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第一章 绪论

煤炭是当前我国能源的主要组成部分之一，是我们实现四个现代化的重要物质基础，但是我国煤炭工业的发展远不能适应整个国民经济发展的需求，为适应整个国民经济持续高速发展的需求，必须一更快的速度发展煤炭工业，然而，高速发展煤炭工业的出路在于机械化。
煤炭工业机械化是指采掘，支护，运输，提升机械化，而运输包括主要运输和辅助运输，电机车是主要运输设备的一种，我国电机车发展历史大致分为三个阶段：五十年代，仿制设计阶段，从无到有初步发展；六十年代，自行设计阶段；七十年代以后，标准化，系列化发展阶段，产品初步形成标准化，但是到了现代，我国生产的电机车远远不能满足生产能力不同的煤矿的需求。
第一节 概述
CTY8/6-PG 车是在老的架线车的基础上，采用了增加电机车的某些机械性能经过全面该进后设计发明出来的，是一种有效的矿山主要运输设备。CTY8/6-PG 型电机车主要用于上山，下山，平巷等综采工作面备的搬迁。可见，电机车的功用在煤矿行业，机械行业和国民经济中将具有不可忽视的地位。
（一） CTY8/6-PG 主要特征，见表-1。
表—1 CTY8/6-PG主要特征
类

别
项目名称
技术数据
CTY8/6-PG
CTY10/6G
CTL12/6G
牵
引
特
征
粘着质量/
8
10
12
牵引电机功率台数、（KW台）
152
222
222
小时制牵引力/KN
11.76
15
17.64
最大牵引力/KN
19.7
22
29.4
小时速度/(Km/h)
7.2
11.1
8.7
牵引高度/mm
320/435
320/435
320/435
控制方式
变频调速
变频调速
变频调速
外

形

特

征
轨距/mm
600
600
600
轴距/mm
1150
1110
1220
车轮滚动圆直径/mm
580
580
580
通过最小曲率半径/m
7
7
7
轨面至顶棚高/mm
1575
1600
1575
外型尺寸/mm
440010501600
457010401600
510012121600
制动方式
机械制动
机械制动
机械制动
司机室形式
单司机室
单司机室
单司机室

（二） CTY8/6-PG技术特点，见表-2。
表-2 CTY8/6-PG技术特点
序号
项目
直流电阻调速电机车
交流变频调速电机车
1
电机可靠性
直流电机转子上因为有线圈和易磨损的换向铜头，碳刷等，故障率高，维修费用大。
三相异步交流电机可靠性高，其转子上没有线圈和换向铜头，其实就是由铸铝和硅钢片压制成的铁滚子，故称为永不损坏。
2
调速器维修量
直流调速器是由于是凸轮控制触头的通与断，由于断开是产生的电弧，经常烧蚀触头所以维修量大。
变频调速器没有触头，接点基本无维修。
3
节能性
由于直流调速器电机车带有电阻器运行，因此电能白白消耗在电阻上，同时由于电阻发热导致电阻瓷架和电阻片烧坏。
变频调速电机车由于不用高耗能降压电阻，节电率可达35%，如果一个独立供电系统全部采用变频调速，电机车可设置成惯性馈电功能，那么就可以利用机车发出的电能回馈到电池中，能提高节电率
4
调速性能
1.分档调速，不可能均匀调速，在低速行驶时司机需不停的在1档和零档转换来获的慢行速度。
2.只能加速，不能减速。加速是靠电制动或手制动来实现。
3.直流电机的转速是随负载变化的，尤其是在下坡道运行时，机车可以开飞快，容易出事故。
4.不允许司机突然极加速否则损坏电机和调速器。
1.无级均匀调速，最低可调至0.2Hz。
2.为全速度段控制方式，速度不仅可调高还可调低，车速的快慢与停车完全由调速手把控制。
3.可设定电机车最高车速限制，一旦车速设定好，即使在下坡道行驶，机车也不会超过所设定的车速。这就避免了司机由于开车而造成的事故。
4.允许司机在零速突然启动时瞬间加速到最大值。因变频调速器的频率上升时间有设定值，即使司机违反操作规程突然加速，机车仍按设定时间启动。
5
牵引力
仅13.8KN
（7吨电机车）
牵引力可达20KN。7吨电机车可达到和超过10吨电机车的牵引力。
6
爬坡能力
只能在11的坡道上运行，由于没有零速制动功能，在上坡停车时机车会向下坡方向溜车，此时想用手制动，是来不及的。
该机车可在60的大坡道上运行，并可以在上坡时仅用零速制动功能就能将列车制动在60的大坡道上，并且还可以再启动把重载拉上来。
7
机车传动维修量
1. 由于变阻调速没有缓冲时间，尤其是突然加速时很容易造成齿轮的冲击损坏。
2. 该种车的减速时靠闸瓦片抱车轮实现的，所以闸瓦使用寿命短，需经常更换。
1. 由于变频调速器上升速度是缓慢上升的，所以避免了齿轮之间冲击而延长了齿轮的使用寿命。
2. 由于变频调速是全速段控制，所以在减速时根本不需闸瓦片抱车轮，故此闸瓦片基本不磨损。

