长距离倾斜巷道煤矿防爆柴油机无轨胶轮车关键技术研究

赵海兴

(1.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西 太原 030006；2.山西天地煤机装备有限公司，山西 太原 030006)

防爆柴油机无轨胶轮车在全国各大煤矿得到了全面的推广应用，其高效和减人的突出优势已被认可。我国煤矿已经进入深部开采时代，致使辅运巷道坡度增大，辅运距离增长；尤其随着整车载荷的增大，长距离爬坡过程中出现柴油机冒黑烟严重和油耗居高的突出问题；而且在使用过程中由于柴油机热负荷增大致使频繁熄火，严重影响了运输效率，与煤矿高产高效和绿色开采的新理念极不匹配[1-3]。如果采用蓄电池为动力的无轨辅助运输车辆，由于目前防爆电池能量密度还较小，在长距离爬坡时电能消耗过快，续驶里程急剧下降，不能正常使用。为此，研制可满足长距离倾斜巷道矿用大承载能力的防爆柴油机无轨胶轮车已是当务之急。本文论述了满足肖家洼和高头窑煤矿长距离倾斜巷道大承载能力的防爆柴油机无轨胶轮车的设计特点及关键技术研究[5，6]。

1 肖家洼煤矿和高头窑煤矿辅运巷道概述

山西锦兴能源有限公司肖家洼煤矿的巷道情况：从井口开始3100m辅运大巷连续下坡，平均坡度为6°，地板为混凝土硬化路面，灰尘较大；紧接着2800m连续上坡，坡度为6°，中间有急弯道，路面采用混凝土硬化，有积水、湿滑；紧接着进入回风巷，1400m到综放工作面，路面起伏不平，颠簸幅度大，坡度为4°～6°。

内蒙古北方联合电力责任有限公司高头窑煤矿井下共有2-3和3-1两个工作面。2-3工作面的运行情况如下：从井口开始坡度为5.5°连续下坡850m；巷道为混凝土硬化路面，有减速带，较湿滑。然后进入工作面辅运巷运行600m到达工作面，巷道坡度平均3°左右，混凝土硬化路面，工作面巷道最大高度3.2m左右。3-1工作面的运行情况如下：从井口开始坡度为5.5°连续下坡1350m，巷道为混凝土硬化路面，有减速带，较湿滑。然后进入工作面辅运巷运行1700m到达工作面，巷道坡度平均为3°左右，弯道较多，混凝土硬化路面，工作面巷道最大高度3.2m左右。

2 铰接式胶轮运输车的设计

2.1 总体技术方案确定

随着肖家洼煤矿和高头窑煤矿矿务工程量的增大，急需设计一种体积载荷比小、外形尺寸可满足巷道运输的大承载能力的材料运输车，主要承担散料及混凝土等的运输工作，具有高效率和低成本的特点。由此，整车依据《MT/T989—2006矿用防爆柴油机无轨胶轮车通用技术条件》设计为涡轮增压空空中冷型防爆柴油机、液力机械传动、双桥驱动、钢板弹簧悬架、前后车架铰接式的结构型式；全液压制动和转向系统，双油缸直推后翻自卸式工作装置。整车外形如图1所示。

图1 防爆柴油机铰接式胶轮运输车(mm)

2.2 关键技术

2.2.1 铰接式胶轮运输车降低体积载荷比技术

针对煤矿井下的巷道宽度和高度，在保证整车额定载荷和爬坡强劲的情况下，整车动力为空空中冷涡轮增压型防爆柴油机，整备质量小，功率大；可增速的大能容液力变矩器匹配进口平行轴式的动力换档变速箱，利于等速和同轴线传动轴的布置，传递功率大、效率高、温升小；中央桥壳集多盘湿式工作制动和驻车制动一体式布置设计的国际知名品牌的综合式驱动桥，外形尺寸和自身质量小；定量齿轮泵负责转向、制动和举升功能的开式液压系统，原理简单可靠；防爆柴油机自带气源可控制启动、熄火和辅助功能的控制系统，节能简便，绿色环保；可实现防爆安全保护、照明和防爆可视倒车报警功能的电气系统。

继承国内外胶轮车车架的结构型式，前车架设计为U型板架式结构，悬架安装部位设计为“工”字梁结构型式，悬架装置固定在主立板外侧，可以承受六维空间力；铰接转向部位设计为筋板加强的箱型结构型式，增强了刚度和强度。其它安装主要部件的悬置点采用中薄板焊接结构型式。

