礦用蓄電池鏟板式支架搬運(yùn)車設(shè)計(jì)*

丁仁政

(中國煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

蓄電池鏟板式支架搬運(yùn)車以防爆特殊型大容量鉛酸蓄電池為動力源，是一種零排放、承載能力大、靈活機(jī)動性強(qiáng)的鏟板式搬運(yùn)車，也是綜采工作面搬家倒面的主要運(yùn)輸設(shè)備。它的主要用途是將支架拖拽或擺放到工作面，也可作為長距離運(yùn)輸重物的主要設(shè)備，包括聯(lián)合搬運(yùn)采煤機(jī)、刮板機(jī)、皮帶機(jī)機(jī)頭、破碎機(jī)、移變、泵站等大件設(shè)備[1]。

為了提高蓄電池鏟板式支架搬運(yùn)車的運(yùn)行可靠性，本文針對WX35J支架搬運(yùn)車的設(shè)計(jì)，對整車質(zhì)量分配、交流變頻調(diào)速、雙電動機(jī)同步控制、主要結(jié)構(gòu)件受力、CAN總線控制等進(jìn)行了研究。

1 整車結(jié)構(gòu)和參數(shù)

WX35J支架搬運(yùn)車的最大承載能力為35 t，適應(yīng)巷道斷面(寬×高)3.8 m×1.9 m，主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是三段機(jī)架鉸接式，電力機(jī)械傳動，4×4前后輪驅(qū)動，液壓油缸轉(zhuǎn)向。整車總體布置如圖1。

1-鏟板;2-前機(jī)架;3-中機(jī)架;4-后機(jī)架;5-蓄電池托架;6-輪胎;7-舉升油缸;8-傾翻油缸;9-轉(zhuǎn)向油缸;10-蓄電池;11-液壓絞車。

機(jī)架采用前、中、后三段兩處鉸接結(jié)構(gòu)，中、后機(jī)架采用回轉(zhuǎn)軸承鉸接。由于該車載荷大且集中于車輛前端，前、中機(jī)架連接部受力很大，所以將前、中機(jī)架作為裝載系統(tǒng)整體，僅實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向。中、后機(jī)架連接處擺動設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于既可以保證車輛在路面條件較差時(shí)能夠平穩(wěn)行駛，在突遇障礙物時(shí)避免側(cè)翻，又可以使驅(qū)動橋保持良好的對地牽引力。車輛采用雙舉升油缸和雙傾翻油缸，可實(shí)現(xiàn)整車的搬運(yùn)功能；具有一部160 kN牽引能力的液壓絞車，用來拖動重物；采用NO-SPIN防滑自鎖差速器的重型驅(qū)動橋，承載能力大；車上使用彈簧制動液壓釋放的安全型輪邊制動器，保證車輛行駛安全；配備獨(dú)立駕駛室，可以雙向駕駛，方便井下作業(yè)使用；車輛配備運(yùn)行故障診斷、實(shí)時(shí)監(jiān)測顯示系統(tǒng)，對車輛的運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測，對故障進(jìn)行及時(shí)報(bào)警和緊急停機(jī)，為車輛維護(hù)、檢修提供依據(jù)。落地式電池更換系統(tǒng)能夠快速完成電池更換。主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)表

2 設(shè)計(jì)技術(shù)研究

2.1 整車質(zhì)量控制和局部配重分配

WX35鏟板式搬運(yùn)車的載重位于整車前端的鏟板部位，且與車輛自重接近，造成車輛在空載和滿載時(shí)重心位置變化很大。為了保證整車在滿載時(shí)的運(yùn)行穩(wěn)定性，蓄電池布置在車輛尾部作為配重。若蓄電池質(zhì)量太大，對中央鉸接機(jī)構(gòu)連接強(qiáng)度的要求也大大提高，這必然會增加中央鉸接部件的外形尺寸及材料制造成本，且整車電量消耗及輪胎磨損等情況勢必增加，整車經(jīng)濟(jì)性下降；而蓄電池質(zhì)量過小，既無法保證車輛的續(xù)航能力，又不能保證整車滿載時(shí)的運(yùn)行穩(wěn)定性，降低整車運(yùn)載能力。因此,整車布局在計(jì)算力學(xué)平衡的同時(shí)，也需要考慮蓄電池質(zhì)量對整車穩(wěn)定性的影響，以及重載工況對機(jī)架結(jié)構(gòu)各連接處可靠性的影響。這些都是影響整車井下巷道適應(yīng)性的重要因素。

