竖井煤矿新型防爆柴油机无轨胶轮车设计及应用

2019-05-29赵海兴

煤炭工程 2019年5期

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)

煤矿更新需求，在建和扩建煤矿新增需求共同驱动防爆柴油机无轨胶轮车在全国范围内的推广应用，其高效和减人的突出优势已被证实。随着矿井向大型化和深部发展，竖井一般采用副立井罐笼向井下运输物料及设备。陕蒙地区的红庆梁煤矿，罐笼尺寸：长7.9m，宽3.7m，高5.2m；能满足载重5～10 t级防爆柴油机无轨胶轮车自由出入罐笼。山西大同煤矿集团公司的王村煤矿和四老沟煤矿，罐笼尺寸：长5m，宽2m，高3.8m，采用3t级无轨胶轮车直接进出罐笼完成运输工作，由于车辆装载容量小，导致车辆配置数量多，辅助运输效率低下。山西长治三元中能煤业公司罐笼尺寸：长4.5m，宽1.6m，高2.8m，无轨胶轮车无法直接进出罐笼，需要解体下井后再组装，用轨道集装箱或平板车通过罐笼入井后，在井下换装物料或直接放置在5 t级防爆柴油机无轨胶轮车货厢内完成运输，由于运输环节繁多，效率偏低[1-4]。

1 无轨胶轮车在典型竖井煤矿应用现状

兖州煤业集团西部的石拉乌素和营盘壕煤矿，罐笼尺寸分别为长7.5m，宽3.6m，高3.2m；长8.4m，宽3.6m，高3.2m。神华亿利黄玉川煤矿罐笼尺寸：长7.7m，宽3.8m，高3.2m。这些煤矿的无轨胶轮车包括10 t级的材料运输车和综采设备搬家车辆均可直接进出罐笼，高效快捷[5]。

兖州煤业集团本部有济三煤矿、济二煤矿和赵楼煤矿，三个煤矿的罐笼尺寸：长5m，宽2m，高3m；东滩煤矿和鲍店煤矿罐笼尺寸：长5m，宽1.6m，高3m；以上煤矿均为竖井开采。济三煤矿是全国首家采用无轨胶轮车的竖井，材料运输车主要负责采掘支护材料、喷浆料、混合料、小型设备等运输。从井口至最远的工作地点约8km，最近约4km，水平路段和坡度路面各占50%，坡度平均约4°～6°，最大坡度10°；部分车辆还要进入采掘作业地点巷道内。尤其是集中进行路面整平和夯实过程中，路况复杂，局部地点坡度能达到12°～14°，且坑洼不平，存在积水等。济二煤矿车辆从乘车点单程行驶7km，其中5°坡600m，13°坡70m，10°坡300m。

目前这些煤矿采用的直接进出罐笼的无轨胶轮车为平头汽车底盘改装式3t级自卸车，整车为短轴距机械传动后双轮驱动防爆车辆，使用中存在数量多，排放污染严重的问题；在井下爬坡过程中，车辆易打滑，运输效率低下。如果将整车的承载能力加大，驱动方式更改为四轮驱动，必然导致整车的高度尺寸变大；负载时重心升高(尤其是在运输散装物料时)，车辆运行的稳定性变差；而且在长距离上、下坡时，易出现驱动桥的主减速器损坏和轮边湿式制动器漏油等故障[6，7]。

为此，急需研究高效的适合罐笼运输工艺及配套的防爆柴油机无轨胶轮车。

2 防爆柴油机无轨胶轮车设计

2.1 总体技术方案设计

近年来国产的5t和8t级铰接式防爆柴油机无轨胶轮车已普遍使用在全国各大煤矿，技术成熟可靠，得到了用户的一致认可。通过防爆柴油机无轨胶轮车在各大煤矿的使用验证，液力机械传动方式为最佳选择，防爆柴油机的动力可随外阻力的变化在一定范围内进行无级调速，重载爬坡时具有良好的动力性能，而且驾驶操纵简便灵活。

