卡车电动轮

卡车电动轮（精选5篇）

卡车电动轮 篇1

近年来电动轮自卸卡车在各大中型露天煤矿、铜矿及铁矿上得到了广泛的应用, 并且成为了主要的生产运输设备, 它的先进性、可靠性越来越被广大矿山用户认同。但随着设备使用年限的不断增加, 近几年来卡车电动轮的恶性故障越来越多, 造成的经济损失巨大, 对维修生产工作形成了较大的压力。所以提高处理电动轮故障的能力, 减少电动轮故障的发生就显得尤为重要。现就神华准能公司黑岱沟露天煤矿630E卡车电动轮的故障进行分析与探讨。

1 电动轮传动原理概述

630E卡车有两台电动轮, 是驱动卡车运行的重要传动部件, 主要由直流电动机、轮边齿轮减速器、轮毂及车轮制动器构成。其额定功率562.6kw, 最高电压800V, 电大电流2500A, 减速比28.85:1, 电动机最高转速可达1540r/min。

电动轮的运行控制是通过主发电机的输出来实现对电动轮磁场电流和电枢电流的控制。电动轮的驱动功率和制动发电能力是由电动轮磁场的控制决定的。

轮边减速器是电动轮的主要传动部件, 同时也是一个两极传动的齿轮减速器, 由太阳齿轮、三个行星齿轮、及扭力套组成。太阳齿轮通过花键套与电机电枢轴相连, 当电机转动时, 太阳齿轮随电机带动旋转, 太阳齿轮又带动与之啮合三个大行星齿轮旋转, 与大行星齿轮同轴的小行星齿轮与大行星齿轮以相同的转速旋转。小行星齿轮旋转时, 扭力套就被小行星齿轮带动而旋转, 电动机的力矩就这样由扭力套传送到装有车轮的轮毂上, 从而驱动卡车运动。

2 电动轮的典型故障及原因

2.1 机械轴承的问题

630E卡车的运行是通过电动轮中的电枢运转来驱动行星齿轮而实现的, 电枢通过电枢轴承保持其在电动轮内部沿几何中心线平衡地旋转。当电枢轴承超寿命运转或缺乏润滑时, 将使电枢的动平衡出现较大的误差。带电流运转的电枢与磁极距离的不断变化, 很容易使电枢发生环火故障。随着不平衡的加剧将会造成电枢和定子绕组摩擦碰撞, 出现电枢落架甚至更为严重的扫膛故障, 造成电动轮定子及电枢报废。

2.2 污染造成的问题

所谓污染问题是指油、水、泥等修侵入电动轮内部, 逐渐积聚对电动轮造成的损害。电动轮齿轮箱、制动油管漏油后如不及时清理, 会使电动轮内部存在较多油污。特别是电动轮定子表面长期形成油污后, 保养时不易清理, 使定子绕组长期在油浸中, 运行时破坏绝缘, 造成定子绕组接地或匝间短路。另一方面, 由于外部电动轮护罩的损坏、丢失或人为将其摘掉, 运行过程中, 电动轮内部的挡板使整流子表面形成涡流, 灰尘积聚在整流子表面, 使电枢出现环火故障。同时, 由于没有护罩的保护, 灰尘、煤尘极易窜入电动轮内部, 会对电动轮绕组、轴承等造成相当的危害, 特别是雨季对其造成的危害更为严重。

2.3 司机操作的问题

司机的不规范操作, 往往会迅速地造成设备部件的直接损坏。通过对故障现象的分析及调查发现, 由于个别司机坡上起步时长时间 (大于4秒) 按超越开关, 致使电枢电流急剧上升, 造成整流子局部过热膨胀跳片, 电枢环火。

2.4 电气方面的问题

电气方面的问题主要集中在以下几个方面。

2.4.1 电动轮碳刷磨损超限或油污使碳刷各刷握粘连导致电动轮故障。

卡车运行中, 电动轮是由碳刷将电流引入电枢绕组, 通过电磁感应方式将电能转化为机械能实现运转的。碳刷在电动轮运转过程中就不可避免地产生经常性磨损, 如果在设备保养或平时点检时不注意检查, 就会因碳刷磨损超限造成整流子表面放电, 发生环火故障。

碳刷在刷握中的尺寸配合是较为严密的, 如果过松会使碳刷在整流子表面出现跳火现象;过紧又会使刷握的弹簧压力失去作用, 造成碳刷与整流子之间存在较大的间隙。由于制动油管漏油, 常使碳刷和刷握粘连, 从而发生电枢环火甚至出现刷握大面积烧毁的现象。

2.4.2 整流电路电器元件损坏导致电动轮故障。

630E卡车电动轮电枢电流是通过主发电机输出的三相交流电整流后提供的。当整流元件击穿或断路时, 迅速升高的电流上升率di dt会造成整流元件的进一步损坏并使电枢环火环火。

2.4.3 控制电路出现故障导致电动轮故障。

当发生控制电路板和隔离放大器损坏等控制电路故障时, 电动轮磁场电流发生异变而导致电枢环火, 特别是控制电路出现故障时, 往往比较隐蔽且难以及时排除。例如, 当电流、励磁等反馈信号出现丢失现象时, 均会使1466板件中的负反馈放大器输出更强的励磁控制信号, 使1349板件的两个励磁可控硅触发脉冲信号异常, 造成发电机和电动轮的磁场电流出现偏差。由于控制电路出现的故障形式是多样的, 并且卡车运行中各控制点的动态参数会因振动而改变, 因此, 这一类故障必须通过加强损伤规范与卡车的维修保养日常管理来加以控制。

2.5 维修方面的问题

2.5.1 维修或运输方式不当造成电动轮齿轮箱漏油。

电动轮齿轮箱壳体的板材厚度只有5mm, 回油口处的板材厚度只有3mm。电动轮经过几次下机维修, 再安装到卡车上运行一段时间后, 发生了在齿轮箱回油口处产生裂纹而漏油现象。这种漏油现象如不及时发现并制止, 电动轮就会在缺油或无油状态下运行, 将导致齿轮轮齿断裂、轴承卡死等一系列灾难性损坏事故。

分析电动轮齿轮箱回油口处产生裂纹并漏油的原因, 除了卡车长期运行过程中的振动, 导致在齿轮箱回油口处薄弱环节的应力集中处产生裂纹外, 还有一个原因就是在维修或运输过程中的方式不当造成的, 在维修或运输过程中经常以这种状态使电动轮齿轮箱直接落地或直接放到运输车辆上, 将电动轮的重量直接由齿轮箱承担, 这样会使齿轮箱产生小量变形, 也就加快了齿轮箱回油口处裂纹的产生。

2.5.2 维修保养不及时或维修不当加快了电动轮定子机架轮毂轴颈磨损。

在630E卡车电动轮的结构中, 两盘轮毂轴承的型号分别是L183448和L183449, 这两盘轴承承担整车几乎60%的重量。由于多年的运行, 灰尘侵入、润滑油脂变质以及负荷的冲击等原因, 致使轴承润滑恶化, 造成轴承损坏, 当故障严重时, 会造成轴承的滚珠和内圈卡死, 轴承不能正常工作, 在电动机的强行拖动下, 轴承内圈与轴颈就会发生相对运动, 产生干摩擦, 造成定子机架轮毂轴承位轴颈磨损。这种磨损如未能及时发现并维修而断续运行的话, 就会发生由于改变了齿轮的啮合状态而造成齿轮断齿的恶性故障。

经过对电动轮的这类故障进行分析, 认为除正常运行过程中产生的磨损以外, 在维修保养方面主要存在几方面的问题:一是没有按时进行保养, 更换已经变质或将要变质的润滑质;二是没有按时将两盘轮毂轴承的预紧力调整到规定的标准数值;三是对磨损后的定子机架轮毂轴承位轴颈修复后, 其加工粗糙度和过盈量不合适, 没有达到原设计标准, 造成轴颈与轴承的配合精度不够;四是对磨损后的定子机架轮毂轴承位轴颈修复或更换轴承后, 在进行装配过程中没有严格按要求对轴承的预紧力进行测量、调整, 只是简单地将原有的配件安装就位。这几种情况都会使电动轮定子机架轮毂轴颈磨损速度加快, 而导致电动轮齿轮断齿、轮毂轴承压盖螺栓断裂、轮毂轴承卡死等恶性故障。

