管如何分類，外形、大小如何不同但作為運輸工具，他們的最基本的結(jié)構(gòu)卻是都必須的，基本功能也是相近的下面以蓄電池機車為例，對其結(jié)構(gòu)、功能進行說明。蓄電池機車的外形結(jié)構(gòu)見下面的圖1.

圖1 蓄電池電機車外形圖

窄軌電機車按牽引電力的來源分為架線式和蓄電池式電機車及即可由架線電網(wǎng)供電又可由蓄電池供電的復(fù)式能源電機車三種。其中架線式電機車由于電網(wǎng)導(dǎo)線和受電弓在運行中產(chǎn)生的電火花使架線式電機車只能使用在無瓦斯的煤礦中，而蓄電池由于自帶動力而廣泛運用在有瓦斯的礦井下，當(dāng)然也適合于隧道掘進、過江通道等不安裝電網(wǎng)的工程中。圖中的司機室是電機車司機工作的地方內(nèi)置司機控制器及機車運行所需的各類儀表、開關(guān)、照明等。而司機控制器是電機車司機對提供牽引動力的電動機發(fā)出啟動、調(diào)速、減速、制動、前進后退等指令的控制裝置，電動機是為電機車提供驅(qū)動力的機械。在小噸位電機車中如1.5t、2.5t少量3t電機車中由一臺直流串勵電動機提供動力。而在絕大多數(shù)電機車中是由2臺直流串勵電動機提供動力，一般在大噸位的電機車如12t以上的還有一臺為提供壓縮空氣的輔助直流牽引電動機。而在VVVF驅(qū)動系統(tǒng)中則是由兩臺交流異步電動機為電機車提供牽引動力的，目前VVVF驅(qū)動系統(tǒng)在整個窄軌電機車牽引技術(shù)中所占比例尚不會超過5%，但它卻是窄軌工礦電機車技術(shù)進步的最大空間。

制動裝置是保證電機車安全運行、滿足運輸要求的必備結(jié)構(gòu)，其手動機械制動系統(tǒng)示意圖見如下圖2:

圖2 制動裝置示意圖

進行制動操作時順時鐘轉(zhuǎn)動手輪，其絲桿螺母傳動付2、3帶動橫臂4水平移動，與4相連的拉桿機構(gòu)5帶動閘瓦7貼緊車輪6踏面，對車輪施加阻力距使電機車減速直至停止。由于該系統(tǒng)是由人力來操作的，因此要求杠桿機構(gòu)的設(shè)計要使手輪操作力不大于160N力，否則要改用氣動操作的制動系統(tǒng)。

由輪對、減速箱聯(lián)軸器、電動機、托架等組成的走行裝置簡圖如下圖3所示：

它能通過減速箱內(nèi)的齒輪傳動機構(gòu)把電動機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速傳遞到輪對上轉(zhuǎn)為電機車所需的輪周持續(xù)力和運行速度，其中的輪對是電機車安全可靠運行的最關(guān)鍵部件。緩沖器安裝于電機車的前后端下部位置，內(nèi)外殼內(nèi)安裝有彈簧和牽引銷，用以緩和礦車對電機車的沖擊并牽引礦車。其結(jié)構(gòu)見如下圖4所示，

圖3 電機車走行裝置圖

圖4 電機車緩沖器結(jié)構(gòu)圖

緩沖器有如下幾項性能指標(biāo)：

緩沖器行程

緩沖器受到?jīng)_擊力時，其彈性元件產(chǎn)生的最大變形量稱為行程

緩沖器的最大阻抗力

緩沖器受到?jīng)_擊達到行程時的外沖擊力

緩沖器的容量

緩沖器在受到?jīng)_擊時彈性元件在壓縮過程中所作的功稱為緩沖器的容量

回彈能量

緩沖器的彈性元件在復(fù)原時所放出的能量

能量吸收率

緩沖器彈性元件在受沖擊而壓縮過程中，其中一部分能量被阻尼消耗，這被消耗的部分能量與緩沖器的容量之比即為能量吸收率

耐久性

緩沖器在使用中保持其容量的能力稱為耐久性，它主要取決于彈性元件的性能，溫度等因素。

緩沖器的示功圖見如下圖5所示，

圖5 緩沖器的示功圖

圖中的OAFO面積為緩沖器的容量。陰影面積OAEO為阻尼所消耗的能量。OEFO為緩沖器在沖擊外力消失后彈性元件復(fù)原時釋放出的能量。

撒砂裝置也是窄軌電機車可靠運行不可缺少的裝置之一，它的作用是在電機車車輪前的軌道面上撒砂，以增大輪、軌之間的粘著系數(shù)及摩擦系數(shù)加大牽引力。在正常情況下，撒砂對粘著系數(shù)的影響見下表1所示：

