地下无轨设备的主要特点和发展趋势

文/汪鹏程 胡智君（安徽铜冠机械股份有限公司）

一、地下无轨设备概述

地下无轨设备是专门适用于地下采矿和隧道掘进作业车辆的总称，具有机动灵活、活动范围广、开拓矿体快等特点。由于井下采矿涉及一整套的采矿工艺，根据无轨设备发挥的作用不同，地下无轨设备一般分为凿岩、铲装、运输、辅助车辆等。

地下无轨设备于20世纪70年代发展起来，比较知名的无轨设备厂家有瑞典的阿特拉斯·科普柯·瓦格纳（Atlas Copco Wagner）、芬兰的山特维克·汤姆洛克（Sandvik Tamrock）、美国的卡特皮勒（Caterpillar）等。

经过几十年的发展，各种无轨产品都已形成系列化，如潜孔钻机根据钻孔直径和深度有不同的系列化产品；铲运机根据动力源不同，分为电动和柴油铲运机，根据铲取能力分为1.5m3铲运机、2m3铲运机、3m3铲运机等；辅助车辆根据其功能不同分为油罐车、材料车、维修车、大臂吊篮车、剪式平台车等。

无轨设备种类和功能虽然不同，基本结构大都可以分解为两个部分，底盘和工作机构。底盘是根据需要机动灵活地实现无轨设备在井下实时的移位，具有行走、制动、转向这些通用的性能；而工作机构是为了实现无轨设备完成具体某项工作，应该具备的功能。

地下无轨设备起源于地表车辆，和地表车辆既有相似之处，又有很多不同，表现在外形结构、动力、传动系统、制动和尾气净化等方面都有自己的特点。

二、地下无轨设备的主要特点

1.对无轨设备外形尺寸和结构有特殊要求

由于井下使用环境恶劣，受到矿山运输罐笼和巷道等空间因素的限制，地下无轨设备尺寸不可能很大，一般以低矮、狭窄等为主。为满足这一要求，很多地下无轨设备结构上常常具有以下特点：

（1）车辆前后机架采取铰接方式，并通过转向油缸实现前后摆动，使得转弯半径小以适应狭小的运输巷道、行走断面和场地的作业条件[1]，一般前后转向角为±40°。

（2）前后车架可上下摆动以满足四个驱动轮同时附着在复杂地面上。上下摆动有两种结构方式实现，一种在前后机架中间衔接部位采用回转支撑方式，一种在车桥上安装摆动架。前后车架上下摆动角一般设计为±10°。

（3）很多无轨设备驾驶室座位采取侧向布置方式，甚至少数驾驶室采取升降顶棚，以便在低矮巷道行驶。

2.动力源的合理配备

无轨设备的动力以柴油发动机为主，电力为辅。电动设备由于受到自身配套电缆长度的限制，活动范围小，主要在电缆长度范围内机动，如电动铲运机和凿岩设备等。另外，凿岩设备常配套两套动力源，长距离行走移位状态启用柴油为动力，机动灵活，转场方便；工作钻孔时采用电能，清洁环保、噪声小、成本低，改善了操作人员的劳动环境。

3.传动系统配置更为稳定可靠

地下无轨设备典型的传动方式主要有两种，一种为静液压传动，一种为液力机械传动。小型装载机和凿岩设备多采用静液压传动方式，主要由高压柱塞油泵、液压马达、分动箱、传动轴、前后桥组成。静液压传动方式优点是元件尺寸小，重量轻，零件数目少，布置方便，能在较大的范围内实现无极调速；缺点是对液压油的清洁度要求高，高压柱塞油泵和液压马达维修困难。

大多数无轨设备还是采用液力机械传动方式。液力机械传动主要由液力变矩器、变速箱、传动轴、驱动桥等组成。这种传动方式使车辆具有良好的自适应性[2]，自动无极变更其输出扭矩和转速；具备滤波性能和过载保护性能，能吸收并减少来自发动机和外载荷的振动和冲击，提高了车辆的使用寿命；能以稳定的牵引力和任意小的车速行驶，改善在路况差的条件下的通行能力。