3 电动轮的维护保养改进措施

综上所述, 电动轮的管理是一个综合性技术问题, 正是由于电动轮故障的复杂性危害性, 我们在广泛调查分析的基础上, 采取了积极的防范管理措施。

3.1 加强电动轮及电枢的预防性修理工作

将电动轮、电枢、轴承、碳刷等运行数据输入计算机, 逐步实现计算机终端管理。

3.2 严格设备保养程序

实行设备状态监测与计划检修相结合的方式, 加强油脂化验对齿轮、轴承中的铁 (Fe) 、硅 (Si) 、铜 (Cu) 、铬 (Cr) 等油样分析, 根据油样报告, 及时对磨损齿轮或轴承采取预防性维护措施;同时制定了定期的强制保养项目, 定期强制更换各部润滑脂, 定期测量并调整轴承的预紧力。电气保养中强制对控制系统电路板的参数进行测量、调整到标准值。机械保养要注重检查制动器及油管的完好情况。

3.3 严格设备维修、保养的质量检查工作

电动轮、电枢的修理必须参照设备制造厂家的设计标准执行, 改正修理、运输过程中的错误习惯, 提高自修及外委修理质量, 保证设备修理的完好率。

3.4 开展技术培训工作

定期开展技术培训, 使职工了解电动轮故障发生的原因及其对应的预防维护措施, 全面提高职工的技术素质和设备维修质量。

3.5 规范司机的操作

通过加强与司机的沟通, 让他们知道错误的操作习惯将对卡车造成的危害, 损伤设备的同时也影响了个人收入。要求他们严禁长时间按超越加速开关, 尽量减少坡上起步, 禁止在泥水路面快速行驶而电动轮浸入泥水中现象的发生。

4 采取改进措施后的效果

自2011年8月份开始采取电动轮的维护保养改进措施后, 电动轮出现大型故障的现象明显减少, 基本控制了电枢严重环火、齿轮断齿、轴承卡死或窜位等恶性故障的发生, 630E卡车的可用率也由往年的75%提高到2012年的79%, 满足了黑岱沟露天煤矿运输生产的需要。

5 结语

加强对电动轮的检查力度与维护保养质量, 针对检查出来的问题及时采取相应的维修措施, 最大限度地使电动轮的各方面参数与设计标准值保持一致, 从而减少故障的发生。同时, 根据实际情况完善设备维护、检修及设备操作制度, 转变观念, 积极创新, 树立“渗漏就是故障”、“保养就是排除隐患”的理念, 从根本上提高设备的可用率。

实践证明, 通过以上各项措施的实施, 黑岱沟露天煤矿630E卡车电动轮的管理工作已收到明显的成效。

卡车电动轮 篇2

关键词：630E,卡车电动轮,故障分析,改进措施

随着矿产资源的市场需求量不断上涨, 630E卡车的作业时间越来越长, 电动轮故障的发生概率大幅度提升, 卡车出动率日趋下降, 这给矿产的日常生产带来了巨大的制约性影响, 矿产企业难以顺利完成预期生产计划。据相关数据统计, 我国某矿产企业某一季度, 共有23台630E卡车电动轮的总作业时间不足3000小时, 参考我国相关法律法规的规定内容, 可以判定该企业电动轮使用台次, 近45%不符合标准。由此可见, 现行630E卡车电动轮故障维修管理技术与实际需求存在较大的相悖性。矿产企业要想实现顺利生产, 必须制定相应维修标准, 提高维修管理技术的实用性以及适应性;贯彻落实维修人员的具体职责, 提高维修人员的现场跟踪能力以及维修能力, 延长卡车使用年限, 提高其出动率。

1 电动轮概述

我国某矿产企业共有62台630E卡车, 参考现阶段630E卡车市场行情, 可以有效判断, 每台卡车的采购价均在100万元以上。电动轮作为630E开车的组成部件, 对卡车的正常驱动具有十分重要的影响。电动轮的构件十分繁杂, 例如, 传动齿轮、定子、电枢以及轮罩等。利用主发电机输出, 控制电动轮的电枢电流与磁场电流, 从而有效控制电动轮运行。而电动轮磁场控制能力将会直接决定电动轮的制动发电能力与驱动功率。电动轮的基本参数详见表1。

2 电动轮故障分析

2.1 轴承故障

按照几何中心线, 驱使电枢在电动轮中实现平衡旋转, 进而推动行星齿轮运行, 630E卡车便可以实现正常作业。如果电枢轴承润滑度不够, 或是使用年限已过, 电枢动平衡将会严重缺失标准性, 导致磁极与电枢之间的距离无法恒定, 极易诱发电枢环火故障。如果电枢旋转严重失衡, 还会导致定子绕组与电枢碰撞, 进而导致电枢出现落架以及扫膛等故障, 定子、电枢无法继续正常运作。

2.2 污染故障

电动轮内部渗入大量的泥、水以及油等, 便属于污染故障。这些污染物经过长期积聚, 会严重损害电动轮。如果维修人员没有及时检修、清理电动轮的制动油管与齿轮箱, 将会导致电动轮内渗入大量油污, 一旦定子表面被油污覆盖, 不仅清理难度非常大, 定子绕组经过油污的长期浸染, 绝缘性能将会大幅度下降, 极易造成绕组接地、匝间短路等故障。除此之外, 电动轮缺失外部护罩, 运作时, 整流子表面会产生涡流, 一旦灰尘长期积聚, 极易诱发电枢环火问题, 不仅如此, 还会损害电枢轴承、定子绕组。

2.3 操作故障

司机操作行为缺失规范性, 将会直接损坏设备故障。常见性操作故障为:司机在坡上起步操作过程中, 按超越开关的时间超过4s, 电枢电流大幅度上涨, 导致整流子因过热而产生膨胀跳片问题, 进而引发电枢环火故障。

2.4 电气故障

电气故障主要有三个方面:其一, 碳刷磨损、粘连;其二, 电器元件损坏;其三, 控制电路故障。首先, 在碳刷磨损、粘连方面。卡车需要利用碳刷向定子绕组供应电流, 进而择取电磁感应方式, 对电能进行有效转化, 使其成为机械能, 进而实现正常运作。这便导致电刷普遍存在经常性磨损, 如果维修人员没有对其进行及时且全面的检修、养护, 将会导致碳刷损耗严重, 整流子表面出现放电问题, 进而引发电枢环火。而由于刷握中, 碳刷需要严密的尺寸配合, 如果没有掌握好尺寸, 极易导致整流子表面跳火、整流子与碳刷间隙过大等问题, 一旦渗入油污, 将会粘连刷握、碳刷, 进而诱发环火、烧毁刷握等问题。

其次, 在电气元件损坏方面。630E卡车在实际运作过程中所需电流多为整流后的主发电机三相交流电。如果整流元件损坏, 例如, 断路、击穿等, 将会导致电流快速上涨, 这将会进一步损坏整流元件, 进而诱发电枢环火故障。最后, 在控制电路故障方面。控制电路故障主要有两种表现形式, 分别为隔离放大器破损、控制电路板破损, 无论发生哪一种, 均会导致电动轮的磁场电流变异, 进而诱发电枢环火故障。控制电路故障存在较大的隐蔽性, 难以及时处理, 加之卡车运作过程中, 会产生一定的振动, 导致控制点动态参数非恒定值, 因此, 要想有效避免这种故障, 必须加大日常检修与养护管理力度。

