一种矿用防爆无轨电动胶轮车设计

李 博，郑伟丽，周会超

（1.郑州城市职业学院，河南 郑州 452370；2.深圳德塔防爆电动汽车有限公司，广东 深圳 318055）

0 引言

防爆无轨胶轮车是一种重要的矿山地下辅助运输设备，它可以极大地提高煤矿运输和生产效率。但是由于现阶段采用的防爆车辆动力源均为柴油机，而柴油燃烧后会产生一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化合物（NOX）和其他颗粒混合物等污染物，故其成为严重影响矿山安全的隐患。随着新能源产业的大力提倡和推广，国内的矿山企业急需一种轻型防爆、能够运输小型机电设备和人员、载重量小、轻便灵活、能耗低、无污染的电动车，替代柴油机防爆车辆下井，降低运行成本，消灭不安全隐患。针对这一问题，我们研制了一种新型矿用防爆无轨电动胶轮车，用于煤矿井下人员和辅助材料以及机电设备的运输，也可用于煤矿安全巡逻和生产指挥。

1 整车结构

该车型是以皮卡汽车结构为基础，通过布置安装防爆电动机、防爆离合器及自动换档装置、防爆湿式制动器、防爆电源装置、防爆电机驱动装置、防爆仪表及监测装置、防爆电气系统、电子安全保护系统、防爆机械传动、4×2后轮驱动、全液压式偏转前轮转向、钢板弹簧悬挂、带差速器驱动桥、前后轮湿式制动，并对车架、驾驶室重新进行设计改造的防爆车辆，适用于有瓦斯和煤（粉）尘爆炸危险的矿井。整车技术参数见表1。

表1 矿用防爆无轨电动胶轮车技术参数

整车由电气控制系统、动力系统、车架系统、悬架系统、转向系统、制动系统、液压系统、车身系统组成，如图1 所示。

1.1 电气控制系统

电气控制系统包括防爆驱动控制装置、本安电路、本安仪表、安全监测保护及行车记录仪等装置。

防爆驱动控制装置结构形式为矿用隔爆型，主要控制驱动电机，控制方式为变频式，电压为230V～360V。

本安电路包括3个本安电源板和1个信号隔离栅板，主要作用是为本安型电气件（如灯具、传感器等）提供电源和隔离大功率大能量器件，以使整车控制线路的电流不足以达到点燃危险气体的级别。

本安仪表为驾驶员提供清晰的行车信号。

安全监测保护系统由防爆传感器、整车检测装置等组成，安全保护采用电子式停车保护模式［1］。当出现以下情况之一时，车辆自行停车，实现安全保护功能：①重要部件温度过高（尤其表面温度超过140°）；②电源装置绝缘值低于设定值；③车体倾斜角度过大；④工作环境的甲烷值超过设定值。

本安型的行车记录仪对安检过程进行实时记录和传输。

图1 整车结构

1.2 动力和传动系统

动力装置主要包括防爆电动汽车高压专用交流驱动变频电机和防爆电源装置（能量源）。其中，电源额定电压为320V，电机额定电压为220V。动力装置具有再生制动功能，在车辆减速或进入坡道时，转变为发电机向电瓶充电，能提高车辆的续航里程。

传动装置包括防爆离合器及自动换档装置、机械变速箱、传动轴及差速驱动桥。按国标［2，3］防爆要求对飞轮壳和离合器中的外壳防爆面、拨叉轴孔及透气散热孔进行了设计。

1.3 车架系统

车架由汽车大梁专用钢材制造而成，并经过局部加强。

1.4 悬架系统

悬架系统包括前、后减震器和板簧，其中板簧为少片式，在重量上比传统的悬架系统减轻了一半。

1.5 转向系统

转向系统包括全液压转向桥、转向器和方向盘等。转向桥为全液压式，转向灵活、省力，提高了车辆在巷道转弯和调头的安全性，增强了驾驶舒适度。

1.6 制动系统

采用安全失效型湿式制动系统，它主要由双管路制动阀、湿式多盘制动器及制动管路组成，系统可保证一个回路失效后，另一个回路仍能正常制动。制动器为全封闭防爆型湿式多盘制动器。整个系统符合防爆要求，制动灵敏、安全可靠。

