百噸級(jí)電傳動(dòng)礦用自卸車輪邊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的配置優(yōu)化

何建成 申焱華 張文明

北京科技大學(xué)，北京，100083

0 引言

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2011年，國(guó)產(chǎn)礦用自卸車銷量達(dá)到7567輛，與2010年銷量約5000輛相比，增長(zhǎng)51.34%。其中，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)銷量5646輛，海外市場(chǎng)銷量1921輛，雙創(chuàng)歷史新高［1］。目前國(guó)內(nèi)百噸級(jí)電傳動(dòng)礦用自卸車的設(shè)計(jì)還主要處于模仿階段，如在確定輪邊減速器傳動(dòng)比時(shí)，往往參照國(guó)際相近噸位車型，但國(guó)內(nèi)自主生產(chǎn)的輪邊電機(jī)的性能與國(guó)際上先進(jìn)電機(jī)有較大差距。因此有必要研究適合國(guó)內(nèi)電機(jī)發(fā)展水平的輪邊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最佳配置方法。

1 傳動(dòng)方式

百噸級(jí)礦用自卸車的傳動(dòng)方式有兩種，即機(jī)械傳動(dòng)和電傳動(dòng)。機(jī)械傳動(dòng)的傳遞結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速箱、萬向節(jié)、傳動(dòng)軸、主減速器、差速器、半軸，各部件之間主要是機(jī)械能的傳遞；電傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示，電傳動(dòng)結(jié)構(gòu)主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、輪邊減速器，在動(dòng)力傳遞過程中包含兩次機(jī)械能與電能的轉(zhuǎn)化及電能的傳遞。一次轉(zhuǎn)化是發(fā)電機(jī)將發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，另一次轉(zhuǎn)化是電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

圖1 機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 電傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

表1所示為電傳動(dòng)與機(jī)械傳動(dòng)幾項(xiàng)重要性能的比較，電傳動(dòng)除了傳動(dòng)效率略低于機(jī)械傳動(dòng)以外，其余幾項(xiàng)性能都要優(yōu)于機(jī)械傳動(dòng)，因此目前百噸級(jí)以上礦車，除了CAT部分車型采用機(jī)械傳動(dòng)以外，其余的大都采用電傳動(dòng)。

表1 機(jī)械傳動(dòng)、電傳動(dòng)性能比較

2 輪邊減速器結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)比

電傳動(dòng)礦用自卸車中，輪邊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是主要的動(dòng)力傳遞系統(tǒng)，如圖3所示，主要包括電機(jī)和輪邊減速器兩部分。電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，輪邊減速器將動(dòng)力減速增扭傳遞到輪轂，以驅(qū)動(dòng)輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)提供礦車行駛所需動(dòng)力，是電傳動(dòng)礦用自卸車中唯一的減速增扭機(jī)構(gòu)。

圖3 GE輪邊三級(jí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

國(guó)內(nèi)外礦用汽車輪邊減速器結(jié)構(gòu)主要有三種，其傳遞結(jié)構(gòu)原理圖如圖4～圖6所示［2－4］。國(guó)際礦用自卸車品牌中，BELAZ電傳動(dòng)礦用自卸車輪邊減速器采用的是如圖4所示的輪邊二級(jí)行星減速機(jī)構(gòu)，其余品牌車型大都采用如圖5、圖6所示的GE輪邊二級(jí)或三級(jí)減速機(jī)構(gòu)，噸位較小的采用二級(jí)減速機(jī)構(gòu)，噸位較大的采用三級(jí)減速機(jī)構(gòu)。國(guó)內(nèi)電傳動(dòng)礦用自卸車也大都采用這三種行星減速機(jī)構(gòu)。圖7所示為根據(jù)大噸位電傳動(dòng)礦用自卸車需求設(shè)計(jì)的一種新型的輪邊三級(jí)行星減速機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)具有傳動(dòng)比變化范圍大、安全系數(shù)高、軸向空間利用率高等優(yōu)點(diǎn)。

