煤礦用防爆電動(dòng)人車的設(shè)計(jì)分析

洪曉飛， 王維平

（國(guó)家能源投資集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)補(bǔ)連塔煤礦， 內(nèi)蒙古自治區(qū) 鄂爾多斯 017209）

1 采礦電動(dòng)車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采礦電動(dòng)車輛，主要由車輛的車身、車底盤等組成，車身采用輕質(zhì)量的塑料纖維組成，不僅提高了車輛整體質(zhì)量，也為企業(yè)的安全生產(chǎn)打下了基礎(chǔ)，汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由，氣動(dòng)、液壓、控制等單元組成。

2 采礦電動(dòng)車輛整體設(shè)計(jì)

2.1 車身與車架設(shè)計(jì)

在汽車的設(shè)計(jì)過程中，為了提高采礦電動(dòng)車的安全性能，汽車采用鋼鐵骨架構(gòu)成，為了減輕車輛的整體重量，汽車的其他部分則采用復(fù)合材料組成，在保護(hù)車內(nèi)人員的同時(shí)，盡可能減輕車的自身重量。在車輛的實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，運(yùn)用三維軟件對(duì)車輛進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，與此同時(shí)這些優(yōu)化設(shè)計(jì)為駕駛員營(yíng)造了良好的操作環(huán)境。在對(duì)電動(dòng)汽車的底部設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將安全和承重問題充分考慮進(jìn)去，因此在實(shí)際生產(chǎn)中，實(shí)行主副一體式車架結(jié)構(gòu)，并對(duì)車輛的設(shè)計(jì)進(jìn)行模型分析、有限元分析，充分保障車輛的安全穩(wěn)定運(yùn)輸。

2.2 采礦電動(dòng)車動(dòng)力總成設(shè)計(jì)

在對(duì)汽車整體的設(shè)計(jì)過程中，更應(yīng)重點(diǎn)考慮汽車的動(dòng)力情況，車輛的動(dòng)力、經(jīng)濟(jì)性及平順性都與動(dòng)力性能直接相關(guān)。因此本文將從電動(dòng)車的電機(jī)選型、齒輪傳動(dòng)比設(shè)計(jì)、車輛效率和電動(dòng)車最大行駛里程的計(jì)算等問題開始，介紹電動(dòng)車的整體設(shè)計(jì)情況。

2.2.1 采礦電動(dòng)車的電動(dòng)機(jī)選型計(jì)算

在電機(jī)的選型方面上優(yōu)先考慮永磁同步電動(dòng)機(jī)，相比傳統(tǒng)電機(jī)該電動(dòng)機(jī)有著體積更輕、并且該電機(jī)的質(zhì)量也比較輕，不僅可以長(zhǎng)時(shí)間工作，還可以為車輛提供穩(wěn)定的動(dòng)力性能，永磁同步電動(dòng)機(jī)是該電車的最優(yōu)選擇。

2.2.1.1 電機(jī)輸出功率計(jì)算

車輛的實(shí)際輸出功率應(yīng)滿足汽車的實(shí)際工作性能要求，功率太大其質(zhì)量也會(huì)增加，車輛的電機(jī)負(fù)擔(dān)也會(huì)增加，功率太小不利于車輛穩(wěn)定運(yùn)行，因此要對(duì)電機(jī)的實(shí)際輸出功率進(jìn)行嚴(yán)格計(jì)算。在計(jì)算的過程中滾動(dòng)阻力和坡度阻力需考慮在內(nèi)。

式中：Pe為車輛行駛速度最高下的功率；vmax為車輛行駛過程中最高車速；η1為車輛行駛中傳動(dòng)效率；m為車輛質(zhì)量；f 為車輛受到的滾動(dòng)阻力系數(shù)；α 為爬坡度（最大）；vi為（爬坡）速度；Pa為爬坡功率。

2.2.1.2 采礦電動(dòng)汽車的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速計(jì)算

車輛在工作過程中最大轉(zhuǎn)矩通常在車輛位于半坡起步的狀態(tài)，或者在較短的距離里爬坡運(yùn)行。當(dāng)車輛在正常行駛的過程中，車輛運(yùn)行在最高的速度時(shí)電機(jī)也轉(zhuǎn)動(dòng)最快。

采礦電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為：

式中：ig為減速器速比（正常工作環(huán)境下）；i0為橋速比（正常工作環(huán)境下）；ηT為電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)效率；r 為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

車輛正常運(yùn)行過程中，電動(dòng)機(jī)大多工作區(qū)間在額定轉(zhuǎn)速附近。因此為了提高車輛的使用效率和性價(jià)比，車輛的高頻使用車速通常和額定轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)。

2.2.2 采礦電車?yán)m(xù)航里程計(jì)算過程

1）計(jì)算出電機(jī)在工作過程中，輸出功率與電池輸出電流I 的表達(dá)式為I=P/U。

2）在采礦電車工作的過程中時(shí)間由t=Fη/I 可得，式中，η 為系統(tǒng)總效率，取 0.65。

3）采礦電車的速度計(jì)算根據(jù)公式：S=vt。

2.3 采礦電車的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程

整個(gè)車輛正常運(yùn)行的核心是控制系統(tǒng)，體現(xiàn)了電動(dòng)車輛與傳統(tǒng)燃油車輛之間的區(qū)別，其主要由整車控制器、電機(jī)控制器、CAN 模塊、主控制模塊等組成，如圖1 所示。車輛的設(shè)計(jì)根據(jù)國(guó)家電車設(shè)計(jì)規(guī)則的要求，將整車控制系統(tǒng)布置在主控箱內(nèi)，既減輕了車輛的種類也滿足防爆要求。