第二章 总体设计

第一节 设计总则
1、 煤矿生产，安全第一。
2、 面向生产，力求实效，已满足用户最大的实际需求。
3、 考虑到搬运为主要用途。
4、 贯彻执行国家、部、专业的标准及有关规定。
5、 技术比较先进，并要求多用途。
第二节 已知条件
1、 设计寿命：t=5000h
2、 总体质量：m=8T
3、 型号：蓄电池电机车
第三节 电机车的组成和结构
一、电机车的外部结构图
电机车的外部结构图如图-1所示：
二、电机车的主要组成部分
（一）机车的主要结构：
1、车架2、弹簧系统3、轮对4、制动系统5、加砂系统6、电动机7、控制器8、照明灯9、信号灯10、蓄电池。车架是由左右两侧肋板组成，两端由弹性缓冲器。轮对轴承为圆锥滚柱轴承，两轮轴各装置单独电动机，由直齿直接带动。其中，控制器装在驾驶室内，用以操作电机车，制动可采用电气制动或是机械制动，加砂系统可加在路轨上，增大路轨与车轮间的黏着系数以防止启动和加速度时车轮滑动，制动时可采用加砂系统来实现要求。

三、机械部分
机械部分主要由车体、框架、走行部件、撒砂装置、司机室、弹簧装置及缓冲装置组成。它将牵引电动机产生的机械能传递给走行部件，为本机提供牵引动力，即轮缘牵引力。
（一）车体框架
车体框架简称车架，是由左侧板、右侧板，前、后端板和中间隔板成一体的框架式结构。车架通过四组钢板弹簧或弹簧支撑与走行部件的轴承箱上，将车架与行走部件连接起来。车架的前后端板上装有缓冲器，以减轻冲击和连挂矿车。车架的前部安装司机室，并设有顶棚。车架的后部或中部设有两条托架，电源装置座落在托架上，由四个插销连接固定。
（二）走行部件
走行部分主要由减速箱、轮对、轴承箱、弹簧联轴器、联轴器、牵引电动机托架、弹性吊挂等组成。
减速器是由球墨铸铁制造。箱体内装有大小锥齿轮和大小圆柱齿轮，分别用滚动轴承与箱体固定构成减速机构。减速箱内齿轮均采用润滑油润滑。
轮对由轮轴轮芯、轮圈组成，轮对两端有轴承箱，轴承箱内装有圆锥滚子轴承，车轮的滚动圆直径为580mm，轮圈材质为轮箍钢制成。

图—1 电机车的外形结构
机车制动装置采用机械制动。制动时，司机按顺时针方向旋转手轮，通过丝杠、螺母带动横梁、拉杆及连杆，再带动左右制动闸瓦，可同时对两对轮对的内侧实行制动或缓解。当制动闸瓦磨损后，可以调整螺钉调节弹簧片，使制动闸瓦和轮缘间保持2~3mm的间隙，并用调整螺钉调节弹簧片，使闸瓦工作面与轮缘踏面间保持间隙均匀，保证制动效果。其结构如图-2所示：

图—2 机车制动装置
（三）撒沙装置
各车型撒砂装置均采用摇摆震动落砂原理，两组砂箱分别布置在两组轮对的外侧，在机车运行时，可随时操纵撒砂手柄或脚踏板进行撒砂。撒砂装置所用的砂子应经筛选、烘干方可使用。撒砂的作用是为了增大机车的粘着力，以保证机车的正常运行。如图-3所示：
加砂系统有两个操作手柄，安装在驾驶室内，上手柄操作前部加砂器，后手柄操作后加砂器，两手柄均由弹簧的弹力来恢复至原来的位置，当拉动一个手柄的手柄臂，将拉杆向左端拉伸，于是摇臂杆上提锥体，与砂底之间打开一缝隙可以使砂子从中落于导轨上，为了保证加砂系统的动作，加砂容器内必须装粒度不大于1mm的沙砾。