通過對(duì) TEREX、BELAZ、HITACHI、KOMATSU、LIEBHERR五種品牌且載重從109t到360t，近30款車型輪邊減速器傳動(dòng)比i進(jìn)行對(duì)比和整理，按照滿載時(shí)礦車總量從小到大排列［5－9］，得到如圖8所示的電傳動(dòng)礦用自卸車輪邊減速器傳動(dòng)比分布圖。圖9為按照不同品牌分類的輪邊減速器傳動(dòng)比分布圖。

圖4 輪邊二級(jí)行星減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)原理圖

圖5 GE輪邊二級(jí)行星減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)原理圖

圖6 GE輪邊三級(jí)行星減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)原理圖

圖7 輪邊三級(jí)行星減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)原理圖

圖8 輪邊減速器傳動(dòng)比分布圖

圖9 國(guó)際常見礦車輪邊減速器傳動(dòng)比

由圖9可以看出，同一品牌車型，隨著滿載總量的增加，輪邊減速器傳動(dòng)比有增大的趨勢(shì)，而且存在滿載總量相近車型的輪邊減速器傳動(dòng)比相同的情況，也存在隨著滿載總量增大而輪邊減速器傳動(dòng)比減小的情況，如HITACHIEH3000載重156.9t，滿載總量為278.9t，輪邊減速器傳動(dòng)比為28.85，HITACHI EH3500載重193.3t，滿載總量為324.3t，輪邊減速器傳動(dòng)比為26.83。結(jié)合圖8、圖9可以看出，對(duì)于不同品牌的車型，滿載總量相近時(shí)，傳動(dòng)比不盡相同，且相差較大。如BELAZ 75306載重220t，滿載總量372t，輪邊減速器采用如圖4所示的輪邊二級(jí)行星減速器，傳動(dòng)比為38.67，而Liebherr T262載重218t，滿載總量368t，輪邊減速器采用如圖5所示的GE輪邊二級(jí)行星減速器，傳動(dòng)比為31.9。同時(shí)部分車型可以選用不同傳動(dòng)比的輪邊減速器，如Liebherr T252，在載重相同、自重相同的情況下可以選配輪邊減速器傳動(dòng)比為26.8或22.3，而TEREX MT6300給定的輪邊減速器傳動(dòng)比選用范圍從32到42。

3 電機(jī)選型及輪邊減速器傳動(dòng)比計(jì)算

通過上文分析，可以看出電傳動(dòng)礦用自卸車選配的輪邊減速器傳動(dòng)比并沒有隨噸位增大而一直增大，而是中間存在波動(dòng)。因此，在確定輪邊減速器傳動(dòng)比時(shí)不能單純以車輛噸位作為依據(jù)，車輛噸位的變化只是決定了行駛所需驅(qū)動(dòng)力的大小和所需動(dòng)力源即發(fā)動(dòng)機(jī)功率大小。在對(duì)一款新型礦車進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，其輪邊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)流程如圖10所示。

圖10 輪邊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)流程

汽車行駛方程為［10］

其中，F(xiàn)t為驅(qū)動(dòng)力；Ff為滾動(dòng)阻力，與路面滾動(dòng)系數(shù)相關(guān)，礦山路面滾動(dòng)系數(shù)一般取0.02；Fw為空氣阻力，在礦用汽車初期設(shè)計(jì)過程中，由于一般礦用汽車常用行駛速度在7.5～30km／h之間，且最高車速一般在65km／h以下，車速相對(duì)較低，所以在礦車一般不考慮空氣阻力Fw的影響；Fi為坡度阻力，行駛路面坡度有關(guān)，電傳動(dòng)礦用自卸車的要求是最大爬坡度不應(yīng)低于16%［11］；Fj為加速阻力。

根據(jù)式（1）可以求得礦車在不同坡度上行駛時(shí)驅(qū)動(dòng)力需求，但確定發(fā)動(dòng)機(jī)功率大小還需要知道車輛行駛速度。在確定發(fā)動(dòng)機(jī)功率時(shí)一般以礦車在8%坡度行駛時(shí)的功率需求為準(zhǔn)。電傳動(dòng)自卸車滿載時(shí)在8%坡度上爬長(zhǎng)坡的穩(wěn)定車速不應(yīng)低于表2所規(guī)定的數(shù)值［11］。

