電動防爆無軌膠輪運輸車牽引電機參數(shù)設計*

許聯(lián)航

(神東煤炭集團技術研究院，陜西 神木 719315)

0 引言

電動防爆無軌膠輪運輸車是一種用于煤礦井下，以蓄電池為動力源、牽引電機驅動的無軌式運輸機械[1-3]。它具有綠色環(huán)保、噪音低、能耗低等優(yōu)點，也存在能量有限、續(xù)航里程短等電動車固有缺點[4-5]。在防爆車輛重量大、現(xiàn)有鋰電池技術難以突破的情況下，設計合理的電機參數(shù)、提高電驅效率是提高續(xù)航里程的有效途徑。

電機驅動效率變化大、高效區(qū)有限，若電機參數(shù)設計不能匹配整車特性，車輛續(xù)航里程難以達到要求[6-7]。以神華神東集團與航天重工聯(lián)合研發(fā)的WLL-5A電動防爆無軌膠輪材料運輸車為例，對牽引電機技術參數(shù)進行分析、計算、優(yōu)化，介紹了完整的計算推演過程。

1 總體動力性能指標

根據(jù)整車總體設計輸入，整車動力性能參數(shù)見表1。

2 電機參數(shù)計算

電動機的參數(shù)選擇直接影響整車的動力性和經濟性。電動機功率、轉矩越大，整車加速性和最大爬坡度越好。但也會增加電動機的體積和質量，正常行駛時電動機不能長時間在高效率區(qū)附近工作，這將影響整車的經濟性，降低車輛的續(xù)駛里程。電動機的額定功率可由最高車速、爬坡度、加速時間來確定。

2.1 額定功率

由表1可知，本車滿載最高車速30 km/h，空載最高車速40 km/h，根據(jù)最高車速vmax(km/h)確定的最大功率Pvmax為

(1)

式中：m—整車質量；g—重力加速度；f—滾動阻力系數(shù)；CD—風阻系數(shù)；A—分攤的臨風面積；ηT—傳動效率。

經計算，空載40 km/h時，Pvmax=28.3 kW，滿載30 km/h時，Pvmax=29.1 kW。

其次，根據(jù)最大爬坡度確定的最大功率Pvmax為

(2)

式中：vi—額定爬坡度時的穩(wěn)定車速,km/h；αmax—額定爬坡角，αmax=arctanλmax。

礦區(qū)一般最大爬坡度小于14%，取λmax=14%，vi=9 km/h，Pλmax=67 kW。經計算，Pmax≥67 kW。

最后，根據(jù)加速性能確定的最大功率Pmax_T。假設電動輪在無風的平直路面上全力加速，根據(jù)車輛加速過程動力學方程，加速過程中其瞬態(tài)總功率為

(3)

而加速過程中，瞬時車速可根據(jù)經驗公式表示為

(4)

式中：vm—車輛的末速度，km/h；tm—車輛的加速時間，s；x—擬合系數(shù)，一般取0.5左右。

車輛在加速過程的末時刻，電動機輸出的功率最大，因此加速過程中最大功率需求Pmax_T為

(5)

(6)

將經驗公式(4)代入式(6)并化簡得

(7)

將礦用車電動輪的相關數(shù)據(jù)帶入式(5)中，根據(jù)從速度0加速到30 km/h所需時間小于25 s，得出驅動系統(tǒng)總功率Pmax_T=110 kW。

根據(jù)上述由動力性3項指標計算的各自最大的功率，驅動電機峰值功率Ppeak須滿足上述所有的要求，即Ppeak≥max(Pvmax,Pλmax,Pmax_T)，根據(jù)上式綜合考慮礦用車電動輪的3項動力性指標，則可選電動輪電機的總額定功率Ppeak≥110 kW。考慮到該車輛由電池供電，續(xù)航里程是關鍵參數(shù)，故以Pλmax為額定功率選型，即Ppeak≥67 kW。在空間、質量滿足總體設計要求的條件下，可適當增加額定值。

2.2 牽引電機轉速范圍和額定轉速

由電動機的最高轉速對應整車的最高速度，則電機所需最高轉速為

(8)

式中：Vmax—車輛的最高速度；δ—電動輪減速比；D—輪胎直徑。

經計算，nmax≥4 276 r/min。故電機最高可調轉速應不低于4 276 r/min。而電動機最高轉速與額定轉速的比值也稱為電機擴大恒功率區(qū)系數(shù)β，隨β值的增大，電動機可在低轉速區(qū)獲得較大的轉矩，有利于提高車輛的加速性和爬坡性能，但β值過大會導致電動機工作電流的增大，增大電機的尺寸和質量，因此β值一般取2～4。

車輛電機額定點的選取應根據(jù)實際工況的需要進行選擇，該車型在井下作業(yè)，首先應滿足額定14%坡度的爬坡能力，故額定點選在該工況。

14%滿載爬坡牽整車總阻力為

(9)

整車電機所需轉矩為

(10)

(11)

