矿用蓄电池铲板式支架搬运车设计*

2020-08-28丁仁政

煤矿机电 2020年4期

丁仁政

(中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西太原 030006)

0 引言

蓄电池铲板式支架搬运车以防爆特殊型大容量铅酸蓄电池为动力源，是一种零排放、承载能力大、灵活机动性强的铲板式搬运车，也是综采工作面搬家倒面的主要运输设备。它的主要用途是将支架拖拽或摆放到工作面，也可作为长距离运输重物的主要设备，包括联合搬运采煤机、刮板机、皮带机机头、破碎机、移变、泵站等大件设备[1]。

为了提高蓄电池铲板式支架搬运车的运行可靠性，本文针对WX35J支架搬运车的设计，对整车质量分配、交流变频调速、双电动机同步控制、主要结构件受力、CAN总线控制等进行了研究。

1 整车结构和参数

WX35J支架搬运车的最大承载能力为35 t，适应巷道断面(宽×高)3.8 m×1.9 m，主要结构特点是三段机架铰接式，电力机械传动，4×4前后轮驱动，液压油缸转向。整车总体布置如图1。

1-铲板;2-前机架;3-中机架;4-后机架;5-蓄电池托架;6-轮胎;7-举升油缸;8-倾翻油缸;9-转向油缸;10-蓄电池;11-液压绞车。

机架采用前、中、后三段两处铰接结构，中、后机架采用回转轴承铰接。由于该车载荷大且集中于车辆前端，前、中机架连接部受力很大，所以将前、中机架作为装载系统整体，仅实现车辆转向。中、后机架连接处摆动设计的优点在于既可以保证车辆在路面条件较差时能够平稳行驶，在突遇障碍物时避免侧翻，又可以使驱动桥保持良好的对地牵引力。车辆采用双举升油缸和双倾翻油缸，可实现整车的搬运功能；具有一部160 kN牵引能力的液压绞车，用来拖动重物；采用NO-SPIN防滑自锁差速器的重型驱动桥，承载能力大；车上使用弹簧制动液压释放的安全型轮边制动器，保证车辆行驶安全；配备独立驾驶室，可以双向驾驶，方便井下作业使用；车辆配备运行故障诊断、实时监测显示系统，对车辆的运行状况实时监测，对故障进行及时报警和紧急停机，为车辆维护、检修提供依据。落地式电池更换系统能够快速完成电池更换。主要技术参数见表1。

表1 主要技术参数表

2 设计技术研究

2.1 整车质量控制和局部配重分配

WX35铲板式搬运车的载重位于整车前端的铲板部位，且与车辆自重接近，造成车辆在空载和满载时重心位置变化很大。为了保证整车在满载时的运行稳定性，蓄电池布置在车辆尾部作为配重。若蓄电池质量太大，对中央铰接机构连接强度的要求也大大提高，这必然会增加中央铰接部件的外形尺寸及材料制造成本，且整车电量消耗及轮胎磨损等情况势必增加，整车经济性下降；而蓄电池质量过小，既无法保证车辆的续航能力，又不能保证整车满载时的运行稳定性，降低整车运载能力。因此,整车布局在计算力学平衡的同时，也需要考虑蓄电池质量对整车稳定性的影响，以及重载工况对机架结构各连接处可靠性的影响。这些都是影响整车井下巷道适应性的重要因素。

根据整车载荷需求和以上各因素综合分析，在保证车辆续航能力的前提下，保证了足够的车辆配重及整车运行稳定性,同时不影响车辆外观和尺寸。整车质量控制与分配如图2所示。

图2 质量控制与分配

2.2 牵引逆变交流变频调速技术

本车辆采用矿用交流变频调速系统，充分利用变频调速系统较宽的调速范围和交流电动机免维护的优点，采用双55 kW变频感应电动机和防爆低压大转矩DC/AC牵引逆变器，控制策略是闭环转矩矢量控制方式[2]。重点进行了矢量控制理论及算法研究、逆变器外形布局设计、控制器硬件设计、软件算法研究[3]。在以DSP2812为核心的逆变器设计上，实现了速度闭环的感应电动机矢量控制系统，并对空载、负载、过载、堵转等控制性能进行了试验分析，如图3所示。