1.7 液压系统

液压系统包括2.2kW防爆液压马达、液压油箱、蓄能器和相关管路等，此套装置主要为转向和制动提供动力。

1.8 车身系统

车身系统包括驾驶室、真皮座椅和其他一些附件等。

2 电气控制原理

此车辆无启动电锁（钥匙），靠手动断电开关QS1、QS2控制整车电源的通断。整车电气控制原理见图2 。开车前先要拉起手动断电开关以接通整机电路，此时本安仪表A接通并显示，驾驶员需要通过仪表上部的人机界面输入密码后方可启动车辆；开车前确保充电插口XS和充电机断开，否则充电插口内部的连锁装置会切断整车控制线路，防止在充电状态下驾驶员启动车辆而造成事故；在开车前还需放开手刹，否则手刹开关QC1会阻断控制线路，保护带刹车操作而造成的电机D1过载而损坏。在按照要求的步骤顺序执行后，方可启动前进／后退开关并轻踩本安型电子加速器J行驶车辆。正常操作车辆时整机的电子安全保护、监测及行车记录仪系统启动，当重要部件温度过高（尤其表面温度超过140°），或者电源装置E绝缘值低于设定值，或者车体倾斜角度过大，或者工作环境的甲烷值（由甲烷传感器S测量）超过设定值时，本安型传感器发送信号给整机控制器，报警并阻断控制线路强制停车。此外，当线路发生其他电气部件故障时，控制器也发送故障信号给驾驶员并直接强行停车。

图2 整车电气控制原理图

3 技术特点

3.1 高驱动性能

通过合理设计整车的结构和参数，优化系统动力特性与整车动力需求的匹配，提高车辆的高效驱动性能，能极大提高有限能量下的整车驱动效率。

此矿用电动汽车采用防爆电机作为驱动装置，电机额定功率为11kW、额定电压为220V、额定电流为32A，电机最高转速为3 800r／min，电机过载系数为2.25，电机选择峰值转矩余量为2%；电控参数为容量20kVA、额定电压320V、额定电流31.25A；电源装置参数为电源电压320V、电源容量100AH、电池总能量25 600kWh。遵循国标中电动汽车动力性能及试验方法［4］对该车进行转矩测试试验和电机效率性能试验，以验证车辆的驱动性能是否符合要求。动力特性测试时整车的设计参数见表2，试验得到的该车的动力特性曲线如图3 和图4 所示。

通过图3 可以看到，当转速在500r／min～2 300 r／min之间转矩非常平稳，这就保证了车辆行驶和爬坡时候的优越性能；通过图4 可以看出，在正常工况下，即转速在1 800r／min～3 500r／min时，电机输出效率始终保持在90%及以上，有效提高了整车的驱动效率。

表2 矿用防爆无轨电动胶轮车动力特性试验参数

图3 车辆转矩测试曲线

图4 车辆电机效率测试曲线

输出效率是体现车辆最重要性能指标续驶里程能否达标的关键因素。矿用电动汽车一次充电的续驶里程s（km）的计算公式为：

其中：w为电池总能量，kWh；η为整车的输出效率；p为电动汽车消耗功率。

从式（1）可以看出，提高整车的输出效率η就能增大电动汽车的续驶里程。而图4 试验结果表明该车的输出效率在正常工况下始终保持在90%及以上，为提高续驶里程提供了保证。然后在正常工况下让车辆满载，通过多次车辆续驶里程测试，该车的续驶里程均达到117km以上。

3.2 纯机械式自动换档防爆离合和传动集成技术

本车采用安全型的纯机械式自动换档防爆离合和传动集成技术。由于防爆车辆的特殊性，不可能采用电子控制方式的自动换档，必须采用防爆式；另外，变速箱不能采用液力变速箱，其效率低，不适用于电动类车辆。为此，我们自主研发了一种防爆自动离合变速装置，采用防爆离合器和3个前进档位，倒车和一档共用，飞轮和机械换档装置（不带电子装置）在车速25 km／h和15km／h的临界点自动切换至相应的高低速档位上。

4 结语

此矿用防爆电动无轨胶轮车的研制成功为无轨辅助运输设备增添了新的品种，发挥了轻型防爆胶轮车机动灵活、运行成本低、节能低碳环保和防爆性能好的优点。该车是根据电动汽车的标准和特性创新开发的一种用于煤矿井下的新型防爆车，其相关技术均通过了国家煤安和防爆认证。目前，该车已通过严格的测试和检验，并投入生产，客户订单量大，运行状况很好。

［1］煤炭科学研究总院常州自动化研究所.MT209－90－1990煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用技术要求［S］.北京：煤炭工业出版社，2007：238-251.

［2］南阳防爆电气研究所，煤炭科学研究总院抚顺分院.GB3836.2－2010，爆炸性环境 第2部分：由隔爆外壳“d”保护的设备［S］.北京：中国标准出版社，2011：1-56.

［3］南阳防爆电气研究所.GB3836.3－2010爆炸性环境 第3部分：由增安型“e”保护的设备［S］.北京：中国标准出版社，2011：1-60.

［4］中国汽车技术研究中心.GB／T 18358－2005电动汽车动力性能 试验方法［S］.北京：中国标准出版社，2005：1-14.