整车总体设计要符合标准《矿用防爆柴油机无轨胶轮车通用技术条件》(MT/T 989—2006)，继承现有车型的成熟技术并创新设计。首先考虑结构布置型式和外形尺寸，同时整车货厢容积也要满足货物平装所要求的更大载荷设计指标。该车防爆柴油机动力经分体式的液力变距器和变速箱将动力传到前、后驱动桥及车轮，从而产生行驶驱动力。前后驱动桥上布置有钢板弹簧悬挂，前端为吊耳，后端为滑动结构，既起减震作用，又可以传递驱动力和转向力。车辆转向时通过转向阀块控制液压油进入两个油缸，从而实现向左和向右转向。为了保证整车的防爆特性，需有必要的液体箱和气罐，而且各容器须容纳一定体积的液体或气体来满足整车往返一趟或使用一个班的工作时间。整车的右前方有燃油箱和废气处理箱，右前轮上部为防爆柴油机的补水箱，左前轮上部为液压油箱，两个等容积的气罐布置在后车架左右两侧。

由于整车须采用湿式制动技术，满足煤矿长距离大坡度制动要求。国内研制的湿式制动大载荷驱动桥外形尺寸和质量偏大，导致整车整备质量和外形尺寸大，难以满足罐笼运输条件。研制12t级自卸车采用国际大公司的通用驱动桥可使整车轴距较大、稳定性好；驱动桥外形尺寸和质量小，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，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液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%，极大地延长了驱动桥的使用寿命，提高了整车使用的安全性。

驾驶室设计首先要保证驾驶员能在驾驶室的内部空间乘坐舒适，长度确定为1400mm，宽度确定为565mm；且设计有挡风玻璃；机舱盖板内部布置隔热和隔音材料；座椅和方向盘的布置要符合人机工程要求，而且对驾驶室区域的仪表、按钮、扳钮、手柄和踏板等合理布局，使驾驶员操作方便灵活。

在井下倒车时存在盲区，所以设计开发出防爆可视倒车报警装置包括红外测距传感器、摄像仪、显示器和控制器等元部件。显示器布置在驾驶室内部；测距传感器布置在整车的货厢尾部，测距传感器测量有效范围为400～1000mm；摄像仪和控制器布置在后车架上，摄像仪旁边设计有补光照明灯。由于整车主要用于装载散料及铺设巷道底板的混凝土材料等，为了避免倒车摄像仪在煤矿井下被污泥遮掩，影响倒车可视效果，设计开发了气动控制的防护装置，在驾驶室内可动作气动手拉阀使气缸带动摄像头护板开启和关闭。

为了使整车能满足济三和赵楼煤矿竖井使用要求，具有拆解下井方便、体积载荷比小、承载容积大和卸载速度快的特点；同时可满足石拉乌素、营盘壕煤矿和黄玉川煤矿等竖井大型罐笼的直接进出运输条件。整车主要技术参数设计见表1。

表1 整车主要技术参数

2.2 防爆柴油机设计

2.2.1 柴油机主机选型

依据防爆胶轮车吨功率经验数据，确定防爆柴油机额定功率为130kW/2200r/min，最大扭矩700N·m/1400r/min。采用废气涡轮增压及进气中冷技术，使柴油机升功率提高约35%～45%，保证动力的前提下能大幅降低柴油机的体积和重量，同时可降低有害物尤其是CO和NOx的排放指标。该型防爆柴油机体积较小，便于在整车上布置设计，既保证了外形尺寸的要求，又有利于整车轻量化设计。