表2 電傳動(dòng)礦用自卸車穩(wěn)定車速要求

由礦車在8%坡度行駛時(shí)驅(qū)動(dòng)力及最低車速要求，根據(jù)公式P＝Fv可以得到礦車行駛功率需求。但此功率并不能直接作為確定發(fā)動(dòng)機(jī)功率的標(biāo)準(zhǔn)，在確定發(fā)動(dòng)機(jī)功率時(shí)還需要考慮傳遞過程中發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)以及輪邊減速器等的能量傳遞在各環(huán)節(jié)中的功率損失。另外，為了保證足夠的動(dòng)力，在確定發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)功率時(shí)還應(yīng)考慮存在一定的過載空間，一般在選定電機(jī)功率時(shí)需要20%以上的過載牽引空間。

根據(jù)功率選定電機(jī)以后，就得到電機(jī)的功率外特性曲線和傳動(dòng)效率變化曲線。圖11為設(shè)計(jì)的某載重220t電傳動(dòng)礦用自卸車選用電機(jī)的恒功率外特性曲線和效率曲線，電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到292.4r／min時(shí)，開始進(jìn)入恒功區(qū)，直到電機(jī)達(dá)到最高轉(zhuǎn)速。但電機(jī)轉(zhuǎn)速低于651.5r／min時(shí)，只能持續(xù)工作一定時(shí)間，不能長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作，且電機(jī)工作效率較低，小于93%；轉(zhuǎn)速達(dá)到651.5r／min以上，電機(jī)才可以長(zhǎng)時(shí)間工作，電機(jī)效率也可提高到93%以上。

圖11 某礦車用電機(jī)外特性和效率曲線

為了保證礦車的持續(xù)工作和傳動(dòng)效率，輪邊減速器傳動(dòng)比i需要滿足礦車常用運(yùn)行速度空間7.5～30km／h對(duì)應(yīng)電機(jī)的長(zhǎng)時(shí)高效工作區(qū)間，圖11示出了電機(jī)長(zhǎng)時(shí)高效工作區(qū)間即電機(jī)轉(zhuǎn)速大于651.5r／min的空間。該高效工作區(qū)間范圍較大，在確定傳動(dòng)比時(shí)為了保證車輛最高轉(zhuǎn)速，一般讓電機(jī)長(zhǎng)時(shí)高效工作區(qū)起點(diǎn)來對(duì)應(yīng)礦車運(yùn)行速度7.5km／h來確定傳動(dòng)比i。即

式中，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，即電機(jī)長(zhǎng)時(shí)高效工作區(qū)初始點(diǎn)轉(zhuǎn)速；v為礦車運(yùn)行速度，一般取值7.5km／h；r為輪胎滾動(dòng)半徑。

在220t礦車設(shè)計(jì)中，選用輪胎滾動(dòng)半徑為1.7075m，根據(jù)式（2）求得輪邊合理傳動(dòng)比為55.89。但在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，考慮到空間、結(jié)構(gòu)形式、齒輪強(qiáng)度、行星齒輪安裝條件等因素，最終傳動(dòng)比確定為55.09。BELAZ 75306載重也是220t，但輪邊減速器傳動(dòng)比為38.67，這是因?yàn)槠溥x用電機(jī)DK－724的長(zhǎng)時(shí)高效工作區(qū)起點(diǎn)轉(zhuǎn)速低于國(guó)內(nèi)電機(jī)決定的起點(diǎn)轉(zhuǎn)速。

4 結(jié)語

國(guó)際電傳動(dòng)礦用自卸車輪邊減速器傳動(dòng)比隨噸位增加有增大趨勢(shì)，但中間存在著波動(dòng)。對(duì)輪邊驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中輪邊電機(jī)和輪邊減速器進(jìn)行優(yōu)化配置以滿足整車牽引特性需求，輪邊電機(jī)長(zhǎng)時(shí)高效工作區(qū)決定輪邊減速器傳動(dòng)比的初始值。在輪邊減速器進(jìn)一步設(shè)計(jì)的過程中，還需考慮空間、結(jié)構(gòu)形式、齒輪強(qiáng)度等因素。根據(jù)本文方法設(shè)計(jì)的220t電動(dòng)輪礦用自卸車已經(jīng)生產(chǎn)完畢并投入試驗(yàn)，運(yùn)行良好，證明了所述配置方法的可行性。

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