一種礦用防爆無(wú)軌電動(dòng)膠輪車(chē)設(shè)計(jì)

李 博，鄭偉麗，周會(huì)超

（1.鄭州城市職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 452370；2.深圳德塔防爆電動(dòng)汽車(chē)有限公司，廣東 深圳 318055）

0 引言

防爆無(wú)軌膠輪車(chē)是一種重要的礦山地下輔助運(yùn)輸設(shè)備，它可以極大地提高煤礦運(yùn)輸和生產(chǎn)效率。但是由于現(xiàn)階段采用的防爆車(chē)輛動(dòng)力源均為柴油機(jī)，而柴油燃燒后會(huì)產(chǎn)生一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉C）、氮氧化合物（NOX）和其他顆?；旌衔锏任廴疚?，故其成為嚴(yán)重影響礦山安全的隱患。隨著新能源產(chǎn)業(yè)的大力提倡和推廣，國(guó)內(nèi)的礦山企業(yè)急需一種輕型防爆、能夠運(yùn)輸小型機(jī)電設(shè)備和人員、載重量小、輕便靈活、能耗低、無(wú)污染的電動(dòng)車(chē)，替代柴油機(jī)防爆車(chē)輛下井，降低運(yùn)行成本，消滅不安全隱患。針對(duì)這一問(wèn)題，我們研制了一種新型礦用防爆無(wú)軌電動(dòng)膠輪車(chē)，用于煤礦井下人員和輔助材料以及機(jī)電設(shè)備的運(yùn)輸，也可用于煤礦安全巡邏和生產(chǎn)指揮。

1 整車(chē)結(jié)構(gòu)

該車(chē)型是以皮卡汽車(chē)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過(guò)布置安裝防爆電動(dòng)機(jī)、防爆離合器及自動(dòng)換檔裝置、防爆濕式制動(dòng)器、防爆電源裝置、防爆電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置、防爆儀表及監(jiān)測(cè)裝置、防爆電氣系統(tǒng)、電子安全保護(hù)系統(tǒng)、防爆機(jī)械傳動(dòng)、4×2后輪驅(qū)動(dòng)、全液壓式偏轉(zhuǎn)前輪轉(zhuǎn)向、鋼板彈簧懸掛、帶差速器驅(qū)動(dòng)橋、前后輪濕式制動(dòng)，并對(duì)車(chē)架、駕駛室重新進(jìn)行設(shè)計(jì)改造的防爆車(chē)輛，適用于有瓦斯和煤（粉）塵爆炸危險(xiǎn)的礦井。整車(chē)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 礦用防爆無(wú)軌電動(dòng)膠輪車(chē)技術(shù)參數(shù)

整車(chē)由電氣控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、車(chē)架系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、車(chē)身系統(tǒng)組成，如圖1 所示。

1.1 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)包括防爆驅(qū)動(dòng)控制裝置、本安電路、本安儀表、安全監(jiān)測(cè)保護(hù)及行車(chē)記錄儀等裝置。

防爆驅(qū)動(dòng)控制裝置結(jié)構(gòu)形式為礦用隔爆型，主要控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)，控制方式為變頻式，電壓為230V～360V。

本安電路包括3個(gè)本安電源板和1個(gè)信號(hào)隔離柵板，主要作用是為本安型電氣件（如燈具、傳感器等）提供電源和隔離大功率大能量器件，以使整車(chē)控制線路的電流不足以達(dá)到點(diǎn)燃危險(xiǎn)氣體的級(jí)別。

本安儀表為駕駛員提供清晰的行車(chē)信號(hào)。

安全監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)由防爆傳感器、整車(chē)檢測(cè)裝置等組成，安全保護(hù)采用電子式停車(chē)保護(hù)模式［1］。當(dāng)出現(xiàn)以下情況之一時(shí)，車(chē)輛自行停車(chē)，實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)功能：①重要部件溫度過(guò)高（尤其表面溫度超過(guò)140°）；②電源裝置絕緣值低于設(shè)定值；③車(chē)體傾斜角度過(guò)大；④工作環(huán)境的甲烷值超過(guò)設(shè)定值。

本安型的行車(chē)記錄儀對(duì)安檢過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄和傳輸。

圖1 整車(chē)結(jié)構(gòu)

1.2 動(dòng)力和傳動(dòng)系統(tǒng)

動(dòng)力裝置主要包括防爆電動(dòng)汽車(chē)高壓專(zhuān)用交流驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)和防爆電源裝置（能量源）。其中，電源額定電壓為320V，電機(jī)額定電壓為220V。動(dòng)力裝置具有再生制動(dòng)功能，在車(chē)輛減速或進(jìn)入坡道時(shí)，轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)向電瓶充電，能提高車(chē)輛的續(xù)航里程。

