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作者：葛亮 劉林 張廣勛 蔣德獻 單位：中煤科工集團重慶研究院
清障機構布置在車體最前端，由與車體連接的搖臂支架，翻斗搖臂（2只）、搖臂驅動缸（2只）、翻斗驅動缸（2只）和翻斗組成。搖臂支架通過焊接的方式固定在車身前鋼板下方，搖臂一端鉸接在搖臂支架上，另一端鉸接在翻斗外側的連接板上，搖臂驅動缸和翻斗驅動缸的缸體分別鉸接在搖臂支架和搖臂上，而活塞分別鉸接在翻斗搖臂和翻斗外側的連接板上。通過液壓缸活塞的伸縮完成工作裝置的舉升、下降和鏟斗的上、下翻轉，能對裝甲車在煤礦井下行駛途中的障礙物進行清除，進一步提高了其通行能力。機械手通過螺紋聯接方式（便于拆卸）將其支架安裝在車身一側下方的傾斜鋼板上，包括鉸接于裝甲車身的機械手后臂、鉸接于機械手后臂前端的機械手前臂和設置于機械手前臂前端與機械手前臂共同形成鉗狀手掌的手掌杠桿，結構及布局如圖2所示。通過液壓傳動方式實現后臂、前臂沿車身寬度方向的伸展和收縮以及手掌杠桿的相對轉動，即完成從中繼站箱中抓取中繼站并釋放至沿途的巷道內。機械手的配備可使裝甲車在煤礦井下的偵測過程中自動拋投無線通信移動中繼站，以實現遠距離的多參量信號、語音和圖像的無線傳輸功能，保障了數據的可靠性。另外，為防止鏟斗、車體與碎石、斷軌等碰撞而產生火花，可在其鋼制表面刷樹脂涂料或鍍銅、鋅等有色金屬。
動力源選型在動力源方面，已在煤礦井下廣泛使用的防爆柴油機，雖然動力強勁，但表面及排氣管路溫度過高，且缺氧狀態下動力難以保證。而鉛酸、鎳鎘和鎳氫電池在使用過程中均有氫氣釋放，不適用于災變環境。而鋰電池具有能量、功率密度高，且體積小的特點，即將在煤礦井下大力推廣，可作為重點研究對象。本文針對鋰電池動力源進行機動性能參數的計算和樣機制作的可行性分析。
整車動力模型的建立要想使車輛行駛，必須對其施加一個驅動力以克服各種行駛阻力。驅動力Ft是由驅動裝置輸出的轉矩經傳動系統傳至驅動輪上得到的。行駛阻力主要包括滾動阻力Ff、空氣阻力Fw、坡度阻力Fi，如圖3所示。此時稱為車輛行駛的驅動條件，但它只是必要條件，只反映了車輛本身的行駛能力。如果驅動輪在路面上滑轉，則增大驅動力只會使驅動輪加速滑轉，地面切向反作用力并不會增加。這種現象表明，車輛行駛除受驅動條件制約外，還受輪胎與路面附著條件的限制。附著作用所能提供的地面對輪胎切向反作用力的極限值，稱為附著力，以Fφ表示，在硬路面上，它與驅動輪法向反作用力Fz成正比，即Fφ=Fzφ（2）式中φ———附著系數，由路面與輪胎決定。驅動力的發揮受到附著力的限制，實際發出的驅動力只能≤附著力，而不能＞附著力，否則將發生驅動輪滑轉現象，即需滿足Ft≤Fφ=Fzφ（3）這是車輛行駛的第2個條件—附著條件，它是車輛行駛的充分條件。加上前面所得到的必要條件，汽車行駛的充分必要條件，即驅動-附著條件可表示為Ff+Fw+Fi≤Ft≤Fzφ（4）根據上述車輛行駛的基本原理，以最大坡度爬行為臨界狀態，建立涉及驅動力和各類行駛阻力的整車動力模型。
動力計算偵測裝甲車爬坡狀態下的最高車速直接關系傳動系統的選型和動力源的功耗，綜合考慮現有井下偵測裝備的行走速度和災變環境下行走速度緩慢的特點，設定最大爬坡狀態下的整車最高行駛速度為5km/h（1.39m/s）。根據膠輪車輛行駛的基本原理，以表1中的相關參數為依據，通過式（1）計算不同整車重量（2000~5000kg）、不同爬坡度（15～30°）條件下所需的最小牽引力。從不同行駛條件下的最小牽引力的值（10~40kN）可知，在車速一定時，整車重量和最大爬坡度參數對最小牽引力的影響很大，根據經驗，煤礦井下巷道的坡度α不超過20°，則以20°坡為臨界狀態，以小型化為設計原則，并綜合各功能模塊的重量，取整車運行狀態下的總質量為3000kg，最小牽引力Ft=18.37，根據式（2）計算出附著力Fφ=Fzφ=φGcosα=18.79kN（5）此時，滿足Ft＜Fφ的附著條件，車輛爬坡、越障時所需的功率Ne1=Ftv2=25.53kW（4）傳動系統的選型設計以鋰電池組作為動力源，通過逆變器將直流電轉變為380V交流電，分別帶動前后橋的驅動電機，兩電機分別通過對應的錐齒輪減速器變速增矩，從而實現4輪全驅，提高了爬坡、越障的能力。同時，為了更好地適應車輛在井下巷道狹小的空間內轉彎，在2輪轉向另兩輪閉鎖，或4輪相向偏轉的基礎上，增設了4輪異向偏轉的功能，進一步縮小了轉彎半徑。
