刘志更

（1.煤矿采掘机械装备国家工程实验室，山西 太原 030006；2.中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司，山西 太原 030006；3.山西天地煤机装备有限公司， 山西 太原 030006）

0 引言

高产高效矿井近几年出现了很多的长距离连续坡度巷道， 在其中使用防爆柴油机无轨胶轮车完成矿井生产辅助运输任务， 势必会引起井下巷道内有害气体污染加剧， 同时面临着车辆在行驶于较长距离连续坡道时出现柴油机上坡动力不足和下坡制动安全难以保障等一系列适应性问题[1-2]。从巷道环境、车辆使用寿命、行驶制动安全及运行费用等方面综合考虑，在这样的巷道内使用传统的防爆柴油机无轨胶轮车完成辅助运输综合成本较高。

本文研究一种适用于煤矿井下的矿用油电双动力运人车，该车由防爆电喷柴油机和架线电源供电电机驱动，在架线电网巷道与非架线巷道都能高效灵活作业， 预期能有效降低矿井大巷CO、NOx 等有害气体的排放， 提高驾乘人员的舒适性；在架线电网覆盖路段使用电机工作，在顺槽巷道及工作面使用柴油机工作， 两套动力源独立驱动，极大地降低矿用无轨胶轮车燃油消耗，实现节能环保，改善工人作业环境，也解决了车辆特殊工况动力不足问题， 并通过电机回馈制动解决长距离连续下坡的制动失效等问题[3-4]。

1 传动系统研究

传动系统的设计和结构优化， 直接决定整车结构的合理性及整车布置。 由于车辆设计具有柴油机和电机两个动力源， 如何将两个动力源有机结合是传动系统设计研究的关键。 经过多方案的论证对比研究，将动力切换箱的位置提前，由动力切换箱直接连接离合器、变速箱，双动力驱动共用一套传动输出系统， 通过动力切换箱实现动力源的选择及互锁， 整个系统使用一套离合器和变速箱，使得驾驶操纵方式简化，传动系统三维布置见图1。

图1 传动系统三维布置图

此传动方案结构布置合理、零部件连接紧凑，技术稳定成熟，机械传动效率高，对柴油机和电机设计研究要求较低。 动力切换装置是传动系统中最重要的部件[5]，它的使命是安全可靠地完成柴油机和电机两种动力的切换和互锁，因为两种动力是单独驱动的，所以动力切换箱的操纵机构设计为手动机械式的， 手柄执行动作完成后设计有锁止机构，防止切换动作完后的误动作带来安全隐患。

2 整车载荷分布研究

（1）车架设计研究。整车可以承载20 个人，总重量按照1600 kg 计算，整车满载后质量预计约10800kg。 依据承载情况选用某公司成熟底盘结构，主要参数见表1。 该底盘额定载重12000kg，车架为“8+4”结构，采用汽车大梁专用钢板，材质为510L，这种底盘车辆应用很多，且实际使用过载能力强。 同时可以根据实际应用进行加强和电泳防锈处理，满足双动力运人车使用要求。

表1 车架技术参数

（2）整车重心分布计算。 整车的重心计算，直接关系着整车性能优越性，影响整车的爬坡，转弯，制动，轮胎寿命等。根据各个系统主要原部件重量，反复进行三维布置设计， 进行了质量分布计算， 满足前后桥载荷的设计要求。表2 为空载和满载，平路、上坡、下坡工况下前后桥载荷的分布情况，下坡14°时前桥载荷最大，超过额度载荷778kg， 但根据实际使用工况和前桥的1.3 倍的超载荷能力，满足设计要求。

表2 车架工况载荷分布

3 车载集电装置研究

矿井架线车运输系统与无轨电车相似， 采用正负极悬浮，胶轮行驶的形式。无轨电车的供电技术、受电技术、车辆驱动技术较为成熟，特别是集电器受电技术，本项目可以借鉴。为了保证受流稳定性，集电装置采用有辅助轨导向，顶滑式，双碳刷设计，集电头结构见图2。 集电装置整体采用的轻量化设计，零部件采用薄壁钣金件，回避焊接，绝缘材料能满足强度的尽量使用绝缘材料，非绝缘的元部件采用镂空设计[6]。

