基于退役裝甲車再制造的電動應急救援車輛動力系統設計研究*

張成玉，安 璐，范 艷，徐 潺，劉 成

(1.貴州省機電研究設計院，貴州 貴陽 550001；2.天津銳微科技有限公司，天津 300450)

0 引言

應急救援車輛是應用于地震搶險救援、火災現場救援、洪澇災害救援、?；芳昂溯椛渚仍?、公共交通事故救援、礦井油田救援以及軍事救援等自然災害或突發事故救援領域的專用車輛[1]。由于應急救援車輛特殊的工作性質，要求應能夠應對現場復雜路況，自身防護能力強，并且能夠滿足救援現場特殊的需求。國外針對應急救援，研制出了功能強大的應急救援車輛，我國專家學者也對此作了研究，葛亮等對井下災區偵測車、應急救援車的研制和應用進行了研究[2-3]；張勇等研發了一種狹小地域用的消防應急救援車[4]。但各種研究成果中，偏重于研究專向應急救援車輛，針對具有綜合救援能力的應急救援車輛研究得較少，尤其是電動綜合應急救援車的研究處于起步階段。總體來說，我國目前的應急救援車輛存在地域通過能力不強、功能單一、綜合防護救援能力較弱等問題[5-6]。

隨著國產第一代裝甲輸送車63式裝甲車的退役，退役裝甲車的再利用問題已經成為社會關注的熱點。63式裝甲車車體由特殊裝甲鋼板焊接而成，具有較好的外形和防護能力，具有水陸兩棲能力，但由于動力來源于早期柴油發動機，存在污染排放、紅外特征明顯、運行噪音大以及能耗較高的問題。研究表明，采用純電動裝置作為坦克裝甲車輛動力來源時，具有清潔、高效、運轉部件少、無高熱排放、靜音性好且無尾氣排放的優勢，可顯著提升整車隱蔽性，增強作戰能力[7]。本文基于63式退役裝甲車底盤及良好防護能力，用純電動裝置代替原車柴油發動機，對動力系統進行設計研究，將其再制造為電動應急救援車輛，在提高我國應急救援車輛綜合能力的同時，大大降低制造成本。

1 動力系統結構方案

根據63式退役裝甲車實際情況及應急救援車輛使用要求，設計了單電機驅動結構和雙電機驅動結構兩種方案。

1.1 單電機驅動結構方案

在單電機驅動結構中，保留63式退役裝甲車原車傳動系統，用電機驅動控制器-永磁同步電動機取代原柴油發動機，同時增加行星減速器，結構示意圖如圖1所示。

圖1 單電機驅動結構方案

1.2 雙電機驅動結構方案

在雙電機驅動結構中，保留原車側減速器，用雙電機驅動控制器 ——兩臺驅動電機取代原柴油發動機和變速器，增加行星減速器，通過電子差速控制實現轉向，結構示意圖如圖2所示。

圖2 雙電機驅動結構方案

1.3 方案比較及選擇

(1)雙電機驅動系統由于機械傳動部分結構簡單在新研發設計中被廣泛使用。在本研究中，雙電機驅動系統可去掉離合器、減速箱等機械裝置，使系統簡潔可靠，但退役裝甲車有著完善、可靠、零價格的離合器及減速箱等裝置，在此基礎上安裝單電機系統取代內燃機不破壞原有車輛的傳動及行走裝置，能充分發揮原有裝甲車的整體性能，比新設計研發雙電機系統省時且可靠。

(2)雙電機驅動系統要求驅動電機的調速范圍寬，可采用高效率的永磁同步電機，其額定轉速30%～100%范圍相對較高，但額定轉速30%以內(車速≤10 km/h)和弱磁擴速(車速≥40 km/h)段的效率低。根據應急救援車應用需求，在救援現場經常使用低速大力矩作業(車速≤10 km/h)，而此時雙電機驅動模式效率比單電機效率低，能耗約增加25%。

