液力機械傳動在礦用雙動源重型鏟板車中的應用*

吉強

(中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

防爆無軌膠輪車具有適應性強、機動靈活性好、安全高效的特點,在煤礦輔助運輸中得到了廣泛的應用[1]。其中作業類井下無軌輔助運輸車輛以其高工況適應性得到了長足發展，而且安裝了液力變矩器的井下車輛液力機械傳動用來在發動機和驅動橋之間傳遞和增大發動機轉矩，液壓換擋操縱系統在液力機械變速器上得到了最廣泛的應用，使車輛具有自動適應性、高壽命、高通過性、操作簡單等優點。

油電雙動源架線車是一種柴油機和電動機分時獨立驅動的無軌膠輪車，在架線輔運大巷采用電驅動運行，實現煤礦井下主要進風巷內的尾氣污染零排放；在非架線巷道采用防爆電噴柴油機驅動運行。實現通風條件不好的區域尾氣排放同比有效降低[2]。

油電雙動源架線車方案在爬坡、噪聲、制動、排放，燃油經濟性等方面都大幅提高，尤其是在重型車各項指標的提升就更為明顯。本文研究雙動源重型鏟板車傳動系統的匹配和布置問題。

1 液力機械傳動

液力機械傳動(hydro-mechanical transmission)，由液力變矩器和輔助的機械變速器組成的傳動系統。液力機械傳動系統在以發動機為動力的煤礦重型鏟運設備的應用較多，并有多種方案可用于不同類型設備的傳動系統。但由于電動機本身無級調速的性能以及對續航能力即傳動效率的要求，在蓄電池為動力的煤礦重型鏟運設備的應用較少。

由于柴油機的扭矩適應性系數較小，不能滿足過載與載荷頻繁變化的工況，因此煤礦井下重型鏟板車大多采用液力機械傳動形式，一般驅動力傳輸過程是發動機動力裝置通過變矩器、變速箱、驅動橋到輪胎，滿足車輛各種工況的運輸行駛。其中液力變矩器、動力換擋變速箱、驅動橋就是液力機械傳動的關鍵零部件。

液力變矩器的分類方式較多，主要是按照渦輪數量、軸面液流在渦輪中的流動方向、渦輪轉動方向、能量是否可調、能否耦合、“單多相”分，目前我國井下裝載機、鏟板車液力機械傳動變矩器大部分采用美國DANA公司的三元件單級渦輪單相向心渦輪液力變矩器。

動力換擋變速箱是地下裝載機中的另一個重要部件。動力換擋變速箱與非動力換擋機械變速箱的主要區別是動力換擋變速箱采用了液壓缸操縱換擋離合器。一般不必預先切斷動力，可以直接換擋。動力換擋變速箱有行星式和定軸式兩種。行星式主要用于大功率機械，卡特彼勒公司的地下裝載機采用該形式，其它大部分公司的地下裝載機都采用卡拉克公司的定軸式動力換擋變速箱[3]。

原動機、變矩器、變速箱的組成形式一般分為HR、MHR、R 3種形式，如圖1所示。

圖1 3種組合形式

3種組合形式的布置特點以及各自優缺點如表1所示。

表1 3種組合形式對比表

傳動系統中的驅動橋主要由主傳動、差速器、輪邊減速器、制動器等部件組成，主要作用就是繼續增大扭矩并改變扭矩的傳遞方向，并實現差速轉向以及制動等功能，目前井下重型鏟板車主要使用DANA和Kessler的驅動橋。

2 雙動源重型鏟板車傳動系統設計要求

煤礦井下重型鏟板車主要用于短距離搬運支架嗎，擺放支架，聯合搬運采煤機等特殊工況，屬作業類車輛，整車運行沖擊較大，對車輛牽引力要求較高，因此大都采用液力機械傳動。架線雙動力源鏟板車傳動方案，不同于傳統混合動力的雙動力設計，是兩種動力完全獨立，可在架線輔運大巷段采用電驅動運行;在非架線巷道采用防爆電噴柴油機驅動運行，最大限度的發揮兩種動力源的特點與優勢，因此該設備的傳動系統也提出了更高的要求：

1)兩種動力完全獨立，互不影響，因此需要動力源切換和識別裝置。

2)增加電制動回饋系統，減少長距離下坡對制動器的磨損，保證行駛安全。

3)保證車輛整體尺寸的情況下，在車體有限空間內布置兩種不同的動力源及其配套系統。

4)發動機的怠速特性與電動機模擬怠速特性的設置。

2.1 發動機與變矩器匹配

發動機與變矩器匹配是指液力變矩器按照工作的要求，以指定工況(或傳動比)傳遞發動機的扭矩和功率的一種共同工作情況[3]。

將發動機的外特性曲線及調速特性曲線與變矩器輸入特性曲線按相同比例繪在一起是發動機與變矩器的共同工作輸入特性曲線。并根據公式：

(1)

MT=KMB

(2)

nT=nBiTB

(3)

NT=0.104 7×10-3MTnT

(4)

式中:λMB為泵輪力矩系數，min2/(m·r2)；γ為油的重度，N/m3；nB為泵輪轉速，r/min；nT為渦輪轉速，r/min；K為變矩系數；D為液力變矩器的有效直徑，m；MB，MT為分別為泵輪、渦輪轉矩，N·m；iTB為渦輪和泵輪轉速比;NT為變矩器渦輪輸出功率，kW。

根據發動機和變矩器共同工作輸入特性曲線求得共同工作點(nB,MB)由上式計算得到聯合工作特性曲線上的各點數值(MT,nT,NT)就可以得到輸出特性曲線。可以此為依據，計算整車格擋車速、牽引特性和爬坡能力。

