架线式电机车电动机能耗制动装置及应用

孙秀茹，闫丰伟,秦春彬，冯丽军

(1.烟台黄金职业学院； 2.烟台盛玖源环保科技有限公司； 3.青岛城得发石业有限公司)

目前，电机车是金属矿山的主要运输设备，可牵引矿车组在水平或坡度≤3 %的线路上进行长距离运输，也可用于短距离运输或调车。但在实际使用中电机车普遍存在一些问题，如制动效果差、制动距离长等。根据GB 16423—2020 《金属非金属矿山安全规程》，电机车在运送人员时制动距离不应超过20 m，运送物料时不应超过40 m，14 t以上的大型电机车(或双机)牵引运输，应根据运输条件予以确定，但应不超过80 m[1]。3 t以上电机车普遍采用压缩空气制动，能够满足规程要求。3 t以下电机车因车身空间有限，难以配置单独的空气压缩机，普遍采用机械制动，存在制动力矩小、制动距离长等缺点，且在恶劣工况和频繁动作下容易损坏[2-6]。因此，矿山企业多年来一直在探索、寻求一种制动平稳、制动效果明显的制动装置，以满足生产需要。本文以3 t架线式电机车为研究对象，进行电动机能耗制动装置的研究。

1 电动机能耗制动装置

1.1 工作原理

当电机车制动时，从高速降到低速(零速)，电动机的转子因负载(生产机械)有较大的机械惯性，不能迅速停车，会产生反电势EU(端电压)，电动机处于发电状态，其产生的反向电磁转矩与原电动机转矩状态相反，从而使电动机具有一定的制动力矩，迫使转子停下，这种制动方法不可控，制动力矩有波动。在电动机的电枢端串接电阻，电机车制动时，牵引电动机以发电机工况运行，机械能拖动发电机的电枢绕组旋转，切割励磁绕组产生励磁，在电枢绕组两端形成感应电动势，这样闭合回路就产生了电流，感应电流、电磁转矩的方向反向，把多余的机械能(惯性能量)产生的电能耗散在制动电阻上，从而避免了对机械部件的冲击。

但是，架线式电机车配备的是直流电动机，其励磁方式为串励，制动特性如图1所示。当进入制动状态后，随着转速(y)的降低，电动机的制动转矩(x)急速减小，制动转矩相对于强大的惯性力矩来说，几乎没有作用。因此，需要把励磁方式由串励形式改接成他励形式，进入“他励能耗制动”。

图1 串励电动机的能耗制动特性示意图

他励是将励磁绕组和电枢绕组分别接到电源上。由于串励直流电动机的励磁绕组的电阻、电感、电流很小，所以必须选择适当的直流电压，既要保证足够的励磁电流，又要保证不烧毁励磁线圈。他励能耗制动时，将直流电压注入电枢绕组中，产生一定的磁场，转子会因产生的转矩而慢慢停下来。施加的外部电压与产生的磁场成正比，只要持续地供给直流电压，转子就会停在相应的位置，外接电压值越大，制动转矩越大，制动效果越好。

通过理论计算与多次试验，选定4节直流电瓶(12 V，100 A·h)作为外接电源，当电机车需要制动时，利用直流电动机的可逆性，使直流电动机转换到直流发电机状态，将牵引电动机与原工作回路中的电源断开。然后，励磁绕组中通入可控可调的直流电源，以保证电动机不发生飞车事故。同时，在电枢绕组中也通入合适的电源，使其产生足够大的制动转矩，使电机车限速、降速直至停车。

1.2 制动特点

电机车制动时，只需踩下制动踏板(或者手动制动)，切断架线与电机车的连接。此时，直流电动机处于发电状态，电枢绕组中串接的制动电阻参与制动；同时，励磁绕组与电枢绕组由串接状态断开，外部直流电瓶供电给电枢绕组，进入能耗制动装置，励磁方式转化为他励。通过调节他励电流的大小，使施加于电枢的制动力矩与电动机的惯性力矩相平衡，当制动过程结束后，切换至正常运行状态。电动机能耗制动装置的特点在于：

1)制动电流为峰值可控，采用功能先进的霍尔开关控制通过励磁绕组电流的大小，实现多段位分段控制，可实现在满足工作制动、紧急制动距离要求的前提下，始终保持制动转矩在合理区间，使制动过程无抱死、不脱轨、无机械冲击和电动机打火。

2)励磁绕组中串联了快速熔断装置，一旦制动电流过大，能快速切断回路，保证电机车运行安全。

3)电动机能耗制动装置是“傻瓜式”自动化操作系统，操作难度小。

2 电动机能耗制动装置功能

1)电动机能耗制动装置带有车门联锁装置，在电机车车门未关好的情况下不能启动设备，提高了设备操作的安全性。

2)选择工作制动或紧急制动状态时，司乘人员无需将主轴手柄归零并拉下集电弓，只需按下相应开关，装置将自动按设定的程序工作。司乘人员也可随时中断制动过程，使电机车按照惯性或按选择的档位与方向运行，操作灵活方便，实用性较强。