图3 变频调速试验

试验结果表明：

1) 起动性能方面,电动机在577 A下起动转矩927 N·m(2.6倍额定转矩)，符合车辆牵引最大起动转矩要求。

2) 过载能力方面，电动机在0～50 Hz均能达到805 N·m，但是持续时间应符合矿用变频过载持续时间标准(电动机热态过载，保护时间<60 s)。

3) 最高转速方面，交流逆变器输出频率能到90 Hz，但是带负载能力将变差，电流波形质量变差，同时IGBT温升将加快[4]。

矿用重型车辆电池电压都较低，目前车用的蓄电池电压等级有128 V、252 V和264 V，而牵引总功率均很大(至少在130 kW以上)，造成牵引电动机电流过大。在封闭的防爆箱体中，大功率逆变器IGBT组件对钢板的热传导较差，散热问题突出。通过将逆变器散热铝板通过导热硅脂紧贴电控箱后背板，后背板增加水道，注入一定量的非循环水等措施[5]，保证IGBT大电流输出时逆变器散热良好。经试验，电动机温升63 K，电控箱最高温度69 ℃，符合1 h工作制，满足车辆牵引要求。

2.3 双电动机同步控制

车辆采用双电动机单独驱动前后桥，运行时前后电动机不同步、前后轮胎因承载带来的滚动半径差异，会产生寄生功率[6-7]，引起功率损失，致使车载蓄电池的能量得不到高效利用。寄生功率的存在还会引起整车传动系零件受力不均和冲击过载，使轮胎因拖滑而加速磨损，降低了传动系的效率及整车效率。因此,研究双牵引电动机驱动系统的同步控制非常有必要。可以采取以下措施减小寄生功率：

1) 在整车结构设计中，无法避免前后载荷不同所带来的影响。可以根据承载情况，研究承载力和压缩量的关系，选择半径相同、承载性能不同的前后轮胎，尽可能保证运行时前后轮胎半径的差值，减小寄生功率值。

2) 车辆运行过程中前后桥载荷分配不一致，又要保证前后电动机的转速一致。通过采集车辆运行时反馈的转速和扭矩等参数，由相应控制算法对电动机控制器发出控制指令，调节前后电动机的输出扭矩[8-9]。

2.4 关键结构件强度

铲板提升架主体由16Mn材料焊接而成。为保证铲板提升架所受载荷的准确性，建立和优化整车三维实体模型，利用ADAMS分析软件施加边界条件并进行动力学分析[10]。提取了铲板提升架的动态载荷，这样铲板提升架所受的惯性力等动态特征载荷均被包含在内，从而很大程度上提高了铲板提升架受力的准确性。

根据提取到的动态载荷，对提升架进行了强度分析,如图4所示。该处应力最大值为122.6 MPa，材料屈服极限为345 MPa，可以满足提升架安全使用要求。

叉子选用材料30CrMo。结合整车动力学分析结果及专家经验，叉子折弯部位拐角处为最危险部位，强度分析如图5所示。该处应力最大值为434.4 MPa,材料屈服极限为785 MPa，可以满足叉子的安全使用要求。

2.5 基于现场总线的整车控制技术

CAN(Controller Area Network)是控制器局域网的简称，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。近年来，由于其所具有的高可靠性和良好的错误检测能力被广泛应用于汽车计算机控制系统。由于其具备数据传输速度高、抗干扰能力强(差分数据线)及自我诊断能力(错误侦测)等方面的优势，在WX35J支架搬运车上进行了应用。通过CAN总线将整车中的主控模块和显示器连接，将整车的行走电动机电流、油泵电动机电流、电动机故障、蓄电池电压、已用电量等信息实现可靠共享，并且还可以通过CAN总线修改整车控制器的参数，减少了整车线束数量，提高了整车的可靠性和安全性。

图4 铲板提升架受力分析

图5 叉子受力分析

3 应用

WX35J支架搬运车电池电压DC264V，容量为935 A·h，电池电量达到246.84 kWh，比进口的VT636蓄电池支架搬运车电量158.72 kWh增加了55%。分别在神东煤炭公司石圪台煤矿、乌兰木伦煤矿、补连塔煤矿和锦界煤矿等进行了设备运输作业，共搬运液压支架、采煤机摇臂、转载机机头、自移机尾等设备达120余件，质量达800余t，运行300余km。其速度与牵引力性能均优于进口同类机型，平路满载续航里程能达到37～40 km，比VT636蓄电池支架搬运车多8～10 km，使用情况良好。