礦用電機(jī)車能耗制動的研究與應(yīng)用

董永智，王新剛，楊建興

（招金礦業(yè)股份有限公司蠶莊金礦，山東 煙臺 265400）

1 背景

非煤礦山架線電機(jī)車和電瓶式電機(jī)車（以下統(tǒng)稱電機(jī)車）的使用已經(jīng)全面普及，礦山井下使用電機(jī)車運(yùn)輸具有效運(yùn)載能力大、運(yùn)輸效率高的優(yōu)點(diǎn)。隨著礦山企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷增加，電機(jī)車的安全運(yùn)行，不僅事關(guān)生產(chǎn)高效有序進(jìn)行，更成為事關(guān)安全的重中之重，這其中的電機(jī)車制動系統(tǒng)就成為保障其安全運(yùn)行的最后一道屏障。井下特殊的生產(chǎn)現(xiàn)場導(dǎo)致電機(jī)車工作條件一般較差，且啟動頻繁，帶來的直接問題就是制動頻繁，易損壞。根據(jù)GB16423《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》6.3.1.12“對電機(jī)車制動的要求列車制動距離：運(yùn)送人員應(yīng)不超過20m，運(yùn)送物料應(yīng)不超過40m；14t以上的大型機(jī)車(或雙機(jī))牽引運(yùn)輸，應(yīng)根據(jù)運(yùn)輸條件予以確定，但應(yīng)不超過80m”。3t以上電機(jī)車普遍配備有壓縮空氣制動，能夠滿足規(guī)程要求。而3t以下電機(jī)車普遍采用機(jī)械制動，在惡劣工況和頻繁動作下，很容易損壞[1]。因此，亟需對3t及以下電機(jī)車的制動系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，以確保安全生產(chǎn)。

2 現(xiàn)狀

當(dāng)前電機(jī)車制動方式基本采用機(jī)械制動。按照動力源不同又分為手動、液壓、氣動等不同方式。

（1）手動制動。手動制動方式又分為工作制動和駐車制動。①手動工作制動一般應(yīng)用于2t以下電機(jī)車，該制動方式簡單、制動力矩能迅速作用于減速機(jī)。②駐車制動一般應(yīng)用于3t及以上電機(jī)車，采用螺桿閉鎖制動方式。具有制動力矩大，能可靠自鎖的優(yōu)點(diǎn)，但是其制銜鐵與輪面直接接觸制動，制動效果會因輪面污損而打折；螺桿傳動其固有特性導(dǎo)致其操作時間長，不能夠滿足制動要求的及時性。

（2）液壓制動。該制動方式原理上可以安裝于任何類型電機(jī)車上，且其具有制動力矩大，制動反應(yīng)時間短的優(yōu)點(diǎn)。但是其安裝和維護(hù)成本高；且因礦山井下環(huán)境所限，該裝置使用壽命較短，并不適于井下使用。

（3）氣動制動.7t以上電機(jī)車基本使用啟動制動作為工作制動，該制動方式反應(yīng)時間短，能迅速產(chǎn)生制動力矩。但其最大的不足是需要外部壓縮氣體提供制動力矩，投資大、占用電機(jī)車空間大，因此并不適用3t及以下電機(jī)車。這里不再贅述。

綜上所述，眼下使用較普遍的機(jī)械制動均存在壽命、響應(yīng)時間、成本、制動力矩不足等問題。在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)輸中，機(jī)械制動系統(tǒng)因可靠性無法滿足需求，操作人員為做到迅速制動，便使用倒拉反接制動，來達(dá)到迅速減速的目的。顯而易見，反接倒拉制動會在電動機(jī)上迅速建立一個反向制動力矩，但是該種制動方式會突然增加電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)電流，輕則沖擊減速機(jī)構(gòu)，造成機(jī)械部件損壞，重則燒壞線路、頂?shù)敉獠侩娫矗ブ苿恿?，造成跑車等?yán)重事故[2]。