(3)電機電流跟輸出轉矩成正比，由于電池放電倍率的限制，雙電機模式對電池的容量配置要求更高，雙電機模式幾乎需要雙倍的單電機模式電池配置。本研究使用退役裝甲車原有底盤和行走裝置，電池組的重量和體積受艙內空間尺寸和底盤最大載重限制，電池組重量和體積的增加將使救援車載人空間和能力急劇下降。

單電機驅動系統方案保留零成本、成熟的六檔變速器，擴展了電機調速范圍，高效率范圍相對更寬，借鑒成熟應用的大功率永磁同步電機，可滿足裝甲搶險救援車的動力性能指標要求，并且可使再制造成本下降，可靠性提高。因此，基于退役裝甲車再制造的電動應急救援車輛動力系統選擇單電機驅動系統。

2 動力分析計算

2.1 退役裝甲車基本參數及設計目標

2.1.1 退役63式裝甲車基本參數(見表1)2.1.2 設計目標

設計該電動應急救援車瀝青公路最高車速60 km/h，融化雪地或軟地最高車速50 km/h，爬坡度≤62%。

2.2 整車驅動力分析[8-9]

根據履帶車輛行駛力學，車輛在加速、爬坡行駛時，受到的外界阻力由滾動阻力Ff、上坡阻力Fi、空氣阻力Fw和加速阻力Fj四種阻力組成。

表1 退役63式裝甲車基本參數

整車直線行駛時的驅動力等于滾動阻力、上坡阻力、空氣阻力和加速度阻力總和，直線行駛整車驅動力Ft計算公式為：

Ft=Ff+Fi+Fw+Fj

(1)

(2)

式中：m—車輛總質量(kg)；g—重力加速度(m/s2)；f—地面滾動阻力系數；α—路面的坡度角(°)；ρL—空氣密度；CW—空氣阻力系數；A—正面迎風面積(m2)；δ—質量增加系數；v—車輛行駛速度(km/h)。

2.3 電機轉矩及轉速分析

基于退役裝甲車再制造的電動應急救援車驅動裝置是驅動電機，驅動電機輸出的轉矩、轉速通過傳動系作用在主動輪上產生整車驅動力Ft，在機械傳動系中的傳動效率小于1，根據直線行駛力學分析，驅動電機的輸出轉矩Tel滿足：

(3)

式中：i—傳動比；rz—驅動輪半徑；η—傳動系統效率；ηch—驅動電機到驅動輪的傳動效率；ηx—履帶行駛裝置的效率。

電機最高轉速nmax用于滿足車輛最高車速vmax要求，因此：

(4)

根據履帶車輛的轉向特性，通過對車輛在坡道上的轉向動力學分析，得出式(3)式(4)中的轉矩、轉速遠遠大于履帶車輛轉向所需電機轉矩、轉速，完全滿足車輛轉向要求。

2.4 動力系統參數確定

將退役63式裝甲車基本參數及再制造的電動應急救援車設計目標代入相關計算式，考慮電機及控制器綜合性能，得出動力系統基本參數見表2。

表2 動力系統參數

3 試驗及結果

2020年6月，對采用該動力系統的基于63式退役裝甲車再制造的電動應急救援車進行了試驗。該車分別在公路、松軟草地及復雜路況行駛30 min，滿載時公路最高時速可達60 km/h，松軟草地最高時速可達50 km/h，最大爬坡度可達60%。

4 結語

1)設計了單電機驅動系統、雙電機驅動系統兩種動力系統結構方案，并對方案進行比較分析，確定單電機驅動系統作為基于退役裝甲車再制造的電動應急救援車動力系統。

2)對整車動力需求進行分析計算，確定了動力系統驅動電機、電機驅動控制器、行星減速器參數。

3)試驗表明：采用該動力系統的63式退役裝甲車再制造的電動應急救援車滿載時公路最高時速可達60 km/h，松軟草地最高時速可達50 km/h，最大爬坡度可達60%。