图2 集电装置集电头结构

此车载集电装置的主要特点是： ①导向轨能起到稳定集电小车的作用， 入网后集电小车的轮子卡住导向轨，集电小车向上与左右的自由度被导向轨限制，这样能保证碳刷与铜排的良好接触，避免由于集电小车左右摆动而使铜排滑出碳刷；②顶滑式是碳刷在滑触线的下方，有利于集电小车快速入网与脱网；③与同一根滑触线接触的两个碳刷在两个独立的小四连杆机构上，通过弹簧的拉力保证与滑触线接触，在车辆遇到颠簸时，双碳刷能保证一个碳刷与滑触线接触，保证受流可靠性。

4 矿用65kW 防爆风冷怠速电机变频控制系统研究

整车电气系统中65kW 防爆风冷怠速变频牵引电机和变频控制系统是运人车设计的重点之一。

4.1 65kW 防爆交流异步电机

防爆交流异步电机由于外壳材质必须是钢， 重量和散热性能相对民用铝质较重，散热较差。 由于纯电动车辆上去除了水箱等，因此开发的电机全部使用风冷散热。 调研电机厂家正在生产的交流异步电机规模和性能，针对性地选型并进行防爆改造，选取的65kW 防爆交流异步电机主要技术参数见表3。

表3 电机主要技术参数表

4.2 DC/AC 变频器的研究

对变频器内部的所有部件进行了合理排布， 有效降低了体积，提高了功率密度，同时针对接触网取电，在设计控制策略时， 考虑了电压波动和短时缺电给变频器带来的负面影响。

由于每台电机需要配一套IGBT 控制器，本项目针对65kW 交流异步电机设计加工IGBT 控制器。 逆变器主要包括由IGBT 功率模块、电容、各种传感器及铜排组成的主电路组件，以及集检测、调速于一体的DSP 控制电路。采样得到的位置、电流信号送入DSP，通过编程实现合理的控制策略，使电动机控制性能达到系统设计要求。

5 整车试验

研制完成的油电双动力运人车主要参数见表4。

表4 整车主要参数表

为了能够更好试验整车性能，检验整车动力匹配的可靠性、驾驶操纵的合理性、驾乘人员的舒适性以及检验各项研究内容的实用性，整车装配完成后，采取了台架测试和路面跑合相结合的技术路线，对整车进行了一系列有步骤的试验验证，分别试验了柴油机和电机的动力性，爬坡、整车的制动性，以及常规参数的检测，爬坡试验见图3。

图3 运人车爬坡试验

试验表明，整车驾驶平稳，离合器分离彻底，变速箱各档位换挡灵活到位，驻车制动手柄、动力换挡手柄、气控球阀各手柄操作灵活，方向盘转向灵活，离合、制动、油门各个踏板操纵可靠。 整车驾驶动力可靠，制动性好，驾乘人员舒适性高，达到了整车设计要求。

不足之处是两种动力的叠加致使整车自重和外观尺寸较大， 高度高、 转弯半径大会导致井下巷道通过性变差，宽度宽导致井下不易快速错车。

6 结束语

出于最优化和高效的传动路线考虑， 对油电双动力车辆的传动系统进行设计， 根据整车负载情况对原有底盘进行改造设计。结合金属矿山集电装置设计理念，研发了无轨胶轮车集电装置， 研究了防爆风冷变频电机和控制器，配套研发了适合轻型运人车用防爆、高效、节能、安全、模拟柴油机特性的矿用逆变交流变频调速控制系统。经过上述相关系统的设计， 成功研制了油电双动力并行驱动运人车，并进行了整车系统试验验证，满足了设计要求。油电双动力运人车的研发，开创了矿用双动力车辆设计的先河， 为以后的混动或者新型系统研发奠定了一定的技术基础。