190吨矿用交流电动轮自卸车电阻制动装置

孙博

摘  要：文章主要阐述了190吨矿用交流电动轮自卸车交流牵引电传动系统中电阻制动装置的技术特点、结构及工作原理，以及制动性能、主要部件参数、选型的设计计算。

关键词：电动轮自卸车;电阻制动;散热计算;制动原理

中图分类号：U469.4        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）16-0001-04

Abstract： This paper mainly expounds the technical characteristics， structure and working principle of the resistance braking device in the AC traction electric drive system of 190ton mine-used AC motor dump truck， as well as the design and calculation of braking performance， main component parameters and type selection.

Keywords： motor dump truck; resistance braking; heat dissipation calculation; braking principle

1 概述

在我國大型露天矿山、大型水电工程日益优化生产与快速建设发展的今天，重型电动轮自卸车以其高运行效率、大运载量、经济效益好而成为其理想的运载工具。我国从上世纪70年代中期开始引进使用国外电动轮自卸车，经过40多年的不断推进，我国重型电动轮自卸车生产的历程经历了引进、合作生产、国有化生产、自主化研发制作这四个阶段。

重型电动轮自卸车制动结构采用液压制动和电阻制动相结合的方式，简称电液制动。电液制动是提高重型电动轮自卸车运营经济效益、保障运营安全上的一大助力。由于电阻制动本身无机械磨损情况，在电阻制动的作用下，车辆降至低速（一般为5公里/小时以下）才使用液压制动停车。因而有效的减轻液压制动的负担，延长液压制动工作机构的使用寿命。通常在整车运营成本中轮胎的消耗占第二位，先进可靠的电阻制动系统，在提高车辆行驶安全性的同时，最大程度的减轻轮胎在制动时所受损伤，从而大幅度降低了运营成本。

2 电阻制动系统

2.1 电阻制动总体

电动轮自卸车电阻制动采用动力制动方式，主要起车辆减速作用，特别是用于有效控制重载下坡时车辆的速度。其原理是司机踩下动力制动踏板，相关接触器和继电器按设定逻辑进行转换。此时，牵引电动机在车辆惯性的作用下处于发电机运行状态，其产生的电能经由母线导入电阻制动线路中，通过制动电阻栅转换成热能消散在大气中。

制动电阻栅的冷却方式有两种：即自然通风冷却和强迫通风冷却。而强迫通风冷却使用的通风机采用轴流式风机，其风机电机为串励直流电机。风机能源来自电制动所产生的电能，而整套牵引电传动系统采用直流系统悬浮隔离设计（风机电机正负无需接地）。即根据线路连接技术要求将风机电机正极（+）固定在电阻单元线路输入端“1”，风机电机负极（-）固定在电阻单元线路输出端“2”，这样通风机的通风量随电制动功率变化而变化，从而保证制动电阻栅不会因制动功率过大而烧毁。系统原理简图见图1。

2.1.1 控制方面

2.1.2 散热方面

通风机根据不同制动工况下所产生的电能经由微机控制IGBT占空比大小，来控制加载在通风机两端的电压：

（1）当加载风机两端的电压小于风机启动电压，此时制动电阻为自散热。

（2）当加载风机两端的电压大于风机启动电压时，风机随加载电压逐步变化而提供不同转速的风量与风压，此时制动电阻为强迫风冷散热。

2.1.3 制动特性

制动功率的确定需要综合现场实际路况与环境、用户的使用需求以及电机性能，尤为注意制动转矩的确定。制动特性曲线见图2。

2.2 电阻制动控制

在电阻制动工况下，柴油机保持高怠速运行。主发电机通过中间直流环节和逆变器给异步电机提供预励磁电压，当电动机在预励磁电压下开始工作，则中间直流电压依靠牵引电机制动时反馈的能量迅速达到最大电压，此时柴油机和主发电机不再向中间直流环节和制动电阻提供能量。异步电机的定子频率小于转子频率，处于发电工作状态下，汽车位于制动工况。

电阻制动工况分为3个区域：恒压非恒功制动区、恒制动功率区和降制动力区。

2.3 电阻制动装置

电阻制动装置是电传动系统中重要组成部分，工作稳定与可靠将直接影响整车的安全行驶，而电阻制动装置设计涉及传热学、空气动力学、电机学等多个学科。随着装载吨位的不断提升，电阻制动装置的功率随之增大，受车体平台结构尺寸的限制，要求电阻制动装置尽可能紧凑、高效和耐高温。既要求有足够的散热风量、风压提供给电阻栅，又要满足制动功率能耗要求，由此给电阻制动装置设计提出了较高的要求。

电阻制动装置由柜体、风机、导流风道、电阻单元及连接铜排组成，电阻制动装置见图4。冷却空气经由风机加压后以一定速度经过导流风道送入电阻柜内，冷却空气在电阻柜内通过热交换吸收高温电阻带散发的热量，再经电阻柜另一侧百叶窗排入大气。

1.柜体结构;2.散热风机;3.导流风道;

