窄轨电机车技术及发展展望

湘潭电机股份有限公司 陈清理 钱明华

一 前言

受矿山巷道空间环境的限制，在这些矿山井下运输矿石、物料、人员的电机车的轨距和干线机车1435mm轨距相比均窄了许多，所以人们一般把这些电机车称之为窄轨电机车。窄轨电机车是一个门类繁多规格复杂，分类标准多样。产品如按轨距分道有475mm、600mm、762mm、900mm，按机车的粘着重量分有：1.5t 、2.5t、3t、5t、6t、7t、8t、10t、12t、14t、15t、18t、20t。按电机车的安全程度分有增安型、矿用一般型、防爆特殊型、隔爆型，若按电压等级分有：100V、25V、550V（架线式）48V、88V、90V、110V、120V、132V、140V、144V、196V、256V等电压等级的电机车，按驾驶室的方位和数量又可分为一端或两端司机室的电机车及司机室居中的电机车。但用的最广泛是如下三种分类习惯，即按粘着质量的吨位大小分，按电机车得到的电源方式分为：架线式电机车和蓄电池电机车，按是否防爆分为防爆电机车和普通型电机车。

二 窄轨电机车的基本结构及功能

窄轨电机车不管如何分类，外形、大小如何不同但作为运输工具，他们的最基本的结构却是都必须的，基本功能也是相近的下面以蓄电池机车为例，对其结构、功能进行说明。蓄电池机车的外形结构见下面的图1.

图1 蓄电池电机车外形图

窄轨电机车按牵引电力的来源分为架线式和蓄电池式电机车及即可由架线电网供电又可由蓄电池供电的复式能源电机车三种。其中架线式电机车由于电网导线和受电弓在运行中产生的电火花使架线式电机车只能使用在无瓦斯的煤矿中，而蓄电池由于自带动力而广泛运用在有瓦斯的矿井下，当然也适合于隧道掘进、过江通道等不安装电网的工程中。图中的司机室是电机车司机工作的地方内置司机控制器及机车运行所需的各类仪表、开关、照明等。而司机控制器是电机车司机对提供牵引动力的电动机发出启动、调速、减速、制动、前进后退等指令的控制装置，电动机是为电机车提供驱动力的机械。在小吨位电机车中如1.5t、2.5t少量3t电机车中由一台直流串励电动机提供动力。而在绝大多数电机车中是由2台直流串励电动机提供动力，一般在大吨位的电机车如12t以上的还有一台为提供压缩空气的辅助直流牵引电动机。而在VVVF驱动系统中则是由两台交流异步电动机为电机车提供牵引动力的，目前VVVF驱动系统在整个窄轨电机车牵引技术中所占比例尚不会超过5%，但它却是窄轨工矿电机车技术进步的最大空间。

制动装置是保证电机车安全运行、满足运输要求的必备结构，其手动机械制动系统示意图见如下图2:

图2 制动装置示意图

进行制动操作时顺时钟转动手轮，其丝杆螺母传动付2、3带动横臂4水平移动，与4相连的拉杆机构5带动闸瓦7贴紧车轮6踏面，对车轮施加阻力距使电机车减速直至停止。由于该系统是由人力来操作的，因此要求杠杆机构的设计要使手轮操作力不大于160N力，否则要改用气动操作的制动系统。

由轮对、减速箱联轴器、电动机、托架等组成的走行装置简图如下图3所示：

它能通过减速箱内的齿轮传动机构把电动机的转矩、转速传递到轮对上转为电机车所需的轮周持续力和运行速度，其中的轮对是电机车安全可靠运行的最关键部件。缓冲器安装于电机车的前后端下部位置，内外壳内安装有弹簧和牵引销，用以缓和矿车对电机车的冲击并牵引矿车。其结构见如下图4所示，

图3 电机车走行装置图

图4 电机车缓冲器结构图

缓冲器有如下几项性能指标：

缓冲器行程

缓冲器受到冲击力时，其弹性元件产生的最大变形量称为行程

缓冲器的最大阻抗力

缓冲器受到冲击达到行程时的外冲击力

缓冲器的容量

缓冲器在受到冲击时弹性元件在压缩过程中所作的功称为缓冲器的容量

回弹能量

缓冲器的弹性元件在复原时所放出的能量

能量吸收率

缓冲器弹性元件在受冲击而压缩过程中，其中一部分能量被阻尼消耗，这被消耗的部分能量与缓冲器的容量之比即为能量吸收率

耐久性

缓冲器在使用中保持其容量的能力称为耐久性，它主要取决于弹性元件的性能，温度等因素。

缓冲器的示功图见如下图5所示，

图5 缓冲器的示功图

图中的OAFO面积为缓冲器的容量。阴影面积OAEO为阻尼所消耗的能量。OEFO为缓冲器在冲击外力消失后弹性元件复原时释放出的能量。

撒砂装置也是窄轨电机车可靠运行不可缺少的装置之一，它的作用是在电机车车轮前的轨道面上撒砂，以增大轮、轨之间的粘着系数及摩擦系数加大牵引力。在正常情况下，撒砂对粘着系数的影响见下表1所示：