图—3 撒砂系统

（四）司机室
车棚与车架前端部件构成司机室。车棚由薄钢板焊接而成，可以防止雨水，落岩等，可以保护司机的人身安全。前端开有瞭望窗，右上角装有照明灯，后部为敞开式。司机室内设有司机控制器、制动手轮、撒砂手柄、蓄电池过放电容指示计、灯开关等。
（五）弹簧装置
弹簧装置由四组钢板弹簧组成。钢板弹簧分别悬挂在车架左右侧板上，支撑在对轴承箱上，主要起减震和缓冲作用。
（六）缓冲器
缓冲器安装在车架的前后端板上，主要起缓冲作用，以减轻对机车与矿车之间的冲击，并起到连挂矿车的作用。缓冲器外壳由铸钢材料组成，内部装有圆柱弹簧，用两个挡销与弹簧纵板组成缓冲器。

第四节 选用电动机应考虑的主要问题

一、选用电动机应考虑的问题
1、根据负载性质和生产工艺对电动机启动、制动、反转、调速等要求选择电动机的类型。
2、根据负载的转矩、速度变化范围和启动频繁程度等要求来考虑电动机的升温限制、过载能力、启动转矩，选择电动机的功率并确定冷却方式。所选电动机功率应有余量。负荷率一般确定取0.8~0.9。过大备用功率会使电动机的功率降低，对感应电动机最大转矩的校验强度的机械造价提高。
3、根据适用场合环境条件，如温度、湿度、灰尘、瓦斯以及腐蚀和易燃易爆气体等考虑必要的保护方式，选择电动机的结构形式。
4、根据企业的电网电压标准和对功率因数的要求，确定电动机的电压等级和类别。
5、根据生产机械的最高转速和对电机调速系统的过渡性能要求，以及机械减速机构的复杂程度，选择电动机的额定转速。
除此之外，选择电动机必须符合节能的要求，考虑运行的可靠性设备的供货情况、备品条件的通用性、安装检修的难易度、以及产品的价格建设费用、运行和维护费用和生产过程中前后期电动机的功率等各种因素。

二、对电动机的用途的选择
对于石油、化工、煤矿等有爆炸性危险场合所选用的电动机多采用隔爆电机，其隔爆电动机可分为：防爆安全型（A）防爆型（B）和防爆充气型（F）等，其矿用的可在前面加“K”字样，也可不加。防爆电动机可采用YB系列。
YB系列的隔爆三相异步电动机的使用和维护要点：
1、 安装前首先对隔爆电动机的防爆类型，防爆级别是否符合使用场合的要求，转子堵住时间是否与保护继电器的性能相适应，
2、 进线装置应保证电机电缆引入口可靠密封，电缆不得松动，电动机本体及其接线盒必须可靠接地。
3、 防爆安全型电动机要经常检测气隙。
4、 防爆型电动机在安装时，应检测所有的外壳紧固件是否齐全，外壳是否有裂纹及其他缺陷。
5、 隔爆型电动机在维修时，要注意外壳部件上的防爆接触面不得有损伤和腐蚀。如发现损伤，须按《防爆规程》中的规定进行修补，防爆面不得涂油漆，只允许涂薄层的防锈油脂。
三、对电动机的转速选择
电动机的额定转速是根据生产机械的要求而定的，在确定电动机的额定转速时，必须考虑机械减速机构的传动比两者相互配合，经过技术‘经济全面的比较才能确定，通常电动机转速不低于500r/min
因为当功率一定时，电动机的转速越低，尺寸愈大，价格愈高，而且效率也比较低，如选用高速电动机，势必加大机械传动比，致使机械部分复杂起来。
要求快速频繁启动，制动的机械，通常使电动机的转动惯量与额定转速的乘积为最小值时，能获得启动、制动最快的选择，在空载（负载很小时）可以启动、制动时，达到快速制动的目的。
四、YB系列电动机的结构
YB系列的电动机外壳端盖、接线盒座、接线盒盖等零件组成外部防爆外壳。选用高强度铸铁制造。对煤矿井下固定设备用的电动机采用HT25-47牌号铸铁，工厂用电动机采用HT20-40牌号铸铁。电动机各零部件的隔爆面长度间符合隔爆要求。
YB系列电动机的接线盒具有良好的防爆特性，空腔较大，便于接线，接线盒的外壳防护等级为Ip54，进线方式为橡套电缆和铜管布线两种，接线盒与接线头之间增加一个连通节。检修时，避免卸下密封圈，以防因经常拆卸二变形或失去弹性，保障隔爆性能。
YB系列电动机按照GB3836.1-83《爆炸环境用防爆电气设备、隔爆性电气设备》以及IEC79-(1971)《电气设备隔爆外壳结构和试验》规定制成。隔爆型电动机除了有关防爆特殊性要求等规定外，电动机功率与机座号机同步转速的对应关系安装尺寸、冷却方式、安装结构及主要性能指标均与Y系列（Ip44）相同