傳動(dòng)裝置包括防爆離合器及自動(dòng)換檔裝置、機(jī)械變速箱、傳動(dòng)軸及差速驅(qū)動(dòng)橋。按國(guó)標(biāo)［2，3］防爆要求對(duì)飛輪殼和離合器中的外殼防爆面、撥叉軸孔及透氣散熱孔進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

1.3 車(chē)架系統(tǒng)

車(chē)架由汽車(chē)大梁專(zhuān)用鋼材制造而成，并經(jīng)過(guò)局部加強(qiáng)。

1.4 懸架系統(tǒng)

懸架系統(tǒng)包括前、后減震器和板簧，其中板簧為少片式，在重量上比傳統(tǒng)的懸架系統(tǒng)減輕了一半。

1.5 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括全液壓轉(zhuǎn)向橋、轉(zhuǎn)向器和方向盤(pán)等。轉(zhuǎn)向橋?yàn)槿簤菏?，轉(zhuǎn)向靈活、省力，提高了車(chē)輛在巷道轉(zhuǎn)彎和調(diào)頭的安全性，增強(qiáng)了駕駛舒適度。

1.6 制動(dòng)系統(tǒng)

采用安全失效型濕式制動(dòng)系統(tǒng)，它主要由雙管路制動(dòng)閥、濕式多盤(pán)制動(dòng)器及制動(dòng)管路組成，系統(tǒng)可保證一個(gè)回路失效后，另一個(gè)回路仍能正常制動(dòng)。制動(dòng)器為全封閉防爆型濕式多盤(pán)制動(dòng)器。整個(gè)系統(tǒng)符合防爆要求，制動(dòng)靈敏、安全可靠。

1.7 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)包括2.2kW防爆液壓馬達(dá)、液壓油箱、蓄能器和相關(guān)管路等，此套裝置主要為轉(zhuǎn)向和制動(dòng)提供動(dòng)力。

1.8 車(chē)身系統(tǒng)

車(chē)身系統(tǒng)包括駕駛室、真皮座椅和其他一些附件等。

2 電氣控制原理

此車(chē)輛無(wú)啟動(dòng)電鎖（鑰匙），靠手動(dòng)斷電開(kāi)關(guān)QS1、QS2控制整車(chē)電源的通斷。整車(chē)電氣控制原理見(jiàn)圖2 。開(kāi)車(chē)前先要拉起手動(dòng)斷電開(kāi)關(guān)以接通整機(jī)電路，此時(shí)本安儀表A接通并顯示，駕駛員需要通過(guò)儀表上部的人機(jī)界面輸入密碼后方可啟動(dòng)車(chē)輛；開(kāi)車(chē)前確保充電插口XS和充電機(jī)斷開(kāi)，否則充電插口內(nèi)部的連鎖裝置會(huì)切斷整車(chē)控制線路，防止在充電狀態(tài)下駕駛員啟動(dòng)車(chē)輛而造成事故；在開(kāi)車(chē)前還需放開(kāi)手剎，否則手剎開(kāi)關(guān)QC1會(huì)阻斷控制線路，保護(hù)帶剎車(chē)操作而造成的電機(jī)D1過(guò)載而損壞。在按照要求的步驟順序執(zhí)行后，方可啟動(dòng)前進(jìn)／后退開(kāi)關(guān)并輕踩本安型電子加速器J行駛車(chē)輛。正常操作車(chē)輛時(shí)整機(jī)的電子安全保護(hù)、監(jiān)測(cè)及行車(chē)記錄儀系統(tǒng)啟動(dòng)，當(dāng)重要部件溫度過(guò)高（尤其表面溫度超過(guò)140°），或者電源裝置E絕緣值低于設(shè)定值，或者車(chē)體傾斜角度過(guò)大，或者工作環(huán)境的甲烷值（由甲烷傳感器S測(cè)量）超過(guò)設(shè)定值時(shí)，本安型傳感器發(fā)送信號(hào)給整機(jī)控制器，報(bào)警并阻斷控制線路強(qiáng)制停車(chē)。此外，當(dāng)線路發(fā)生其他電氣部件故障時(shí)，控制器也發(fā)送故障信號(hào)給駕駛員并直接強(qiáng)行停車(chē)。

圖2 整車(chē)電氣控制原理圖

3 技術(shù)特點(diǎn)

3.1 高驅(qū)動(dòng)性能

通過(guò)合理設(shè)計(jì)整車(chē)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)動(dòng)力特性與整車(chē)動(dòng)力需求的匹配，提高車(chē)輛的高效驅(qū)動(dòng)性能，能極大提高有限能量下的整車(chē)驅(qū)動(dòng)效率。

