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1、中国矿业大学题目：轨道电机车现状及发展趋势研究综述姓 名：Afan学 号：班 级：学 院：机电工程学院轨道电机车现状及发展趋势研究综述摘要矿用轨道电机车是煤矿生产中的重要运输工具，主要包括架线式电机车和蓄电池电机车。本文对这两类轨道电机车的基本结构、工作原理、特点等进行了简要介绍，对其发展现状和发展趋势进行了详细的研究论述，最后总结出轨道电机车今后的发展方向。关键词：架线式电机车；蓄电池电机车；发展现状；发展趋势AbstractMine electric locomotive is an important conveyance of coal mine, which mainly inclu
2、des line-supplied locomotive and storage battery locomotive. This paper briefly introduces the basic structure, working principle and characteristics of mine electric locomotive, then research its development present situation and tendency. At last, this paper concludes the future direction of devel
3、opment of mine electric locomotive .Key words: Line-supplied Locomotive ; Storage Battery Locomotive;Development Present Situation；Tendency 0 前言轨道运输是我国大多数煤矿井下采用的主要辅助运输方式，而轨道电机车又是其中最常用的常规辅助运输设备，可用于调度集结车辆，牵引矿车、梭式矿车、材料车、人车，运输原煤、矸石、材料、设备及人员等，其运输能力大，对巷道布置适应性强，运输费用较低，在煤矿井下运输中占有重要地位，是长距离水平巷道的主要运输工具。 轨道电机车按
4、供电方式不同可分为架线电机车和蓄电池电机车两种。前者维护管理渐变，运输费用低，但因电弓与裸导线接触要产生火花，不能用于瓦斯含量大的矿井。国外有一种交流高频无接触架线式电机车，由牵引电网感应受电，可用于有瓦斯、煤尘爆炸危险的矿井。蓄电池电机车由装在车上的蓄电池组供电，有防爆型，可用于瓦斯含量大的矿井。1 架线电机车1.1 工作原理及结构 架线电机车具体工作原理如下：电机车由中央变压器变电所牵来的高压电缆，供给牵引变流所变压成交流电源，经过变压器的降压，然后通过低压电缆线输送到变流设备，将交流电转换为直流电。直流电源的正极经馈电线与架空裸导线相连，负极经回电线接在运输轨道上。电机车上部由受电弓接触
5、架空线并获取电能，下部则利用车轮与轨道接触，构成一个回路，使牵引电动机工作，从而使电机车牵引矿车组行驶。因为运行轨道同时又是电流回路的导线，为了减少牵引电网的电压降，一般在钢轨接缝处用导线或铜片相连，以减小接缝处的电阻1。架线电机车是由机械部分和电气部分组成的。机械部分包括车架、轮对、轴承和轴箱、弹簧托架、制动系统、撒砂装置、齿轮传动装置以及连接缓冲装置等。电气部分包括牵引电动机、控制器、启动电阻、送电弓、自动开关与照明等。1.2 主要特点架线电机车牵引力较大，运行速度较高，且运行中不产生废气，无污染。同时使用操作方便，维护简单，维护费用较少。由于架线式电机车借助架车轮与轨道面的摩擦力在轨道上
6、行驶运行，受轨道状况和制动的限制，只能在坡度很小的平巷中运行，没有爬坡能力，不能进入采区。同时由于送电弓与架空线间容易产生火花，只能在低瓦斯矿井进风巷的主要运输巷道内使用，使用范围受到极大限制。此外其基建投资较大，周期较长，需要铺设轨道，安架空线、设变电所等2。1.3 发展现状及关键问题目前矿用电机车都采用直流串励电动机作牵引电动机，由于启动频繁，要求启动时能量消耗要小，启动要平稳，以避免机械冲击。直流串励电动机具有机械软特性，空载时，转动力矩小，转速高，会产生“飞车”现象。此时，不仅使换向条件严重恶化，甚至会损坏转子，引起人身事故等。如果全压启动，则各绕组中通过的电流很大，会使电机烧毁，同时
7、很大的转矩会引起机械部分的损坏。为了减小启动时的电流冲击，目前普遍采用串接电阻启动和将两台牵引电动机串并联的方法启动3。而这两种调速方法普遍存在以下问题：（1）采用有级调速，启动电流大，启动力矩小，启动，运行不平稳，容易出现安全事故；（2）各级速度之间电流变化较大，机车机械磨损大，司控开关烧毁严重，几乎每天都要更换，工人维修量大，维护费用高。（3）当出现机车电机故障时，无法限制电流的突变，引发直流拉弧，容易因拉弧起火造成人身伤害。（4）在电阻上会有一定的能量消耗，能量利用率低。（5）不平稳的启动也会给机械传动系统带来损害4。矿用电机车的制动大多采用动力制动(能耗制动)，在制动过程中将动能转变为