根據(jù)整車載荷需求和以上各因素綜合分析，在保證車輛續(xù)航能力的前提下，保證了足夠的車輛配重及整車運(yùn)行穩(wěn)定性,同時(shí)不影響車輛外觀和尺寸。整車質(zhì)量控制與分配如圖2所示。

圖2 質(zhì)量控制與分配

2.2 牽引逆變交流變頻調(diào)速技術(shù)

本車輛采用礦用交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，充分利用變頻調(diào)速系統(tǒng)較寬的調(diào)速范圍和交流電動機(jī)免維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，采用雙55 kW變頻感應(yīng)電動機(jī)和防爆低壓大轉(zhuǎn)矩DC/AC牽引逆變器，控制策略是閉環(huán)轉(zhuǎn)矩矢量控制方式[2]。重點(diǎn)進(jìn)行了矢量控制理論及算法研究、逆變器外形布局設(shè)計(jì)、控制器硬件設(shè)計(jì)、軟件算法研究[3]。在以DSP2812為核心的逆變器設(shè)計(jì)上，實(shí)現(xiàn)了速度閉環(huán)的感應(yīng)電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)，并對空載、負(fù)載、過載、堵轉(zhuǎn)等控制性能進(jìn)行了試驗(yàn)分析，如圖3所示。

圖3 變頻調(diào)速試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果表明：

1) 起動性能方面,電動機(jī)在577 A下起動轉(zhuǎn)矩927 N·m(2.6倍額定轉(zhuǎn)矩)，符合車輛牽引最大起動轉(zhuǎn)矩要求。

2) 過載能力方面，電動機(jī)在0～50 Hz均能達(dá)到805 N·m，但是持續(xù)時(shí)間應(yīng)符合礦用變頻過載持續(xù)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)(電動機(jī)熱態(tài)過載，保護(hù)時(shí)間<60 s)。

3) 最高轉(zhuǎn)速方面，交流逆變器輸出頻率能到90 Hz，但是帶負(fù)載能力將變差，電流波形質(zhì)量變差，同時(shí)IGBT溫升將加快[4]。

礦用重型車輛電池電壓都較低，目前車用的蓄電池電壓等級有128 V、252 V和264 V，而牽引總功率均很大(至少在130 kW以上)，造成牽引電動機(jī)電流過大。在封閉的防爆箱體中，大功率逆變器IGBT組件對鋼板的熱傳導(dǎo)較差，散熱問題突出。通過將逆變器散熱鋁板通過導(dǎo)熱硅脂緊貼電控箱后背板，后背板增加水道，注入一定量的非循環(huán)水等措施[5]，保證IGBT大電流輸出時(shí)逆變器散熱良好。經(jīng)試驗(yàn)，電動機(jī)溫升63 K，電控箱最高溫度69 ℃，符合1 h工作制，滿足車輛牽引要求。

2.3 雙電動機(jī)同步控制

車輛采用雙電動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動前后橋，運(yùn)行時(shí)前后電動機(jī)不同步、前后輪胎因承載帶來的滾動半徑差異，會產(chǎn)生寄生功率[6-7]，引起功率損失，致使車載蓄電池的能量得不到高效利用。寄生功率的存在還會引起整車傳動系零件受力不均和沖擊過載，使輪胎因拖滑而加速磨損，降低了傳動系的效率及整車效率。因此,研究雙牽引電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的同步控制非常有必要?？梢圆扇∫韵麓胧p小寄生功率：

1) 在整車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，無法避免前后載荷不同所帶來的影響?？梢愿鶕?jù)承載情況，研究承載力和壓縮量的關(guān)系，選擇半徑相同、承載性能不同的前后輪胎，盡可能保證運(yùn)行時(shí)前后輪胎半徑的差值，減小寄生功率值。