第五节 牵引电动机的计算

关于牵引力的计算
对与车轮与钢轨之间出现了粘着现象，二者之间的摩擦力称为粘着力，这样的摩擦系数称为粘着系数。
电动机的粘着系数等于达到极限粘着力时电动机产生的最大牵引力或制动力与电动机在全部主动轮轴或是制动轴的垂直正压力之比。
表-3 计算粘着系数
计算粘着系数轨道状况
电机车运行状态
牵引状态
紧急制动状态
布满煤泥和岩粉泥
0.07
0.08
很湿、清洁
0.09
0.10
略湿、清洁
0.13
0.15
撒砂
0.25
0.27
布满被前面的列车压过的砂子
0.18
0.20
考虑全部主动轮，那么受粘着条件限制的电动机的牵引力
F粘度系数粘着质量
=1000gp
=10009.880.25
式中：P——电动机的粘着质量t
g——重力加速度N/Kg
——粘度系数
二、粘着力与电机车的制动力
机械制动装置在矿用电机车上是必不可少的部分，且为闸瓦式的制动装置，在实行制动之前必须首先切断电源。
在制动闸瓦压在车轮轮圈时，在闸瓦和轮圈之间产生的摩擦力
f=N
式中：——闸瓦和轮圈之间的摩擦系数；
N——闸瓦对轮圈产生的正压力。
摩擦力对于车轮说虽是外力。转矩M=fR可以阻止车轮的转动，但对于制动装置和车轮一样属于电机车的一部分，所以对电机车人属于内力，它并不能直接起到阻止的作用，也就是摩擦力必须借助外力才能产生。
假如钢轨与车轮与钢轨之间无摩擦力存在。那么，只要用闸瓦稍加制动，轮轴的旋转惯性就会消失，车轮停止旋转而与闸瓦一起随机车整体沿钢轨一起滑动。
但是，实际上由于制动车轮的垂直压力N引起了车轮与钢轨之间的摩擦力的产生，对制动车轮讲就是钢轨作用于轮轴圈的切向力F，其方向与电机车的运行方向相反。
F和f对车轮讲都是外力，且在车轮打滑之前，两者大小相等。当f增大时F也增大。但是F得增大受到粘着条件的限制，即F最大等于粘着力。
F粘度系数粘着质量
=1000gp=10009.880.27=21.168KN
式中：P——电动机的粘着质量t
g——重力加速度N/Kn
——粘度系数
如果制动力超过了粘着力时，粘着条件被破坏，车轮停止转动而溜滑这种现象就叫做“闸死”。产生“闸死”使得电机车的制动效果大大降低，因为这是决定电机车的制动力不是粘着力而是滑动摩擦力，显然滑动摩擦力大大小于粘着力，此外，当轮被“闸死”时，使得车轮轮圈的磨损不均匀，严重时会使电机车在运行过程中产生冲击，所以，实施机械制动时应尽量避免产生“闸死”现象的发生。
F粘度系数粘着质量
=1000gp=10009.880.17=13.3KN
由上式可得知电机车闸瓦压力的最大值：
N=1000gp
式中——闸压系数，由此可知闸压系数为闸瓦系数的60%~80%之间。
应当指出个闸瓦的实际最大压力尽在紧急制动时才有效，而在正常制动和停止时，一般只用到实际可能达到的最大压力的60%~75%，即闸的不是很紧，以减少轮圈的磨损，延长其使用寿命。即实际制动力