2.5 维修故障

首先, 维修方式、运输方式缺乏合理性, 导致电动轮出现齿轮箱漏油问题。普遍来说, 齿轮箱壳体板材的厚度约为4.8mm, 回油口板材的厚度约为2.7mm。维修人员在多次以下机方式维修电动轮后, 重新装置于卡车上的电动轮, 在经过一段时间的运行后, 其油口处便会出现裂纹, 进而引发漏油问题。如果维修人员无法及时发现、有效处理这种漏油问题, 将会导致电动轮出现缺油运行, 甚至无油运行的情况, 进而将会诱发重大损害事故, 例如, 轴承卡死、齿轮断裂等, 不仅会影响矿产的日常生产计划, 还会威胁作业现场人员的生命健康与财产安全, 损耗矿产企业的市场效益、经济效益以及社会效益。齿轮箱油口处之所以会在一段时间的运行后出现裂纹, 主要原因有两个:其一, 卡车运行过程中, 会产生一定的振动, 应力会集中于油口处的薄弱区域, 进而导致该区域因荷载力超标出现裂纹;其二, 维修人员在检修、运输电动轮时, 没有严格遵照相关要去的标准规定, 例如, 齿轮箱接地、齿轮箱与运输车直接接触等, 导致齿轮箱需要荷载电动轮重量, 这种行为将会导致齿轮箱出现微小变形, 为油口处裂纹预埋了隐患。

其次, 维修不当、养护不及时, 导致定子机架的轮毂轴颈严重磨损。该企业630E卡车的电动轮结构由两盘轮毂轴承组成, 其型号分别为L183531、L183532, 两盘轴承所荷载的重量, 约为630E卡车整体重量的60%.由于该企业的630E卡车的实际运行周期较长, 存在大量问题, 例如, 负荷冲击、润滑油脂变质以及灰尘侵入等, 导致轮毂轴承严重缺乏润滑度, 在运行过程中, 会出现严重磨损问题, 如果没有得以及时检修养护处理, 将会诱发轴承滚珠、内圈卡死等故障, 无法实现正常运行, 电动机运行过程中, 会强行驱动轮毂轴承, 此时轮毂轴承的轴颈、内圈便会呈现为相对运行状态, 在干摩擦的作用下, 严重磨损轴颈, 严重的便会导致齿轮无法正常咬合, 引发齿轮断裂故障。此类故障的诱发原因除运行磨损外, 还有维修保养相关:其一, 维修人员没有定期检修轮毂轴, 没有及时更换存在变质趋势、已经变质的润滑脂;其二, 维修人员没有严格遵照相关标准要求, 调整轮毂轴承预紧力, 导致预紧力与标准值之间存在较大差异;其三, 维修人员在修复磨损轮毂轴承轴颈后, 导致其过盈量不符合相关标准要求, 加工粗糙度超出原设计标准, 轴承与轴颈之间无法实现高精度配合;其四, 维修人员在更换或是修复轮毂轴承轴颈后, 装配时, 没有严格准照相关文件的要求标准, 准确测量、有效调整轮毂轴承预紧力。这些严重缺乏规范性的维修操作行为将会促使轮毂轴承轴颈快速磨损, 进而诱发轮毂轴承卡死、压盖螺栓断裂以及齿轮断齿等故障。

3 630E卡车电动轮故障改进措施

3.1 明确汽修车间的维修职责

首先, 在汽修车间方面。需要制定以下九点预防措施:其一, 维修人员在对卡车的制动系统进行检修时, 例如, 停车制动总成、油管接头等, 所应用的配件应为进口配件, 这样可以有效避免卡车因配件质量较差而出现制动系统渗漏问题;其二, 维修人员在开展日常检修工作时, 应将卡车电动轮的后桥门以及护罩作为重点检查对象, 如果发现其存在密封不良、缺失等问题, 应及时处理;在对设备进行定期养护管理时, 维修人员应对设备进行彻底清理, 确保其内部不存在油污、水渍以及灰尘等;其三, 维修人员如果发现制动系统存在渗漏问题, 要及时采取有效措施予以彻底解决, 并在维修后, 对该系统行油污清理措施;其四, 汽修车间要结合630E卡车电动轮污染故障原因, 制定相应的清理操作流程以及行为标准, 并对其进行贯彻性落实;其五, 维修人员在检修设备时, 要注意系统内部的接触其触点的使用情况, 并对其进行及时更换处理, 对电气柜连线进行合理化布局, 定期维护电气柜通风系统, 确保电气柜通风良好、干净整洁;其六, 卡车在运行满330小时后, 维修人员需要对其进行全面检修, 此时, 维修人员需要静态测试电气系统的隔离放大器、轮马达励磁保护, 确保可以有效防治系统潜在隐患;其七, 汽修车间要针对卡车养护管理工作, 制定合理化养护管理流程, 并将此流程告知维修人员, 监督维修人员的日常养护工作;其八, 维修人员在点检过程中, 要对卡车进行逐台检测, 如果发现其碳刷、转子换向器存在磨损情况, 要及时对其进行有效维修, 或是更换;其九, 汽修车间要对卡车实际运行时间进行准确统计, 并联合生产技术人员, 制定检修计划表, 按时定期更换卡车的转子轴承。

3.2 明确电修车间的维修职责

第一, 维修人员在对电动轮进行装配处理时, 应严格检查、测量其密封状况、轴承座以及转子轴承, 确保使用配件质量符合相关标准要求;第二, 在对电动轮进行日常检修时, 要严格遵照配置流程, 即检查、清理、测量、调整、试验;第三, 制定电动轮装配工艺标准, 并对其进行贯彻落实;第四, 基于同心度原则的指导, 制定相关工装、检查工艺, 并严格保管外修转子质量, 确保装配电动轮的径向跳动符合标准规范;第五, 在装配之前, 检测转子动平衡性能, 倒角处理转子换向器, 并实施抛光处理措施;第六, 对轴承进行装配、密封处理时, 要严格准照相关装配标准的要求, 避免操作不规范, 冲击轴承;第七, 在润滑方面, 遵从检修工艺的规定, 添加润滑脂;第八, 对电动轮转子的实际作业时间进行合理统计, 并制定相应的强制检修标准, 强制性更换使用周期较长的电动轮转子轴;第九, 对内齿库存状况进行实时管控, 及时制定相应的采购计划, 确保库存量可以满足正常周转需求;第十, 联合生产技术人员, 跟踪调查并记录国产内齿配件的质量、应用情况, 并及时且准确上报所存在的问题;第十一, 如果电动轮配件为国产内齿, 相应的, 应该使用同厂家生产的太阳轮、行星轮, 这样可以确保减速系具有良好的尺寸配合。

3.3 明确生产技术人员职责

其一, 生产技术人员要对630E卡车的作业装载量进行有效管控, 避免实际运行过程中, 出现设备超载的情况;除此之外, 生产技术人员还要对卡车司机的具体操作行为进行标准化规范, 避免司机私自复位电气系统故障、更换电枢电路板等;其二, 630E卡车的电动轮在经过全面检修后, 生产技术人员要严格遵照相关文件的标准要求, 验收卡车电动轮, 确保其检修质量符合矿产生产的实际运行需求;其三, 生产技术人员要对具有材质化验能力的设备生产商进行实地考察, 择取适宜的生厂商, 由其负责化验630E卡车电动轮齿轮箱的材质, 并将化验结果以报告的形式呈现出来, 转交生产技术中心的总工程师, 由其参考化验报告, 制定相应的焊修工艺, 提高齿轮箱焊修质量, 避免在实际运行过程中, 其因卡车振动出现开焊问题;其四, 生产技术人员要与电修车间密切联系, 加大对电动轮转子外修质量的监管力度, 确保其外修质量与委托需求具有一致性, 可以满足正常运行需求, 确保卡车可以正常作业;其五, 生产技术人员在日常工作中, 要严格遵照相关要求, 履行自身职责, 确保自身执权行为具有良好的规范性。

3.4 制定其他措施

630E卡车全部检修完毕, 可以正常投入使用后, 要制定全新的检修标准, 规定卡车的实际运行时长满6000小时后, 不论其电动轮转子轴承是否存在磨损问题, 均要对其进行更换处理, 避免因更换转子轴承不及时, 而诱发转子轴承塌架问题。

结束语

及时发现并有效处理630E卡车电动轮故障, 可以有效缓解矿产企业的日常生产压力, 提高其生产效率, 为其获取良好的市场效益、经济效益以及社会效益提供基础保障。因此, 矿产企业必须对电动轮日常检修养护管理工作给予高度重视, 积极借鉴先进的管理经验与标准。

参考文献

[1]郭俊义.630E电动轮自卸卡车举升拔缸故障分析[J].露天采矿技术, 2012 (02) .