4.电阻单元;5.连接铜排

3 参数计算

3.1 电阻功率

电阻带在发热状态其各部位的发热温度实际不是均匀分布的。受电阻带体本身结构形状影响，各部位截面积流过电流密度的大小有差异，电阻带各部位温升不同;同时各部位在风道截面中分布的位置不同，及各部位通风效果也有差异;并且靠近风机侧与远离风机侧电阻带通过的冷却风温度也有变化，再加上热能传导与外界实际情况的不确定性。

为方便整体分析故做简化处理，将整个电阻单元看做发热均匀的整体，其表面温度均匀分布没有温差。而电阻单元实际功能则在制动工况时将牵引电机制动过程产生的能量全部转化成热能消耗掉，此时电阻单元两端加载电压就是牵引端压U。为确保汽车在任何情况下的制动效果，电阻单元能承载的功率为最大制动功率，即牵引制动时产生的最大端电压U与最大母线电流I。

由上可以得到电阻单元所要承载的最大功率P，根据热量守恒定律，电阻单元所产生的热能Q以功率P的形式呈现。

3.2 电阻材质

电阻带材质的性能是电阻制动装置能否稳定高效持久工作的依靠，首先材质在高温使用环境下必须具备其抗氧化性和耐热性，因此才能拥有较高的使用寿命和使用温度;其次材质需要具备电阻系数高、电阻稳定性长和电阻温度系数小的特点;再次材质需要具备一定的耐高温强度，以保证在高温环境下带体不变形和断裂;最后材质需要具备良好的加工特性。一般电阻带材质选用Ni-Cr和Fe-Cr-AI系列合金带。性能见表1。

从表1中两者都能满足材质性能要求，但综合来看Ni-Cr材质加工性能好、高温强度高、高温振动及恶劣工况环境下更为可靠。考虑到重型电动轮自卸车的运行环境比较恶劣所以材质选用Ni-Cr，由此可根据材料性能确定电阻单元最高工作温升K，并得出风道进出风口温升ΔT。

3.3 风量与阻力

3.3.1 风量计算

3.3.2 风道空气阻力

（1）导流风道风阻

通风机出风口截面为圆形，电阻单元进风口截面为矩形。两者形状尺寸差异过大，如直接将其对接会有较大突然扩张损失引起流场的不均匀产生大量风阻，因此在通风机与电阻单元之间增加导流风道，以使风道平缓地完成从圆到矩形的延展趋势。导流风道由圆形进风口、矩形出风口、导流锥、间隔板和导风板组成。导流风道三维模型见图5。

3.4.3 风机工作点

风机的流量Q与其所产生的压头P之间，保持一定的关系，据此所绘制的曲线，称为风机的Q-P特性曲线。风机总是与风道连接在一起工作的，当负荷变化时，风流量相应变化，风道的流动阻力ΔP也随之变化，根据它们之间的变化关系所绘制的曲线，称管道的Q-ΔP特性曲线。

风机在工作時，它所能产生的压头，恰好等于该管道系统输送相同流量气体所消耗的总压头（即管道总流动阻力），它们在供求关系上处于平衡状态。因此，风机的Q-P特性曲线与管道系统的Q-ΔP特性曲线的交点A即为风机的工作点，见图8。工作点A的位置，决定了风机工作状态下的一切参数。

4 柜体结构

受车体平台空间限制，电阻柜外型既要紧凑又要满足柜体内部安装空间及连线操作空间的要求。为此设计时放弃常用的型材结构组焊，改用钢板冲压成型组焊结构。既能减少型材结构带来的空间干涉，增加内部紧凑度，减少外型尺寸;又能保留结构整体强度，满足柜体抗冲击性能;同时结构各折弯处配合柜体底面排水口形成良好的雨、污水导流通道，确保在恶劣环境下柜体内部无积水，保证制动电阻装置长期稳定高效的运行。柜体内部结构见图9。

5 制动电阻装置整体参数

制动电阻装置设计参数满足190吨矿用交流电动轮自卸车牵引电传动系统交流异步牵引电动机制动工况时制动特性，具体制动电阻装置定额及电气数据见表2。

6 结束语

（1）电阻制动为确保电动轮自卸车电传动系统的可靠性起到重要作用，在设计时需要充分考虑用户使用现场的路况与环境，来合理确定制动参数与结构强度，使电阻制动装置能在恶劣的使用环境下保持稳定可靠的工作。

（2）上述计算内容对电动轮自卸车电阻制动装置的设计起到一定指导意义。由于电阻单元排列密集内部结构复杂，需要合理设计相关结构使内部阻力系数控制在合理范围。

参考文献：

[1]刘严，石建成，邬航东.制动电阻通风及温升计算讨论[J].电力机车技术，2002.

[2]吴志东.强迫风冷式制动电阻装置风机设计探讨[J].内燃机车，2010.

[3]张云.大型电动轮自卸车的控制系统设计与研究[D].湖南：湖南大学，2006.