三、有关行车速度的选择
机车的形式和规格运输距离、作业地点(地面或是地下)线路条件、轮轨大小、弯道多少、运输数量的多少。对电机车的运行速度均有影响。目前，我国的矿车的制动方式仍采用机械制动，因受到重坡的限制很难实现高速运行，设计中一般采用平均速度计算，运距在千米以上可采用下表进行：
表—4
机车平均运行速度
机车质量t
3
7
10
14
20
机车平均运行速度km/h
m/s
5~7
7~10
7~10.2
10.2~12
12~14
1.39~1.94
1.94~2.78
1.94~2.83
2.78~3.33
3.33~3.89
注意：
1、 阶段路线运程短、轨道铺设质量差无论机车大小均取5—7km/h；
2、 运距大于2km时充电室取最大值；
3、 运输人员时，列车的速度不能超过3m/s；
以上内容引用《矿用设计手册》矿山机械第5卷。
四、电动机的选择和计算
1、最大牵引力
F=粘度系数粘着质量=1000gp=10009.880.25=19.6KN
2、最小牵引力
F=1000gp=10009.880.250.6=11.76KN
3、有矿用电机车的运行速度V=2m/s得
电动机最小功率=FV=19.60.62=23.52KW
即为电动机的小时功率。
由于电机车在矿井下运行是按照小时功率和长时功率来计算的，为保险起见，我们选择电动机的功率为P=30KW.即电动机的实际功率。
考虑到电动机的制造成本和通用性要求，于是我们将电动机的功率设计为最接近功率30KW。
由于电机车有两台电动机来实现拖动，故每台电动机的电功率p=P=15KW，选择四级电动机，根据电动机的使用环境要求，于是，选择YB系列隔爆型三相异步电动机，其技术参数如表—5；
表—5 YB系列隔爆型三相异步电动机技术参数
型号
YB160—M4
额定功率
15KW
额定电流
30.3A
额定转矩
1460r/min
效率
88.5%
功率因数
85%
堵转电流/额定电流
7
堵转转矩/额定转矩
2.2
最大转矩/额定转矩
2.3
重量
166kg
注意：
1、YB系列的隔爆电动机适用于爆炸性混合环境，它是Y系列（IP44）派生产品，外形尺寸与Y系列（IP44）稍有差异。
2、额定电压按订户的要求分别有220V、380V、660V、220/380V、380/660V。可按要求提供Y—接线盒。
3、电动机的级别采用F级绝缘，但温升按B级考核。
4、本系列电动机防爆标志为di,订货时应注明防爆标志和接线方式，以上有关数据引用《机械设计手册》第三版，第5卷内容。

第六节 变频调速

所谓变频调速，就是通过改变电动机定子供电频率以改变同步转速来实现调速的。在调速过程中，从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而，具有较高的效率，宽范围和高精度的调速性能。可以认为，变频调速是异步电动机最有前途的一种方法。
一、变频调速的原理
由=60可知，改变定子电源频率可以改变同步转速和电机转速。又由异步电动机的电势公式可知外加电压近似与频率和磁通的乘积成正比，即,由于C是常数,则，因此，若外加电压不变，则磁通随频率改变而改变，亦即频率降低，则磁通增加；频率增加，磁通降低。显而易见，为了解决这个问题，就要求在变频调速系统中，降频的同时最好降压，即频率与电压能协调控制，亦即必须与成比例的变化。
一般来说，在恒转矩变频调速系统中，如能保持为定值，则可保证调速过程中的电动机的过载能力保持不变，同时，可满足磁通基本不变的要求。而在恒功率调速时，如能满足为定值的条件，则调速过程中电动机的过载能力也能保持不变，但此时磁通将发生变化，如果此时亦按恒转矩调速满足定值的条件，则磁通将基本保持不变，但电动机的过载能力将在调速过程中改变。从而根据协调控制的方法不同，可以有不同的调速特征。
在异步电动机变频调速系统中，为了得到更好的性能，可以将恒转矩调速与恒功率调速结合起来。
在变频调速中使用最多的变频调速器是电压型变频调速器，由整流器、滤波系统和逆变器三部分组成。在其工作时首先将三相交流电，脉动的直流电压经平滑滤波后在微处理的调控下，用逆变器将直流电在逆变为电压和频率可调的三相交流电源，输出到需要调速的电动机上。由电气原理可知电机的转速与电源的频率成正比，通过变频器可任意改变电源输出频率从而任意调节电动机转速，实现平滑的无级调速。