[2]李名君.矿用电动轮卡车后制动漏油的原因分析与预防措施[J].露天采矿技术, 2012 (03) .

[3]郭俊义, 孟庆林.探讨630E卡车悬挂的管理与维修[J].露天采矿技术, 2012 (S2) .

[4]李名君.电动轮卡车后制动系统漏油原因及预防措施[J].矿山机械, 2012 (07) .

[5]韩建民.630E电动轮自卸卡车渗漏故障分析及措施[J].露天采矿技术, 2014 (01) .

[6]王守江, 侯方磊.降低630E自卸卡车电阻栅损耗的方法[J].露天采矿技术, 2014 (10) .

[7]王树斌.730E卡车电动轮故障分析及应对措施[J].露天采矿技术, 2013 (03) .

[8]郭俊义.影响630E卡车电动轮寿命的原因分析及管理技术措施[J].露天采矿技术, 2013 (03) .

[9]朱平.探讨630E卡车液压举升系统改造[J].露天采矿技术, 2013 (05) .

[10]伊德日胡.小松630E电动轮卡车制动活塞故障分析及处理[J].露天采矿技术, 2013 (05) .

[11]苏维嘉.卡车电动轮起火故障树分析与预防[J].辽宁工程技术大学学报 (自然科学版) , 2000 (06) .

卡车电动轮 篇3

矿用电动轮自卸卡车以其载重量大、作业效率高、机动灵活、运输速度快、运营成本低等特点,已成为国内外露天矿山的理想运输工具,而大型化是其重要的发展趋势之一。江铜德兴铜矿(简称德铜)铜厂和富家坞采区日采选矿石13万t/d,矿石年采剥总量巨大,达1.32亿t/a。故采用十几台大型电动挖掘机和配套的70多台电动轮卡车进行采矿作业[1]。

液压传动系统具有灵活可靠、高效高速、低噪声、经久耐用、体积小、重量轻、高度集成化等优点,故自卸卡车的转向、制动及举升系统皆采用了液压技术,其中举升液压系统是电动轮自卸卡车的核心部分,其状态的好坏,直接影响机器工作效率及工程进度[2]。因此,该系统必须具有良好的动力性、平稳性、紧凑性、卸料性及免维护性。自卸卡车工况极其恶劣,作业条件苛酷且强度高,装载任务繁重,国外自卸车多采用专用技术及元件,制造精度要求很高,而国内针对性的相关研究较少,该系统故障时,不易查找原因和维修。对此,对举升液压系统出现的故障及时进行处理十分重要。

2 举升液压系统主要结构参数

2.1 系统主要结构组成

该举升液压系统具备三种功能:转向、制动和举升。其中:举升系统为举起车斗倾斜物料提高动力,图1为卡车举升液压系统图,主要由举升油泵、高压过滤器、举升阀、举升先导阀、举升限制电磁阀、平衡阀、排放分油器、卸荷阀、单向阀、针阀、速断接头、举升油缸及油箱等组成。

1—举升油缸;2—举升阀;3—先导操作单向阀;4—举升限制电磁线圈;5—高压过滤器;6—举升先导阀;7—卸荷阀;8—从制动和流量放大阀回流;9A—举升泵;9B—转向/制动泵;10—液压油箱;11—速断接头;12—平衡阀;13—排放分油器;14—至转向和制动蓄能器;15—单向阀;16—针阀;17—中上方分油器

举升油泵:为齿轮式,由穿过交流发电机端的驱动轴驱动。主要提供翻斗举升所需的液压油。其输出的油压和油量取决于举升速度、翻斗装载量及油泵的转速。泵在1 900r/min时,总成输出为511L。一个较小额定值257L/(1 900r/min)、连接至举升泵的叶片式泵将油通过一个卸荷阀分别供至转向系统和制动系统。

高压过滤器:位于燃油箱内侧。举升泵的输出油被引导至该过滤器,过滤器滤芯堵塞严重时,总成配有旁通阀允许油流过。

举升阀总成:为对开阀芯,位于一个包含举升阀、分油器和两个液压泵的模块总成上。其进油口部分包括:流量控制和主溢流阀、低压溢流阀、载荷单向提升阀和防空穴提升阀等。该总成由螺栓固定连接至主交流发电机后车架梁支架上。来自液压泵和卸荷阀的液压油通过高压过滤器被引导至该阀,阀芯操作与其配对的阀芯同步或相反,而主阀则遵循由举升先导阀产生的压差输入信号。其压力通过一个位于举升控制阀内溢流阀而被限制至17235kPa。

卸荷阀:起着从转向系统至举升系统流量调配的作用,优先供给转向系统。转向系统达到设定压力值时,卸荷阀使压力油流向举升系统,若此时举升系统不工作,油卸载回油箱;而转向系统压力降至某设定压力值时,卸荷阀则关闭流向举升系统油路。

举升油路过滤器:位于右车架梁下面的燃油箱上。其对流向举升阀和举升油路部件的液压油提供二级过滤保护。

转向/制动油路过滤器:位于燃油箱内侧。过滤器对于流向转向和制动系统的排放分油器阀的液压油提供二级过滤保护。

举升先导阀:位于驾驶室后的液压部件操纵箱内。通过电缆与位于司机与乘客座椅之间控制台上的操纵杆连接。移动操纵杆时,先导阀芯移动且将先导油流引导至举升阀适当的先导油口;主阀芯将先导油流引导至举升油缸。配有单程载荷单向阀,该阀包含限制至10 341 kPa动力下降溢流阀。

排放分油器阀:位于左车架梁上,在流量放大器之后。先导阀/举升阀液压油路通过其而被规定线路。其配置的油路部件主要有:蓄能器排放电磁阀、溢流阀、低转向压力开关和先导操作单向阀;也配备有辅助动力装置油口和速断接头,以供外部油供给和回流之用;接收来自高压过滤器的油,并将油引导至蓄能器、制动油路和流量放大器;供转向控制阀和转向油缸的油,则经由流量放大器之后被供给。

平衡分油器:包括平衡阀,位于举升阀后部的泵模块上。本体接近最大卸载角度时,该阀控制举升油缸齿圈区域中油的缓冲压力。该阀通过溢流超过20400kPa压力来限制集结的最大压力,以防密封损坏。

举升限制电磁阀:为常开型,由位于车身枢轴和右后悬挂上部支架附近的接近开关即举升限制开关控制,可防止举升油缸最大量伸出。当车身接近完全举升时,车身激发电磁接近开关,给电磁线圈发信号,使其打开至油箱的举升先导管路,阻止油流入举升油缸。该阀除“O”型圈外不可修理。

先导操作单向阀:电磁线圈被举升限制开关励磁时,该阀由先导供油压力下降打开,允许举升油口油流至举升限制电磁线圈的旁通部分,以进行初始动力下降操作。

举升油缸:由三级油缸、活塞杆、轴承、轴承定位器、衬套总成、刮油环、支承环、缓冲环、上下支架及密封组件等组成。

液压油箱:位于左侧后轮前部车架梁上。用于给起升、转向和制动液压油路供油。

液压过滤器指示开关:工厂预设275kPa时启动且不可修理。其可传感到滤芯的流量限制,将打开驾驶室内红色报警灯。滤芯堵塞达276kPa时,指示灯亮;堵塞达345kPa时,导致实际的过滤器旁通。必须定期测试开关和报警灯是否正确地工作。

2.2 系统主要性能参数

举升齿轮泵:513L/min,17 240kPa,1 900r/min;压力释放—举升:17 240 kPa;举升油缸:两个三级液压油缸;液压油箱:垂直—圆柱形、非受压、工作容量7 31 L;过滤装置:直列可更换滤芯;吸油装置:单、全流式、100目;举升高压过滤器:双、全流式、7μm、B12额定值=200。