2.2.2 防爆电喷柴油机设计及测试

以上柴动力主机为基础机型，依据《矿用防爆柴油机通用技术条件》(MT990—2006)设计防爆进、排气系统及冷却系统，成功研制出防爆柴油机动力装置。但其排放指标仅相当于国Ⅱ标准，而煤矿井下巷道空间较小，通风条件普遍较差，防爆柴油机胶轮车运行时，废气及粉尘难以及时顺畅全部排出，污染严重；有的煤矿防爆柴油机胶轮车司机出现头晕、刺眼、恶心、喘咳，甚至晕倒的现象。为此，开发电喷防爆柴油机更适合煤矿的工作环境，而且电喷柴油机较机械泵的柴油机相比，扭矩储备系数更大，低转速扭矩更大。综合比较两种柴油机的技术性能指标如图1和图2所示。

图1 机械泵和电喷泵防爆柴油机外特性曲线比较

图2 机械泵和电喷泵防爆柴油机排放指标比较

电喷防爆柴油机的燃油系统设计采用自主研发的防爆电控单体泵，电控单体泵系统安装接口按照原机接口设计，更换了喷油器。与机械柱塞泵式燃油喷射系统相比，电控燃油喷射系统具有较高的燃油喷射压力，并对喷油规律能够准确、灵活的控制。能使柴油机的喷油压力、喷油量、喷油定时和喷油速率等参数，按照不同工况运行时可得到实时监控和最优的综合控制，从而实现降低柴油机排放，提高燃油经济性的目的。

防爆电控燃油喷射系统的研究是该防爆柴油机的关键技术。目前，我国地面用柴油机对电控燃油喷射技术的研究已基本成熟，但是如何把该项技术应用到煤矿井下，成为研究的主要难点和关键点。重点解决高速电磁阀的本安型防爆和电控ECU单元的隔爆问题，同时，还要保证原电控系统中电磁阀的高速动态响应特性不能有任何变化。

2.2.3 动力传动系统的散热装置设计

动力传动系统的散热装置除了防爆柴油机主循环水路散热器和增压空气中冷器之外；还需要增加了一个传动油冷却器，采用吸风式冷却方式，如图3所示。最理想的状态是中冷器冷却后的防爆柴油机进气最高温度约70℃、水散热器冷却后冷却液最高温度约95 ℃、传动油散热器冷却后最高温度约100 ℃。考虑到该柴油机功率较大，水散热器的迎风面积也较大，为降低散热器厚度，将中冷器和油散热器并列布置在水散热器前面。散热面积的确定采用计算及类比的方式进行设计；散热器的安装固定方式根据整车总体结构型式确定。

图3 动力传动系统散热装置

2.3 传动系统匹配设计

整车动力传动系统的匹配计算采用进口和国产变矩器与进口和国产变速箱排列组合方式，变矩器有钣金冲压焊接式和铸造两种，变速箱为平行轴式结构型式。比较分析三种传动系统的匹配计算结果，综合考虑动力性能和燃油经济性等因素，最终确定国产单级双相综合式液力变矩器匹配进口双向各四个档位的动力换挡变速箱，可使防爆柴油机处在经济工作状况的范围更宽，变矩器工作在效率大于75%的范围更宽，整车运输效率更高，结果如图4和图5所示；车速牵引力曲线如图6所示。

图4 变速箱输出动力曲线

图5 防爆柴油机油耗与变矩器效率曲线

图6 车辆速度及牵引力曲线

2.4 车架设计

2.4.1 车架的建模及多刚体动力学分析

前后车架均为板架式结构，由不规则的中薄钢板焊接而成，铰接装置由铸钢零件机加工而成型。在Solid Works建立前车架、后车架和货厢连接为一体的实体模型，再导入ADAMS中。具体如下：

1)车架体以及所承受各部件建模：在Solid Works建立包括车架体、货物、发动机系统、传动系统、气电液系统等的装配体模型，再导入ADAMS中。修改各部件的质量参数，并添加运动副和约束。

2)板簧处理方法：在Solid Works中将每个板簧简化成1片，并离散为10部分，在ADAMS中利用无质量梁将10部分连接起来。板簧与驱动桥为固定连接，与车架体一端为转动副，另一端为滑动副连接。

