基于退役装甲车再制造的电动应急救援车辆动力系统设计研究*

张成玉，安 璐，范 艳，徐 潺，刘 成

(1.贵州省机电研究设计院，贵州 贵阳 550001；2.天津锐微科技有限公司，天津 300450)

0 引言

应急救援车辆是应用于地震抢险救援、火灾现场救援、洪涝灾害救援、危化品及核辐射救援、公共交通事故救援、矿井油田救援以及军事救援等自然灾害或突发事故救援领域的专用车辆[1]。由于应急救援车辆特殊的工作性质，要求应能够应对现场复杂路况，自身防护能力强，并且能够满足救援现场特殊的需求。国外针对应急救援，研制出了功能强大的应急救援车辆，我国专家学者也对此作了研究，葛亮等对井下灾区侦测车、应急救援车的研制和应用进行了研究[2-3]；张勇等研发了一种狭小地域用的消防应急救援车[4]。但各种研究成果中，偏重于研究专向应急救援车辆，针对具有综合救援能力的应急救援车辆研究得较少，尤其是电动综合应急救援车的研究处于起步阶段。总体来说，我国目前的应急救援车辆存在地域通过能力不强、功能单一、综合防护救援能力较弱等问题[5-6]。

随着国产第一代装甲输送车63式装甲车的退役，退役装甲车的再利用问题已经成为社会关注的热点。63式装甲车车体由特殊装甲钢板焊接而成，具有较好的外形和防护能力，具有水陆两栖能力，但由于动力来源于早期柴油发动机，存在污染排放、红外特征明显、运行噪音大以及能耗较高的问题。研究表明，采用纯电动装置作为坦克装甲车辆动力来源时，具有清洁、高效、运转部件少、无高热排放、静音性好且无尾气排放的优势，可显著提升整车隐蔽性，增强作战能力[7]。本文基于63式退役装甲车底盘及良好防护能力，用纯电动装置代替原车柴油发动机，对动力系统进行设计研究，将其再制造为电动应急救援车辆，在提高我国应急救援车辆综合能力的同时，大大降低制造成本。

1 动力系统结构方案

根据63式退役装甲车实际情况及应急救援车辆使用要求，设计了单电机驱动结构和双电机驱动结构两种方案。

1.1 单电机驱动结构方案

在单电机驱动结构中，保留63式退役装甲车原车传动系统，用电机驱动控制器-永磁同步电动机取代原柴油发动机，同时增加行星减速器，结构示意图如图1所示。

图1 单电机驱动结构方案

1.2 双电机驱动结构方案

在双电机驱动结构中，保留原车侧减速器，用双电机驱动控制器 ——两台驱动电机取代原柴油发动机和变速器，增加行星减速器，通过电子差速控制实现转向，结构示意图如图2所示。

图2 双电机驱动结构方案

1.3 方案比较及选择

(1)双电机驱动系统由于机械传动部分结构简单在新研发设计中被广泛使用。在本研究中，双电机驱动系统可去掉离合器、减速箱等机械装置，使系统简洁可靠，但退役装甲车有着完善、可靠、零价格的离合器及减速箱等装置，在此基础上安装单电机系统取代内燃机不破坏原有车辆的传动及行走装置，能充分发挥原有装甲车的整体性能，比新设计研发双电机系统省时且可靠。

(2)双电机驱动系统要求驱动电机的调速范围宽，可采用高效率的永磁同步电机，其额定转速30%～100%范围相对较高，但额定转速30%以内(车速≤10 km/h)和弱磁扩速(车速≥40 km/h)段的效率低。根据应急救援车应用需求，在救援现场经常使用低速大力矩作业(车速≤10 km/h)，而此时双电机驱动模式效率比单电机效率低，能耗约增加25%。

(3)电机电流跟输出转矩成正比，由于电池放电倍率的限制，双电机模式对电池的容量配置要求更高，双电机模式几乎需要双倍的单电机模式电池配置。本研究使用退役装甲车原有底盘和行走装置，电池组的重量和体积受舱内空间尺寸和底盘最大载重限制，电池组重量和体积的增加将使救援车载人空间和能力急剧下降。

单电机驱动系统方案保留零成本、成熟的六档变速器，扩展了电机调速范围，高效率范围相对更宽，借鉴成熟应用的大功率永磁同步电机，可满足装甲抢险救援车的动力性能指标要求，并且可使再制造成本下降，可靠性提高。因此，基于退役装甲车再制造的电动应急救援车辆动力系统选择单电机驱动系统。

2 动力分析计算

2.1 退役装甲车基本参数及设计目标

2.1.1 退役63式装甲车基本参数(见表1)2.1.2 设计目标

设计该电动应急救援车沥青公路最高车速60 km/h，融化雪地或软地最高车速50 km/h，爬坡度≤62%。

2.2 整车驱动力分析[8-9]

根据履带车辆行驶力学，车辆在加速、爬坡行驶时，受到的外界阻力由滚动阻力Ff、上坡阻力Fi、空气阻力Fw和加速阻力Fj四种阻力组成。

表1 退役63式装甲车基本参数

整车直线行驶时的驱动力等于滚动阻力、上坡阻力、空气阻力和加速度阻力总和，直线行驶整车驱动力Ft计算公式为：

Ft=Ff+Fi+Fw+Fj

(1)

(2)

式中：m—车辆总质量(kg)；g—重力加速度(m/s2)；f—地面滚动阻力系数；α—路面的坡度角(°)；ρL—空气密度；CW—空气阻力系数；A—正面迎风面积(m2)；δ—质量增加系数；v—车辆行驶速度(km/h)。

2.3 电机转矩及转速分析

基于退役装甲车再制造的电动应急救援车驱动装置是驱动电机，驱动电机输出的转矩、转速通过传动系作用在主动轮上产生整车驱动力Ft，在机械传动系中的传动效率小于1，根据直线行驶力学分析，驱动电机的输出转矩Tel满足：

(3)

式中：i—传动比；rz—驱动轮半径；η—传动系统效率；ηch—驱动电机到驱动轮的传动效率；ηx—履带行驶装置的效率。

电机最高转速nmax用于满足车辆最高车速vmax要求，因此：

(4)

根据履带车辆的转向特性，通过对车辆在坡道上的转向动力学分析，得出式(3)式(4)中的转矩、转速远远大于履带车辆转向所需电机转矩、转速，完全满足车辆转向要求。

2.4 动力系统参数确定

将退役63式装甲车基本参数及再制造的电动应急救援车设计目标代入相关计算式，考虑电机及控制器综合性能，得出动力系统基本参数见表2。

表2 动力系统参数

3 试验及结果

2020年6月，对采用该动力系统的基于63式退役装甲车再制造的电动应急救援车进行了试验。该车分别在公路、松软草地及复杂路况行驶30 min，满载时公路最高时速可达60 km/h，松软草地最高时速可达50 km/h，最大爬坡度可达60%。

4 结语

1)设计了单电机驱动系统、双电机驱动系统两种动力系统结构方案，并对方案进行比较分析，确定单电机驱动系统作为基于退役装甲车再制造的电动应急救援车动力系统。

2)对整车动力需求进行分析计算，确定了动力系统驱动电机、电机驱动控制器、行星减速器参数。

3)试验表明：采用该动力系统的63式退役装甲车再制造的电动应急救援车满载时公路最高时速可达60 km/h，松软草地最高时速可达50 km/h，最大爬坡度可达60%。