2.2 電動機與液力變矩器的匹配

液力變矩器與電動機的匹配問題和液力變矩器與柴油機的匹配有相似之處，但也有特殊性。確定了電動機傳給變矩器泵路的轉矩和轉速，液力變矩器與電動機的匹配的輸入特性與輸出特性、液力變矩器與柴油機的匹配的輸入特性與輸出特性兩者求法基本相同。

3 傳動系統設計

動力源的傳動方案較多，下面對幾種傳動路徑的布置方案和配套選型進行分析。

3.1 HR型傳動方案

HR型系列為變速箱、變矩器、發動機三位一體，因此電動機的傳動路徑中需增加減速器以代替變速箱的功能，實現電驅動狀態下整車的速度和扭矩匹配，實際傳動方案如圖2所示。

圖2 HR型傳動方案

此傳動方案是理論上最理想的傳動路徑，兩種動力源傳輸完全獨立，且電驅回饋制動不受影響。該方案有兩個技術關鍵點。

1)選型問題。三位一體的發動機在煤礦井下重型鏟板車上的應用非常少，三位一體的發動機不利于整車布置，它會導致整車高度不適應大部分井下工況，因此，目前市場上并無此類三位一體的具備安標的發動機設備。

2)動力合并裝置問題。重型車輛全部為全驅動，由于動力合并裝置在變速箱之后，全驅動時變速箱的分動作用消失，因此動力合并裝置必須還原變速箱的分動功能，這種動力合并裝置的設計難度極大。

3.2 MHR型傳動方案

MHR型為變速箱變矩器一體，與發動機分開，此方案中，變速箱變矩器可由兩種動力源共用，不必增加與電動機匹配的減速器，其傳動方案如圖3所示。

圖3 MHR型傳動方案

此傳動方案不用增加任何其它機構，兩種動力源共用變速箱和變矩器，是最適合整車布置的方案，該方案有3個技術關鍵點。

1)電動機需具備怠速模式。即電動機模擬發動機運行，因為整車的液壓動力和傳動換擋壓力均由變矩器配套泵提供，為整車提供轉向、制動和換擋離合器壓力，因此電動機的怠速控制是整個傳動系統的關鍵和難點。

2)回饋制動問題?；仞佒苿幽芰總鬟f經過變矩器，需要變矩器具備鎖止功能。但是目前所有變矩器的鎖止均為有限鎖止，當制動力矩過大時，會使得鎖止離合器分開，影響鎖止離合器的使用壽命且無法實現回饋制動，反而會造成變矩器油溫升高等問題，影響變矩器使用壽命。對于重型鏟板車，其重載下坡情況下，緊急制動力矩非常大，此時如果輪邊制動器無法及時介入，會對變矩器造成影響，影響整車運行安全。

3)傳動散熱問題。傳統發動機動力下，傳動油散熱是由發動機帶動風扇給散熱器降溫。電驅模式下，變矩器并未停止工作，因此傳動系統仍需散熱，但此時發動機停轉，風扇沒有動力無法工作，因此該模式下需要為風扇提供額外動力，保證風扇工作，因此給傳動散熱系統方案的排布帶來較大工作量。

3.3 R型傳動方案

R型傳動方案為變矩器與變速箱分置，變矩器直接安裝在發動機上，電動機和發動機共用變速箱，如圖4所示。

圖4 R型傳動方案

該傳動方案電驅模式下增加了一個傳動泵以保證動力換擋變速箱的換擋問題，該方案有以下技術關鍵點。

1)換擋沖擊問題。由于變矩器與發動機一體，電動機與變速箱直接剛性連接，電驅模式下的換擋沖擊問題需要解決。

2)輔助動力問題。同HR方案一樣，由于變矩器與發動機相連，無法在電驅模式下提供液壓動力和動力換擋的傳動壓力，因此兩種方案都需要油泵電動機在電驅模式下工作。

比較3種傳動方案，考慮到整車布置和實際使用工況，選擇了第3種R型傳動方案設計整車傳動系統。由于R型方案由于要用到變速箱，需要再配套一個傳動泵以提供傳動換擋動力，并與發動機傳動系統共用傳動油，需要設計一套分時工作的傳動系統，保證兩種動力源模式都可以提供換擋動力。但是該系統下變矩器不工作，因此靠傳動油自循環冷卻即可，不需要風扇冷卻。

4 應用情況

R型方案應用于某架線雙動源重型鏟板車，研制的整機在地面試驗場進行了試驗，如圖5所示，基本滿足了設計指標要求。由于電動機與變速箱直接剛性連接，電驅模式下變速箱換擋時會出現換擋沖擊，再增加緩沖系統對整車的布置和操作系統的匹配會帶來困難，同時考慮到電驅模式的運行工況，即架線區間內的運行，主要以運輸為主，于是調整操作工藝，在架線區間內采取停車換擋的方式，由于電動機的短時過載能力可以滿足不同工況的停車換擋，可減少換擋沖擊給駕駛員帶來的不適感。

圖5 某型雙動源架線重型鏟板車

5 結論

煤礦用雙動源重型鏟運車的研制，可以減少續航焦慮并實現架線段零排放，顯著提高長距離大坡度架線段的制動性能和爬坡能力，提升了整車的制動安全性和駕駛舒適性。

煤礦用雙動源重型鏟運車傳動系統的設計，區別于單動力液力機械傳動形式，重點兼顧了傳動系統的匹配和傳動件的布置問題，探索了一種新型的礦用膠輪車雙動源傳動方案。