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架线式电机车和蓄电池电机车由于功能相同，故大部分结构、功能都是相同或相近，但仍有不少不同的地方，如在外形上架线式电机车就有蓄电池机车不具有的受电弓和自动开关等电气配置，而自带电源的蓄电池电机车上的蓄电池却成为区别它们的根本标志见图1中的项9,同时由于井下没有调车场返回时列车变为矿车在前，机车在后的队列，使在司机室开车的司机由于被蓄电池箱的高度挡住了嘹望视线不利安全行车，为此又有了将蓄电池电机车的司机室增加为前后各一个的新车种，以利司机可在往返路程上使用便于他们嘹望的司机室。图1即是有两端司机室的蓄电池电机车的外形图。

三 窄轨电机车传统控制模式

传统的窄轨工矿电机车的控制运行模式除了极少量小吨位蓄电池电机车利用两组电池作串、并联组合来控制电机车的启动、调速运行外，绝大多数是利用如图6方式所示：

这种方法是利用在串励直流电动机电枢绕组内串电阻并在启动过程中不断切去部分电阻并改变两台电机的联接方式的模式来操控电机运行的。图中经济级是指串、并联电路中的电阻全部切完后电机可以长时间运行的级位，而在串、并联回路中电阻尚未全部切除的情况下该级位是不能长时间运行的。对于窄轨电机车在尚有电阻串在电路中的情况下该级运行时间应在8秒钟以下，早期的北京地铁在串有电阻的调车位，只能运行13秒钟时间，该模式可以安全地操纵电机车在井下的各种运输作业的要求，但是该模式有大量的电能消耗在电阻上并且电阻产生的热量还会危及安装在它周围的电气设备的安全。这给安装空间极其狭窄的电机车设计带来很大的困难。同时电阻、电路的不断切除、转换使司机控制器设计复杂体积增大，所需大容量接触器数量均会增加，而这又会造成电路复杂，故障率增高。

图6 双机牵引电机车串并联起动、调速示意图

下面的图7即为运用该种模式控制电机的一个实用电路。

图7 7t调阻车电气原理图

大多数调阻车电气原理，该模式的各种实用电路不管结构如何复杂在进入到最高速运行的电动运行方式和进入到动力制动后的双机交叉桥式连接多为如下面的图8所示，

图8 双机牵引时电机车的电动状态和制动状态示意图

其中的a)图即为切除所有电阻并且双电动机转换成并联状态两电动机施加最高电压运行于最高速的电动运行状态，而b)图上所示为已断开电源电动机连接成稳定电气联系的交叉桥式连接的制动电路，在这个制动电路中的两台电动机在断开电源后仍在电机车继续旋转的状下变成发电机并且由于M1电枢发生的电动势给M2的磁场Q2供电，而M2的电枢给M1的磁场Q1供电M1、M2发出的电能消耗在R1～R4中，并通过调节R1～R4串在电路中阻值的大小调节制动力矩的大小。

四 窄轨电机车的斩波控制模式

由前叙知传统控制模式由于大量电能消耗在电阻上造成能源的大量浪费并且由于电阻分断切除造成电路电流冲击使电机车运行速度波动，于是人们开始采用脉冲开关取代电阻降压来对加在电动机上的电压进行斩波以调节电动机得到电压的大小，从而改变电机车运行速度的高低，目前利用脉冲斩波技术对电动机转速进行控制的技术已经非常成熟，该脉冲斩波控制模式见图9所示，

依据斩波器所采用的电力电子功率器件的不同，目前的斩波控制技术又可分为可控硅斩波技术和IGBT斩波控制技术两种。由于可控硅斩波技术运用更早，技术上更加成熟，现有斩波技术控制系统中使用可控硅电力功率器件又占了大部分，所以下面以可控硅斩波技术为例，对该模式进行分析论述。该模式的实用主原理图和触发控制线路图如下图10、图11所示。

图11 可控硅触发控制电路图

斩波控制模式不管实用电路如何复杂，使用何种类型的电力电子器件其主电路的两台电动机总只作并联连接，这使得司机控制器的设计简化、线路触点大为减少、电路故障率降低、电机车运行可靠性提高。

