井下電機(jī)車牽引力的影響因素分析

賈金梁

（陽(yáng)煤集團(tuán)五礦，山西陽(yáng)泉 045000）

0 引言

井下電機(jī)車在煤礦井下運(yùn)輸中發(fā)揮著重要的作用，井下電機(jī)車具有牽引力較大、便于維護(hù)、性能穩(wěn)定、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)。它主要應(yīng)用于沿軌道牽引礦車輸送煤炭、物資或人員方面。井下電機(jī)車最佳狀態(tài)是電動(dòng)機(jī)牽引力等于黏著牽引力[1]，但在運(yùn)行過程中二者不能很好地匹配。因此，合理優(yōu)化牽引力的大小、增大礦車的容積，簡(jiǎn)化井下運(yùn)輸系統(tǒng)，有利于提高運(yùn)輸效率及安全生產(chǎn)。

1 井下電機(jī)車牽引力產(chǎn)生原理及影響因素

1.1 井下電機(jī)車牽引力產(chǎn)生原理

圖1為電機(jī)車驅(qū)動(dòng)輪受力分析圖，圖1中WZ為電機(jī)車的運(yùn)行阻力，是電機(jī)車靜阻力與慣性阻力的合力；點(diǎn)O為輪對(duì)和軌道的接觸點(diǎn)，點(diǎn)O的線速度為0；P0為電機(jī)車自身重力在單個(gè)主動(dòng)輪對(duì)上的平均分力；它的方向通過輪對(duì)的回轉(zhuǎn)中心C及接觸點(diǎn)O；N0為軌道對(duì)輪對(duì)的法向支反力，它作用在點(diǎn)O，方向通過輪對(duì)的回轉(zhuǎn)中心C與P0在一條直線上；F0為摩擦力，方向與電機(jī)車運(yùn)行方向相同，與軌道面相切，使機(jī)車往前行走。M為電動(dòng)機(jī)扭矩經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞到輪對(duì)上的實(shí)際轉(zhuǎn)矩[2]。電機(jī)車產(chǎn)生的最大牽引力。

圖1 電機(jī)車驅(qū)動(dòng)輪受力分析

表1 提高黏著系數(shù)的方法

其中：Pn為電機(jī)車黏著重力，N；

?為黏著系數(shù)。

1.2 牽引力影響因素

由式（1）可以看出，在同樣的電動(dòng)機(jī)功率與運(yùn)行速度下，影響電機(jī)車牽引力大小的因素包括兩個(gè)方面：電機(jī)車黏著重力與黏著系數(shù)。每種型號(hào)的電機(jī)車都能產(chǎn)生理論最大牽引力，但最大牽引力的大小與黏著牽引力要相等，這是車輪不打滑的前提條件：當(dāng)電動(dòng)機(jī)牽引力大于黏著牽引力時(shí)，車輪就會(huì)打滑，電機(jī)車將無法移動(dòng)。同樣車輪壓力時(shí)，黏著牽引力與黏著系數(shù)成正比；同樣黏著系數(shù)時(shí)，黏著牽引力電機(jī)車對(duì)車輪壓力成正比[3]。

2 增加電機(jī)車牽引力的措施

2.1 提高黏著系數(shù)

黏著系數(shù)從理論計(jì)算是電機(jī)車不打滑時(shí)的最大牽引力除以電機(jī)車粘著重量得到的值。但由于車輪與軌道的材料不同、接觸面的磨損程度、軌道的安裝誤差、接觸面潮濕層度、表面清理情況及機(jī)車的運(yùn)行速度的影響，實(shí)際黏著系數(shù)是個(gè)變化的值，它的大小介于靜摩擦因數(shù)與滑動(dòng)摩擦因數(shù)的值之間。提高黏著系數(shù)的方法如表1所示。

2.2 提高黏著重量

在電機(jī)車電動(dòng)機(jī)輸出的牽引力一定時(shí)，需要充分結(jié)合電機(jī)車的黏著條件（電動(dòng)機(jī)牽引力與黏著牽引力相等），避免出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，才能使電機(jī)車獲得較大牽引力，充分發(fā)揮電機(jī)車的運(yùn)行效率。當(dāng)車輪與軌道間黏著系數(shù)一定時(shí)，電機(jī)車的牽引力就與電機(jī)車對(duì)車輪的壓力成正比[4]。