由于直流電機的效率較低，體積與重量較大，碳刷與整流子維護不便，進一步提高轉速困難。隨著電子技術的迅速發展，交流電機的調速技術已經成熟，最近的電動車均已開始采用交流電機，這些交流電機的效率較直流電機提高10%，且多在90%左右，而同一功率的重量還不到直流電機的一半，選用高效率交流電機，對目前蓄電池容量較小，行駛距離不夠的現狀尤為重要。以防爆性能強、低齒輪傳動比以及重量輕、體積小為原則，根據臨界狀態的功耗選取YB系列隔爆型三相異步電動機（160L-4），相關參數如表2所示，20°爬坡狀態下車輪的轉速由于裝甲車滿載時對應轉速n2≈1470r/min，因此4級錐齒輪減速器的傳動比i=n2/n1=33。由于工作狀態下車速要求較低，且調速范圍小，因此為了使整體結構緊湊，更輕量化，不增設其他擋位，由電機反轉驅使車輛退出巷道。單臺交流電機額定功率Pe＝15kW，單級齒輪傳動效率η1＝98%，計算輸出至驅動輪的額定扭矩而在爬坡、越障時所需的實際轉矩因為Tr>Trs，所以該電機能夠輸出足夠的轉矩以滿足動力要求。
確定清障機構系統工作壓力應首先考慮整機成本，以不超過9.5~10.3MPa為宜，這樣可以選擇價格合理的液壓元件。根據小型輪式挖掘機的作業性能和作業速度，按單一動作和復合動作確定流量。對于斗容量為0.15~0.2m3的挖掘或鏟障機構，選擇液壓泵的流量為66~74L/min。小型清障機構多采用單泵定量系統，通過變頻調速原理改變驅動電機的轉速，實現液壓泵的調速，改變工作機構的速度。驅動電機在高速時清障作業，在低速時工作裝置左右回轉作業。在低速工作時，驅動電機仍有足夠的輸出扭矩和功率，驅動回轉工作機構動作。清障機構的液壓泵驅動電機功率應滿足清障機構工作的動力需要，經上述計算可得Ny＜Pe，為了避免增加電池的容量，并使整車輕量化，液壓泵的驅動電機仍可采用前橋驅動電機，而機械手的液壓泵驅動電機由于動力較低，后橋驅動電機完全可滿足要求，那么環境參數偵測的過程中，清障和中繼站的自動拋投需在裝甲車靜止狀態下進行，設計方案是可行的。#p#分頁標題#e#
動力源參數計算考慮動力源輸出的電功率是車輛爬坡、越障等極限狀態下所需的功率為計算的依據，則計算動力源實際輸出的電功率時無需考慮功率儲備的問題，動力源功耗計算的相關參數如表3所示。目前國外在電動車用電池的研發方面取得了較大的進展，下面通過日本Sony公司的高能量型鋰離子電池和美國COBASYS公司的鎳氫蓄電池的技術參數（見表4）分別進行電池組的體積、重量等參數的計算和對比分析。根據表4中的參數，為了降低動力源的輸出電流，鋰電池動力源采用6塊串聯構成電池模塊，電壓達到172.8V，根據電池組輸出功率，輸出電流為256.71A，以井下連續工作3h計算，所需電池組容量為770.14Ah，以6塊串聯為一電池模塊，其容量為100Ah，那么實際需要8個電池模塊并聯實現，電池組實際容量800Ah，電池單體總量為48塊，總體積為0.29m3，總質量達1392kg，增加防爆殼體后總體積估算為0.42m3，總質量估算為1742kg。另外，鋰電池組理論輸出功率為417.6kW，但電池單體、模塊和電池組在質量功率密度方面存在差異，由于電池單體之間的不一致性，導致了從電池單體到電池組，性能有明顯地衰減，按系數0.3計算出衰減后的電池組輸出功率為125.28kW，明顯高于電池組應實際輸出電功率，可滿足動力要求。
同理計算出鎳氫蓄電池組總體積為1.68m3，總質量為3110.4kg。相比而言，鎳氫蓄電池組的質量已超過整車運行狀態下的總質量，無法作為動力源，而鋰離子電池組在總質量和體積的小型化方面體現了較強的優勢，可作為井下災區偵測裝甲車的動力源。
本文提出的偵測裝甲車樣機的整體設計思路適用于井下災區環境中，提高通行能力，抗爆炸沖擊波性能，且滿足清障、中繼站自動拋投和滅火等多種功能要求，并能通過對殼體表面的處理有效地防止碰撞火花的產生。在整車動力模型建立的基礎上，通過不同行駛條件下的最小牽引力的對比分析和傳動系統的選型設計，得出整車運行狀態下鋰電池動力源應輸出的電功率。通過對動力源容量、體積和質量的計算和分析，論證了鋰離子電池組作為動力源的可行性。