依据载货汽车车架的结构型式，后车架由铰接安装板架结构与纵横梁组合焊接组成，前后等宽。纵梁是主要承载元件，钢板弹簧嵌入布置在槽型结构的纵梁内部，其上平面是平直结构以适应平底板的通用车厢。举升自卸油缸的铰接耳座布置在横梁上，横梁设计为加强型钢结构型式。

以上设计既减小了整车的外形尺寸(整车宽度1980mm)如图1所示；又降低了整车的体积载荷比。

2.2.2 中间铰接摆动架和四点悬挂系统设计

为了保证整车行走时四轮着地，改善车轮的附着条件，增强牵引力和工作稳定性，设计了上下双铰点摆动式铰接架结构，铰接架主体与摆动销轴做成一体，前车架和后车架之间通过该摆动式铰接架连接。同时在铰接摆动架中间部位设计有与铰接架主体通过球轴承旋转的花键轴，通过接盘与中间传动轴和后传动轴之间连接，实现动力的传递。铰接摆动架通过两端对称布置的圆锥滚子轴承可在圆周方向旋转360°，焊接限位块后保证横向摆动±10°角度，满足通过能力需求。

中间铰接摆动架的应用减轻整车在不平路面上行驶时车架的应力，延长整车的使用寿命；采用四点悬挂的钢板弹簧及铰接回转装置使双桥驱动的轴间差动和轮间差动的驱动力得以保证。

2.2.3 动力传动系统优化设计

1)动力传动系统。动力传动系统的主要技术参数见表1。

表1 动力传动系统的主要技术参数

变矩器为正穿透性，输入特性曲线族顺时针方向旋转，如图2所示。由共同工作输入特性曲线可知：高效工作区的变矩器速比范围为[0.55，0.98]；高效范围为1.78；最高效率点87.7%的变矩器速比为：i=0.77和i=0.95；偶合工况的变矩器速比为：0.82～0.87；通过防爆柴油机额定功率点的变矩器速比为：0.86。变矩器输入转速在[1833，2353]区间内，均工作在高效工作区。变矩器的初始输入转速与防爆柴油机最大扭矩点转速相差220r/min，匹配合理。

2)匹配优化设计。针对物料运输胶轮车在使用过程中的快速运载和爬坡工况，专门设计开发出带超越离合器的钣金冲压式液力变矩器，在变矩器传动比i≤0.82时，工作于变矩器工况；i≥0.82时，工作于耦合器工况。同时为了满足整车适用于多数矿井不同的坡度要求，提高整车爬坡时的运行速度，通过与专业厂家的技术协作，设计出前进、后退各四个档位的动力换档变速箱，合理的档位速比设计使防爆柴油机在全工作范围内平均输出功率更大；档位切换时整车动力传递更加平稳和速度变化连续。而且变速箱档位增多后，使柴油机处于经济工作状况的范围更宽，燃油消耗更小。下面两个图中虚线代表1个档位，若去除Ⅱ档和Ⅲ档，只留虚线档位，则变为三个档位。柴油机输出功率与行驶速度的关系曲线如图3所示，取代设计为四个档位时功率曲线下的有效面积更大，防爆柴油机平均输出功率更大；变速箱档位速比的确定与柴油机输出功率关系曲线如图4所示，设计为四个档位时在保证换档速度连续的原则下，每个档位下防爆柴油机都能工作在nA～nB最佳区间内，燃油消耗更小。动力匹配计算结果见表2，可满足启动工况和长距离爬坡要求。

图2 防爆柴油机与液力变矩器的共同工作输入特性曲线

图3 柴油机输出功率与行驶速度的关系曲线

图4 变速箱档位速比的确定与柴油机输出功率关系曲线

2.2.4 有限防滑差速器在后驱动桥上的设计应用

该车采用双桥驱动系统，前驱动桥采用了标准差速器，后驱动桥采用了有限防滑差速器。标准的差速器传到两根半轴上的转矩总是相等的，当一侧半轴驱动的车轮与地面的附着情况较差时，另一侧车轮上所能产生的牵引力便受到限制，大大影响了整车的通过性能。采用防滑差速器后，利用差速器内部摩擦阻力增大时，低速车轮驱动力增大的原理。当一侧车轮打滑时，提供更多的转矩给不打滑的轮子，内部摩擦力矩系数为0.45，两个轮胎转矩的差比为2.64。有限打滑差速器装配图如图5所示。

