【導讀】礦用電機車的分類····························································2. 蓄電池式電機車·······················································3. 礦用電機車的優(yōu)點····························································4. 電機車的工作原理····························································5. 電機車的工作條件····················································6

　　

【正文】 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 第 22 頁 （ 2） 均衡梁。 在實際運轉中，由于軌道不平或局部凹陷．就可能使三個車輪支撐在鋼軌上而另一個輪 懸空，電機車一側的載荷小于另一側，使整個機車處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)，不僅電機車重量在各個車輪上分配不均勻，而且會發(fā)生很大的沖擊，這對彈簧托架的壽命影響很大。所以必須將均衡梁兩側的彈簧托架連接在 起。受力不等時，均衡粱將以鉸接點而轉動，直到車輪的載荷分配均勻為止，以平衡戴荷，保證電機車運行的平穩(wěn)性。 2． 作用 （ 1） 緩和與吸收電機車通過鋼軌接頭，道岔和不平整的軌道時產(chǎn)生的沖擊和震動。 （ 2） 把電機車的質量通過輪對均勻地 分配、 傳遞在鋼軌上。 （ 3） 保證電 機 車運行平穩(wěn)，延長電機車和軌道的使用壽命。 將電機車同一輪 對 的兩端車輪聯(lián)成一個支點的均衡梁稱為橫均衡梁。將電機車同一側的前后兩個車輪聯(lián)成一個支點的均衡梁稱為縱均衡梁?，F(xiàn)在使用的 10t 架線電機車的第一輪對前端設橫均衡梁，后輪對不設縱均衡梁。 同均衡梁連接的板彈簧，一端用其本身的鏈環(huán)同電機車車架鉸接，只一端做出特殊的槽座。橫均衡梁兩端帶球狀表面的支柱支撐在板彈簧的槽座上，橫均衡梁用固定件固定鉸接在車架上。 3． 技術要求 （ 1） 板彈簧有一定的正向撓度； （ 2） 板彈簧用 55 以上的硅鐵合 金 鋼制作； （ 3） 板彈簧共四組，前后兩組不能互換使用，鎖箍下端都有一帶球狀表面的支柱。 司機室 司機室有各種各樣的設計， 有單司機室和雙司機室。 本電機車設計成 有單 個司機室 的形式。 司機室 設計成可拆卸式，下部通過螺栓與車體連接。它 是司機操作電機車的工作室， 材料 為 鑄鐵或鑄鋼做成，以增加電機車的柘重和粘重合理分配。司機室內設有 司機座、 控制器 、 制動手輪 、 自動開關 、 通訊裝置 、 操作把 (按 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 第 23 頁 鈕 )，照明開關等。 司機室的 一 側開一門，供司機進 出 。司機室 的前 后 方 設 有 觀 望 窗 ， 以便司機 瞭 望。司機座位偏向電機車右側．便 于 司機操作了望。司機右 手操作制動手輪，左手操作控制器便可使電機車起動，調速運行或制動 。 緩沖裝置 為避免機車和所牽引礦車之間的剛性沖擊，需對機車加裝碰頭，又稱緩沖器，裝于前后車架端板上，實踐證明彈簧緩沖器最為方便，礦山機車用的車鉤最為簡單，它是由一個普通鋼環(huán)和掛鉤組成，掛鉤只裝備在礦車上，如今已有了較現(xiàn)代化的自動車鉤，但是這類車鉤的設計相當復雜，它只是用于重型車較為合理。 1． 組成 （ 1） 電機車的兩端各裝一個緩沖器。電機車的緩沖器按其結構形式分為剛性 、 半剛性和彈性三種。 ①剛性緩沖器是一個鑄鐵或鑄鋼件，它既是電機車的緩沖器，又是電機車的端板。