矿用电机车能耗制动的研究与应用

董永智，王新刚，杨建兴

（招金矿业股份有限公司蚕庄金矿，山东 烟台 265400）

1 背景

非煤矿山架线电机车和电瓶式电机车（以下统称电机车）的使用已经全面普及，矿山井下使用电机车运输具有效运载能力大、运输效率高的优点。随着矿山企业生产规模的不断增加，电机车的安全运行，不仅事关生产高效有序进行，更成为事关安全的重中之重，这其中的电机车制动系统就成为保障其安全运行的最后一道屏障。井下特殊的生产现场导致电机车工作条件一般较差，且启动频繁，带来的直接问题就是制动频繁，易损坏。根据GB16423《金属非金属矿山安全规程》6.3.1.12“对电机车制动的要求列车制动距离：运送人员应不超过20m，运送物料应不超过40m；14t以上的大型机车(或双机)牵引运输，应根据运输条件予以确定，但应不超过80m”。3t以上电机车普遍配备有压缩空气制动，能够满足规程要求。而3t以下电机车普遍采用机械制动，在恶劣工况和频繁动作下，很容易损坏[1]。因此，亟需对3t及以下电机车的制动系统进行改进，以确保安全生产。

2 现状

当前电机车制动方式基本采用机械制动。按照动力源不同又分为手动、液压、气动等不同方式。

（1）手动制动。手动制动方式又分为工作制动和驻车制动。①手动工作制动一般应用于2t以下电机车，该制动方式简单、制动力矩能迅速作用于减速机。②驻车制动一般应用于3t及以上电机车，采用螺杆闭锁制动方式。具有制动力矩大，能可靠自锁的优点，但是其制衔铁与轮面直接接触制动，制动效果会因轮面污损而打折；螺杆传动其固有特性导致其操作时间长，不能够满足制动要求的及时性。

（2）液压制动。该制动方式原理上可以安装于任何类型电机车上，且其具有制动力矩大，制动反应时间短的优点。但是其安装和维护成本高；且因矿山井下环境所限，该装置使用寿命较短，并不适于井下使用。

（3）气动制动.7t以上电机车基本使用启动制动作为工作制动，该制动方式反应时间短，能迅速产生制动力矩。但其最大的不足是需要外部压缩气体提供制动力矩，投资大、占用电机车空间大，因此并不适用3t及以下电机车。这里不再赘述。

综上所述，眼下使用较普遍的机械制动均存在寿命、响应时间、成本、制动力矩不足等问题。在实际生产运输中，机械制动系统因可靠性无法满足需求，操作人员为做到迅速制动，便使用倒拉反接制动，来达到迅速减速的目的。显而易见，反接倒拉制动会在电动机上迅速建立一个反向制动力矩，但是该种制动方式会突然增加电动机的运转电流，轻则冲击减速机构，造成机械部件损坏，重则烧坏线路、顶掉外部电源，失去制动力，造成跑车等严重事故[2]。

3 设计思路

面对机械制动存在的诸多问题，我们须转变思路，向电气系统的改进升级寻求突破。

3.1 电气工作原理

当前，无论何种吨位的矿用电机车，均使用直流串励电动机。因为直流相比交流电源更容易在井下特殊环境中使用，外部辅助供电设施易于扩展安装，电机车上不需要增加繁杂的受电电缆等器件。

串励电机的转矩的瞬时表达式为：

式中：T——转矩瞬时值；Ct——转矩常数；Φm——每极磁通峰值；Im——电流峰值；θ——磁通滞后电流的角度。

单相交流串励电机的机械特性：单相串励电机的转矩是随时间变化的，即每一瞬间的转矩大小是不同的，这和直流的电动机转矩的平稳性存在明显的差别，输出转矩实际上是平均值。电动机在磁路未饱和时，因磁通大小和励磁电流大小成正比，故转矩和电流的二次方成正比；当电动机的磁路饱和时，电流的变化对磁通的影响很小，故转矩近似按照电流的变化而变化。启动转矩大，不容易堵转，这是这类电动机的可贵优点，适用于启动比较困难的场合。

