液力机械传动在矿用双动源重型铲板车中的应用*

吉强

(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

防爆无轨胶轮车具有适应性强、机动灵活性好、安全高效的特点,在煤矿辅助运输中得到了广泛的应用[1]。其中作业类井下无轨辅助运输车辆以其高工况适应性得到了长足发展，而且安装了液力变矩器的井下车辆液力机械传动用来在发动机和驱动桥之间传递和增大发动机转矩，液压换挡操纵系统在液力机械变速器上得到了最广泛的应用，使车辆具有自动适应性、高寿命、高通过性、操作简单等优点。

油电双动源架线车是一种柴油机和电动机分时独立驱动的无轨胶轮车，在架线辅运大巷采用电驱动运行，实现煤矿井下主要进风巷内的尾气污染零排放；在非架线巷道采用防爆电喷柴油机驱动运行。实现通风条件不好的区域尾气排放同比有效降低[2]。

油电双动源架线车方案在爬坡、噪声、制动、排放，燃油经济性等方面都大幅提高，尤其是在重型车各项指标的提升就更为明显。本文研究双动源重型铲板车传动系统的匹配和布置问题。

1 液力机械传动

液力机械传动(hydro-mechanical transmission)，由液力变矩器和辅助的机械变速器组成的传动系统。液力机械传动系统在以发动机为动力的煤矿重型铲运设备的应用较多，并有多种方案可用于不同类型设备的传动系统。但由于电动机本身无级调速的性能以及对续航能力即传动效率的要求，在蓄电池为动力的煤矿重型铲运设备的应用较少。

由于柴油机的扭矩适应性系数较小，不能满足过载与载荷频繁变化的工况，因此煤矿井下重型铲板车大多采用液力机械传动形式，一般驱动力传输过程是发动机动力装置通过变矩器、变速箱、驱动桥到轮胎，满足车辆各种工况的运输行驶。其中液力变矩器、动力换挡变速箱、驱动桥就是液力机械传动的关键零部件。

液力变矩器的分类方式较多，主要是按照涡轮数量、轴面液流在涡轮中的流动方向、涡轮转动方向、能量是否可调、能否耦合、“单多相”分，目前我国井下装载机、铲板车液力机械传动变矩器大部分采用美国DANA公司的三元件单级涡轮单相向心涡轮液力变矩器。

动力换挡变速箱是地下装载机中的另一个重要部件。动力换挡变速箱与非动力换挡机械变速箱的主要区别是动力换挡变速箱采用了液压缸操纵换挡离合器。一般不必预先切断动力，可以直接换挡。动力换挡变速箱有行星式和定轴式两种。行星式主要用于大功率机械，卡特彼勒公司的地下装载机采用该形式，其它大部分公司的地下装载机都采用卡拉克公司的定轴式动力换挡变速箱[3]。

原动机、变矩器、变速箱的组成形式一般分为HR、MHR、R 3种形式，如图1所示。

图1 3种组合形式

3种组合形式的布置特点以及各自优缺点如表1所示。

表1 3种组合形式对比表

传动系统中的驱动桥主要由主传动、差速器、轮边减速器、制动器等部件组成，主要作用就是继续增大扭矩并改变扭矩的传递方向，并实现差速转向以及制动等功能，目前井下重型铲板车主要使用DANA和Kessler的驱动桥。

2 双动源重型铲板车传动系统设计要求

煤矿井下重型铲板车主要用于短距离搬运支架吗，摆放支架，联合搬运采煤机等特殊工况，属作业类车辆，整车运行冲击较大，对车辆牵引力要求较高，因此大都采用液力机械传动。架线双动力源铲板车传动方案，不同于传统混合动力的双动力设计，是两种动力完全独立，可在架线辅运大巷段采用电驱动运行;在非架线巷道采用防爆电喷柴油机驱动运行，最大限度的发挥两种动力源的特点与优势，因此该设备的传动系统也提出了更高的要求：

1)两种动力完全独立，互不影响，因此需要动力源切换和识别装置。

2)增加电制动回馈系统，减少长距离下坡对制动器的磨损，保证行驶安全。

3)保证车辆整体尺寸的情况下，在车体有限空间内布置两种不同的动力源及其配套系统。

4)发动机的怠速特性与电动机模拟怠速特性的设置。

2.1 发动机与变矩器匹配

发动机与变矩器匹配是指液力变矩器按照工作的要求，以指定工况(或传动比)传递发动机的扭矩和功率的一种共同工作情况[3]。

将发动机的外特性曲线及调速特性曲线与变矩器输入特性曲线按相同比例绘在一起是发动机与变矩器的共同工作输入特性曲线。并根据公式：

(1)

MT=KMB

(2)

nT=nBiTB

(3)

NT=0.104 7×10-3MTnT

(4)

式中:λMB为泵轮力矩系数，min2/(m·r2)；γ为油的重度，N/m3；nB为泵轮转速，r/min；nT为涡轮转速，r/min；K为变矩系数；D为液力变矩器的有效直径，m；MB，MT为分别为泵轮、涡轮转矩，N·m；iTB为涡轮和泵轮转速比;NT为变矩器涡轮输出功率，kW。

