一种蓄电池铲运机的动力系统设计

周思强，丁 帅，赵天明

（金诚信矿业管理股份有限公司，北京 101500）

0 引言

地下铲运机是矿山建设和生产的主力设备，在矿山主要应用于矿山开拓基建工程清理废石和生产工程出矿石，是当前主流矿山基建和生产必不可少的设备之一。近年来，随着国家战略转型，环境保护日益受到重视，可持续发展和建设绿色矿山成为了矿业发展的主要方向，我国矿产资源开采技术进一步的智能化、无轨化，矿产资源的开发将全面进入地下采矿，并向深部开采延伸且开采规模不断加大，对井下空气质量要求也越来越高，这势必要求无轨采矿设备增加更多新的品种和规格，实现配套作业，充分发挥主要生产设备效率，提高劳动生产率，降低生产成本。

随着国家对新能源交通工具产业的大力支持，国内外电池技术和电池管理系统（Battery Management System，BMS）不断更新和成熟，蓄电池工程机械得以蓬勃发展，进入各种施工现场。电池快充技术和快换技术的发展，让蓄电池为动力源的设备进入矿山领域成为现实，蓄电池铲运机技术也是当前矿山智能装备研究的热门方向。

1 动力系统组成

与纯电动汽车相类似，蓄电池铲运机仅采用蓄电池作为唯一动力源，其动力驱动系统分为蓄电池、电机及驱动器、变速箱及分动器和前后车桥四大部分（图1）。其中，蓄电池一般采用铅酸电池、镍氢电池、镍镉电池、锂电池、燃料电池等[1]；电机及驱动器一般采用异步电机及逆变器组合、永磁同步电机及逆变器组合或者开关磁阻电机及其控制器组合；传动系统部分，工程机械一般使用一体式变速箱，新能源汽车则按照驱动桥数量一般选用多档位变速箱和分动桥。

本案蓄电池铲运机采用磷酸铁锂电池、开关磁阻电机及控制器、带分动的一体式变速箱和带湿式多盘制动器的车桥。

2 动力系统设计

2.1 动力系统设计依据

图1 蓄电池铲运机动力系统组成

地下铲运机动力系统的设计，参照机械行业标准，其中地下铲运机设计参数标准为JB/T5500—2015，铲斗容量为2 m3的地下铲运机最大牵引力为≥100 kN，空载整机重量≤14 t[2]。最大牵引力的测试方法标准为JB/T5501—2017，铲运机铲斗内装入额定载质量，其工作装置处于运输状态，铲运机挂低速挡起步拖动负荷车后，平稳地在负荷车中加载，直到铲运机轮胎打滑或变速器失速为止[3]。根据上面这两个规范，车辆的最大牵引力见式（1）[1]。

式中 TW——为动力系统传递到驱动轮的转矩，N·m

rd——驱动轮半径，m

Tp——动力装置的输出转矩，N·m

ig——传动装置的传动比

io——车桥传动比

ηt——从电机到驱动轮的传动效率

2.2 动力系统参数选择

根据标准JB/T 5500—2015《地下铲运机》的要求，本案2 m3地下铲运机的车桥适配为常闭免维护车桥，配置自锁式防滑差速器（NO-SPIN），弹簧制动、液压松闸（SAHR）弹簧制动器，总速比为27.3。在地下铲运机中广泛采用动力换挡变速箱[4]，本案适配变速箱为4 速动力换挡变速箱，配置电—液控制系统，通过整车控制器实现自动换挡，其1 挡速比ig为4.73，2 挡速比2.24，3挡速比1.29，4 挡速比0.75；轮胎半径rd为0.6 m，传动效率ηt取0.9，带入式（1）：≥100 000 N，则Tp≥

因此，选配电机的最大扭矩大于516 N·m，充分考虑机械传动的其他损耗，本案选配系统传动电机的最大输出扭矩为600 N·m，最大输出功率60 kW，额定输出功率30 kW，额定转速1500 r/min。将选择参数带入式（1）可得116 216.1 N。

因此，车辆运行额定速度为：

当变速箱1 挡时，能满足满载上坡和车辆牵引等要求，该车最高车速可达16.6 km/h，能满足生产时的运行效率要求。

2.3 牵引力测试数据

按照上述参数选配制作了一台2 m3蓄电池铲运机，根据地下铲运机试验方法标准JB/T5501—2017[3]，使用固定基桩方式对该铲运机进行了最大牵引力测定，测量数据如表1 所示。

3 结论

经过理论计算和测定数据验证，2 m3蓄电池铲运机满足行业标准的要求，其他各项指标性能不差于传统的柴油铲运机和电动铲运机：①蓄电池铲运机满足无污染、绿色、环保、低噪声的要求，又可以满足移动的便捷性可以避免电缆弹起伤人和破损中电伤人；②没有尾气排放，不会增加尾气排放带来的空气污染和巷道温度增加，从而可以减少通风投入，对员工职业健康有较大改善，无废机油排放污染；③减少了发动机、变矩器等进口部件，而采用了国内强势发展的电驱系统，维修、保养的工作量大大降低，无须储备进口的发动机、变矩器的备件，便于提升整个设备管理水平和降低库存积压减轻企业资金压力；④整车高度电气化，可控性和可观性高，在遥控、无人驾驶、故障诊断、自动化计量等矿业装备数字化、智能化发展方面优势明显。

表1 牵引性能记录

综上所述，蓄电池地下铲运机值得在各大矿山，尤其是智能化矿山或者通风条件较差的井工矿山推广使用。