由于本身質量很大，能吸收，減弱電機車的一部分沖 擊力。部分 ZK10 型電機車就使用這種緩沖器。 ②半剛性緩沖器是用螺栓將木塊固定在金屬殼內制成的。 它只適用于小型電機車。 ③彈性 緩沖器是裝有緩沖器彈簧或裝有緩沖橡膠墊。彈性緩沖器的雙向作用于 它即可減小礦車與電機車碰撞時產(chǎn)生的動載荷 (這時彈簧壓縮 ),也可以緩件列車起動或加速時的動載荷 (這時彈簧拉長 )。 （ 2） 彈性緩沖器 由 鑄鐵或鑄鋼件制成，經(jīng)帶有壓縮彈簧的螺栓聯(lián)接在電機車端頭的鐵殼中。 （ 3） 在緩沖器上有 2— 3個連接口和一個連接銷孔，用來插入連接銷，懸 掛 連接裝置并傳遞牽引力或制動力。 2． 作用 緩沖器也叫碰頭，用 以防止沖擊或緩和強烈的沖擊，以保護車體和各種設 備不受損壞。沖擊一般來自電機車和礦 車 連接瞬間，如電機車制動時與礦車的撞擊，以及機車掉道，追尾，碰頭等事故發(fā)生的強烈沖擊。 3． 技術要求 （ 1） 彈性緩沖器的伸縮長度不應小于 30mm。 （ 2） 一個連接 吊 距軌面的高度分別為 270mm， 320mm， 430mm，稱之為牽引高度，可連接 不 同高度的礦車。 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 第 24 頁 連接裝置 1． 組成 連接裝置由連接銷 和 連接環(huán)組成?，F(xiàn)在使用的是八字環(huán) (雙環(huán)，三環(huán) )和電磁自動鉤。 2． 作用 （ 1） 連接電機車和礦車； （ 2） 傳遞電機車的牽引力。 3． 技術要求 （ 1） 電機車的連接銷為 50mm 直徑的鍛鋼件； （ 2） 連接裝置都要經(jīng)過拉力和破斷力試驗，其安全系數(shù)要符合《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定。 制動器 根據(jù) 采礦規(guī)程和礦山工作條件制定的要求，都明確規(guī)定了礦山機車必須裝備制動器。電力機車使用各種不同的制動器有以下幾種類型： （ 1）手控機械制動器； （ 2）液壓機械制動器； （ 3）空氣機械制動器； （ 4）電力變阻制動器； （ 5）磁化鋼軌制動器； （ 6）軌道機械制動器； 對于架線電機車常采用液壓制動和空氣制動，此兩種制動效果優(yōu)于其他方式的制動，但需加單獨直流電 機驅動，且耗電量大，制造成本高，結構復雜，只適合用于架線大噸位機車上。至于磁化鋼軌制動和軌道機械制動都屬于軌道制動，電磁軌道制動是將電磁鐵用彈簧懸掛在車論之間，直接裝在主車架下且恰在鋼軌之上。當電流通過電磁線圈時，磁鐵便吸住并壓住鋼軌，磁鐵的鋼軌與鋼軌摩擦產(chǎn)生了機車所需的制動力。電磁軌制動一旦電源中斷就無法使用，這是導致交通事故的原因之一，一般也是規(guī)程所不允許的。還有些機車安裝的是空氣軌道制動器，其制動靴是借壓縮機空氣制動缸將其低壓 在 軌道上，而制動缸的氣源則由電氣控制，其懸掛必須調整得使磁鐵總是處于軌面上大 體相同的距離，且應盡可能地靠近軌面。這種作用形式的制動器只有在鋪設和維護都良好的軌道上才能高效。但是礦山 的 正常情況下，很難達到如此的要求 ， 因此也不常用。 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 第 25 頁 用于蓄電池機車上的制動器也只能選用手控機械制動或電力變阻制動。這兩種制動方式適用于各類機車。手控機械制動簡單 、 可靠，但缺點是手制動作用緩慢，且需消耗司機較大的體力，為了使制動器能迅速奏效，司機應操作得體，并不完全緩解，而讓機車在制動閘瓦輕壓輪轂的情況下運行。這種操作方式顯然會造成電動機連續(xù)過載，此外，這種方式還會導致輪轂和制動閘瓦的過度磨損。在英國， 7T 以 上的各種機車同時加載了空氣制動器。因此手動制動一般應用于小噸位的機車，本機車自重為 5T，可以選用手控機械制動器。