3.2 电气制动改进原理

对于串励电动机，若不考虑剩磁，只有n趋于无穷大时，才能出现Ea=U，要使Ea＞U，显然无法实现。虽然电机中存在少量的剩磁，但要使Ea＞U，转速将高达不能允许的数值，故串励电动机不存在回馈制动状态。串励电动机只有反接制动和能耗制动两种制动方法，其工作状态下面分别进行分析。

（1）反接制动。串励电动机进行电压反接制动时，不是将电源电压反接，因为这样将会造成Ia和If同时改变方向，电磁转矩方向不变，起不到制动作用。因此，只能将电枢两端反接，而励磁绕组的接法不变，如图（a）所示。为了限制过大的制动电流，还应串入制动电阻RB。其机械特性如图（b）中曲线BC所示。图中A点是正向电动工作点，B点是制动起始点，减速时，工作点由B点沿特性曲线向C点移动，到达C点时，转速为零。若要停车，应断开电源，否则电动机将反向起动并加速到D点，在D点处于反向电动运行。应用于矿山井下现场，这就是前文叙述的在电机车机械刹车失灵时驾驶人员的“直接反转”操作。从其制动曲线图上可以看出当电机车工作高速运行，需要制动时，电动机工作点从A点转移到B点，由串励电动机瞬时转矩公式可以得出，此时电动机会产生很大的制动力矩。对电机车机械传动部件将会造成严重损伤。同时破坏直流电源回路，造成电气回路烧坏，机车失速等恶性事故。因此，该制动方式并不能用于矿井电机车。

（2）能耗制动。串励电动机的能耗制动分为他励式和自励式两种。而他励制动因结构复杂，也不适用于矿井使用，故不赘述。

图1 串励直流电动机反接制动机械特性

自励式能耗制动时，电枢回路脱离电源后，通过制动电阻形成闭路，但为了实现制动，必须同时改接串励绕组，以保证励磁电流的方向不变，如图1—55（a）所示。自励式能耗制动时的机械特性如图（b）中曲线BO所示。由图可见，自励式能耗制动开始制动转矩较大，随着转速下降，电枢电动势和电流也下降，同时磁通也减小，从公式Tem=CTΦIa可见，制动转矩下降很快，制动效果变弱，所以制动时间较长且制动不平稳。由于这种制动方式不需要电源，因此主要用于事故停车。

图2 能耗制动原理与力矩图

4 理论总结

结合前文分析得出的观点主要有亮点：①矿井3t及以下电机车采用机械制动方式并不能完全满足日常安全生产的需求。②采用直接反接制动方式会严重损坏电机车的电气和机械结构，降低电机车的使用寿命。③串励直流电动机的反接能耗制动是可行的，并且其制动转矩曲线与电动机重载启动时只有矢量方向的差别，并无大小区别，也就是对电气和电机车机械结构无任何额外冲击，完全工作在设计转矩内。④从前文图4可以发现，随着电动机转速下降，其制动转矩也将呈快速下降趋势，因此在制动末端，需要机械制动方式进行零速制动，做到完全停车。

5 现场应用

根据理论支持，在招金矿业股份有限公司蚕庄金矿265矿井井下对现场电机车进行线路调整，增加一只双刀双掷开关（只做原理验证用），将电源主回路接入双刀双掷开关中位。开关A端出线接入原电机车电源回路，开关B端短接。电机车正常行驶时，开关打到A位。需制动时，司机将方向和档位扳手归零，双刀双掷开关打到B位置。司机操作方向扳手反向，同时操作档位扳手调整不同档位，便可以获得不同力矩的制动力。电机车便可以按照需要的减速度行驶。

以下为改造后的电路图（图示为电瓶车，架线式电机车改造原理与其相同）。

图3 机电电路改进原理

表1 制动试验数据（现场路况、车况不同，数据只做参考用）

6 总结

能耗制动方式对于在矿山井下的3t及以下只依靠机械制动的电机车来说是一个改善制动系统运行条件，在配备机械制动的前提下，可以对电路进行简单改造，就能满足能耗制动的要求。在机车运行时使用能耗制动，可以大幅减少机械刹车的维护成本和使用寿命，同时为电机车运行提供了完备的事故刹车方案，即使无机械制动，无外部电源都可以实现自身制动。这将极大提高电机车的安全性能，为矿山安全生产提供坚实保障。