3 系统工作原理

如图1所示,大型电动轮自卸卡车举升液压系统。液压油被导向一个连接至叶片式转向/制动系统泵(9B)的齿轮式泵(9A)。该举升泵由牵引交流发电机端的副驱动装置驱动,泵输出被引导至安装在燃油箱内侧的高压过滤器(5),来自举升过滤器的液压油则被引导至安装在泵上方的举升阀(2);举升阀将油引导至举升油缸(1)的缸体,以便举升和下降倾卸式车身。而举升阀的运行,可通过连接至位于液压部件操纵箱内的举升先导阀(6)的操纵杆来控制,位于液压部件操纵箱内的举升限制电磁线圈,可防止举升油缸伸出至极限位置。举升操纵杆工作模式可分为:动力举升、保持、浮动、迫降,如图2所示。

4 系统常见故障剖析及处理

4.1 举升泵故障

(1)泵区域可见的损坏。该泵区域可见的损坏有:压力板孔周围的喷砂带;压力板面上的角度凹槽;扩大的润滑凹槽和变圆的边缘;齿根部轴上的钝化区域;轴承区域的轴的钝化磨光;壳体内的喷砂的齿轮孔。主因是由供油中眼睛不可见的细污染物即细粒子、灰尘引起的磨损。

应及时更换液压油或液压过滤器;确认过滤器滤芯是否正确使用;排查举升和转向油缸是否有凹痕、刮伤或密封损坏;对整个液压系统,应按冲洗程序进行彻底清洁。

(2)压力板、轴及齿轮孔刮伤。此类刮伤通常是由眼睛可见的粗污染物即金属粒子引起的,会导致垢磨损。需尽可能按相关冲洗程序对整个液压系统进行彻底的清洁;同时,应排查其它液压系统部件是否为可能的污染源。

(3)泵外部、壳体或法兰损坏。泵外部损坏主因是安装不正确而引起的,若需要,应及时拆卸并进行修复;而壳体或法兰损坏通常是因压力过大所致,应重新检查溢流阀设定的压力是否正确;确认溢流阀是否能正确地工作。

(4)泵壳体或压力板腐蚀。至泵入口的供油量不足或油液中混入一定量的空气导致气蚀,腐蚀损坏泵壳体或压力板。应检查液压油箱的油位;确认油的粘度是否正确;排查泵进油管路是否堵塞或油泄漏;接头、卡箍等是否松动等。

(5)驱动齿轮后部及压力板损坏。泵驱动轴发生故障时,会导致此类损坏。应检修泵驱动轴;确认十字座与轴承是否平稳工作;保证足够的接头润滑等。

(6)压力板上或齿轮端部过度磨损。因缺油而造成润滑不良,导致压力板上或齿轮端部产生过度磨损,应检查液压油的油位;排查泵进油软管是否堵塞或泄漏。

(7)壳体刮伤、进油口敲坏或轮齿卡物。通常是因金属物而导致的损坏,或在以前的故障修理期间,物体未被及时清除,必须彻底清洁并冲洗液压系统;排查其它系统部件是否为可能的金属物来源。

(8)压力板、齿轮、轴颈变黑或“O”型圈及密封变脆。油泵内部零件磨损会造成内漏,磨损内漏的齿轮泵容积效率下降,油泵输出功率大大低于输入功率,损耗全部转变为热能,引起油泵过热,导致压力板、齿轮、轴颈变黑,“O”型圈及密封变脆,应检查举升系统溢流阀的设定是否正确;确认液压油的油位和油的粘度是否正确等。

(9)泵传动轴变形或损坏。传动轴安装间隙过小、油泵动平衡差、油路受阻、油温过高、严重超载及举升过猛,或压力过大,会造成传动轴变形或损坏,使倾卸机构完全失去效能。应及时进行检修或更换;工作时尽量避免传动轴损伤;满载举升开始,操纵手柄提到举升位置时,应操作平稳,动作不粗暴,宜缓慢放开离合器踏板,使油泵运转,让厢斗徐徐升起;厢斗带载下落过程中,切忌将分配阀扳至举升位置,否则极易引起强烈冲击,导致传动轴过早损坏;应检查传动轴的安装间隙、传动轴与万向节叉啮合长度是否适宜;重新检查溢流阀压力,确认溢流阀是否正确工作。

(10)泵漏油。后盖与壳体结合处密封面不良时,应检查密封面是否有脏物、变形、毛刺或刮伤;泵主动轴骨架油封损坏时,必须更换新骨架油封;而出油口法兰密封面不良时,若检查密封圈已损坏,应及时修整或更换。

4.2 举升阀泄漏或零件损坏

(1)“O”型圈泄漏。一般不必拆卸单独的举升阀部分,除非紧急现场修理时,为防泄漏而更换各部分之间“O”型圈。主阀连杆螺母松开和重新拧紧时,易变形,造成粘合或与柱塞、提动头和阀芯的严重粘结,应检查机器密封面是否有刮伤或裂痕,若有则用精细研磨剂在一个光滑扁钢表面上研磨。

(2)进油部分零件损坏。排查所有的弹簧是否已断裂或变形;提动头座表面是否有裂缝或过度磨损;所有的座必须光滑且无裂缝;所有的孔和滑动零件的表面是否有裂纹、刮伤或过度磨损;提动头是否与它们各自的孔配合;提动头应能无粘连地自由地移动一整圈;阀套与低压溢流阀之间的配合和移动是否正确等;应更换所有的“O”型圈和支承环,在溶剂中清洁所有零件,且用压缩空气吹干。

4.3 举升先导阀零件损坏

检查密封埋头孔,无裂纹或凹痕;弹簧是否已断裂或变形;阀芯应无纵向刮伤痕迹、裂纹或凹痕;测试阀芯在阀芯壳体中是否配合,阀芯必须自由地配合且无粘连地旋转一整圈;应在溶剂中清洁包括壳体的所有零件,且用压缩空气吹干。阀芯壳体、阀芯、进出油壳体都不可单独地维护,若更换其中任何一个,则必须更换整个控制阀。

4.4 操纵阀卡死或操纵杆磨损

一旦液压油中存在污染淤渣或颗粒时,极易卡死操纵阀,会导致极其严重的后果。此时,必须更换全部液压油,清除其中杂质;传动箱主轴与油泵连接脱离或损坏时,应立即修整或更换传动箱主轴与油泵的连接件;而操纵阀杆磨损过大时,易导致液压油从阀杆处渗漏,应配换阀杆且重新研配。

4.5 举升油缸零件磨损或拔缸

(1)缸孔或电镀表面过度磨损或损坏。若油缸孔或电镀表面产生过度磨损或有凹槽,则必须更换该零件;或者可能的话,可将其重新加工和电镀至原始技术规格。

(2)油缸中无止回球和螺塞。若失去一个螺塞,且油缸中未发现止回球,则必须检查举升油缸的相反侧和通向举升阀的管路是否已损坏;检查举升阀本身,看止回球或螺塞是否已造成阀芯内部的损坏,可能会导致阀芯压缩部分的喷砂;此情况下,也可能出现阀芯的粘连。

(3)衬套总成紧密性差。衬套总成未被预先点焊过时,应检查其紧密性,通过使用专用工具SS1143且施加1 356N·m拧紧扭矩,检查衬套总成紧密性;若衬套总成移动,应拆下衬套,清洁盖总成和衬套内的螺纹,并按照衬套安装中的相关技术规范重新安装。任何油缸修理期间,必须检查螺塞,以确保其都紧密。若发现有任何移动,则应拆卸,并检查衬套中球座是否已变形。若出现球座变形,应更换衬套;若球座未变形,则应测量塞的厚度,采用新塞子,并确保衬套管中及螺塞上的螺纹清洁且干燥,即无油和溶剂。

(4)倾料使油缸、车架及铰链销损坏。重载举升倾料时,易造成卡车突然猛烈移动,导致举升油缸、车架和车身铰链销损坏及操作人员受伤,应避免载荷变化太快。若快速卸载,粘性物料不能从车身自由卸下,且促使卡车突然移动,必须杜绝装载有效载重量10%及以上的大块岩石。