图10中的主可硅SCR1在启动时若加上脉冲SCR1使接通主电路两并联的电动机得到电压，SCR1若关断，两并联的电动机得不到电压，而要关断SCR1必须设置换流电感L1、换流电容C和副硅SCR2组成关断电路原理如下：

主电路电源E首先通过L1、 D1、L2电机支路及R0、D3支路对C充电成上正下负，触发主硅SCR1使其导通，电动机得到电压而转动，要关断SCR1主硅时则在副硅SCR2上加上触发脉冲，使之导通则C通过副硅及L1放电，放电完毕因L1的电惯性作用使C又反向充电成上负下正此时这个电压对主、副硅而言均为反向电压，这使得副硅、主硅先后关断故由于主硅关断后两并联电动机又失去电压，电源又继续对C充电，重复上述过程并再次关断主硅、副硅作准备。

由上述知控制主硅SCR1导通时间的长短就能改变电动机上得到电压的多少而改变电机的转速进而使电机车的速度高低得到调节，那么怎样控制SCR1导通时间的长短呢？这是通过图11的脉冲触发电路的作用而实现的。由图11可见左边为主振环节和功率放大环节，而右边为副脉冲振荡环节和功率放大环节，为了保证主副脉冲同步，采用了由SCR5、C5和SCR4组成的可控硅双稳态触发电路。当接通电源后，由于C4的充电比C6快，当VC4按指标曲线逐渐上升到单结晶体管BT1的峰点电压Vp时，单结晶体管BT1导通，C4上的电压VC4接近发射极E与第一基极B1向电阻R6放电而在R6上得到一个脉冲电压VB6此脉冲一路去触发SCR3经放大后MB2输出副脉冲经D5去触发副可控硅SCR2，另有一路去触发SCR4，SCR4导通后电源经R9、SCR4对C5充电成“左正右负”使单结晶体管BT1失去电源而停振。

主脉冲G1的发出：在SCR6和MB1构成的放大电路中，R15的阻值较大并使流过R15和SCR6支路的电流小于SCR6的维持电流，所以正常情况下SCR6是断开的，当VC6上的电压上升到单结晶体管BT2的峰点电压Vp时，BT2导通，在电阻R12上产生脉冲电压VB2使SCR6导通，电容C1通过MB1和SCR6放电，当放电电流小于SCR6的维持电流时，SCR6又关闭这使得MB1二次线圈中感应出一个宽脉冲，经二极管D10去触发主可控硅SCR1，当R12产生的脉冲电压VB2使SCR6导通的同时也触发导通了SCR5使SCR4因承受反压而关闭，这使得C5又经SCR5电源和R8反向充电，使得单结晶体管BT1又得工作电压重新起振重新发出副脉冲，使上述过程重新持续工作。

在主电路图中还有一些重要的元件是必不可少的，如二极管D2为续流二极管它所起的作用是当主可控硅SCR1关断后给两台并联的电动机的感应电动势提供一条通路保持电动机电流的连续性使其运转平稳。电阻R0和二极管D3这条支路是为了加快电容C的正向充电速度而设的。而电感L2除了能保证续流可靠外还能延长电容C反向放电的时间，确保SCR1和SCR2可靠关断，斩波器运行平稳、可靠。图中的4条阻容吸收电路R、C00是为主电路中4个大功率器件SCR1、SCR2、D1、D2提供保护作用的。可控硅触发控制电路图11中的电源输入端的电容器C1和稳压管DW1是对电源提供稳压、滤波功能的。

另外用新型元件IGBT作为斩波电路开关器件的斩波系统由于运用时间不长成熟性不如可控硅斩波调速系统，但IGBT斩波系统由于不要L、C元件组成关断回路故使电路得到简化，故IGBT斩波调速系统是很有发展前途的。

