礦用電機(jī)車能耗制動(dòng)的研究與應(yīng)用

董永智，王新剛，楊建興

（招金礦業(yè)股份有限公司蠶莊金礦，山東 煙臺(tái) 265400）

1 背景

非煤礦山架線電機(jī)車和電瓶式電機(jī)車（以下統(tǒng)稱電機(jī)車）的使用已經(jīng)全面普及，礦山井下使用電機(jī)車運(yùn)輸具有效運(yùn)載能力大、運(yùn)輸效率高的優(yōu)點(diǎn)。隨著礦山企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷增加，電機(jī)車的安全運(yùn)行，不僅事關(guān)生產(chǎn)高效有序進(jìn)行，更成為事關(guān)安全的重中之重，這其中的電機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)就成為保障其安全運(yùn)行的最后一道屏障。井下特殊的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)致電機(jī)車工作條件一般較差，且啟動(dòng)頻繁，帶來(lái)的直接問(wèn)題就是制動(dòng)頻繁，易損壞。根據(jù)GB16423《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》6.3.1.12“對(duì)電機(jī)車制動(dòng)的要求列車制動(dòng)距離：運(yùn)送人員應(yīng)不超過(guò)20m，運(yùn)送物料應(yīng)不超過(guò)40m；14t以上的大型機(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(guò)80m”。3t以上電機(jī)車普遍配備有壓縮空氣制動(dòng)，能夠滿足規(guī)程要求。而3t以下電機(jī)車普遍采用機(jī)械制動(dòng)，在惡劣工況和頻繁動(dòng)作下，很容易損壞[1]。因此，亟需對(duì)3t及以下電機(jī)車的制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，以確保安全生產(chǎn)。

2 現(xiàn)狀

當(dāng)前電機(jī)車制動(dòng)方式基本采用機(jī)械制動(dòng)。按照動(dòng)力源不同又分為手動(dòng)、液壓、氣動(dòng)等不同方式。

（1）手動(dòng)制動(dòng)。手動(dòng)制動(dòng)方式又分為工作制動(dòng)和駐車制動(dòng)。①手動(dòng)工作制動(dòng)一般應(yīng)用于2t以下電機(jī)車，該制動(dòng)方式簡(jiǎn)單、制動(dòng)力矩能迅速作用于減速機(jī)。②駐車制動(dòng)一般應(yīng)用于3t及以上電機(jī)車，采用螺桿閉鎖制動(dòng)方式。具有制動(dòng)力矩大，能可靠自鎖的優(yōu)點(diǎn)，但是其制銜鐵與輪面直接接觸制動(dòng)，制動(dòng)效果會(huì)因輪面污損而打折；螺桿傳動(dòng)其固有特性導(dǎo)致其操作時(shí)間長(zhǎng)，不能夠滿足制動(dòng)要求的及時(shí)性。

（2）液壓制動(dòng)。該制動(dòng)方式原理上可以安裝于任何類型電機(jī)車上，且其具有制動(dòng)力矩大，制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)。但是其安裝和維護(hù)成本高；且因礦山井下環(huán)境所限，該裝置使用壽命較短，并不適于井下使用。

（3）氣動(dòng)制動(dòng).7t以上電機(jī)車基本使用啟動(dòng)制動(dòng)作為工作制動(dòng)，該制動(dòng)方式反應(yīng)時(shí)間短，能迅速產(chǎn)生制動(dòng)力矩。但其最大的不足是需要外部壓縮氣體提供制動(dòng)力矩，投資大、占用電機(jī)車空間大，因此并不適用3t及以下電機(jī)車。這里不再贅述。

綜上所述，眼下使用較普遍的機(jī)械制動(dòng)均存在壽命、響應(yīng)時(shí)間、成本、制動(dòng)力矩不足等問(wèn)題。在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)輸中，機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)因可靠性無(wú)法滿足需求，操作人員為做到迅速制動(dòng)，便使用倒拉反接制動(dòng)，來(lái)達(dá)到迅速減速的目的。顯而易見(jiàn)，反接倒拉制動(dòng)會(huì)在電動(dòng)機(jī)上迅速建立一個(gè)反向制動(dòng)力矩，但是該種制動(dòng)方式會(huì)突然增加電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)電流，輕則沖擊減速機(jī)構(gòu)，造成機(jī)械部件損壞，重則燒壞線路、頂?shù)敉獠侩娫矗ブ苿?dòng)力，造成跑車等嚴(yán)重事故[2]。