二、脉宽调制型变频调速系统
脉宽调制型（又称PWM)变频器是一种交——直——交变频器。常采用电压型逆变器，其基本原理是控制逆变器开关元件的导通和关闭时间比来控制交流电压的大小和频率。基本组成如图1所示。通过整流器将工频交流电整成直流电，经过中间环节再由逆变器将直流电逆变成频率可调的交流电，供给交流电动机（负载）。由前知，异步电动机变频调速时，供电电源不但频率可调，而且电压的大小也必须能随频率的变化而变化，即要求 基本恒定，PWM型变频器一般采用电压型逆变器。根据供给逆变器的直流电压是可变的还是恒定的，变频器可分为变幅PWM型变频器和恒幅PWM型变频器两种。变幅型的变频器采用晶闸管整流器，用它来调压，逆变器只其改变输出频率作用，即用它来实现变频。恒幅脉宽调制型变频器如图2所示，由二极管整流桥和逆变器组成。逆变器输入恒定不变的直流电压，通过调节逆变器输出电压的脉冲宽度和输出电压的频率，即实现调压又实现调频，也就是说，变压，变频都由PWM型逆变器承担，这种电路简单，只要有相应的控制电路就可以了。同时，由于输出电压直接由逆变器决定，所以，调节速度快，系统的动态响应好。
PWM型变频器靠改变脉冲宽度来控制其输出电压，改变调制周期来控制输出频率。调制方法有单极性调制和多极性调制。从载波信号和参考信号频率之间的关系看，又可分为同步式和非同不式两种，现以单极性正弦波脉宽调制方法为例说明其工作原理。
单极性正弦波脉宽调制方法采用正弦波与三角波相交来获取一系列按正弦规律变化的矩形脉冲，其波形如图3所示。三角波时上下宽度线性变化的波形，所以，任何一个光滑的曲线与三角波相交时，都会得到一组等幅的脉冲宽度正比于该函数值的矩形脉冲。用正弦波与三角波相交时，得到一组幅值为宽度按正弦规律变化的矩形脉冲。用这组矩形脉冲作为逆变器个开关元件的控制信号，则在逆变器输出端可以获得一组类似的矩形脉冲，其幅值为逆变器直流侧电压而宽度按正弦规律变化。同理，这一组矩形脉冲可用正弦波来等效（如图中虚线所示）。对于正弦波的负半波，则用相应的负三角波调制。输出电压的大小和频率均由正弦参考电压来控制。当改变幅值时，脉宽随之改变，从而可改变输出电压的大小；当改变频率时，输出电压频率即随之改变。但正弦波最大幅值必须小于三角波幅值，否则，输出电压的大小和频率将失去所要求的配合关系。若三角波和正弦波成比例的改变，就叫同步调制式。

图—1 PWM变频器

图—2脉宽调制式变频器原理图

图—3单极性正弦波脉宽调制波形图

图3所示仅画出了单项脉冲调制波。而对于三相逆变器，则必须产生互差的三相调制波。载频三角波可以共用，但必须有一个三相可变频，变幅的正弦波发生器产生可变频、可变幅的三角正弦参考信号，然后，分别与三角波相比较产生三相脉冲调制波。
图4给出了晶闸管准正弦波脉宽调制变频调速控制系统框图。图5所示为控制电路各点的单向波形图。

图—4准正弦波脉宽调制变频调速控制系统框图
m—调制系数 N—半周内的脉冲数
图4中，V/F变换器产生占空间比为50%的脉冲列，载波信号为与脉冲列同步的等腰三角波，D/A变换器产生的阶梯波参考信号，与载波比较获得准正弦调制波。m,N控制器经分频译码输出鉴相波形，经逻辑电路调制输出至触发电路去控制逆变器，使逆变器输出变频变幅的电压，从而实现异步电动机的调速。
图5中，制载频信号发生器输出的载波信号2与其输入的脉冲列1同步，3为阶梯波，4是由2和3波形比较产生的脉宽调制波形，5和6为鉴相波形，7和8为最后调制结果的波形，9为逆变器输出波形。
PWM型变频器的电路有多种，其控制方法也不尽相同。但只要采用高速开关元件，使逆变器输出脉冲增多，即使输出低频时，输出波形也是比较好的。所以PWM型变频器适用于作为异步电动机变频调速的供电电源，实现平滑启动、停车和高效率宽范围调速。
一般PWM系统或准正弦波脉宽调制变频系统（又称SPWM系统大多采用开环控制，由于异步电动机在不同供电频率下的机械特性硬度变化不大，所以，开环变频调速控制仍然获得广泛的应用。但在机械加工领域，有时调速精度要求高，这就需要实行速度闭环调节。一般来说，速度闭环调节系统只需在图4所示的V/F变换器前，增加速度给定环节和速度负反馈元件即可。
由图所示，速度给定电压和速度反馈电压相比较后，其差值经放大器放大，然后将放大后的差值和速度给定值相加，作为瞬时速度给定值。加/减速限制器的作用是在升降顿时延缓逆变器输出频率的变化率，以避免电机升降速时出现过大的电流冲击，使调速过程平稳。