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架線式電機車和蓄電池電機車由于功能相同，故大部分結(jié)構(gòu)、功能都是相同或相近，但仍有不少不同的地方，如在外形上架線式電機車就有蓄電池機車不具有的受電弓和自動開關(guān)等電氣配置，而自帶電源的蓄電池電機車上的蓄電池卻成為區(qū)別它們的根本標(biāo)志見圖1中的項9,同時由于井下沒有調(diào)車場返回時列車變?yōu)榈V車在前，機車在后的隊列，使在司機室開車的司機由于被蓄電池箱的高度擋住了嘹望視線不利安全行車，為此又有了將蓄電池電機車的司機室增加為前后各一個的新車種，以利司機可在往返路程上使用便于他們嘹望的司機室。圖1即是有兩端司機室的蓄電池電機車的外形圖。

三 窄軌電機車傳統(tǒng)控制模式

傳統(tǒng)的窄軌工礦電機車的控制運行模式除了極少量小噸位蓄電池電機車利用兩組電池作串、并聯(lián)組合來控制電機車的啟動、調(diào)速運行外，絕大多數(shù)是利用如圖6方式所示：

這種方法是利用在串勵直流電動機電樞繞組內(nèi)串電阻并在啟動過程中不斷切去部分電阻并改變兩臺電機的聯(lián)接方式的模式來操控電機運行的。圖中經(jīng)濟級是指串、并聯(lián)電路中的電阻全部切完后電機可以長時間運行的級位，而在串、并聯(lián)回路中電阻尚未全部切除的情況下該級位是不能長時間運行的。對于窄軌電機車在尚有電阻串在電路中的情況下該級運行時間應(yīng)在8秒鐘以下，早期的北京地鐵在串有電阻的調(diào)車位，只能運行13秒鐘時間，該模式可以安全地操縱電機車在井下的各種運輸作業(yè)的要求，但是該模式有大量的電能消耗在電阻上并且電阻產(chǎn)生的熱量還會危及安裝在它周圍的電氣設(shè)備的安全。這給安裝空間極其狹窄的電機車設(shè)計帶來很大的困難。同時電阻、電路的不斷切除、轉(zhuǎn)換使司機控制器設(shè)計復(fù)雜體積增大，所需大容量接觸器數(shù)量均會增加，而這又會造成電路復(fù)雜，故障率增高。

圖6 雙機牽引電機車串并聯(lián)起動、調(diào)速示意圖

下面的圖7即為運用該種模式控制電機的一個實用電路。

圖7 7t調(diào)阻車電氣原理圖

大多數(shù)調(diào)阻車電氣原理，該模式的各種實用電路不管結(jié)構(gòu)如何復(fù)雜在進入到最高速運行的電動運行方式和進入到動力制動后的雙機交叉橋式連接多為如下面的圖8所示，

圖8 雙機牽引時電機車的電動狀態(tài)和制動狀態(tài)示意圖

其中的a)圖即為切除所有電阻并且雙電動機轉(zhuǎn)換成并聯(lián)狀態(tài)兩電動機施加最高電壓運行于最高速的電動運行狀態(tài)，而b)圖上所示為已斷開電源電動機連接成穩(wěn)定電氣聯(lián)系的交叉橋式連接的制動電路，在這個制動電路中的兩臺電動機在斷開電源后仍在電機車繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的狀下變成發(fā)電機并且由于M1電樞發(fā)生的電動勢給M2的磁場Q2供電，而M2的電樞給M1的磁場Q1供電M1、M2發(fā)出的電能消耗在R1～R4中，并通過調(diào)節(jié)R1～R4串在電路中阻值的大小調(diào)節(jié)制動力矩的大小。

