一種蓄電池鏟運機的動力系統設計

周思強，丁 帥，趙天明

（金誠信礦業管理股份有限公司，北京 101500）

0 引言

地下鏟運機是礦山建設和生產的主力設備，在礦山主要應用于礦山開拓基建工程清理廢石和生產工程出礦石，是當前主流礦山基建和生產必不可少的設備之一。近年來，隨著國家戰略轉型，環境保護日益受到重視，可持續發展和建設綠色礦山成為了礦業發展的主要方向，我國礦產資源開采技術進一步的智能化、無軌化，礦產資源的開發將全面進入地下采礦，并向深部開采延伸且開采規模不斷加大，對井下空氣質量要求也越來越高，這勢必要求無軌采礦設備增加更多新的品種和規格，實現配套作業，充分發揮主要生產設備效率，提高勞動生產率，降低生產成本。

隨著國家對新能源交通工具產業的大力支持，國內外電池技術和電池管理系統（Battery Management System，BMS）不斷更新和成熟，蓄電池工程機械得以蓬勃發展，進入各種施工現場。電池快充技術和快換技術的發展，讓蓄電池為動力源的設備進入礦山領域成為現實，蓄電池鏟運機技術也是當前礦山智能裝備研究的熱門方向。

1 動力系統組成

與純電動汽車相類似，蓄電池鏟運機僅采用蓄電池作為唯一動力源，其動力驅動系統分為蓄電池、電機及驅動器、變速箱及分動器和前后車橋四大部分（圖1）。其中，蓄電池一般采用鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鎘電池、鋰電池、燃料電池等[1]；電機及驅動器一般采用異步電機及逆變器組合、永磁同步電機及逆變器組合或者開關磁阻電機及其控制器組合；傳動系統部分，工程機械一般使用一體式變速箱，新能源汽車則按照驅動橋數量一般選用多檔位變速箱和分動橋。

本案蓄電池鏟運機采用磷酸鐵鋰電池、開關磁阻電機及控制器、帶分動的一體式變速箱和帶濕式多盤制動器的車橋。

2 動力系統設計

2.1 動力系統設計依據

圖1 蓄電池鏟運機動力系統組成

地下鏟運機動力系統的設計，參照機械行業標準，其中地下鏟運機設計參數標準為JB/T5500—2015，鏟斗容量為2 m3的地下鏟運機最大牽引力為≥100 kN，空載整機重量≤14 t[2]。最大牽引力的測試方法標準為JB/T5501—2017，鏟運機鏟斗內裝入額定載質量，其工作裝置處于運輸狀態，鏟運機掛低速擋起步拖動負荷車后，平穩地在負荷車中加載，直到鏟運機輪胎打滑或變速器失速為止[3]。根據上面這兩個規范，車輛的最大牽引力見式（1）[1]。

式中 TW——為動力系統傳遞到驅動輪的轉矩，N·m

rd——驅動輪半徑，m

Tp——動力裝置的輸出轉矩，N·m

ig——傳動裝置的傳動比

io——車橋傳動比

ηt——從電機到驅動輪的傳動效率

2.2 動力系統參數選擇

根據標準JB/T 5500—2015《地下鏟運機》的要求，本案2 m3地下鏟運機的車橋適配為常閉免維護車橋，配置自鎖式防滑差速器（NO-SPIN），彈簧制動、液壓松閘（SAHR）彈簧制動器，總速比為27.3。在地下鏟運機中廣泛采用動力換擋變速箱[4]，本案適配變速箱為4 速動力換擋變速箱，配置電—液控制系統，通過整車控制器實現自動換擋，其1 擋速比ig為4.73，2 擋速比2.24，3擋速比1.29，4 擋速比0.75；輪胎半徑rd為0.6 m，傳動效率ηt取0.9，帶入式（1）：≥100 000 N，則Tp≥

因此，選配電機的最大扭矩大于516 N·m，充分考慮機械傳動的其他損耗，本案選配系統傳動電機的最大輸出扭矩為600 N·m，最大輸出功率60 kW，額定輸出功率30 kW，額定轉速1500 r/min。將選擇參數帶入式（1）可得116 216.1 N。

因此，車輛運行額定速度為：

當變速箱1 擋時，能滿足滿載上坡和車輛牽引等要求，該車最高車速可達16.6 km/h，能滿足生產時的運行效率要求。

2.3 牽引力測試數據

按照上述參數選配制作了一臺2 m3蓄電池鏟運機，根據地下鏟運機試驗方法標準JB/T5501—2017[3]，使用固定基樁方式對該鏟運機進行了最大牽引力測定，測量數據如表1 所示。

3 結論

經過理論計算和測定數據驗證，2 m3蓄電池鏟運機滿足行業標準的要求，其他各項指標性能不差于傳統的柴油鏟運機和電動鏟運機：①蓄電池鏟運機滿足無污染、綠色、環保、低噪聲的要求，又可以滿足移動的便捷性可以避免電纜彈起傷人和破損中電傷人；②沒有尾氣排放，不會增加尾氣排放帶來的空氣污染和巷道溫度增加，從而可以減少通風投入，對員工職業健康有較大改善，無廢機油排放污染；③減少了發動機、變矩器等進口部件，而采用了國內強勢發展的電驅系統，維修、保養的工作量大大降低，無須儲備進口的發動機、變矩器的備件，便于提升整個設備管理水平和降低庫存積壓減輕企業資金壓力；④整車高度電氣化，可控性和可觀性高，在遙控、無人駕駛、故障診斷、自動化計量等礦業裝備數字化、智能化發展方面優勢明顯。

表1 牽引性能記錄

綜上所述，蓄電池地下鏟運機值得在各大礦山，尤其是智能化礦山或者通風條件較差的井工礦山推廣使用。