3 設(shè)計(jì)思路

面對(duì)機(jī)械制動(dòng)存在的諸多問(wèn)題，我們須轉(zhuǎn)變思路，向電氣系統(tǒng)的改進(jìn)升級(jí)尋求突破。

3.1 電氣工作原理

當(dāng)前，無(wú)論何種噸位的礦用電機(jī)車，均使用直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)。因?yàn)橹绷飨啾冉涣麟娫锤菀自诰绿厥猸h(huán)境中使用，外部輔助供電設(shè)施易于擴(kuò)展安裝，電機(jī)車上不需要增加繁雜的受電電纜等器件。

串勵(lì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩的瞬時(shí)表達(dá)式為：

式中：T——轉(zhuǎn)矩瞬時(shí)值；Ct——轉(zhuǎn)矩常數(shù)；Φm——每極磁通峰值；Im——電流峰值；θ——磁通滯后電流的角度。

單相交流串勵(lì)電機(jī)的機(jī)械特性：?jiǎn)蜗啻畡?lì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是隨時(shí)間變化的，即每一瞬間的轉(zhuǎn)矩大小是不同的，這和直流的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)性存在明顯的差別，輸出轉(zhuǎn)矩實(shí)際上是平均值。電動(dòng)機(jī)在磁路未飽和時(shí)，因磁通大小和勵(lì)磁電流大小成正比，故轉(zhuǎn)矩和電流的二次方成正比；當(dāng)電動(dòng)機(jī)的磁路飽和時(shí)，電流的變化對(duì)磁通的影響很小，故轉(zhuǎn)矩近似按照電流的變化而變化。啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，不容易堵轉(zhuǎn)，這是這類電動(dòng)機(jī)的可貴優(yōu)點(diǎn)，適用于啟動(dòng)比較困難的場(chǎng)合。

3.2 電氣制動(dòng)改進(jìn)原理

對(duì)于串勵(lì)電動(dòng)機(jī)，若不考慮剩磁，只有n趨于無(wú)窮大時(shí)，才能出現(xiàn)Ea=U，要使Ea＞U，顯然無(wú)法實(shí)現(xiàn)。雖然電機(jī)中存在少量的剩磁，但要使Ea＞U，轉(zhuǎn)速將高達(dá)不能允許的數(shù)值，故串勵(lì)電動(dòng)機(jī)不存在回饋制動(dòng)狀態(tài)。串勵(lì)電動(dòng)機(jī)只有反接制動(dòng)和能耗制動(dòng)兩種制動(dòng)方法，其工作狀態(tài)下面分別進(jìn)行分析。

（1）反接制動(dòng)。串勵(lì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行電壓反接制動(dòng)時(shí)，不是將電源電壓反接，因?yàn)檫@樣將會(huì)造成Ia和If同時(shí)改變方向，電磁轉(zhuǎn)矩方向不變，起不到制動(dòng)作用。因此，只能將電樞兩端反接，而勵(lì)磁繞組的接法不變，如圖（a）所示。為了限制過(guò)大的制動(dòng)電流，還應(yīng)串入制動(dòng)電阻RB。其機(jī)械特性如圖（b）中曲線BC所示。圖中A點(diǎn)是正向電動(dòng)工作點(diǎn)，B點(diǎn)是制動(dòng)起始點(diǎn)，減速時(shí)，工作點(diǎn)由B點(diǎn)沿特性曲線向C點(diǎn)移動(dòng)，到達(dá)C點(diǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)速為零。若要停車，應(yīng)斷開(kāi)電源，否則電動(dòng)機(jī)將反向起動(dòng)并加速到D點(diǎn)，在D點(diǎn)處于反向電動(dòng)運(yùn)行。應(yīng)用于礦山井下現(xiàn)場(chǎng)，這就是前文敘述的在電機(jī)車機(jī)械剎車失靈時(shí)駕駛?cè)藛T的“直接反轉(zhuǎn)”操作。從其制動(dòng)曲線圖上可以看出當(dāng)電機(jī)車工作高速運(yùn)行，需要制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)從A點(diǎn)轉(zhuǎn)移到B點(diǎn)，由串勵(lì)電動(dòng)機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩公式可以得出，此時(shí)電動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生很大的制動(dòng)力矩。對(duì)電機(jī)車機(jī)械傳動(dòng)部件將會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p傷。同時(shí)破壞直流電源回路，造成電氣回路燒壞，機(jī)車失速等惡性事故。因此，該制動(dòng)方式并不能用于礦井電機(jī)車。