四 窄軌電機車的斬波控制模式

由前敘知傳統(tǒng)控制模式由于大量電能消耗在電阻上造成能源的大量浪費并且由于電阻分斷切除造成電路電流沖擊使電機車運行速度波動，于是人們開始采用脈沖開關(guān)取代電阻降壓來對加在電動機上的電壓進行斬波以調(diào)節(jié)電動機得到電壓的大小，從而改變電機車運行速度的高低，目前利用脈沖斬波技術(shù)對電動機轉(zhuǎn)速進行控制的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，該脈沖斬波控制模式見圖9所示，

依據(jù)斬波器所采用的電力電子功率器件的不同，目前的斬波控制技術(shù)又可分為可控硅斬波技術(shù)和IGBT斬波控制技術(shù)兩種。由于可控硅斬波技術(shù)運用更早，技術(shù)上更加成熟，現(xiàn)有斬波技術(shù)控制系統(tǒng)中使用可控硅電力功率器件又占了大部分，所以下面以可控硅斬波技術(shù)為例，對該模式進行分析論述。該模式的實用主原理圖和觸發(fā)控制線路圖如下圖10、圖11所示。

圖11 可控硅觸發(fā)控制電路圖

斬波控制模式不管實用電路如何復(fù)雜，使用何種類型的電力電子器件其主電路的兩臺電動機總只作并聯(lián)連接，這使得司機控制器的設(shè)計簡化、線路觸點大為減少、電路故障率降低、電機車運行可靠性提高。

圖10中的主可硅SCR1在啟動時若加上脈沖SCR1使接通主電路兩并聯(lián)的電動機得到電壓，SCR1若關(guān)斷，兩并聯(lián)的電動機得不到電壓，而要關(guān)斷SCR1必須設(shè)置換流電感L1、換流電容C和副硅SCR2組成關(guān)斷電路原理如下：

主電路電源E首先通過L1、 D1、L2電機支路及R0、D3支路對C充電成上正下負，觸發(fā)主硅SCR1使其導(dǎo)通，電動機得到電壓而轉(zhuǎn)動，要關(guān)斷SCR1主硅時則在副硅SCR2上加上觸發(fā)脈沖，使之導(dǎo)通則C通過副硅及L1放電，放電完畢因L1的電慣性作用使C又反向充電成上負下正此時這個電壓對主、副硅而言均為反向電壓，這使得副硅、主硅先后關(guān)斷故由于主硅關(guān)斷后兩并聯(lián)電動機又失去電壓，電源又繼續(xù)對C充電，重復(fù)上述過程并再次關(guān)斷主硅、副硅作準(zhǔn)備。

由上述知控制主硅SCR1導(dǎo)通時間的長短就能改變電動機上得到電壓的多少而改變電機的轉(zhuǎn)速進而使電機車的速度高低得到調(diào)節(jié)，那么怎樣控制SCR1導(dǎo)通時間的長短呢？這是通過圖11的脈沖觸發(fā)電路的作用而實現(xiàn)的。由圖11可見左邊為主振環(huán)節(jié)和功率放大環(huán)節(jié)，而右邊為副脈沖振蕩環(huán)節(jié)和功率放大環(huán)節(jié)，為了保證主副脈沖同步，采用了由SCR5、C5和SCR4組成的可控硅雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路。當(dāng)接通電源后，由于C4的充電比C6快，當(dāng)VC4按指標(biāo)曲線逐漸上升到單結(jié)晶體管BT1的峰點電壓Vp時，單結(jié)晶體管BT1導(dǎo)通，C4上的電壓VC4接近發(fā)射極E與第一基極B1向電阻R6放電而在R6上得到一個脈沖電壓VB6此脈沖一路去觸發(fā)SCR3經(jīng)放大后MB2輸出副脈沖經(jīng)D5去觸發(fā)副可控硅SCR2，另有一路去觸發(fā)SCR4，SCR4導(dǎo)通后電源經(jīng)R9、SCR4對C5充電成“左正右負”使單結(jié)晶體管BT1失去電源而停振。