五 窄轨电机车的VVVF交流调速控制模式

窄轨电机车由传统的凸轮调阻模式进入到节能的无级调速的可控硅斩波模式无疑是个巨大的进步，调阻模式还是引发瓦斯爆炸的现实隐患，斩波调速方式从根本上消除了这一危险因素。同时无级调速方式使电机车运行速度平稳无冲击改善了司乘人员工作的舒适程度，但从技术的角度来说这样的进步只能说是数量上的变化，而电机车从斩波调速的直流系统到VVVF的交流系统则是真正意义的质的变化是革命性的变化。VVVF是输出电压和频率可变的逆变器的缩写。VVVF交流驱动系统的出现使得原来在牵引系统占有绝对统治地位的直流电机驱动系统在短短的十几年里彻底退出中国地铁、轻轨牵引系统而简单、坚固、耐用的三相交流鼠笼式电动机成了地铁轻轨、干线电机车、动车组首选的牵引动力，从根本上杜绝了直流电动机容易造成环火故障的顽疾，大大提高了列车运行的可靠性，但由于矿山窄轨电机车这个行业的特殊性，选用VVVF交流驱动系统来作为电机车的牵引系统的比例还不高，仍是落后耗能的传统模式电阻调速型电机车占大都数，在2009年对我国生产工矿窄轨机车的中心湘潭初步统计，落后的电阻调速的窄轨机车的产量占80%以上，而斩波调速和VVVF调速的电机车仅为20%左右，而最先进的VVVF所占比例不到1%,近年由于节能、环保、低碳的理念逐步深入人心，这个比例正在发生可喜的变化，创业刚刚十年的湘潭南方机电制造有限公司在2010年生产的窄轨电机车中，电阻调速的传统电机车的比例已较大幅度地降到60%左右，现在该公司正在抓紧对架线式和蓄电池式电机车进行VVVF交流驱动电机车的研制和开发。VVVF交流驱动的主电路图如下图12所示。

图12 VVVF变频调速驱动系统主电路图

这是一个典型的IC2M系统。电机车在正常进入制动运行时，如该网路附近没有电机车吸收其制动能量时则将使支撑电容C1、C2的电压升高，当这个电压高到预定的整定值时电压传感器便会给制动斩波器T7给出信号，触发导通该IGBT管，使支撑电容C1、C2的制动能量通过制动电阻R5发泄掉，从而保护了支撑电容。图中T1～T6即为三相输出逆变器，M1、M2即为三相交流鼠笼式电动机，电路图上部的M3为驱动空压机的直流电动机ZB，为直流变换器,将网压转换成24V的照明灯电压，OF为接通电路的自动开关同时在电机车工作时担负过载、短路保护，DJC为瓦斯断电报警仪。

六 窄轨电机车今后的发展方向

工矿窄轨电机车今后的发展应在以下几个方面：

首要的当然是大力发展斩波调速模式和VVVF调速模式，这显然是符合节能、环保、低碳方向的，而且这个空间目前是很大的，是最有潜力的一个方面。

大力推进标准化、通用化方面的工作，这可从蓄电池的电压等级之多看从这项工作的必要性和重要性，如88V、90V和140V、144V几个电压等级，从生产管理和技术角度看完全没必要作如此细分，另外轨距方面，虽然给出了600mm、762mm、900mm三个标准的轨距，而矿山实际情况还有不少稍大于或稍小于这三种轨矩的情况，这显然给生产管理、使用和维护方面加大了压力。

可以放弃使用锥形踏面，而从新电机车出厂就使用磨耗形踏面以明显减少电机车轮轨的磨损，减少更换车轮镟轮的工作量及其成本、延长寿命、减少轮轨间接触应力，增加电机车抗脱轨保安全及横向运行的平稳性。

除了对于踏面的改进外，对轮箍的材料研究表明：降低钢中碳和锰的含量完善热处理工艺，将其硬度由现在HB240左右提高到HB320～HB340可以减少磨损和疲劳破坏。现行轮箍成分、含量和布氏硬度见表2所示。

表2 轮箍钢构成元素及含量

采用冷光源LED灯，1962年美国通用电气公司HoLonyak博士发明了发光二极管就显示了其巨大的优越性，由于他在常温下就可发光且长期点燃温度不超过50°C无瓦斯爆炸危险，比白炽灯的灯丝在3000°C才发光的效果要好并且LED非常节能，一盏9W的LED灯相当于一盏35W的白炽灯。且LED灯寿命长达5万小时以上，远远超过白炽灯，同时LED灯采用宽电压设计时可直接在网压下工作而不必象现行用灯一样首先要利用直变器将550V或220V的接触网压或其它高电位的蓄电池电压降到24V或12V才能工作这样在见缝插针安装空间狭小的司机室内又可省出可观的空间，由此可见用LED灯代替白炽灯的优点是很多的。

尽最大可能改善司机室的空间，这个问题受制约的因素太多，但供方仍应千方百计不懈努力给在狭小空间的司乘操作人员在长时间的工作中伸伸腰活动活动手脚的方便。

传统理念附带空气制动等操作的电机车应在12t以上，而为了减轻司机的劳动强度，已有在6t电机车安装空气压缩机的实例，由于以人为本观念为大多数人所接受，在小吨位电机车上增加空气压缩系统有可能称为一个发展方向。