（1）增加電機(jī)車對(duì)車輪的壓力最簡(jiǎn)單的方法是增加電機(jī)車的總重，提高電機(jī)車分配在主動(dòng)輪上的黏著重量，這是增加電機(jī)車牽引力最直接的方法。通過增加電機(jī)車質(zhì)量，以增加驅(qū)動(dòng)車輪隊(duì)地面軌道的正壓力，在黏著系數(shù)一定的情況下，可有效提高地面摩擦力。常用的方法是現(xiàn)場(chǎng)增加合理的增配，配重塊的質(zhì)量要充分結(jié)合機(jī)車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、電動(dòng)機(jī)功率、電機(jī)車負(fù)載、實(shí)際運(yùn)行速度、軌道承載公斤數(shù)等因素[5]。

（2）采用前后輪同時(shí)驅(qū)動(dòng)，增加主動(dòng)輪對(duì)的數(shù)量。使機(jī)車主動(dòng)輪的黏著重量等于電機(jī)車全部重量。

2.3 優(yōu)化電機(jī)車結(jié)構(gòu)提高牽引力

2.3.1 車廂受力分析

一般情況下電機(jī)車前后車輪都是主動(dòng)車輪，這樣便于雙向行駛。在靜止?fàn)顟B(tài)下電機(jī)車前后車輪對(duì)軌道的壓力相等，其電機(jī)車受力示意圖如圖2所示。點(diǎn)O為機(jī)車重心，假設(shè)電機(jī)車以速度v向左勻速運(yùn)行，電機(jī)車的右方牽引礦車，由力矩平衡原理可得到[6]：

其中：N1、N2分別為軌道對(duì)前后車輪支承力，N；F為車鉤牽引力，N；G為電機(jī)車重力，N；H為電機(jī)車車鉤離地高度，m；L為軸距。

解式（2）、（3）可得：

圖2 電機(jī)車受力示意圖

靜止情況下，電機(jī)車兩車輪受到電機(jī)車車身的分壓力相等。當(dāng)電機(jī)車牽引礦車運(yùn)行時(shí)，由式（4）、（5）可以看出：由于車鉤牽引力F的存在，電機(jī)車對(duì)前后車輪壓力會(huì)發(fā)生改變。前車輪壓力受車鉤牽引力F產(chǎn)生的傾翻力矩的影響會(huì)減小；同理，F(xiàn)產(chǎn)生的傾翻力矩會(huì)使后車輪壓力增大。前車輪壓力減小，直接導(dǎo)致電機(jī)車前車輪黏著重力減少。當(dāng)前車輪的黏著牽引力小于前輪最大牽引力時(shí)，前車輪首先打滑，電機(jī)車整機(jī)牽引力降低[7]。

2.3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

由式（4）、（5）可以看出，電機(jī)車在運(yùn)行過程中對(duì)兩車輪壓力是不相等的，這個(gè)現(xiàn)象會(huì)造成整機(jī)黏著牽引力下降，車鉤牽引力F的大小一般和礦車的結(jié)構(gòu)和負(fù)載情況有關(guān)，這兩個(gè)參數(shù)不好改變。軸距L和主軌道彎矩有密切的關(guān)系，要符合轉(zhuǎn)彎要求，一般是規(guī)定值[8]。

（1）降低牽引高度H

降低牽引高度H越大，同樣的車鉤牽引力F所產(chǎn)生的傾翻力矩就越大，運(yùn)行時(shí)對(duì)前車輪壓力的減弱就越大。因此，在滿足使用條件的情況下應(yīng)盡量降低車鉤距地面高度H。有利于較少車鉤牽引力F引起的傾翻力矩，近而降低其對(duì)車輪壓力的影響[9]。

（2）調(diào)節(jié)電機(jī)車重心

在電機(jī)車上另外加一套自動(dòng)配重裝置，按電機(jī)車行駛方向利用電機(jī)及絲桿傳動(dòng)來驅(qū)動(dòng)配重塊的位置。補(bǔ)償車輪壓力的降低。由式⑷、⑸可以看出，電機(jī)車向前運(yùn)行時(shí)自動(dòng)配重裝置驅(qū)動(dòng)配重塊向前移動(dòng)；電機(jī)車向后運(yùn)行時(shí)自動(dòng)配重裝置驅(qū)動(dòng)配重塊向后移動(dòng)，通過重心的移動(dòng)附使前后車輪壓力相等。

3 結(jié)語

井下電機(jī)車在煤礦物資運(yùn)輸中發(fā)揮著重要的作用，有效地發(fā)揮電機(jī)車牽引力對(duì)提高煤礦井下運(yùn)輸效率有重要的意義。本文作者分析了特定功率下影響電機(jī)車的牽引力的主要因素，并歸納總結(jié)了提高黏著系數(shù)及電機(jī)車黏著重量的各種方法及優(yōu)缺點(diǎn)，最后提出電機(jī)車結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)化思路。包括降低牽引鉤高度及增加自動(dòng)配重裝置。為提高電機(jī)車牽引力，降低能耗提供參考。