主脈沖G1的發(fā)出：在SCR6和MB1構(gòu)成的放大電路中，R15的阻值較大并使流過R15和SCR6支路的電流小于SCR6的維持電流，所以正常情況下SCR6是斷開的，當(dāng)VC6上的電壓上升到單結(jié)晶體管BT2的峰點電壓Vp時，BT2導(dǎo)通，在電阻R12上產(chǎn)生脈沖電壓VB2使SCR6導(dǎo)通，電容C1通過MB1和SCR6放電，當(dāng)放電電流小于SCR6的維持電流時，SCR6又關(guān)閉這使得MB1二次線圈中感應(yīng)出一個寬脈沖，經(jīng)二極管D10去觸發(fā)主可控硅SCR1，當(dāng)R12產(chǎn)生的脈沖電壓VB2使SCR6導(dǎo)通的同時也觸發(fā)導(dǎo)通了SCR5使SCR4因承受反壓而關(guān)閉，這使得C5又經(jīng)SCR5電源和R8反向充電，使得單結(jié)晶體管BT1又得工作電壓重新起振重新發(fā)出副脈沖，使上述過程重新持續(xù)工作。

在主電路圖中還有一些重要的元件是必不可少的，如二極管D2為續(xù)流二極管它所起的作用是當(dāng)主可控硅SCR1關(guān)斷后給兩臺并聯(lián)的電動機的感應(yīng)電動勢提供一條通路保持電動機電流的連續(xù)性使其運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。電阻R0和二極管D3這條支路是為了加快電容C的正向充電速度而設(shè)的。而電感L2除了能保證續(xù)流可靠外還能延長電容C反向放電的時間，確保SCR1和SCR2可靠關(guān)斷，斬波器運行平穩(wěn)、可靠。圖中的4條阻容吸收電路R、C00是為主電路中4個大功率器件SCR1、SCR2、D1、D2提供保護作用的。可控硅觸發(fā)控制電路圖11中的電源輸入端的電容器C1和穩(wěn)壓管DW1是對電源提供穩(wěn)壓、濾波功能的。

另外用新型元件IGBT作為斬波電路開關(guān)器件的斬波系統(tǒng)由于運用時間不長成熟性不如可控硅斬波調(diào)速系統(tǒng)，但IGBT斬波系統(tǒng)由于不要L、C元件組成關(guān)斷回路故使電路得到簡化，故IGBT斬波調(diào)速系統(tǒng)是很有發(fā)展前途的。

五 窄軌電機車的VVVF交流調(diào)速控制模式

窄軌電機車由傳統(tǒng)的凸輪調(diào)阻模式進入到節(jié)能的無級調(diào)速的可控硅斬波模式無疑是個巨大的進步，調(diào)阻模式還是引發(fā)瓦斯爆炸的現(xiàn)實隱患，斬波調(diào)速方式從根本上消除了這一危險因素。同時無級調(diào)速方式使電機車運行速度平穩(wěn)無沖擊改善了司乘人員工作的舒適程度，但從技術(shù)的角度來說這樣的進步只能說是數(shù)量上的變化，而電機車從斬波調(diào)速的直流系統(tǒng)到VVVF的交流系統(tǒng)則是真正意義的質(zhì)的變化是革命性的變化。VVVF是輸出電壓和頻率可變的逆變器的縮寫。VVVF交流驅(qū)動系統(tǒng)的出現(xiàn)使得原來在牽引系統(tǒng)占有絕對統(tǒng)治地位的直流電機驅(qū)動系統(tǒng)在短短的十幾年里徹底退出中國地鐵、輕軌牽引系統(tǒng)而簡單、堅固、耐用的三相交流鼠籠式電動機成了地鐵輕軌、干線電機車、動車組首選的牽引動力，從根本上杜絕了直流電動機容易造成環(huán)火故障的頑疾，大大提高了列車運行的可靠性，但由于礦山窄軌電機車這個行業(yè)的特殊性，選用VVVF交流驅(qū)動系統(tǒng)來作為電機車的牽引系統(tǒng)的比例還不高，仍是落后耗能的傳統(tǒng)模式電阻調(diào)速型電機車占大都數(shù)，在2009年對我國生產(chǎn)工礦窄軌機車的中心湘潭初步統(tǒng)計，落后的電阻調(diào)速的窄軌機車的產(chǎn)量占80%以上，而斬波調(diào)速和VVVF調(diào)速的電機車僅為20%左右，而最先進的VVVF所占比例不到1%,近年由于節(jié)能、環(huán)保、低碳的理念逐步深入人心，這個比例正在發(fā)生可喜的變化，創(chuàng)業(yè)剛剛十年的湘潭南方機電制造有限公司在2010年生產(chǎn)的窄軌電機車中，電阻調(diào)速的傳統(tǒng)電機車的比例已較大幅度地降到60%左右，現(xiàn)在該公司正在抓緊對架線式和蓄電池式電機車進行VVVF交流驅(qū)動電機車的研制和開發(fā)。VVVF交流驅(qū)動的主電路圖如下圖12所示。