3 設(shè)計思路

面對機(jī)械制動存在的諸多問題，我們須轉(zhuǎn)變思路，向電氣系統(tǒng)的改進(jìn)升級尋求突破。

3.1 電氣工作原理

當(dāng)前，無論何種噸位的礦用電機(jī)車，均使用直流串勵電動機(jī)。因?yàn)橹绷飨啾冉涣麟娫锤菀自诰绿厥猸h(huán)境中使用，外部輔助供電設(shè)施易于擴(kuò)展安裝，電機(jī)車上不需要增加繁雜的受電電纜等器件。

串勵電機(jī)的轉(zhuǎn)矩的瞬時表達(dá)式為：

式中：T——轉(zhuǎn)矩瞬時值；Ct——轉(zhuǎn)矩常數(shù)；Φm——每極磁通峰值；Im——電流峰值；θ——磁通滯后電流的角度。

單相交流串勵電機(jī)的機(jī)械特性：單相串勵電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是隨時間變化的，即每一瞬間的轉(zhuǎn)矩大小是不同的，這和直流的電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)性存在明顯的差別，輸出轉(zhuǎn)矩實(shí)際上是平均值。電動機(jī)在磁路未飽和時，因磁通大小和勵磁電流大小成正比，故轉(zhuǎn)矩和電流的二次方成正比；當(dāng)電動機(jī)的磁路飽和時，電流的變化對磁通的影響很小，故轉(zhuǎn)矩近似按照電流的變化而變化。啟動轉(zhuǎn)矩大，不容易堵轉(zhuǎn)，這是這類電動機(jī)的可貴優(yōu)點(diǎn)，適用于啟動比較困難的場合。

3.2 電氣制動改進(jìn)原理

對于串勵電動機(jī)，若不考慮剩磁，只有n趨于無窮大時，才能出現(xiàn)Ea=U，要使Ea＞U，顯然無法實(shí)現(xiàn)。雖然電機(jī)中存在少量的剩磁，但要使Ea＞U，轉(zhuǎn)速將高達(dá)不能允許的數(shù)值，故串勵電動機(jī)不存在回饋制動狀態(tài)。串勵電動機(jī)只有反接制動和能耗制動兩種制動方法，其工作狀態(tài)下面分別進(jìn)行分析。

（1）反接制動。串勵電動機(jī)進(jìn)行電壓反接制動時，不是將電源電壓反接，因?yàn)檫@樣將會造成Ia和If同時改變方向，電磁轉(zhuǎn)矩方向不變，起不到制動作用。因此，只能將電樞兩端反接，而勵磁繞組的接法不變，如圖（a）所示。為了限制過大的制動電流，還應(yīng)串入制動電阻RB。其機(jī)械特性如圖（b）中曲線BC所示。圖中A點(diǎn)是正向電動工作點(diǎn)，B點(diǎn)是制動起始點(diǎn)，減速時，工作點(diǎn)由B點(diǎn)沿特性曲線向C點(diǎn)移動，到達(dá)C點(diǎn)時，轉(zhuǎn)速為零。若要停車，應(yīng)斷開電源，否則電動機(jī)將反向起動并加速到D點(diǎn)，在D點(diǎn)處于反向電動運(yùn)行。應(yīng)用于礦山井下現(xiàn)場，這就是前文敘述的在電機(jī)車機(jī)械剎車失靈時駕駛?cè)藛T的“直接反轉(zhuǎn)”操作。從其制動曲線圖上可以看出當(dāng)電機(jī)車工作高速運(yùn)行，需要制動時，電動機(jī)工作點(diǎn)從A點(diǎn)轉(zhuǎn)移到B點(diǎn)，由串勵電動機(jī)瞬時轉(zhuǎn)矩公式可以得出，此時電動機(jī)會產(chǎn)生很大的制動力矩。對電機(jī)車機(jī)械傳動部件將會造成嚴(yán)重?fù)p傷。同時破壞直流電源回路，造成電氣回路燒壞，機(jī)車失速等惡性事故。因此，該制動方式并不能用于礦井電機(jī)車。

