井下电机车牵引力的影响因素分析

贾金梁

（阳煤集团五矿，山西阳泉 045000）

0 引言

井下电机车在煤矿井下运输中发挥着重要的作用，井下电机车具有牵引力较大、便于维护、性能稳定、节能环保等特点。它主要应用于沿轨道牵引矿车输送煤炭、物资或人员方面。井下电机车最佳状态是电动机牵引力等于黏着牵引力[1]，但在运行过程中二者不能很好地匹配。因此，合理优化牵引力的大小、增大矿车的容积，简化井下运输系统，有利于提高运输效率及安全生产。

1 井下电机车牵引力产生原理及影响因素

1.1 井下电机车牵引力产生原理

图1为电机车驱动轮受力分析图，图1中WZ为电机车的运行阻力，是电机车静阻力与惯性阻力的合力；点O为轮对和轨道的接触点，点O的线速度为0；P0为电机车自身重力在单个主动轮对上的平均分力；它的方向通过轮对的回转中心C及接触点O；N0为轨道对轮对的法向支反力，它作用在点O，方向通过轮对的回转中心C与P0在一条直线上；F0为摩擦力，方向与电机车运行方向相同，与轨道面相切，使机车往前行走。M为电动机扭矩经传动系统传递到轮对上的实际转矩[2]。电机车产生的最大牵引力。

图1 电机车驱动轮受力分析

表1 提高黏着系数的方法

其中：Pn为电机车黏着重力，N；

ϕ为黏着系数。

1.2 牵引力影响因素

由式（1）可以看出，在同样的电动机功率与运行速度下，影响电机车牵引力大小的因素包括两个方面：电机车黏着重力与黏着系数。每种型号的电机车都能产生理论最大牵引力，但最大牵引力的大小与黏着牵引力要相等，这是车轮不打滑的前提条件：当电动机牵引力大于黏着牵引力时，车轮就会打滑，电机车将无法移动。同样车轮压力时，黏着牵引力与黏着系数成正比；同样黏着系数时，黏着牵引力电机车对车轮压力成正比[3]。

2 增加电机车牵引力的措施

2.1 提高黏着系数

黏着系数从理论计算是电机车不打滑时的最大牵引力除以电机车粘着重量得到的值。但由于车轮与轨道的材料不同、接触面的磨损程度、轨道的安装误差、接触面潮湿层度、表面清理情况及机车的运行速度的影响，实际黏着系数是个变化的值，它的大小介于静摩擦因数与滑动摩擦因数的值之间。提高黏着系数的方法如表1所示。

2.2 提高黏着重量

在电机车电动机输出的牵引力一定时，需要充分结合电机车的黏着条件（电动机牵引力与黏着牵引力相等），避免出现打滑现象，才能使电机车获得较大牵引力，充分发挥电机车的运行效率。当车轮与轨道间黏着系数一定时，电机车的牵引力就与电机车对车轮的压力成正比[4]。

（1）增加电机车对车轮的压力最简单的方法是增加电机车的总重，提高电机车分配在主动轮上的黏着重量，这是增加电机车牵引力最直接的方法。通过增加电机车质量，以增加驱动车轮队地面轨道的正压力，在黏着系数一定的情况下，可有效提高地面摩擦力。常用的方法是现场增加合理的增配，配重块的质量要充分结合机车结构强度、电动机功率、电机车负载、实际运行速度、轨道承载公斤数等因素[5]。

（2）采用前后轮同时驱动，增加主动轮对的数量。使机车主动轮的黏着重量等于电机车全部重量。

2.3 优化电机车结构提高牵引力

2.3.1 车厢受力分析

一般情况下电机车前后车轮都是主动车轮，这样便于双向行驶。在静止状态下电机车前后车轮对轨道的压力相等，其电机车受力示意图如图2所示。点O为机车重心，假设电机车以速度v向左匀速运行，电机车的右方牵引矿车，由力矩平衡原理可得到[6]：

其中：N1、N2分别为轨道对前后车轮支承力，N；F为车钩牵引力，N；G为电机车重力，N；H为电机车车钩离地高度，m；L为轴距。

解式（2）、（3）可得：

图2 电机车受力示意图

静止情况下，电机车两车轮受到电机车车身的分压力相等。当电机车牵引矿车运行时，由式（4）、（5）可以看出：由于车钩牵引力F的存在，电机车对前后车轮压力会发生改变。前车轮压力受车钩牵引力F产生的倾翻力矩的影响会减小；同理，F产生的倾翻力矩会使后车轮压力增大。前车轮压力减小，直接导致电机车前车轮黏着重力减少。当前车轮的黏着牵引力小于前轮最大牵引力时，前车轮首先打滑，电机车整机牵引力降低[7]。

2.3.2 结构优化方案

由式（4）、（5）可以看出，电机车在运行过程中对两车轮压力是不相等的，这个现象会造成整机黏着牵引力下降，车钩牵引力F的大小一般和矿车的结构和负载情况有关，这两个参数不好改变。轴距L和主轨道弯矩有密切的关系，要符合转弯要求，一般是规定值[8]。

（1）降低牵引高度H

降低牵引高度H越大，同样的车钩牵引力F所产生的倾翻力矩就越大，运行时对前车轮压力的减弱就越大。因此，在满足使用条件的情况下应尽量降低车钩距地面高度H。有利于较少车钩牵引力F引起的倾翻力矩，近而降低其对车轮压力的影响[9]。

（2）调节电机车重心

在电机车上另外加一套自动配重装置，按电机车行驶方向利用电机及丝杆传动来驱动配重块的位置。补偿车轮压力的降低。由式⑷、⑸可以看出，电机车向前运行时自动配重装置驱动配重块向前移动；电机车向后运行时自动配重装置驱动配重块向后移动，通过重心的移动附使前后车轮压力相等。

3 结语

井下电机车在煤矿物资运输中发挥着重要的作用，有效地发挥电机车牵引力对提高煤矿井下运输效率有重要的意义。本文作者分析了特定功率下影响电机车的牵引力的主要因素，并归纳总结了提高黏着系数及电机车黏着重量的各种方法及优缺点，最后提出电机车结构方面的优化思路。包括降低牵引钩高度及增加自动配重装置。为提高电机车牵引力，降低能耗提供参考。