電力變阻制動采用電氣的方法制動，即使得電動機反轉。電動機的電磁轉矩與旋轉方向相反進行制動，這時稱為電動機處于制動狀態(tài)。 電氣制動有三種方法：能耗制動，反接制動和回饋制動（也稱為在生制動）。 1． 能耗制動： 電動機原先處于電動狀態(tài)工作（電磁轉矩與旋轉方向相同） ， 制動時，保持勵磁電流不變，即磁通方向不變，把電樞兩端從電源立即轉接到電阻 Rz上，此電阻稱為制動電阻。 由于生產(chǎn)機械和電動機的慣性，電動機繼續(xù) 按原來的方向旋轉。磁通方向沒變，產(chǎn)生的感應電動勢方向也沒變。這時電動機變?yōu)榘l(fā)電機運行，電樞電流的方向及其 產(chǎn)生的電磁轉矩的方向改變了，使得電磁轉矩的方向與旋轉方向相反了， 成為制動轉矩，使電動機迅速停止轉動。這個過程的物理性質是電動機由電機車自身的慣性作用拖動發(fā)電，把存儲的動能轉換成電能，在消耗在 Ra 和 Rz 上，所以成為能耗制動。制動電流越小，制動時電樞電流就越大，產(chǎn)生的制動電磁轉矩也越大，制動作用越強。為了避免制動轉矩和制動電樞電流過大給系統(tǒng)和電動機帶來不利影響，通常選擇 Rz 使最大制動電樞電流不超過電動機額定電 流的 2～ 倍。 2． 反接制動： 為電樞反接制動，當電動機在電動狀態(tài)下，以轉速 n 穩(wěn)定運行時，維持勵磁電流不變，即磁場不變，突然改變外施電樞電壓的極性，由原來與 Ea反向變?yōu)橥颍措姌须妷赫優(yōu)樨?。此時電樞電流與原來相反，數(shù)值很大，產(chǎn)生一個很大的電磁制動轉矩，使電動機很快停轉，稱之為反接制動。 但是反接制動時電樞電流過大，使得電源電壓波動，產(chǎn)生強烈的制動作用，使電機車受到?jīng)_擊。因此，在反接制動時電樞電路中串入附加電阻，電阻的大小選擇應使反接制動時電樞電流不超過電流的 倍。制動時電動機變?yōu)榘l(fā)電機運行， 電源供給的能量與電機車運行的動能都消耗在電樞電阻和 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 第 26 頁 附加電阻上。若制動的目的是為了停車，而不是反轉，電動機轉速接近于零時必須立即斷開電源，否則轉速過零后又反方向起動。 3． 回饋制動 ： 位能負載 的 回饋制動 如電動機拖動機車下坡時，位能轉變?yōu)閯幽苁闺妱訖C加速，當轉速高于電動機的理想空載轉速時，電動機就處于回饋制動狀態(tài) 。 因 為 n ＞ n 。 時 ， 產(chǎn) 生 的 感 應 電 動 勢 Ea＞ Un， 電 樞 電 流Ia=( UnEa)/Ra=(EaUn)/Ra 的方向與原來相反了，磁場沒變，電流產(chǎn)生的電磁轉矩隨電流方向的反向而反向了，對電動機起制動作用 。此時電動機處于發(fā)電狀態(tài)運行，把機車失去的位能轉變?yōu)殡娔?，電流由電樞流向電源正端，能量反饋給電源，所以稱為回饋制動。 調壓調速時的回饋制動，若電動機工作在電動狀態(tài)時突然 使 電壓降低，使電壓小于當時電樞電動勢 Ea，則電機就變?yōu)榘l(fā)電運行，進入回饋制動狀態(tài)。隨著轉速的下降Ｅ a下降，到 Ea 等于降低后的電壓值時，回饋制動結束。此過程在晶閘管可逆直流調速系統(tǒng)中獲得應用。 綜上所述的３種制動方式，應用在電機車上以能耗制動最為簡單經(jīng)濟。反接制動由于產(chǎn)生的制動力大，常造成電機車受到很大的沖擊。另外，制動時間不好控制，不及時斷電 ，會使得電機車反方向運行，增加了危險性。位能負載的回饋制動不適用于本機車，因為本機車的使用條件都在平巷中，其坡度一般限制為０～５％。調壓調速的回饋制動成本較高，因制動頻繁和電流過大，會造成電子元件毀壞和老化 ， 故不宜采用。 礦用電機車除 14t 及以上的重型電機車有空氣制動裝置外，其他中，小型電機車均不設空氣制動裝置，現(xiàn)有部分 10t 電機車改造時裝設了 空 氣制動裝置。 