（2）能耗制動(dòng)。串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的能耗制動(dòng)分為他勵(lì)式和自勵(lì)式兩種。而他勵(lì)制動(dòng)因結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也不適用于礦井使用，故不贅述。

圖1 串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)反接制動(dòng)機(jī)械特性

自勵(lì)式能耗制動(dòng)時(shí)，電樞回路脫離電源后，通過(guò)制動(dòng)電阻形成閉路，但為了實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，必須同時(shí)改接串勵(lì)繞組，以保證勵(lì)磁電流的方向不變，如圖1—55（a）所示。自勵(lì)式能耗制動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性如圖（b）中曲線BO所示。由圖可見(jiàn)，自勵(lì)式能耗制動(dòng)開(kāi)始制動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，隨著轉(zhuǎn)速下降，電樞電動(dòng)勢(shì)和電流也下降，同時(shí)磁通也減小，從公式Tem=CTΦIa可見(jiàn)，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降很快，制動(dòng)效果變?nèi)酰灾苿?dòng)時(shí)間較長(zhǎng)且制動(dòng)不平穩(wěn)。由于這種制動(dòng)方式不需要電源，因此主要用于事故停車。

圖2 能耗制動(dòng)原理與力矩圖

4 理論總結(jié)

結(jié)合前文分析得出的觀點(diǎn)主要有亮點(diǎn)：①礦井3t及以下電機(jī)車采用機(jī)械制動(dòng)方式并不能完全滿足日常安全生產(chǎn)的需求。②采用直接反接制動(dòng)方式會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞電機(jī)車的電氣和機(jī)械結(jié)構(gòu)，降低電機(jī)車的使用壽命。③串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的反接能耗制動(dòng)是可行的，并且其制動(dòng)轉(zhuǎn)矩曲線與電動(dòng)機(jī)重載啟動(dòng)時(shí)只有矢量方向的差別，并無(wú)大小區(qū)別，也就是對(duì)電氣和電機(jī)車機(jī)械結(jié)構(gòu)無(wú)任何額外沖擊，完全工作在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)矩內(nèi)。④從前文圖4可以發(fā)現(xiàn)，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，其制動(dòng)轉(zhuǎn)矩也將呈快速下降趨勢(shì)，因此在制動(dòng)末端，需要機(jī)械制動(dòng)方式進(jìn)行零速制動(dòng)，做到完全停車。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

根據(jù)理論支持，在招金礦業(yè)股份有限公司蠶莊金礦265礦井井下對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)車進(jìn)行線路調(diào)整，增加一只雙刀雙擲開(kāi)關(guān)（只做原理驗(yàn)證用），將電源主回路接入雙刀雙擲開(kāi)關(guān)中位。開(kāi)關(guān)A端出線接入原電機(jī)車電源回路，開(kāi)關(guān)B端短接。電機(jī)車正常行駛時(shí)，開(kāi)關(guān)打到A位。需制動(dòng)時(shí)，司機(jī)將方向和檔位扳手歸零，雙刀雙擲開(kāi)關(guān)打到B位置。司機(jī)操作方向扳手反向，同時(shí)操作檔位扳手調(diào)整不同檔位，便可以獲得不同力矩的制動(dòng)力。電機(jī)車便可以按照需要的減速度行駛。

以下為改造后的電路圖（圖示為電瓶車，架線式電機(jī)車改造原理與其相同）。

圖3 機(jī)電電路改進(jìn)原理

表1 制動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)（現(xiàn)場(chǎng)路況、車況不同，數(shù)據(jù)只做參考用）

6 總結(jié)

能耗制動(dòng)方式對(duì)于在礦山井下的3t及以下只依靠機(jī)械制動(dòng)的電機(jī)車來(lái)說(shuō)是一個(gè)改善制動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行條件，在配備機(jī)械制動(dòng)的前提下，可以對(duì)電路進(jìn)行簡(jiǎn)單改造，就能滿足能耗制動(dòng)的要求。在機(jī)車運(yùn)行時(shí)使用能耗制動(dòng)，可以大幅減少機(jī)械剎車的維護(hù)成本和使用壽命，同時(shí)為電機(jī)車運(yùn)行提供了完備的事故剎車方案，即使無(wú)機(jī)械制動(dòng)，無(wú)外部電源都可以實(shí)現(xiàn)自身制動(dòng)。這將極大提高電機(jī)車的安全性能，為礦山安全生產(chǎn)提供堅(jiān)實(shí)保障。