圖1 控制系統(tǒng)原理

控制系統(tǒng)是車輛的重要部分，控制系統(tǒng)擔(dān)任著對(duì)汽車整體性能的監(jiān)控，一個(gè)安全可靠的車輛系統(tǒng)是行車安全的重要保障，在行車的過程中，控制器是汽車安全重要保證，因次控制器的設(shè)計(jì)也需要足夠的重視，在控制器的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)充分考慮汽車的性能與功能，保證采礦電車的正常運(yùn)行。

2.4 能量管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在汽車的蓄能方面，汽車的電車設(shè)計(jì)是汽車的蓄能裝置，電池組是電動(dòng)車的蓄能部分，電池組的性能影響著汽車車輛的行駛效果，在采礦電動(dòng)車的設(shè)計(jì)過程中，電池組采用高性能的磷酸鐵鏗電池，其不僅能為電車提供穩(wěn)定的能量，還符合國(guó)家有關(guān)電車設(shè)計(jì)電池安裝規(guī)則在，在車輛的設(shè)計(jì)過程中使用雙電池組，為汽車的行駛提供穩(wěn)定的電源輸入，兩電池互相連接既提高了車輛的續(xù)航能力也保證了行車的安全。

在電池組里安裝有智能調(diào)節(jié)設(shè)備，該設(shè)備主要保證電池始終有一個(gè)在工作，另一個(gè)電池處于待機(jī)或者充電的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)即時(shí)預(yù)測(cè)電池系統(tǒng)的剩余電量提醒駕駛員即時(shí)充電，還要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)單體電池的工作電壓和工作溫度、診斷故障并上傳；在行駛過程中保證電池管理系統(tǒng)正常工作，實(shí)時(shí)顯示提醒采礦電動(dòng)車的運(yùn)行狀況，該智能裝置分別通過傳感器采集信息，顯示屏顯示電車運(yùn)行參數(shù)，控制部分時(shí)刻對(duì)電車進(jìn)行智能監(jiān)控狀態(tài)，如圖2 所示。

2.5 采礦電車的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程

在對(duì)車輛的設(shè)計(jì)過程中，對(duì)車輛的液壓系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)也具有重要的意義，該結(jié)構(gòu)有多個(gè)單元組成蓄能器單元、停車制動(dòng)閥單元、雙回路腳踏制動(dòng)閥單元等構(gòu)成，液壓系統(tǒng)的功能主要是維持車輛的正常啟動(dòng)和停止，當(dāng)車輛需要轉(zhuǎn)向時(shí)也要發(fā)揮液壓系統(tǒng)的作用，如圖3 所示。當(dāng)車輛在失效等發(fā)生安全操作時(shí)，車輛的液壓抱死系統(tǒng)就會(huì)工作，保證在緊急狀態(tài)下汽車可以位于安全狀態(tài)。

圖2 電池管理系統(tǒng)原理框圖

在汽車的行駛過程中，車輛的制動(dòng)器為常開式，通過壓力控制制動(dòng)。實(shí)現(xiàn)車輛的減速，借助液壓助力轉(zhuǎn)向器帶動(dòng)前輪偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向動(dòng)作。

3 車輛設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

1）操作說明簡(jiǎn)單易懂，駕駛員可以輕松完成各項(xiàng)駕駛操作，液壓轉(zhuǎn)向、座椅滿足駕駛要求、給駕駛員和乘客營(yíng)造了良好的環(huán)境。

2）車輛在設(shè)計(jì)中采用防爆鏗電池為動(dòng)力源，運(yùn)行過程中零污染、對(duì)人體危害性小。

3）采礦電動(dòng)汽車使用的電機(jī)，具有質(zhì)量小、動(dòng)力十足、輸出功率高以及工作壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，該電機(jī)可為車輛提供穩(wěn)定的動(dòng)力，彌補(bǔ)其他電機(jī)效率低下的不足。

4）車輛的電池系統(tǒng)是整車的核心部分，因此車輛采用自動(dòng)均衡技術(shù)的電池管理系統(tǒng)，該技術(shù)不僅提高了電池組的使用時(shí)間以及電動(dòng)車的運(yùn)行時(shí)間，而且還具有快速充電的功效，大幅度地提高了工作效率。

圖3 液壓原理圖

5）電車的控制系統(tǒng)也是一大創(chuàng)新，采取了微電腦控制平臺(tái)，實(shí)時(shí)反饋和檢測(cè)電車的工作狀態(tài)，提高了電車的使用和維修效率，為采礦工作節(jié)約了時(shí)間。

4 結(jié)論

1）防爆電池車在煤企井道工作環(huán)境中更適用，運(yùn)行更加安全可靠、低碳環(huán)保。

2）采礦電動(dòng)車可以彌補(bǔ)原有采礦車輛的不足，并且符合國(guó)家相關(guān)政策的要求，因此，防爆鋰離子蓄電池人車在未來的煤炭開采業(yè)具有更廣闊的市場(chǎng)前景。