（2）能耗制動。串勵電動機(jī)的能耗制動分為他勵式和自勵式兩種。而他勵制動因結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也不適用于礦井使用，故不贅述。

圖1 串勵直流電動機(jī)反接制動機(jī)械特性

自勵式能耗制動時，電樞回路脫離電源后，通過制動電阻形成閉路，但為了實(shí)現(xiàn)制動，必須同時改接串勵繞組，以保證勵磁電流的方向不變，如圖1—55（a）所示。自勵式能耗制動時的機(jī)械特性如圖（b）中曲線BO所示。由圖可見，自勵式能耗制動開始制動轉(zhuǎn)矩較大，隨著轉(zhuǎn)速下降，電樞電動勢和電流也下降，同時磁通也減小，從公式Tem=CTΦIa可見，制動轉(zhuǎn)矩下降很快，制動效果變?nèi)?，所以制動時間較長且制動不平穩(wěn)。由于這種制動方式不需要電源，因此主要用于事故停車。

圖2 能耗制動原理與力矩圖

4 理論總結(jié)

結(jié)合前文分析得出的觀點(diǎn)主要有亮點(diǎn)：①礦井3t及以下電機(jī)車采用機(jī)械制動方式并不能完全滿足日常安全生產(chǎn)的需求。②采用直接反接制動方式會嚴(yán)重?fù)p壞電機(jī)車的電氣和機(jī)械結(jié)構(gòu)，降低電機(jī)車的使用壽命。③串勵直流電動機(jī)的反接能耗制動是可行的，并且其制動轉(zhuǎn)矩曲線與電動機(jī)重載啟動時只有矢量方向的差別，并無大小區(qū)別，也就是對電氣和電機(jī)車機(jī)械結(jié)構(gòu)無任何額外沖擊，完全工作在設(shè)計轉(zhuǎn)矩內(nèi)。④從前文圖4可以發(fā)現(xiàn)，隨著電動機(jī)轉(zhuǎn)速下降，其制動轉(zhuǎn)矩也將呈快速下降趨勢，因此在制動末端，需要機(jī)械制動方式進(jìn)行零速制動，做到完全停車。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)理論支持，在招金礦業(yè)股份有限公司蠶莊金礦265礦井井下對現(xiàn)場電機(jī)車進(jìn)行線路調(diào)整，增加一只雙刀雙擲開關(guān)（只做原理驗(yàn)證用），將電源主回路接入雙刀雙擲開關(guān)中位。開關(guān)A端出線接入原電機(jī)車電源回路，開關(guān)B端短接。電機(jī)車正常行駛時，開關(guān)打到A位。需制動時，司機(jī)將方向和檔位扳手歸零，雙刀雙擲開關(guān)打到B位置。司機(jī)操作方向扳手反向，同時操作檔位扳手調(diào)整不同檔位，便可以獲得不同力矩的制動力。電機(jī)車便可以按照需要的減速度行駛。

以下為改造后的電路圖（圖示為電瓶車，架線式電機(jī)車改造原理與其相同）。

圖3 機(jī)電電路改進(jìn)原理

表1 制動試驗(yàn)數(shù)據(jù)（現(xiàn)場路況、車況不同，數(shù)據(jù)只做參考用）

6 總結(jié)

能耗制動方式對于在礦山井下的3t及以下只依靠機(jī)械制動的電機(jī)車來說是一個改善制動系統(tǒng)運(yùn)行條件，在配備機(jī)械制動的前提下，可以對電路進(jìn)行簡單改造，就能滿足能耗制動的要求。在機(jī)車運(yùn)行時使用能耗制動，可以大幅減少機(jī)械剎車的維護(hù)成本和使用壽命，同時為電機(jī)車運(yùn)行提供了完備的事故剎車方案，即使無機(jī)械制動，無外部電源都可以實(shí)現(xiàn)自身制動。這將極大提高電機(jī)車的安全性能，為礦山安全生產(chǎn)提供堅實(shí)保障。