第七节 矿车的运行阻力

一、基本阻力
矿车运行时需要时时、处处克服一种阻力，这种阻力称为基本阻力，运行不同线路（弯道机上下坡等）和在不同的运动状态（启动和制动）时，电量需要克服附加阻力。
基本阻力的大小决定与矿车的结构和参数以及轨道状况和运行速度等都很明显，基本阻力的主要部分与矿车质量成正比，于是，基本阻力W与矿车的质量G之比称为阻力系数。

实验证明，对于成组矿车的基本租比可用下列方程来表示：

式中：A和B—系数，对于某形式的矿车是常数
V—列车运行速度单位是m/s
表—6 同一车型不同比阻比较表
车型（装载量）t
空车比阻（N/t）
重车比阻（N/t）
1
90+11V
76+11V
2
79+12V
70+12V
3
72+12V
68+8V
二、附加运行阻力
1、基本附加阻力见表—7、表—8

表—7 窄轨阻力
项目
起动
运行
不撒砂
撒砂
不撒砂
不撒砂
制动
井下窄轨
0.18
0.22~0.25
0.15
0.15
0.16~0.18
露天窄轨
0.20
0.25~0.27
0.20
0.18
0.18~0.20

表—8 电机车运行单位的基本阻力
电机车运行单位的基本阻力
粘着质量
3
6~8
10
14
20
40
固定线上N/t
98
79
69
58
48
48
移动线上N/t
147
118
98
88
68
68
2、弯道附加阻力，按以下公式计算：
当弯道长度大于列车长度时：

式中：—弯道单位附加阻力（N/t)
S—轨距（m)
L—矿车轴距（m）
R—弯道曲率半径（m）
—矿车货载影响系数：空车=1，重车=0.85
—轨道表面影响系数：对于干轨道=1，潮湿轨道=0.45
3、 起动附加阻力：
=1079a=10790.05=53.95N/t
式中：——起动附加阻力
a——起动加速度：一般情况a=0.03~0.05m/s

第八节 矿用电机车运输设备选用

这电机车的选用设计确定一列车应由多少辆矿车组成及其全矿需要电机车台数。
一列车应由多少辆矿车组成，要按机车的牵引能力和制动能力计算，牵引力受到粘着力和牵引电动机温升条件的限制。制动能力是指能够在规定的距离内停车，因此，列车组成是由粘着条件、温升条件及制动条件来决定。
一、按粘着条件计算
所谓粘着条件就是指机车在最困难的时候，即上坡重载起动过程中机车驱动轮对地的打滑，也就是该状况下，能满足的粘着条件。
机车所能输出的最大牵引力F=1000gpN
机车在运输过程中抗车阻在上坡起动所需的基础输出的最大牵引力F=1000(g+)g(+i+0.11a)N
为了满足机车最困难条件下车轮不打滑，可得出满足粘着条件机车牵引力质量（即重车组质量）为：

=
=87.6t
F=

=
=207t

=
=87.6t
式中：P——机车质量（t）
Q——重车组质量（t）
——粘着系数
w——重列车起动时的阻力系数
i——轨道平均坡度一般取i=0.033
a——起动加速度a=0.05m/
二、按制动条件计算
按制动条件计算车组，是按列车能在规定的制动距离内停车的条件，计算列车的质量。
《煤矿安全规程》规定，列车制动距离、运输物料不得超过40m，运送人不得超过20m。
为了能在规定的距离内制动停车，列车应有的减速度为：

=0.112m/

=35.4m
重列车下坡制动是最不利的条件，这时所需的制动力：
F=
受粘着力的影响，机车所能输出的最大制动力为：
F=1000gpN
满足制动条件所需要的牵引的最大车组质量为：

=
=207t
讨论：为了满足机车平稳的起动和制动，于是我们选择较小的电机车所能拖动的最大载荷，所以我选择了电机车牵引的最大车组质量为86.7t。
所需矿车的数量为：

即8t电机车所能拖动矿车的数目为11辆矿车。
三、列车组成的验算
一方面根据稳定运行初选，由于采用了等阻坡度和认为牵引力和成正比都是近似的，另一方面，有可能电机车连续在最大运输路线上运转，故应按所选矿车数量实际计算温升，是否可能超过允许范围。
为此，按最大运距验算其等效电流是否是否超过长时制电流，计算时按一台电机计算即可。
四、列车条件验算
式中的a值是根据式子计算出来的，其中=40m时所需的减速度，当以在台矿车与电机车组成列车时，其实际的速度与减速度如何，尚不能确定，所以必须验算制动距离。
最困难的制动条件是重列车以稳定的运行速度，在最大的坡度下坡时，由于井下坡度变化不大，一般按平均坡度计算。
有公式：