2) 車輛運(yùn)行過程中前后橋載荷分配不一致，又要保證前后電動機(jī)的轉(zhuǎn)速一致。通過采集車輛運(yùn)行時(shí)反饋的轉(zhuǎn)速和扭矩等參數(shù)，由相應(yīng)控制算法對電動機(jī)控制器發(fā)出控制指令，調(diào)節(jié)前后電動機(jī)的輸出扭矩[8-9]。

2.4 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度

鏟板提升架主體由16Mn材料焊接而成。為保證鏟板提升架所受載荷的準(zhǔn)確性，建立和優(yōu)化整車三維實(shí)體模型，利用ADAMS分析軟件施加邊界條件并進(jìn)行動力學(xué)分析[10]。提取了鏟板提升架的動態(tài)載荷，這樣鏟板提升架所受的慣性力等動態(tài)特征載荷均被包含在內(nèi)，從而很大程度上提高了鏟板提升架受力的準(zhǔn)確性。

根據(jù)提取到的動態(tài)載荷，對提升架進(jìn)行了強(qiáng)度分析,如圖4所示。該處應(yīng)力最大值為122.6 MPa，材料屈服極限為345 MPa，可以滿足提升架安全使用要求。

叉子選用材料30CrMo。結(jié)合整車動力學(xué)分析結(jié)果及專家經(jīng)驗(yàn)，叉子折彎部位拐角處為最危險(xiǎn)部位，強(qiáng)度分析如圖5所示。該處應(yīng)力最大值為434.4 MPa,材料屈服極限為785 MPa，可以滿足叉子的安全使用要求。

2.5 基于現(xiàn)場總線的整車控制技術(shù)

CAN(Controller Area Network)是控制器局域網(wǎng)的簡稱，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。近年來，由于其所具有的高可靠性和良好的錯(cuò)誤檢測能力被廣泛應(yīng)用于汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。由于其具備數(shù)據(jù)傳輸速度高、抗干擾能力強(qiáng)(差分?jǐn)?shù)據(jù)線)及自我診斷能力(錯(cuò)誤偵測)等方面的優(yōu)勢，在WX35J支架搬運(yùn)車上進(jìn)行了應(yīng)用。通過CAN總線將整車中的主控模塊和顯示器連接，將整車的行走電動機(jī)電流、油泵電動機(jī)電流、電動機(jī)故障、蓄電池電壓、已用電量等信息實(shí)現(xiàn)可靠共享，并且還可以通過CAN總線修改整車控制器的參數(shù)，減少了整車線束數(shù)量，提高了整車的可靠性和安全性。

圖4 鏟板提升架受力分析

圖5 叉子受力分析

3 應(yīng)用

WX35J支架搬運(yùn)車電池電壓DC264V，容量為935 A·h，電池電量達(dá)到246.84 kWh，比進(jìn)口的VT636蓄電池支架搬運(yùn)車電量158.72 kWh增加了55%。分別在神東煤炭公司石圪臺煤礦、烏蘭木倫煤礦、補(bǔ)連塔煤礦和錦界煤礦等進(jìn)行了設(shè)備運(yùn)輸作業(yè)，共搬運(yùn)液壓支架、采煤機(jī)搖臂、轉(zhuǎn)載機(jī)機(jī)頭、自移機(jī)尾等設(shè)備達(dá)120余件，質(zhì)量達(dá)800余t，運(yùn)行300余km。其速度與牽引力性能均優(yōu)于進(jìn)口同類機(jī)型，平路滿載續(xù)航里程能達(dá)到37～40 km，比VT636蓄電池支架搬運(yùn)車多8～10 km，使用情況良好。

4 結(jié)語

蓄電池鏟板式支架搬運(yùn)車是一種載重大、零排放、靈活性強(qiáng)的工作面搬家裝備，在工作面進(jìn)行短距離作業(yè)時(shí)，克服了柴油機(jī)鏟板式搬運(yùn)車污染大和噪音大的缺陷，改善了礦工的工作環(huán)境，提高了綜采工作面搬家倒面作業(yè)時(shí)的安全性。

通過對WX35J支架搬運(yùn)車整車關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)研究，為后續(xù)類似產(chǎn)品的研發(fā)和系列化奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。