4.要求制动系统可靠

由于井下工作条件复杂，地表不平，坡道起伏，要求行驶设备制动可靠。目前无轨装载设备车桥广泛采取弹簧制动液压释放的全封闭式湿式全盘式制动器。该制动系统主要由制动泵、充液阀、蓄能器、脚踏阀、桥制动器组成；全封闭防水防尘，制动性能稳定，耐磨损，使用寿命长，不需调整；散热效果好，摩擦副温度显著降低；在不增大径向尺寸的前提下，改变摩擦盘数量，可调整制动力矩，实现系列化、标准化[3]；制动器常采用双回路液压制动，当一个回路出了故障时，第二个回路可以照常工作，从而保障了车辆的安全。

5.尾气净化要求达到国IV标准

由于井下空气流通差，为改善操作人员的劳动环境，以柴油为动力的无轨设备目前国内尾气排放标准基本参考欧洲标准进行制定，在国内实行的是国IV 标准，相当于欧洲的欧V 标准。为了减少井下空气污染，采取了两项措施。一是开发机内净化技术，即采用生成有害废气浓度最低的柴油机，精确控制燃油喷油量和喷油时间，使燃油重复燃烧，从而大大降低柴油机的废气排放。二是采用机外净化措施。机外净化措施有氧化催化法、水洗法，或同时采用氧化催化法与水洗法[4]。要求选用低污染发动机，并配套铂铑合金废气净化器，尾气有害物质极低。目前国内无轨设备的发动机主要采用道依茨、沃尔沃、康明斯等知名品牌。

6.各种工作机构有其特定的工作参数要求

无轨设备功能的实现，主要依托其各种工作机构。工作机构参数主要是为了满足特定的采场、巷道高度和配套的无轨设备联合作业要求。

以潜孔钻机为例，其除了钻孔直径和钻孔深度外，还需要满足采场使用要求。潜孔钻机在钻孔时，为避免导轨震动导致钻孔偏移，需要将自身的油缸牢固支撑采场的顶板，方可进行凿岩。如果采场过高，钻机油缸行程不够，则无法支撑；采场过低，潜孔钻机导轨无法竖立放置。因此对潜孔钻机有工作高度参数范围的要求。

地下铲运机主要为满足装卸要求，特别是在铲运机和运矿车联合作业时，如果铲斗举升过高，和采场顶板刮擦，铲斗过低，无法向运矿车料斗倾倒矿石，因此卸载高度是一个重要的参数。

地下运矿车为避免料斗上缘碰撞硐室顶板，要有最大卸载高度的要求。

三、无轨设备发展的趋势

随着技术的进步，无轨设备也在推陈出新、日新月异，发展趋势围绕着安全舒适、提高效率、降低成本这一核心，继续向无轨化、大型化、液压化及智能化方向发展。由于电子技术、传感技术、控制技术越来越多地应用于无轨采矿设备上，使其自动化和机电液一体化的进程加快。我国地下矿山开采设备的技术发展趋势是加速对引进技术的消化吸收，大力发展新产品，提高地下开采设备的制造质量、技术水平和使用可靠性，加快进口设备的国产化步伐[5]。安全上，国家颁布了更多的产品行业标准、国标等，成为保障无轨设备成功研发的检验依据。主要发展方向有：

安全舒适，绿色环保。动力系统采用计算机控制高效柴油机、液压凿岩逐步取代气动凿岩、柴油电动双动力的系统、负荷敏感液压系统、电液控制技术等，减少能量损失，降低废气排放，使无轨设备动力得到有效发挥利用。

自动化、智能化程度愈来愈高，操作简便。例如凿岩设备自动接卸杆装置，避免人工装夹，降低劳动强度；无轨装运设备使用遥控装置，可使得操作者远离危险的作业现场，在安全、舒适、宽敞的控制室进行操纵。

产品通用化、系列化和配套组合化。功能更齐全，适用性更广，满足和适应不同矿山、不同用户对设备生产能力、性能和外形尺寸的要求[6]。

产品结构模块化。既能快速响应客户需求，减少设计周期，又能提高设计的质量。