電機車都 沒 有電氣制動裝置，其優(yōu)點是：不磨損機車的車輪和閘瓦，但制動力隨電機車運行速度的降低而減小，不能使電機車完全停住。因而要實現(xiàn)迅速停車，還必須施行 機械制動，在各種礦用電機車上 均 設置機械制動裝置，并 且 都是閘瓦式機械制動裝置。如圖 2－ 7所示。 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 第 27 頁 圖 2－ 7 制動裝置結構簡圖 1－手 柄 2－ 凸輪 3－ 螺母 4－ 連桿 5－ 連接頭 6－制動桿 7－ 制動鼓 閘瓦式機械制動裝置的控制方式有三種：手動，風動和液壓控制。 手動控制是最基本的方法，可以單獨設置。但無淪是風動或是液壓控制，系統(tǒng) 均應附加手動控制，以提高制動系統(tǒng)的可靠性。 1． 組成 機械制動裝置由手柄，凸輪，螺母，連桿 ， 連接頭 ，制動桿 ， 制動鼓等組成。 2． 作用 機械制動裝置可使運行中的電機車隨時減速 、 停止。 3． 機械制動裝置動作過程 電機連接的齒輪軸上裝有一個制動鼓 ，制動桿連接在連接頭上。連接頭用于調節(jié)制動桿與制動鼓得相對距離 。 手柄與內置凸輪鉸接在一起，并用螺母固定在車體上。 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 第 28 頁 凸輪殼上有一小孔，用于注油和潤滑。手柄用螺紋連接在鉸接軸上。 停車后將控制桿撥向停車方向，使得電機短路，便可穩(wěn)定停在鐵軌上。 4． 技術要求 因制動桿在震動中容易松動須定期檢查并緊固連接頭。 一般手制動裝置的制動率為 一 ，電機車的手制動裝置的制動率 最大為 — 。 實際上，制動裝置的各鉸接點均有摩擦損失，也就是說制動手輪上所施加的力不可能全部轉化為 制動鼓 壓力，所以制動機構的杠桿傳動效率總小于1。為使電機車制動，閘瓦上的制動力不能超過 — 定限度，這個限度稱為“制動力的極限值”，超過此值時會將 制動鼓 抱死， 容易引起電流增大燒毀電機 。 電氣部分 電源裝置 蓄電池 ： 礦用蓄電池有鉛酸蓄電池和堿性蓄電池兩種。 鉛酸蓄電池 1． 構造 酸性蓄電池又稱鉛板蓄電池。 其外殼容器是由硬橡膠做成，外殼內注有硫酸（ H2SQ4）溶液。在外殼內相距一定距離 裝有正負極板（電極）。正負極板彼此間隔排列，正極板夾在負極板夾的中間，正極板的數(shù)量比負極板少一塊。正極板間用絕緣體（硬橡膠板或膠合板及塑料板等）絕緣，以免活性物質脫落沉淀在兩個異性極板之間而造成短路，毀壞電路。各正負極板分別用連接桿連成一組，每組上面有 1～ 2 個接線柱，作為蓄電池的引出端。把已裝好的極板組裝在外殼內，就形成了蓄電池。 蓄電池上面有蓋，蓋上有孔塞。正負極板的引出端，通過蓋上的套管孔出來，用來與外電路連接。 在裝置蓄電池時，極板下面的邊緣離開外殼的底面要有足夠的距離，這樣電池在工作時所脫落和破碎的 活性物質，沉淀在外殼底版上時，就不致造成極板短路。另外，由于蓄電池在工作時正極板體積的增大，所以就安裝極板時應留有能使極板自由向兩邊膨脹的余地。 2． 充放電 原理 鉛酸蓄電池放電時在正負極板上都形成硫酸鉛（ PbSO4） ,即正極板上的 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 第 29 頁 過氧化鉛被還原，而在負極板上的鉛被氧化，此時，消耗硫酸變成水，使電解液比重下降。當充電時，在正極板上形成過氧化鉛，而在負極板上形成海綿狀鉛，生成硫酸 ， 使電解液比重增高。蓄電池的充電和放電的化學反應式如下： 放電 PbO2 + Pb + 2H2SO4 → 2PbSO4 +2H2O 充電 2Pb SO4+2 H2O → PbO2 +Pb +2H2 SO4 充 電過程應進行到正負極板上不 再 有硫酸鉛為止。這時 再 繼續(xù)充電，并不能改變極板上的化學狀態(tài)，而電解液中的水分則進行分解。