得实际制动距离：

=35.4m
其实际距离应满足，满足《煤矿安全制动规程》的要求。

第三章 齿轮的计算

关于齿轮设计方法简介

随着机械产品向重载荷、高速、可靠、低噪音和小型号方向发展，要求齿轮具有长寿命、低噪音、小体积等的传动品质，此非传统的检验方法（类比法）所能达到的要求，现在用现代设计法。它是运用了创造性思维和大胆革新，采用了行之有效的新材料、新工艺，进行了相关的设计计算。

齿轮的相关计算

一、参考资料
以下设计内容查阅《简明机械设计手册》上海科学出版社，唐金松主编。
具体计算
1.直齿圆锥齿轮基本参数及强度计算
（1）选择齿轮的材料：
小齿轮选用40Cr 调质
大齿轮选用45 正火
许用接触应力［］由式
［］=计算

查表可得，

许用弯曲应力：
弯曲疲劳极限查表可得：

弯曲强度寿命系数查图可得：

弯曲强度最小安全系数：

N/mm
N/mm

（2）齿轮接触疲劳强度计算
确定齿轮精度等级，按估计齿宽中点分度圆上的圆周速度m/s。查表取：
小轮大端分度圆直径：

齿宽系数，查表可得
小轮齿数取17
大轮齿数
圆整取
小轮转矩
载荷系数
查表可得：使用系数
动载系数
齿向分布系数

Ⅱ组公差8级

材料弹性系数
节点区域系数

齿轮模数
圆整取m=3
小轮大端分度圆直径

小轮平均分度圆直径

圆周速度

齿宽
圆整取b=27mm
（3）齿根弯曲疲劳强度校核计算

当量齿数

m=3

b=27mm

齿形系数查表可得：
大轮
小轮
应力修正系数查表可得：
小轮
大轮

（4）齿轮其他重要参数计算
大轮大端分度圆直径

锥距
小轮大端顶圆直径

大轮大端顶圆直径

2.直齿圆柱齿轮基本参数及强度计算
（1）选择齿轮材料，确定许用应力
小齿轮选用40Cr 调质
大齿轮选用45 正火

许用接触应力
接触疲劳极限应力查表可得

应力循环次数

查图可得：

接触强度最小安全系数

许用弯曲应力
弯曲疲劳极限应力查表得：

弯曲强度寿命系数查表得：
弯曲强度尺寸系数查表得：
弯曲强度安全系数查表得：

（2）齿面接触疲劳强度计算
确定齿轮精度等级，
按估取圆周速度

N/mm
N/mm

，

N/mm
N/mm

N/mm
N/mm

查表取：
小轮分度圆直径

齿宽系数查表选取：
小轮齿数在推荐值20~40中选：
大轮齿数
齿数比
传动比误差

小轮转矩
载荷系数K
使用系数 查表得：
动载荷系数查表得：
齿向载荷分布系数
齿间载荷分布系数由推荐值

材料弹性系数查表得：
节点区域系数查表得：
重合度系数取

圆整：
小轮分度圆直径为：
大轮分度圆直径

Ⅱ组公差8级

=0.8

=1

m=3

圆周速
标准中心矩：
齿宽圆整:
大轮齿宽
小轮齿宽
（3）齿根弯曲强度计算

齿形系数查表得：
小轮
大轮
应力修正系数查表得:
小轮
大轮
重合度系数由式

所以：

（4）齿轮其他主要尺寸计算
齿根圆直径：

齿顶圆直径：

满足齿根弯曲强度

第四章 轴的设计

第一节轴的材料

轴的材料主要是碳钢和合金钢。钢轴的毛胚多数用轧制圆钢和锻件，有的则直接用圆钢。
由于碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性较低，同时也可以用热处理或化学热处理的方法提高其耐磨性和抗疲劳强度，故采用碳钢制造尤为广泛，其中最常见的是45号钢。
合金钢比碳钢具有更高的力学性能和更好的淬火性能，因此，在传递大动力，并要求减小尺寸与质量，提高轴颈耐磨性，以及处于高温或低温条件下工作的轴，常采用合金钢。
必须指出