此礦用電動(dòng)汽車(chē)采用防爆電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置，電機(jī)額定功率為11kW、額定電壓為220V、額定電流為32A，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為3 800r／min，電機(jī)過(guò)載系數(shù)為2.25，電機(jī)選擇峰值轉(zhuǎn)矩余量為2%；電控參數(shù)為容量20kVA、額定電壓320V、額定電流31.25A；電源裝置參數(shù)為電源電壓320V、電源容量100AH、電池總能量25 600kWh。遵循國(guó)標(biāo)中電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性能及試驗(yàn)方法［4］對(duì)該車(chē)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩測(cè)試試驗(yàn)和電機(jī)效率性能試驗(yàn)，以驗(yàn)證車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)性能是否符合要求。動(dòng)力特性測(cè)試時(shí)整車(chē)的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2，試驗(yàn)得到的該車(chē)的動(dòng)力特性曲線如圖3 和圖4 所示。

通過(guò)圖3 可以看到，當(dāng)轉(zhuǎn)速在500r／min～2 300 r／min之間轉(zhuǎn)矩非常平穩(wěn)，這就保證了車(chē)輛行駛和爬坡時(shí)候的優(yōu)越性能；通過(guò)圖4 可以看出，在正常工況下，即轉(zhuǎn)速在1 800r／min～3 500r／min時(shí)，電機(jī)輸出效率始終保持在90%及以上，有效提高了整車(chē)的驅(qū)動(dòng)效率。

表2 礦用防爆無(wú)軌電動(dòng)膠輪車(chē)動(dòng)力特性試驗(yàn)參數(shù)

圖3 車(chē)輛轉(zhuǎn)矩測(cè)試曲線

圖4 車(chē)輛電機(jī)效率測(cè)試曲線

輸出效率是體現(xiàn)車(chē)輛最重要性能指標(biāo)續(xù)駛里程能否達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵因素。礦用電動(dòng)汽車(chē)一次充電的續(xù)駛里程s（km）的計(jì)算公式為：

其中：w為電池總能量，kWh；η為整車(chē)的輸出效率；p為電動(dòng)汽車(chē)消耗功率。

從式（1）可以看出，提高整車(chē)的輸出效率η就能增大電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程。而圖4 試驗(yàn)結(jié)果表明該車(chē)的輸出效率在正常工況下始終保持在90%及以上，為提高續(xù)駛里程提供了保證。然后在正常工況下讓車(chē)輛滿(mǎn)載，通過(guò)多次車(chē)輛續(xù)駛里程測(cè)試，該車(chē)的續(xù)駛里程均達(dá)到117km以上。

3.2 純機(jī)械式自動(dòng)換檔防爆離合和傳動(dòng)集成技術(shù)

本車(chē)采用安全型的純機(jī)械式自動(dòng)換檔防爆離合和傳動(dòng)集成技術(shù)。由于防爆車(chē)輛的特殊性，不可能采用電子控制方式的自動(dòng)換檔，必須采用防爆式；另外，變速箱不能采用液力變速箱，其效率低，不適用于電動(dòng)類(lèi)車(chē)輛。為此，我們自主研發(fā)了一種防爆自動(dòng)離合變速裝置，采用防爆離合器和3個(gè)前進(jìn)檔位，倒車(chē)和一檔共用，飛輪和機(jī)械換檔裝置（不帶電子裝置）在車(chē)速25 km／h和15km／h的臨界點(diǎn)自動(dòng)切換至相應(yīng)的高低速檔位上。

4 結(jié)語(yǔ)

此礦用防爆電動(dòng)無(wú)軌膠輪車(chē)的研制成功為無(wú)軌輔助運(yùn)輸設(shè)備增添了新的品種，發(fā)揮了輕型防爆膠輪車(chē)機(jī)動(dòng)靈活、運(yùn)行成本低、節(jié)能低碳環(huán)保和防爆性能好的優(yōu)點(diǎn)。該車(chē)是根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)的標(biāo)準(zhǔn)和特性創(chuàng)新開(kāi)發(fā)的一種用于煤礦井下的新型防爆車(chē)，其相關(guān)技術(shù)均通過(guò)了國(guó)家煤安和防爆認(rèn)證。目前，該車(chē)已通過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試和檢驗(yàn)，并投入生產(chǎn)，客戶(hù)訂單量大，運(yùn)行狀況很好。

［1］煤炭科學(xué)研究總院常州自動(dòng)化研究所.MT209－90－1990煤礦通信、檢測(cè)、控制用電工電子產(chǎn)品通用技術(shù)要求［S］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2007：238-251.

［2］南陽(yáng)防爆電氣研究所，煤炭科學(xué)研究總院撫順?lè)衷?GB3836.2－2010，爆炸性環(huán)境 第2部分：由隔爆外殼“d”保護(hù)的設(shè)備［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011：1-56.

［3］南陽(yáng)防爆電氣研究所.GB3836.3－2010爆炸性環(huán)境 第3部分：由增安型“e”保護(hù)的設(shè)備［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011：1-60.

［4］中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心.GB／T 18358－2005電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性能 試驗(yàn)方法［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005：1-14.