表2 动力匹配计算结果

1—外摩擦片；2—内摩擦片Ⅰ；3—内摩擦片Ⅱ；4—行星齿轮；5—行星齿轮轴；6—差速齿轮；7—调整垫片Ⅰ；8—调整垫片Ⅱ图5 有限打滑差速器装配图

整车满载时后驱动桥的附着重量大，使用有限防滑差速器使后轮间差动驱动力得以保证，提高了整车的牵引特性和通过能力，更适合煤矿井下巷道条件。

2.2.5 制动系统的设计及测试

由于整车须设计为带湿式制动的大载荷驱动桥，国内厂家较少。选型设计国际大公司的通用驱动桥可使整车轴距较大、稳定性好。而且驱动桥外形尺寸小、质量轻，可降低整车整备质量，提高驱动桥悬挂高度，增大离地间隙。

湿式制动器设计在驱动桥主减速器和轮边减速器中间，如图6所示，通过螺旋弹簧和碟簧两种执行机构可实现行车制动和驻车制动功能。制动摩擦材料为新型油介质纸基，动/静摩擦系数平均为0.15，单桥制动器单边摩擦副6对，左右制动器摩擦副的总间隙可调，正常间隙为1mm；具有传输扭矩强、结合柔和、噪音小的特点。行车和驻车制动设计理论计算和台架测试校核：制动力的测试包括行车制动和驻车制动测试，测试数据分别为：121.61kN和121.99kN。驱动桥提供的行车制动力矩和驻车制动力矩分别为60000N·m和58000N·m。测试结果与驱动桥提供的数据基本相同；与根据制动距离4.5m计算的行车制动力矩58747N·m基本相同。

为了降低整车在长距离下坡时摩擦片的发热量，防止制动系统的密封圈高温老化出现漏油或液压油和齿轮油互窜的问题，将前后驱动桥增加强制冷却装置，由小排量的齿轮泵带动驱动桥内部的齿轮油循环冷却，测试结果表明增加强制冷却装置后油温可降低40%，降温效果显著，极大的延长了驱动桥的使用寿命，提高了整车使用的安全性。

3 应用情况

整车在肖家洼煤矿从井下排矸石出井采用Ⅱ档连续爬坡；从工作面升井后，将矸石运输到距离约2000m的指定地点，路面颠簸严重，可采用Ⅲ或Ⅳ档运行，车速平均可达25km/h左右。平均单台车每天下井往返运行3次。每次往返运距约10000m。平均单车载重量为9.5t，最大载荷为12t(运输锚杆)。除去检修时间外，1台车在井下四个月工业性试验中往返拉运趟数为104趟；运输里程达到1600km，运输量共计1100t。应用表明：整车动力强劲，运输效率高，舒适性较好，下坡制动安全可靠。

整车在高头窑煤矿主要为井下运输混凝土、石子及砂浆，三班连续运行，为了避免货厢内的散料及混凝土在下坡或急刹车情况下溢出货厢外部，在货厢上增加挡板保护，单趟平均载荷为9t；同时承担煤矿井下的出渣任务，出渣载荷平均为8t，采用Ⅱ档连续爬坡，速度约14km/h，单趟共需要1.5个小时，往返运行平均距离为4000m左右，平均每班运行4趟。整车在三个月工业性试验期间共运行距离6000km，运输量共计5000t左右。应用表明：整车加速时间短、爬坡能力强、运行速度快，下坡制动安全可靠。

同功能车型在此工况下只能使用Ⅰ档爬坡运输，平均运行速度仅为该车型的50%。

4 结 语

在建设高产、高效现代化矿井的迫切需求下，采用新思路和新方法对现有的防爆柴油机无轨胶轮车技术薄弱点进行系统性优化设计及致力于开发一些关键传动元部件，提高运行安全性和运输效率；降低运营成本，促使防爆柴油机无轨胶轮车的应用范围更广。

该类车型还可以从以下几个方面进行技术创新来满足国内更多的长距离倾斜巷道煤矿的辅助运输要求。如：降低排放和燃油消耗的防爆电喷柴油机技术、增宽传动高效区域的多级多相液力变矩器开发、可提升爬坡能力的多档位液力换挡变速器的开发和提高安全性及延长驱动桥制动器寿命的缓速装置设计等。