8、电能，消耗在电阻器上。其优点是不从电网吸取电能，线路比较简单，同时产生的机械冲击也不大。其缺点是制动过程中，电动机中有电流通过，因此电机绕组的温升要增高，故牵引电动机的功率比不用动力制动的要增加15%-20%。此外动力制动不能达到完全停车，还需使用闸瓦制动 5。目前煤矿使用最多的ZK10型架线式电机车，配备的是手动闸轮操作的闸瓦制动和电气动力制动6。由于其操作不便，制动空程时间很长，制动能力很低，因此不能充分利用其牵引性能。由于架线式电机车会产生泄漏电流，架线触电率较大7，故还需漏电保护装置。1.4 发展趋势架线式电机车应在调速、制动以及漏电等技术上需求突破，这也是架线式电机车的发展趋势。在调
9、速方面，可采用以下技术：（1）对其进行直流斩波调速改造。斩波调速系统主要是由司控器、主机箱、及平波电抗器三部分组成。它以隔离门极功率晶体管IGBT为主要功率开关元件，电路采用最新的电力电子器件及控制技术，无极调节直流电机端电压，控制牵引电机的速度8。（2）采用交流变频调速技术。交流变频调速在我国已是成熟技术，各领域应用较为广泛，特别是近几年在直流架线式ZK系列电机车进行变频调速技术改造较多9。变频调速方法为交直交变频。在每台电机车上设置一套逆变装置，将从架空电网上获取的直流点逆变成频率可调的三相交流电，将直流电机替换为三相异步交流电机，电机车通过改变电源频率来进行调速10。交流变频技术也已日趋
10、完善，将成为架线电机车调速技术的发展趋势。（3）随着电力电子技术的不断发展，一种新型调速系统开关磁阻电机调速系统，通过采取具体控制措施应用于矿用牵引机车，以其独特的优点，将会使矿用牵引电机车技术有飞跃的发展11。 在制动方面，要解决架线式机车制动问题可以从三个方面考虑。一是增加制动力，二是通过改变机车的传动比降低车速，三是改进手动闸轮操作的闸瓦制动装置，以减少自动空程时间。具体可以采用气动制动系统12，压轨制动装置13等。寻求新的制动方式并改进其控制系统，对提高机车安全性能具有重要意义。针对易产生漏电电流这一问题，需研制可靠的漏电保护装置，如利用附加中频交流电源，检测系统漏电情况，实现稳压功能
11、和漏电保护14。2 蓄电池电机车2.1结构组成蓄电池电机车除供电装置外，结构与架线式电机车大致相同，机械部分有区别的是连接缓冲装置：架线式电机车采用铸铁制作的刚性缓冲器；蓄电池电机车上则采用带弹簧的缓冲器。另外蓄电池电机车两端设司机室，保证运行安全1。蓄电池式电机车有矿用增安型和矿用防爆特殊型两种15。2.2 主要特点蓄电池电机车的运行时无排气污染，运转热量小，噪声低。但受蓄电池能重比的限制，功率偏小，自重较大，不利于重载爬坡，蓄电池充电频繁，成本较高。因此，蓄电池电机车多用于巷道平缓、载重较小的短途运输。2.3 发展现状及关键问题由于架线式电机车依赖沿途线缆得到电能，实际使用不太灵活，使用范
12、围受到限制，无法满足复杂的煤矿环境要求，因此蓄电池电机车在矿井运输中也得到广泛应用。目前矿井电机车普遍采用铅酸蓄电池16，蓄电池组维护工作量大，其充电和维护均需要专门的人员和设备，充电时间较长，使用时间较短，维护周期较短。由于其诸多缺点，因此需对铅酸蓄电池技术及其他新型电池技术进行研究。在调速方面，蓄电池电机车通常采用串接电阻进行控制，但其效率低，能耗大，因此需研制新的调速方式。2.4 发展趋势蓄电池电机车发展趋势主要是围绕蓄电池、调速方式以及防爆等方面。新能源产业是国家战略性新型产业之一，其中传统的化学电源将进入平稳发展期，动力电池、储能电池和太阳能等可再生能源三大领域是增长重点，增长贡献率
13、较大的主要电池品种有动力型锂电池和氢镍电池、动力和储能用铅蓄电池，太阳电池和锂一次电池。随着锂离子电池技术的不断提高，车载大规模磷酸铁钾电池的装备应用，也为电机车蓄电池的发展方向开辟了一条新的道路17。在调速方面，如同之前介绍的架线式电机车调速方式发展趋势一样，其调速方式也主要有直流斩波调速18、交流变频调速19、开关磁阻电机调速20等。目前蓄电池电机车电路上隔爆型自动开关应用较少，一般在电路上用熔断器来作保护，很不方便。今后应大力开发隔爆型自动开关21。3 总结轨道电机车在煤矿井下运输仍然占据着十分重要的地位，但仍存在诸多不足。应大力推广斩波调速、交流变频调速等更好的调速技术，研制更可靠的制
14、动系统，推广新型锂离子电池。同时在推进标准化、通用化方面也应多做工作，使其管理和维护更为简单方便22。轨道电机车必然向着高性能，低能耗，自动化的方向发展。参考文献1 何凡，张兰胜. 矿井辅助运输设备M. 沈阳：东北大学出版社，20122 钟春晖. 丁元春.矿井运输与提升M. 北京：化学工业出版社，20133 马志源. 电力拖动控制系统M. 北京：科学出版社，20044 张大伟. 煤矿井下架线式电机车调速控制系统改造J. 科技信息，2013，（16）：375 5 洪晓华. 矿井运输提升M. 徐州：中国矿业大学出版社，20056 张述峰. 论架线式电机车运输的制动问题J. 科技信息，2010，（1
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