(5)举升油缸拔缸现象。厢斗空车举升时,皆能按预定位置停止;而重车举升卸货时,举升到预定高度使限位装置动作时,仍未停止且继续上升,直到油缸伸至极限位置,活塞与缸筒产生机械冲击停止,长期作业会发生拔缸故障[3];而因其自身设计缺陷和存在劣化倾向,大斗定位销孔、举升缸销间隙磨损、变形等原因,举升缸重载升至极限位置时,重心后移致使举升限位开关间隙或位置无法保证,限位失败导致拔缸故障,即举升缸超出举升长度,双缸损坏液压油大量地泄漏。可将原预焊接在车斗底板上的液压缸上支座改为在举升最大高度时现场焊接装配,且对举升缸销及大斗销实施换型技术创新。

(6)举升油缸泄漏。泄漏有内泄漏和外泄漏之分。但缸筒之间的外漏是主要泄漏部位。因套筒密封部位承受着高压,对油缸的质量和使用条件具有更高的要求,长期厢斗歪斜卸货、油缸偏载超载受力,使用方法不当、维修养护不及时、运行环境恶劣等情况下,极易使油缸产生外漏。必须尽量保证缸体内壁光亮、无锈蚀或腐蚀痕迹,且装配密封件时,密封件通过缸体、活塞和活塞杆台肩时,需加设防护导向锥;通过环形沟槽时,须用适宜直径的电工保险丝,保证其顺利通过;通过螺纹部分时,应套外涂润滑油的旧薄铁皮防护套或硬纸包上;活塞杆处密封不宜太紧,杆伸出时表面留有薄油膜,返回即被擦下,可显著提高活塞杆和密封的寿命。

4.6 污染物堵塞导致系统油温高

油温过高是卡车的常见故障。一般是指大型电动轮卡车液压油温≥65℃。易使系统油的粘度下降,阀件温度升高,导致阀件及油管接头密封件等高温老化,也会使阀件难以回位,无法正常工作[4]。若油液受到污染,即使元件质量好,泵和阀磨损产物增多,形成恶性循环,导致系统油温过高。常见污染物有:投入使用前残存的橡胶碎片、氧化皮、铁屑等原有污染物;油液的氧化物、化学物沉淀、金属磨粒及橡胶管脱落物等自生污染物;密封不严、维修中不清洁、现场更换或补充新油时带来的外界污染物等。

一旦污染淤渣或颗粒堵塞系统,会加剧机件的磨损、卡滞和失灵。原有污染物对新车影响严重,对老车影响较小,会促使元件运动副磨损加快,系统效率低,元件寿命短,发热严重甚至烧毁泵;自生污染物进入精密阀体和阀芯配合元件或滑阀缝隙时,易粘着或卡住阀芯,导致阀件频繁失效及执行器故障;外界污染物将使阻尼孔、节流口、控制油口及管路面积减小,甚至被堵死,致使能量损失加剧,导致系统过热[5],应立即停机排查系统压力、卸载周期、油液液面、油清洁度;或泵的出油管路能保证溢流阀压力正常、换向阀中位,泵能低压下卸载。否则,将导致烧毁泵,污染整个液压系统。

5 结语

举升液压系统是大型矿用电动轮自卸卡车的关键系统。其运行是否平稳,将直接影响到自卸卡车的生产效率、生产成本和能耗水平。通过对其举升液压系统进行长期、深入的技术探究及处理,能确保矿山的安全生产,大幅提高生产效率,有效地延长卡车的使用寿命,提高车辆完好率,大幅降低生产成本,可为提高矿山的技术经济和环保效益提供强有力的技术保障。

参考文献

[1]张伟旗.电动挖掘机钢丝绳失效形式探究及其预防[J].工程机械,2011,(7):65.

[2]王成虎.矿用自卸车液压举升系统原理及常见故障排除[J].矿业装备,2012,(7):100-101.

[3]韩彦军.630E自卸卡车液压举升系统缺陷分析及改进措施[J].中国科技博览,2010,(1):251-251.

[4]朱平.大型矿用卡车液压系统油温过高原因分析[J].露天采矿技术,2011,(6):90-91.

浅析纯电动卡车技术及其未来发展 篇4

1 纯电动卡车核心技术

1.1 动力电池技术

现阶段,纯电动卡车采用的动力电池存在多个种类,分别有锂离子电池、镍氢电池及铅酸电池等,对这些常见动力电池性能进行比较,见表1。由表1可知,锂离子电池、超级电容器有着可观的发展前景。即便锂离子电池有着经济成本高、温度适应能力低及管理难度大等问题,不过凭借其能量密度高优势,其可有效为混合动力车等提供动力来源。就后一种动力电池而言,其存在能量密度较低特点,不适用于进行长途行驶,不过凭借其极高功率密度及便捷充电性能,可广泛应用于纯电动重型牵引车[2]。

1.2 电机及其控制技术

1.2.1 电机及其控制技术

电机及其控制技术是纯电卡车动力系统中不可或缺的一部分,很大程度上影响着车辆运行动力性、经济性。要想确保车辆拥有可靠的运行性能,要求纯电动卡车驱动具备过载能力强、调速范围宽、质量轻、体积小、功率大等特点。目前,在纯电动卡车上推广的电机分别有直流电机、感应电机、开关词组电动机以及永磁无刷电机4个种类。其中,电动车上最初引入的是直流电机,在如今控制技术飞速发展背景下,以永磁无刷电机为主要代表的交流电机在电动汽车领域得到广泛推广。永磁无刷电机凭借自身能量、功率、惯性、体积小等特征,适用于纯电动卡车驱动系统,在电动卡车上得到广泛推广。

1.2.2 充电技术

要想确保纯电动卡车与一般车辆一样有序行驶,必须对其便捷充电要求予以满足。一般情况下,多种不同种类的动力电池有着各异的充电属性,如此要求纯电动卡车充电方式务必要与电池充放电曲线相吻合,以便于电池发挥自身有效性能,其充电模式通常包括一般充电、快速充电及更换电池组3个种类:(1)一般充电,指的是选取0.1~0.3 C的小电流在较长的时间中进行慢速充电的一种充电方式,这一充电方式所需要使用的时间大约在5~12 h之间,多选取晚间用电低谷期开展充电。(2)快速充电,指的是采用较大电流在30~60 min内,为电池展开短时充电的一类充电模式。快速充电能够一定程度消除续航里程缺欠时电能补给问题,但是有可能会对电池的使用寿命产生负面影响,并且快速充电时的电流相对更大,使得对安全性及技术提供要求极高。(3)更换电池组,是指直接经由对车载电池进行更换的方式来实现对电能的补充,所需耗时与燃油汽车加油相近,在5~15 min之间。不过该类充电模式对电动汽车、车载电池提出了标准化的要求,且对更换人员提出了极高的技术要求。

伴随无线技术的发展,无线充电理论得到越来越多人的关注,这一理论通过磁共振、电磁感应等充电方案,可有效解决长时间以来电动汽车充电离不开充电线的问题。

2 纯电动卡车发展必然趋势

全面新能源汽车行业在时代发展新形势下,要跟上时代步伐,针对市场需求,引入发达科技、成功发展经验,逐步优化纯电动卡车发展,如何进一步结合支撑着力点看纯电动卡车发展趋势,具体如下所述。

(1)新供给带来新需求。有别于传统燃料汽车,新能源汽车以电能等作为驱动力,它们是汽车领域中的新供给。以物流用车市场为例,过去人们无法想象的纯电动卡车、纯电动轻客等新产品被投入进城市物流运输中,势必会引来消费者对它们的关注,进而使其得到广泛推广。

(2)政策阻力推广应用。2016年,国务院常务会议对支持新能源汽车产业措施予以了进一步明确,经由结构优化促进绿色发展。并且为了深入推动新能源汽车产业发展,会议还制定了新能源汽车相关的一系列举措。其中,有举措强调,要提升城市交通、物流、环卫等行业新能源汽车应用占比。由此可见,政策层面对新能源汽车发展予以了极高的重视,这必然能够推动纯电动卡车的有效发展。