經計算ηr=964 r/min。

綜上考慮，選取14%坡度爬坡最小牽引轉矩Tr=664 N·m為額定轉矩，額定轉速964 rpm，其滿足β≥4。

電機的峰值參數(shù)包括峰值轉矩及峰值功率，為滿足表1中的整車總體設計要求，滿載最大爬坡坡度為25%，即牽引電機應具備一定的短時過載能力，本方案短時過載對電機峰值，由公式(10)、(11)可計算得25%坡度滿載所需牽引轉矩為1 091 N·m，故過載倍數(shù)為1.64，峰值轉矩為1 091 N·m，峰值功率為110 kW。

2.3 電機功率分配方案

根據(jù)總體設計要求，車輛根據(jù)實時路況及車輛工作狀態(tài)切換兩驅/四驅牽引模式，且通過改變前后軸保有的電機功率比例，可有效提高電池能量利用率，增加續(xù)航里程；根據(jù)總體設計，當前后電機的扭矩與前后軸的負載率相匹配時，即前后載荷比與前后軸轉矩比相同，電機的驅動能力與前后軸承受的載荷以及內部傳遞轉矩零部件的強度等能得到充分的利用，同時有益于提高各部分的壽命以及降低整車結構件質量。則后軸電機扭矩占滿負荷的比x確定所應遵守的原則是：要保證在各工況下，電機能夠提供足夠的驅動能力；要保證前后輪的路面附著率盡量接近。表2為前、后軸電機理論上最佳的轉矩分配比。

表2 前、后軸電機理論上最佳的轉矩分配比

根據(jù)總體設計，車輛驅動采取分路況驅動模式，在x小于0.5時可采取前驅，當大于0.5時采取后驅，在超出前軸或后軸保有功率的工況時采取四驅。

為提高電機工作效率，前、后電機扭矩比要盡可能接近四驅工況下載荷分布值。使工作點盡量接近額定點，前后軸電機功率比選用和前后軸扭矩比相同，也就是在5∶10(0.5)和4∶10(0.4)之間。總電機額定功率為67 kW，因此前后軸額定功率比例在22 kW∶45 kW～19 kW∶48 kW之間。

2.4 電制動需求分析

根據(jù)實際礦區(qū)工況，車輛長時間運行在滿載下坡工況，單獨采用液壓制動無法滿足長時間滿載下坡，造成制動器溫度過高而失效，有必要增加電制動進行輔助制動，將電制動和液壓制動并聯(lián)使用可提高整車制動性能，滿足滿載長時間下坡工況。電制動系統(tǒng)由制動踏板給予輸入指令，制動控制單元控制IGBT斬波，控制流過制動電阻的電流的大小。電制動能力應滿足下坡時在不采取液壓制動的條件時可勻速行駛。不同坡度時下坡車速與制動功率為線性關系，如圖1所示。可根據(jù)下圖取定電制動系統(tǒng)的功率并完成選型。

圖1 不同坡度的勻速制動功率曲線

以10%的坡度為例，電制動所滿足不同初始速度制動到勻速運行的制動功率如圖1所示：初速3 km/h所需制動功率10 kW，6 km/h所需制動功率20 kW，初速8 km/h所需制動功率約30 kW，初速10 km/h所需制動功率約40 kW。

因制動電阻工作時為高電壓、強電流狀態(tài)，故需安裝在防爆箱內部，箱體內部不能采用直接風冷散熱，制動電阻的散熱是關鍵問題。可采用熱管散熱器技術，該技術是一種成熟應用的方法，具有極高的導熱性能，散熱效果好，熱阻小的優(yōu)點。

考慮箱體內部散熱能力有限，且電制動為輔助制動，理論值可初步選取10 kW的制動電阻及相應散熱系統(tǒng)。

3 牽引電機參數(shù)選型

根據(jù)上述的結果分析，對牽引電機進行選型。

3.1 電機結構參數(shù)

該牽引電機為輪邊安裝方式，液壓油冷卻，受減速機和制動器的安裝空間限制，根據(jù)總體設計方案，考慮安裝距離，牽引電機軸向尺寸應小于450 mm(不包括伸出軸)，考慮離地安全距離，徑向尺寸應小于400 mm。在該尺寸內最大可選防爆電機外殼基座號為180，該機殼與減速機連接的法蘭外徑350 mm，機身直徑350 mm，其連接方式及尺寸如圖2所示。該基座號外殼可與總體所選減速機配合安裝。前軸尺寸余量較大，可選擇160基座，法蘭外徑350 mm，機身直徑350 mm。

與電機生產廠家協(xié)調，該基座號電機最大額定功率可至25 kW，故后軸牽引電機額定功率選取25 kW。由于計算所得的整車牽引功率大于67 kW，考慮標準電機功率等級及前后軸載荷比值，前軸牽引電機額定功率選取13 kW，整車牽引功率76 kW。

圖2 后軸牽引電機與減速機配合安裝模擬圖

3.2 電機電氣參數(shù)

由上述計算可得，電機額定轉速為964 rpm。電機廠家一般生產額定轉速750 rpm、1 000 rpm、1 500 rpm規(guī)格電機，故選電機額定轉速1 000 rpm。由于最高可調轉速為4 276 rpm，考慮參數(shù)余量，選取峰值轉速4 500 rpm。