圖12 VVVF變頻調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)主電路圖

這是一個典型的IC2M系統(tǒng)。電機車在正常進入制動運行時，如該網(wǎng)路附近沒有電機車吸收其制動能量時則將使支撐電容C1、C2的電壓升高，當(dāng)這個電壓高到預(yù)定的整定值時電壓傳感器便會給制動斬波器T7給出信號，觸發(fā)導(dǎo)通該IGBT管，使支撐電容C1、C2的制動能量通過制動電阻R5發(fā)泄掉，從而保護了支撐電容。圖中T1～T6即為三相輸出逆變器，M1、M2即為三相交流鼠籠式電動機，電路圖上部的M3為驅(qū)動空壓機的直流電動機ZB，為直流變換器,將網(wǎng)壓轉(zhuǎn)換成24V的照明燈電壓，OF為接通電路的自動開關(guān)同時在電機車工作時擔(dān)負過載、短路保護，DJC為瓦斯斷電報警儀。

六 窄軌電機車今后的發(fā)展方向

工礦窄軌電機車今后的發(fā)展應(yīng)在以下幾個方面：

首要的當(dāng)然是大力發(fā)展斬波調(diào)速模式和VVVF調(diào)速模式，這顯然是符合節(jié)能、環(huán)保、低碳方向的，而且這個空間目前是很大的，是最有潛力的一個方面。

大力推進標(biāo)準(zhǔn)化、通用化方面的工作，這可從蓄電池的電壓等級之多看從這項工作的必要性和重要性，如88V、90V和140V、144V幾個電壓等級，從生產(chǎn)管理和技術(shù)角度看完全沒必要作如此細分，另外軌距方面，雖然給出了600mm、762mm、900mm三個標(biāo)準(zhǔn)的軌距，而礦山實際情況還有不少稍大于或稍小于這三種軌矩的情況，這顯然給生產(chǎn)管理、使用和維護方面加大了壓力。

可以放棄使用錐形踏面，而從新電機車出廠就使用磨耗形踏面以明顯減少電機車輪軌的磨損，減少更換車輪鏇輪的工作量及其成本、延長壽命、減少輪軌間接觸應(yīng)力，增加電機車抗脫軌保安全及橫向運行的平穩(wěn)性。

除了對于踏面的改進外，對輪箍的材料研究表明：降低鋼中碳和錳的含量完善熱處理工藝，將其硬度由現(xiàn)在HB240左右提高到HB320～HB340可以減少磨損和疲勞破壞。現(xiàn)行輪箍成分、含量和布氏硬度見表2所示。

表2 輪箍鋼構(gòu)成元素及含量

采用冷光源LED燈，1962年美國通用電氣公司HoLonyak博士發(fā)明了發(fā)光二極管就顯示了其巨大的優(yōu)越性，由于他在常溫下就可發(fā)光且長期點燃溫度不超過50°C無瓦斯爆炸危險，比白熾燈的燈絲在3000°C才發(fā)光的效果要好并且LED非常節(jié)能，一盞9W的LED燈相當(dāng)于一盞35W的白熾燈。且LED燈壽命長達5萬小時以上，遠遠超過白熾燈，同時LED燈采用寬電壓設(shè)計時可直接在網(wǎng)壓下工作而不必象現(xiàn)行用燈一樣首先要利用直變器將550V或220V的接觸網(wǎng)壓或其它高電位的蓄電池電壓降到24V或12V才能工作這樣在見縫插針安裝空間狹小的司機室內(nèi)又可省出可觀的空間，由此可見用LED燈代替白熾燈的優(yōu)點是很多的。

盡最大可能改善司機室的空間，這個問題受制約的因素太多，但供方仍應(yīng)千方百計不懈努力給在狹小空間的司乘操作人員在長時間的工作中伸伸腰活動活動手腳的方便。

傳統(tǒng)理念附帶空氣制動等操作的電機車應(yīng)在12t以上，而為了減輕司機的勞動強度，已有在6t電機車安裝空氣壓縮機的實例，由于以人為本觀念為大多數(shù)人所接受，在小噸位電機車上增加空氣壓縮系統(tǒng)有可能稱為一個發(fā)展方向。