(3)全球发展趋势使然。2015年,我国汽车产量、销量逐一是2 450万余辆、2 460万余辆,近7年来都排在世界销量榜首。具体到纯电动汽车产销为25万余辆、24万余辆,纯电动商用车产销均为10万余辆[3]。相较于世界发达水平国家,我国新能源汽车产销量同样位列全球第一。由此可见,我国是全球第一大汽车、新能源汽车消费市场,所扮演的市场引领者角色,必然对纯电动卡车提出了极高的发展需求。

(4)环保要求不断升高。伴随机动车排放增多所造成的空气污染现象,尤其是物流用车对城市空气质量所造成的不良影响,得到越来越多的关注。相关统计数据显示,一辆排放达标的重型柴油车的排污水平可达到一般客车排放污染物的一百倍以上。因此,对各式各样货运车辆有必要在排放控制上开展升级。纯电动卡车不需要担心尾气排放所造成的空气污染问题,势必能够得到广泛推广。

3 结语

纯电动技术凭借其节能环保的优势,现阶段,世界各国无不投入进电动汽车相关技术的研究中,以为后续产业发展谋得先机。鉴于此,相关人员务必要全面分析纯电动卡车核心技术,清楚认识纯电动卡车发展必然趋势,不断钻研、总结经验,积极促进新能源汽车有序健康发展。

参考文献

[1]胡林,谷正气,黄晶,等.电动汽车的关键技术分析[J].机械制造,2005,43(10):45-47.

[2]王国川,朱小平,王宗社.电动技术在卡车上的应用[J].汽车实用技术,2010(3):31-34.

卡车电动轮 篇5

随着能源危机和新能源汽车技术的发展,电动乘用车和电动客车均有长足的进步[1,2]。轻型卡车具有基数大、使用范围广的特点,主要用于中短途运输,适合纯电驱动[3]。伴随着城市发展,机动车数量增多,车辆尾气排放、雾霾等环境问题越来越受到关注,部分城市对传统车辆尤其是货车限时、限行,而电动卡车不受限,可以大大提高物流运输效率,具有广大的市场潜力[4,5]。

与已经推广应用的电动乘用车和电动客车相比,电动轻型卡车(尤其是物流车、环卫车等)有其独特之处:统一购买和规划调度,使用中需实时获取车辆信息;对运行成本非常敏感,必须尽可能节能,延长续驶里程;行驶道路多样,日夜不分,工作环境恶劣;保养程度差,要求成本低,又必须满足使用需求;附件装配需求多样化。因此,需要针对电动轻型卡车的特点开发整车控制器[6]。

本文介绍电动卡车整车控制器的研制,通过与电池管理系统、驱动电机系统、仪表等设备通信,综合管理各部件,完成车辆驱动、信息监测、能量管理、故障处理等功能,同时达到所需求的性能。电动卡车因其低噪声、零排放、智能化等特点将在日渐发展的城市交通中占据一席之地。

1 电动轻型卡车结构

电动轻型卡车主要由整车控制器、驱动电机、电机控制器、电池模组、电池管理系统、DC/DC变换器及仪表等构成。整车控制器是核心,通过CAN总线对车辆各个模块监控和通信。

本型电动轻型卡车的电机选用异步感应电机,功率为20 k W(额定)/40 k W(峰值)。动力电池采用磷酸铁锂电池,单体标称电压3.2 V,标称容量5 Ah;总标称电压320 V。仪表采用某型CAN总线电子仪表,符合相关国家标准。

电动轻型卡车整车系统如图1所示。

2 整车控制器的应用需求

整车控制器是整车控制的核心,它获取车上传感器的参数,捕捉驾驶员意图,驱动车辆;监控车上部件的运行情况,实时对车辆状态进行调整。在电动轻型卡车上,整车控制器主要完成以下任务:

(1)车辆驾驶:采集司机的驾驶意图,驱动车辆;

(2)网络管理:监控通信网络,信息调度,信息汇总,起网关作用;

(3)辅助驱动仪表,显示车辆信息;

(4)故障诊断处理:诊断传感器、执行器和系统其他部件故障并进行相应的故障处理,按照标准格式存储故障码;

(5)在线配置和维护:通过车载标准CAN端口,进行控制参数修改、匹配标定、功能配置、监控、调试;

(6)能量管理:通过对电动汽车车载耗能系统的协调和管理,获得最佳的能量利用率;

(7)功率分配:通过综合车辆信息、电池和电机信息计算电机功率的分配,进行车辆的驱动控制和制动能量回馈控制,从而获得最佳驾驶性能;

(8)坡道驻车辅助控制。

3 整车控制器硬件设计

硬件系统是控制策略、网络驱动、应用软件、调试标定等软件运行的载体。

3.1 整车控制器硬件模块结构和核心元器件选择

整车控制器核心控制芯片应具有较强的运算能力,保证系统的实时性;能够采集各传感器信号;能够与电机控制器、电池管理系统、仪表等进行通信,实现整车控制。核心控制芯片采用飞思卡尔16位微控制器MC9S-12XEQ512MAG,专为汽车控制设计,工作温度范围宽,可靠性高。该控制器具有32 KB内部RAM、512 KB片内Flash存储器、4 KB内部EEPROM和32 KB片内D-Flash存储器,4路MSCAN外设用于CAN总线,2个12 bit A/D,6路SCI,3路SPI总线,2路IIC总线,总线时钟最高可达40 MHz。

整车控制器采用12 V电压平台,工作电压范围为9 V~16 V,并可通过硬件配置兼容24 V平台。整车控制器设计有8路模拟输入通道、18路数字开关输入通道、12路数字开关输出通道、2路脉宽调制输出、3路隔离CAN通信接口、5 V外部传感器供电输出。整车控制器硬件原理框图如图2所示。

整车控制器元器件几乎全部采用汽车级器件,工作温度范围-40℃~125℃,具备汽车级标准。

3.2 整车控制器硬件布局布线设计

电动卡车的工作环境差、保养程度低,整车控制器在设计时除了要注意原理图的设计满足功能需求,在PCB(Printed Circuit Board,印制电路板)设计上也需要进行特殊的处理,以达到高可靠性和较强的机械及电磁防护水平。

3.2.1 电路板材料设计

整车控制器采用4层电路板设计,中间两层是电源层和地层,保证了电源和地平面的稳定;顶层和底层是器件布局和走线层,进行加厚铺铜设计,铜皮厚约35μm,保证大电流通过能力,并增强了散热能力。整体采用2 mm厚的基材,保证电路板刚性,提高抗形变能力。

3.2.2 电路板电磁兼容设计

PCB四周采用过孔连接顶层、底层及中间层的地构成地墙,装配后处于外壳接缝处,可以阻隔溢出和渗入的电磁波;在顶层电路板的阻焊层添加裸露围边,俗称“开天窗”,与金属外壳装配时连接在一起,将地墙地和外壳地短接,增强电磁防护。

3.2.3 接口电路防护设计

接口上,整车控制器在板端输入和输出端子入口处都设计了瞬态抑制二极管和EMI(Electromagnetic Interference,电磁干扰)滤波器件,防止电浪涌和电磁干扰并尽可能靠近外部接口。设计接口在电源电路上能够承受1 500 W瞬时功率浪涌,在信号接口电路上能承受600 W瞬时功率浪涌,并抑制高频EMI。接口电容电阻耐压值大于等于50 V,保证了接口容阻器件的可靠。

3.2.4 外部材料物理性防护设计

整车控制器采用铝制冲压外壳,抗冲击能力强,质量轻,易安装。同时电路板接口采用汽车级接插件,具备IP65防护等级,从而保证了整车控制器外部接口物理结构的可靠性。

4 整车控制器控制策略

4.1 整车协调控制

整车控制器控制软件采用有限状态机编程结构,以状态为单元判断事件并进行相应的处理;采用实时控制,采样间隔1 ms;优化底层驱动编写,减少处理时间,为上层应用程序的驾驶员意图判断、策略处理等提供支持。