由電機的額定功率和額定轉速可計算得額定轉矩。由于電機所需過載倍數(shù)為1.64，實際電機可短時過載倍數(shù)一般大于2，實際選取牽引電機參數(shù)見表3。

4 牽引電機電氣性能復核與整車試驗

4.1 額定功率及峰值功率匹配

表3中選取兩個額定功率為25 kW的牽引電機，前軸選取兩個額定功率13 kW的牽引電機，整車總牽引電機功率為76 kW，滿足整車所需的額定67 kW的要求。

表3中所選電機過載倍數(shù)為2，峰值功率為額定功率的2倍，為152 kW，運行時間1 min，大于所需110 kW的峰值功率。25%坡度爬坡所對應的峰值功率110 kW為所選電機方案額定功率的1.45倍過載，可滿足3 min運行。

4.2 調速范圍

表3中調速范圍為0～4 500 rpm，調速范圍大于最大車速40 km/h對應的4 276 rpm，可以滿足最大車速要求。所選電機系統(tǒng)最高車速見式(12)。

表3 牽引電機參數(shù)

備注：其中25 kW電機額定工作狀態(tài)時連續(xù)運行時間不小于1 h；13 kW電機額定工作狀態(tài)時連續(xù)運行時間不小于4 h；1.5倍過載連續(xù)運行時間不小于3 min；2倍過載連續(xù)運行時間不小于1 min；過載運行時間間隔大于20 min。

(12)

式中：n—電機最高轉速4 500 rpm；i—傳動比19.36。計算可得最高車速v=42 km/h，滿足最高車速40 km/h的要求。

4.3 額定轉速額定轉矩匹配與整車試驗

14%額定爬坡坡度時整車牽引轉矩為664 N·m，所選電機系統(tǒng)四驅狀態(tài)時額定轉矩為724 N·m，大于所需額定664 N·m，故滿足額定轉矩需求，即可在14%額定爬坡坡度上長時間運行。

所選電機系統(tǒng)額定轉速1 000 rpm，大于需求額定轉速964 rpm，即整車可滿足在14%坡度以9 km/h的車速上長時間運行。所選系統(tǒng)額定爬坡度的額定車速可由公式(12)計算得9.35 km/h。

4.4 峰值轉矩匹配

選電機系統(tǒng)有2倍的過載能力，合理利用電機過載能力，可提高短時爬坡能力和加速能力。過載爬坡能力見表4。

表4 過載爬坡能力

4.5 電機功率分配

選電機前軸額定功率共26 kW，后軸額定功率共50 kW，前后軸功率比為0.52，略大于理論設計值的0.4。選電機前軸額定轉矩248 N·m，后軸電機額定轉矩476 N·m，可滿足的驅動模式見表5。

表5 實際驅動模式劃分

由實際可安裝空間約束及電機廠家的生產能力約束，所選13 kW/25 kW配比的電動機基本可以滿足前后軸載荷比例的要求，在表中所述工況下可選擇不同驅動模式。

4.6 整車試驗

車輛在試驗場進行8.6%、30%爬坡，空滿載兩驅/四驅、滿載四驅越野路面續(xù)航里程等試驗，試驗情況現(xiàn)場如圖3、4所示。

圖3 長距離爬坡試驗(8.6%、30%)

圖5為車輛8.6%坡爬坡試驗及數(shù)據(jù)，將油門踏板踩到底，整車行駛比較平穩(wěn)，車速可持續(xù)穩(wěn)定在20 km/h，電機扭矩輸出滿足爬8.6%坡度要求。

圖6為車輛30%坡爬坡試驗及數(shù)據(jù)，將油門踏板踩到底，整車緩慢平穩(wěn)地駛上坡頂，坡道上車速可持續(xù)穩(wěn)定在4.1 km/h，電機扭矩輸出滿足爬30%坡度要求。

圖4 泥濘越野路面試驗

車輛進行續(xù)航里程試驗，包括：空載兩驅試驗、滿載兩驅試驗(一次全平路工況和一次含上下坡工況)、滿載四驅試驗(一次全平路工況和一次松軟泥土路面、坡道、頻繁啟停車的復雜工況)。各次續(xù)航里程試驗記錄見表6。

圖5 爬坡性能曲線(8.6%坡道)

表6 續(xù)航里程總試驗數(shù)據(jù)分析

圖6 爬坡性能曲線(30%坡道)

5 結語

系統(tǒng)論述了煤礦井下電動防爆無軌膠輪材料運輸車牽引電機參數(shù)的設計、計算與優(yōu)化推演過程，牽引電機在額定功率、額定轉矩、額定轉速、調速范圍、峰值功率等方面參數(shù)均滿足整車設計要求。試驗表明車輛最大爬坡度可達30%，兩驅/四驅空滿載電機效率均在80%以上。目前原理樣車在神東大柳塔礦試運行表現(xiàn)良好，單次續(xù)航里程可達90 km。實踐表明，這種牽引電機的參數(shù)設計方法具有一定的推廣性和可操作性。