根据发动机和变矩器共同工作输入特性曲线求得共同工作点(nB,MB)由上式计算得到联合工作特性曲线上的各点数值(MT,nT,NT)就可以得到输出特性曲线。可以此为依据，计算整车格挡车速、牵引特性和爬坡能力。

2.2 电动机与液力变矩器的匹配

液力变矩器与电动机的匹配问题和液力变矩器与柴油机的匹配有相似之处，但也有特殊性。确定了电动机传给变矩器泵路的转矩和转速，液力变矩器与电动机的匹配的输入特性与输出特性、液力变矩器与柴油机的匹配的输入特性与输出特性两者求法基本相同。

3 传动系统设计

动力源的传动方案较多，下面对几种传动路径的布置方案和配套选型进行分析。

3.1 HR型传动方案

HR型系列为变速箱、变矩器、发动机三位一体，因此电动机的传动路径中需增加减速器以代替变速箱的功能，实现电驱动状态下整车的速度和扭矩匹配，实际传动方案如图2所示。

图2 HR型传动方案

此传动方案是理论上最理想的传动路径，两种动力源传输完全独立，且电驱回馈制动不受影响。该方案有两个技术关键点。

1)选型问题。三位一体的发动机在煤矿井下重型铲板车上的应用非常少，三位一体的发动机不利于整车布置，它会导致整车高度不适应大部分井下工况，因此，目前市场上并无此类三位一体的具备安标的发动机设备。

2)动力合并装置问题。重型车辆全部为全驱动，由于动力合并装置在变速箱之后，全驱动时变速箱的分动作用消失，因此动力合并装置必须还原变速箱的分动功能，这种动力合并装置的设计难度极大。

3.2 MHR型传动方案

MHR型为变速箱变矩器一体，与发动机分开，此方案中，变速箱变矩器可由两种动力源共用，不必增加与电动机匹配的减速器，其传动方案如图3所示。

图3 MHR型传动方案

此传动方案不用增加任何其它机构，两种动力源共用变速箱和变矩器，是最适合整车布置的方案，该方案有3个技术关键点。

1)电动机需具备怠速模式。即电动机模拟发动机运行，因为整车的液压动力和传动换挡压力均由变矩器配套泵提供，为整车提供转向、制动和换挡离合器压力，因此电动机的怠速控制是整个传动系统的关键和难点。

2)回馈制动问题。回馈制动能量传递经过变矩器，需要变矩器具备锁止功能。但是目前所有变矩器的锁止均为有限锁止，当制动力矩过大时，会使得锁止离合器分开，影响锁止离合器的使用寿命且无法实现回馈制动，反而会造成变矩器油温升高等问题，影响变矩器使用寿命。对于重型铲板车，其重载下坡情况下，紧急制动力矩非常大，此时如果轮边制动器无法及时介入，会对变矩器造成影响，影响整车运行安全。

3)传动散热问题。传统发动机动力下，传动油散热是由发动机带动风扇给散热器降温。电驱模式下，变矩器并未停止工作，因此传动系统仍需散热，但此时发动机停转，风扇没有动力无法工作，因此该模式下需要为风扇提供额外动力，保证风扇工作，因此给传动散热系统方案的排布带来较大工作量。

3.3 R型传动方案

R型传动方案为变矩器与变速箱分置，变矩器直接安装在发动机上，电动机和发动机共用变速箱，如图4所示。

图4 R型传动方案

该传动方案电驱模式下增加了一个传动泵以保证动力换挡变速箱的换挡问题，该方案有以下技术关键点。

1)换挡冲击问题。由于变矩器与发动机一体，电动机与变速箱直接刚性连接，电驱模式下的换挡冲击问题需要解决。

2)辅助动力问题。同HR方案一样，由于变矩器与发动机相连，无法在电驱模式下提供液压动力和动力换挡的传动压力，因此两种方案都需要油泵电动机在电驱模式下工作。

比较3种传动方案，考虑到整车布置和实际使用工况，选择了第3种R型传动方案设计整车传动系统。由于R型方案由于要用到变速箱，需要再配套一个传动泵以提供传动换挡动力，并与发动机传动系统共用传动油，需要设计一套分时工作的传动系统，保证两种动力源模式都可以提供换挡动力。但是该系统下变矩器不工作，因此靠传动油自循环冷却即可，不需要风扇冷却。

4 应用情况

R型方案应用于某架线双动源重型铲板车，研制的整机在地面试验场进行了试验，如图5所示，基本满足了设计指标要求。由于电动机与变速箱直接刚性连接，电驱模式下变速箱换挡时会出现换挡冲击，再增加缓冲系统对整车的布置和操作系统的匹配会带来困难，同时考虑到电驱模式的运行工况，即架线区间内的运行，主要以运输为主，于是调整操作工艺，在架线区间内采取停车换挡的方式，由于电动机的短时过载能力可以满足不同工况的停车换挡，可减少换挡冲击给驾驶员带来的不适感。

图5 某型双动源架线重型铲板车

5 结论

煤矿用双动源重型铲运车的研制，可以减少续航焦虑并实现架线段零排放，显著提高长距离大坡度架线段的制动性能和爬坡能力，提升了整车的制动安全性和驾驶舒适性。

煤矿用双动源重型铲运车传动系统的设计，区别于单动力液力机械传动形式，重点兼顾了传动系统的匹配和传动件的布置问题，探索了一种新型的矿用胶轮车双动源传动方案。