根据车辆运行状态,分为初始状态、钥匙ACC、钥匙ON、预充电、就绪、空挡、前进、倒退、错误状态等9个状态(见图3),控制逻辑在任意一个状态只能根据相关约束条件跳转到特定的其他状态,在某一个特定状态只能进行特定的某些操作,从逻辑上防止了误操作的可能性。

车辆在钥匙ON状态打开弱电开关,就绪状态表明高压回路接通,车辆可以行驶,而前进、空挡、倒退3个状态分别对应驱动的3个状态,通过不同的驱动策略对车辆进行控制。当钥匙位于off挡,则为初始状态,车辆切断高压和低压电。

4.2 能量管理与优化

整车控制器控制策略的核心是根据驾驶员的操作分析其意图,并结合车辆动力能源和动力系统的实际情况给出最符合当前工况的输出,以达到快速响应驾驶员意图、合理分配车辆动力性能的目的。当车辆处于驱动状态时,需要进行能量管理与优化。

整车控制器以控制电机输出转矩为主,输出转矩与驾驶员动作信号(加速踏板开度、加速踏板开关、制动踏板开关、挡位信号)、电机驱动系统状态(电机转速、电机温度等)、能源系统状态(蓄电池电压、电流、最大充放电功率、电量)相关。

4.2.1 电机实际输出功率与电池最大输出功率限制的匹配策略

该策略是为了最大限度地保护电池、电机驱动系统以及整车功能的安全运行。一方面,动力电池在大功率充放电时,会影响到其使用寿命,甚至产生过流、过温而导致电池管理系统报警、断电,影响整车功能运行。另一方面,经过调查发现驾驶员并不期望电动卡车具备高速、高灵敏性的加速踏板响应,而更趋向于稳定的加速和可靠的减速性能,以及尽可能长的续驶里程。为此,需要根据电源系统的能力匹配电机输出功率。

本车使用电池标称持续充放电100 A,峰值放电150 A持续180 s。由于动力电池大电流放电将会影响其实际的使用寿命和性能,根据车辆实际情况需要,需保证最大放电电流不超过100 A的持续放电能力,因此设定电池输出功率不超过100 A×330 V=33 k W(实际电池电压330 V)。

根据实际输出要求计算,当电机峰值功率超过电池设定所能承受的功率时,需要对电机功率进行匹配限制,具体表现在对其输出转矩的限制上:由于功率和输出转矩计算呈线性关系,将实际适应功率按照实际比例减小,则Tr=T×33 k W/P,其中Tr为限制实际输出的转矩,T为当前转速对应的峰值转矩,P为当前转速对应的峰值功率。当电机当前功率没有超过电池设定限制功率时,不进行功率匹配限制,如图4。

由此限定动力电池的持续工作输出电流不会超过100 A,确保动力电池保持在持续工作电流下工作,限制电池的过放电,提高动力电池系统的使用效率和寿命。

4.2.2 驾驶员意图修正策略

加速踏板开度需根据电机转速进行分段校正,以得到不同开度时的电机扭矩输出限值。在此基础上进行踏板开度百分比对应电机当前最大输出扭矩百分比进行扭矩输出。即Td=N%×Tr,Td为驾驶实际产生的扭矩输出,N%为踏板开度百分比,Tr是当前转速电机能够输出的最大限值的扭矩。

随着电机转速上升,最大输出扭矩会减小,如果加速踏板开度不变,则车辆的驱动力会逐渐减小,加速度降低,符合驾驶员驾驶习惯。

4.2.3 跛行时的限速控制策略

当检测车辆故障需要进入跛行时,调整电机实际输出扭矩值,使其与车速产生负相关关系,车辆加速达到20 km/h后电机输出扭矩为0,不能继续加速,车速会被限制在小于20 km/h的一定范围内(与实际车况和路况有关),达到跛行的目的。

4.2.4 回馈制动策略

回馈制动是电动车,包括纯电动、混合动力车的标志性功能。其作用主要为回收部分电能以及辅助车辆制动。回馈制动需要注意:驾驶员的实际驾驶感觉;电池所能接受的最大回馈电流;电池电量不能过高,以免过度充电损害电池。

在驱动前进状态或驱动后退状态时,踩制动踏板,电机进入回馈制动模式,与机械制动一起提供制动能力,其制动力矩与当前电机转速有关。

当转速较低时,能量回馈效率低且影响驾驶员的操作感受,故不进行回馈制动。电机在1 500 r/m~4 000 r/m之间时,设定恒定回馈扭矩为20 Nm,此区间是电机最经常工作的区间。当车辆速度提高至5 000 r/m以上时,结合机械制动能力,回馈制动扭矩不宜太大,以免影响驾驶员的驾驶感觉,因此设定为随着转速提高制动扭矩从20 Nm线性递减到8 Nm。

该制动策略目前在峰值时制动功率约为8.5 k W,回馈电流约25 A,属于辅助性的回馈制动。

4.3 整车控制器故障分级策略

整车控制器故障实施分级处理策略。当出现需要维护但不紧急的故障时,响应二级故障,整车控制器控制车辆进入降功率运行,即跛行,以避免损害加重。当出现可能对人员和车辆造成严重损害的故障时,整车控制器响应一级故障,需要马上断电停车。例如绝缘电阻小于80 kΩ或100Ω/V时,整车控制器通知各个部件并切断高压电回路,车辆停机断电等待维护人员维修。

5 整车控制器测试和应用

整车控制器在具备车辆ECU(Electronic Control Unit,电子控制单元)测试资质的天津汽车检测中心接受了国家标准QC/T413、GB/T17619、GB/T21437.2、GB/T18655相关的ECU测试,包括防护性能等级测试、过电压测试、温度循环测试、振动测试、盐雾测试、电磁辐射抗扰性测试、电磁传导抗扰测试、电磁骚扰特性测试。测试通过,满足设计要求。

控制器首先在某型0.9吨纯电动厢式运输车上应用。该车整备质量1 525 kg,额定载重量900 kg。整车调试阶段进行了500 km空载城市郊区路况和3 000 km满载城市郊区路况实验,期间未出现故障,运行情况良好。目前该车型已经进入量产阶段。

本控制器还用在某型纯电动环卫车上,该车整备质量2 320 kg,额定载质量2 040 kg。目前该车也已进入量产阶段。

整车控制器量产验收需进行黑盒测试。设计了测试工装对整车控制器进行功能性测试,对CAN总线、信号输入、信号输出都进行实际信号传输测试,外部利用LED灯指示模块故障,工人可以在2 min内迅速掌握测试工装的使用,检测量产控制器是否功能完好以及记录故障和故障模块位置。

利用C#编写上位机监控调试软件可以实时监控整车信息,方便工程人员调试车辆。

6 结论

本文根据实际需求,提出了一种用于电动轻型卡车的整车控制器的设计方案以及实现策略。根据设计方案,在对样机进行测试和实车调试后,各项指标满足需求,表现出可靠的硬件性能和软件性能。

电动汽车正在快速发展,其产品功能细分等越来越受到重视,本文所述整车控制器产品的成功实现能够为今后各类电动汽车控制器的开发提供借鉴和参考。

参考文献

[1]Cheng Chunyan,Ma Xiaolei,Yu Wenjia,et al.Status and prospect of new energy:a review[C].Digital Manufacturing and Automation(ICDMA),2012 Third International Conference on IEEE,2012:796-800.

[2]陈瑞青,白辰.中国新能源汽车产业发展现状、问题及对策[J].汽车工业研究,2015(1):10-13.

[3]王国川,朱小平,王宗社.电动技术在卡车上的应用[C].陕西省新兴能源与可再生能源发展学术研讨会,2011:31-34.

[4]NAPOLI G,ANDALORO L,SERGI F,et al.Electric vehicles for urban logistics improvement[C].Electric Vehicle Symposium and Exhibition(EVS27),2013 World.IEEE,2013:1-4.

[5]MACHARIS C,LEBEAU P,Van Mierlo J,et al.Electric versus conventional vehicles for logistics:a total cost of ownership[C].2013 World Electric Vehicle Symposium and Exhibition(EVS27),2013:208-210.