于是在正極板上析出的氧氣， 負 極板上析出氫氣，此種現(xiàn)象稱為電解液沸騰。沸騰出去的氫氧混合物是一種爆炸性氣體，因此充電室內必須通風良好，不得 使 氫氣含量達到 %以上，并且充電室禁止 使 火。室內應使用隔爆型的照明等電氣設備。 蓄電池充電和放電過程中的電壓變化曲線，如圖所示。鉛酸蓄電池的額定電壓為 2V。充電時，電壓很快升到 ～ ，隨后逐漸增大到 ～，在充電將終了時又迅速地升到 ～ 。切斷電源后，蓄電池的端電壓為 ～ 。放電時，電壓開始降落很快，約落到 2～ 以后便緩慢地降到 ～ 。接近放電終了時，電壓急劇下降，應停止放電。鉛酸蓄電池平均放電電壓為 ～ 。電機車用的鉛酸蓄電池，其電壓在 ～ 以下，即不許 再 放電 ， 不然，就可能將蓄電池損壞。見圖 。 3． 容量 鉛酸蓄電池充電時的充電量及放電時的放電量，（以安培小時為單位）稱為蓄電池的容量。蓄電池的容量與活性物質的數(shù)量 、極板的構造及活性物質的狀態(tài) 、（即活性物質對于酸類的多孔性及可通過性） 、 電解液的密度 、 溫度及數(shù)量 、 放電情況等有關。 堿性蓄電池 1． 構造 堿性蓄電池有鎳鐵式和鎳鎘式兩種。其電解液均采用苛性堿溶液（苛性鉀 KOH 或苛性鈉 NaOH），而蓄電池的極板框和外殼是用鍍鎳的鋼 板制成 ， 正 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 第 30 頁 負極板用橡膠與外殼絕緣。堿性蓄電池的正極板是鍍鎳的鋼 框。 框內固定許多鍍鎳鋼片制成的圓管或箱子和袋子。這些管子 、 箱子或袋子中裝有活性物質，其表面有許多細孔，允許離子通過，但不允許活性物質漏出。負極板一般是 豎放的袋子，袋子內裝有活性物質。堿性蓄電池的每一極板上 都有一 圓孔，用鍍鎳鋼螺栓將同性極板連接起來。各極板間用硬橡膠棒隔開，極板和外殼用硬橡膠墊隔開 。 鎳鐵蓄電池中的負極板比正極板多一塊。鎳鎘蓄電池就不一定了，正極板的數(shù)量可能比負極板的數(shù)量多或少。 堿性蓄電池的外殼的上蓋必須蓋嚴，否則電解液會產(chǎn)生碳酸鹽類有害物。為了向外殼內注入或倒出電解液，在蓄電池外殼蓋上留有安裝自動閥門的蓋孔。它能防止電解液濺出，外殼內氣壓超過一大氣壓又可自動排出氣體。而外部空氣則不容易和電解液接觸。 2． 充放電原理 當充電時鎳鐵蓄電池的正 極板上，氫氧化鎳轉化為高次的氧化物，而負極板上已生成鐵的氧化物則還原為金屬鐵（或鎘）。當放電時，正極鎳發(fā)生脫氧，而負極鐵板則進行氧化。其一般過程為： 充電 ： 2Ni(OH)2 +Fe(OH)2 +kOH→ 2Ni(OH)3 + Fe +KOH 放電： 2Ni(OH)3 + Fe +KOH→ 2Ni(OH)2 +Fe(OH)2 +kOH 從上述堿性蓄電池的化學反應方程式中可以看出，當充電或放電時，電解液 KOH 的成分不改變，只起導電作用，因為堿性蓄電池的電解液不分解，所以蓄電池中電解液的損耗量較小，此外，堿性蓄電池的活 性物質不溶于電解液中，其體積也不會有很大的改變，所以堿性蓄電池能用很久。 堿性蓄電池充電時所析出的游離氫，彌漫于充電室內，和空氣中的氧氣能形成爆炸性的混合氣體。所以充電室必須通風良好。 堿性蓄電池的額定電壓為 平均放電電壓為 ，允許最小電壓為1V。堿性蓄電池的放電電流可以大于 1小時的放電電流，但經(jīng)常地過放電對蓄電池是不利的，因為在過放電時，負極板的二價鐵進一步氧化為三價鐵，這種三價鐵不易還原（不可逆損失）。因此，一般不許可堿性蓄電池在電壓低于 1V 的條件下放電。 從上述 兩 種蓄電池分析中可以看出相 對的優(yōu)缺點。 堿性蓄電池對比于鉛酸蓄電池的優(yōu)點： （ 1）結構相當堅固； （ 2）電氣強度好，使蓄電池能很好地經(jīng)受住短路，過充和過放電等； （ 3）壽命長約 8年，而鉛蓄電池只有 46年； （ 4）重量較輕，比相同容量和相同電壓的鉛酸蓄電池的