3)电动机能耗制动装置能与双机车编组的三段LED黄绿红提示功能相辅助，有利于工作协调，同时提高了电机车运行安全性。

4)电量显示功能除提醒司乘人员注意电瓶残存电量外，还提醒司乘人员长时间离车必须切断控制器工作电源以节省电瓶电量。

5)电动机能耗制动装置具有故障诊断功能，方便维修人员快速查找故障点并更换器件。

6)电动机能耗制动装置预设实现重车高速时，工作制动距离10～15 m，紧急制动距离10 m之内的技术指标，符合相关规程的规定。

3 工业试验

3.1 模拟试验

3.1.1 模拟试验条件

1)制作1个操场式的环形轨道，其中直线轨道长30 m，以便于测试。

2)制作1个自动撒沙装置，模拟不同摩擦力条件下的轨面状况。

3)为使负载模拟与实际工况接近，采取加大电机车自重的办法(增加了1.5 t的铁块作为配重)，以增大其黏着力。

当电机车在直线段位置达到规定速度时，开始投入电机车能耗制动装置。

3.1.2 试验结果

模拟试验条件下投入电动机能耗制动装置的试验数据如表1所示。

表1 投入电动机能耗制动装置的电机车制动情况

3.2 工业试验

选择招远市阜山黄金矿业工程有限责任公司南仁涧矿区进行了电动机能耗制动装置投入前后的电机车制动性能试验。

3.2.1 投入电动机能耗制动装置前制动性能

试验选择路段比较平稳，无弯道，基本属于直线段的地点，导轨面比较干净，只有少许粉末，经多次试验，选择3组具有代表性的数据,如表2、表3所示。其中，表2的试验条件为满载0.75 m3的矿车10辆，轨面干燥；表3的试验条件为满载0.75 m3的矿车7辆，轨面潮湿，略有油污。

表2 干燥轨面3 t架线式电机车制动情况

表3 潮湿轨面3 t架线式电机车制动情况

由表2、表3可知，电机车的制动距离与轨面的摩擦系数关系很大。摩擦系数越小，制动距离越长。所以，需要改善导轨面的状况，以便缩短制动距离。同等试验条件下的制动距离，与负载大小成正比，即负载越大，制动距离越长，基本正比于电机车制动时的惯性大小。

3.2.2 投入电动机能耗制动装置后制动性能

由于实际工况的复杂性远远不是实验室所能模拟出来的，因此，系统采用的电气元件参数的合理性需要在矿山现场进行检验。在与投入电动机能耗制动装置前电机车制动性能相同的试验条件下，测试了投入电动机能耗制动装置后电机车制动性能，现场实测试验数据如表4(试验条件同表2)、表5(试验条件同表3)所示。

表4 现场干燥轨面3 t架线式电机车制动情况

表5 现场潮湿轨面3 t架线式电机车制动情况

由表4、表5可知，采用电动机能耗制动装置后，制动距离缩短了近1/2,且电机车运行速度越小，其制动效果越明显。

3.3 效益分析

电动机能耗制动装置制动力矩可调可控，电机车的脱轨事故、撞车事故发生概率大大降低，并有效提高了电机车制动的准确性、安全性，缩短制动时间。经过在招远市阜山黄金矿业工程有限责任公司南仁涧矿区试运行发现，电机车的维修率及维修成本缩减至原来的1/4左右。粗略计算，每台3 t架线式电机车每年节约的直接维修费达2万元以上；另外，因其缩短了停机时间，即间接地提高了工作效率。按照每班增加1 h的运输时间计算，每年可增产矿石6万t，其增加的经济效益非常可观。

在电动机能耗制动装置未投入使用前，从事电机车运输作业的工区，几乎每年都发生过由于电机车脱轨或者撞车而导致的伤人事故，其给社会带来的负面影响不言而喻。但是，采用该电动机能耗制动装置以后，类似事故没有发生，大大提高了运输系统的安全性。

4 结 论

1)架线式电机车电动机能耗制动装置，是针对矿山企业架线式电机车的机械制动方式(或液压制动方式)存在制动距离过长、主令控制器损坏严重、安全隐患大等问题而研发的新型产品。经过实验室的测试和样车的试运行，证明了电动机能耗制动装置的研究方向正确、技术路线合理、产品适用。

2)电动机能耗制动装置投资少、操作简便、实用性强，可在同类设备上推广应用。

3)在应用与推广过程中，通过不断完善，使电机车电动机能耗制动装置功能更加全面，为再次研发提供依据。

4)在提高可靠性的基础上，可以实现相邻电机车之间的距离监测、远程通信及自动化调度等功能。