3)轮胎处理方法：建立新的轮胎模型，轮胎垂向刚度为3500 N/mm。整车模型如图7所示。

图7 整车刚-弹耦合动力学模型

2.4.2 设计优化

选取车辆满载、一侧轮胎通过矩形坑路面的工况进行动态仿真分析，应力和应变分析结果如图8、图9和图10所示，车架应力最大值在板簧末端销轴孔处为158MPa；前车架主框架侧板与板簧末端连接部位、铰接耳板和转向油缸座耳板处为应力较大区域。铰接回转装置应力最大值在转盘轴肩处为170MPa；转盘轴根部、转向油缸座耳板处为应力较大区域。后车架应力最大值在后钢板弹簧座销轴连接处为235.3MPa；主梁侧板与板簧连接处、铰接部位上方为应力较大区域。各部位应变均处于允许范围之内。将应力较大部位进行了板材厚度增加、筋板加强和结构改进等设计和再分析，保证车架能满足煤矿井下最恶劣运行路况及车辆在半坡工况的加速和制动等设计寿命要求

图8 前车架应力应变云图

图9 铰接回转装置应力应变云图

图10 后车架应力应变云图

2.5 自卸货厢及举升装置设计

为了最大限度利用整车货厢的内部空间，同时保证快速卸载性能，货厢结构型式及自卸举升机构的设计直接影响整车的运输效率。货厢布置在后驱动桥及后轮胎的正上方，方便整车运输设备而且可以快速卸载，货厢为薄板焊接结构，在侧围板和底板位置设计有很多加强槽钢，保证其强度和刚度；后挡板设计为具备自动打开和闭合的双铰点旋转式结构型式，具有开口大、举升自卸速度快的突出优点。货厢距地面的高度(装载高度)由车轮的直径及其跳动时所需的间隙决定。整车有时需在井下用铲运机装载污泥或矸石等材料，故在保证车厢容积足够和货物易装卸的条件下，尽量降低车厢距地面的高度。

经过比较分析几种常用的举升机构，最终确定方案如图11所示。举升机构采用双缸直推、腹举式举升方式，布置在货厢的下方，最大自卸角度设计为45°，一方面保证举升油缸闭合长度最小且发挥最大的效率，另一方面举升油缸在动作的过程中不能与驱动桥干涉。

图11 自卸货厢及举升装置

3 应用情况

3.1 晋煤集团赵庄煤业公司

立井距地面深度约420m，罐笼尺寸：长4.9m，宽2.3m，高3m；载荷较大的车辆不能直接进出罐笼。为此，从地面将物料装载到可直接进出罐笼的矿车内，每个矿车的容积为3m3，通过提升能力9.2t的罐笼将物料运输到井下容积约100m3的大料仓。赵庄煤业公司井下矿建任务重，一般情况需要混凝土、石子等散料105m3/d；特殊情况需要210m3/d。为了满足需求，每天正常运行30辆5～8t级防爆柴油机无轨胶轮车，单车运输货物3.5m3，平均载荷7t；存在排放污染严重、安全隐患大和综合运营费用高等问题。

整车从副斜井采用牵引绞车与平板车配合运输下井。该车每次运输货物6m3，平均载荷12t。从井底换装场地开始沿辅运大巷单程运行约20km到达目的地，平均坡度为6°，最大坡度11°，路面起伏不平、颠簸幅度大。使用表明：整车承载能力大，运行速度快；每天运行车辆数量及驾驶员减少30%；车辆排放污染低；得到矿方的一致好评。

3.2 山东新矿集团新巨龙公司

主立井距地面深度约980m，罐笼尺寸：长5.2m，宽2.1m，高2.8m；井下所需的物料由汽车底盘改装的后双轮驱动防爆车辆或者轨道矿车直接进出罐笼运输，防爆车辆的最大容积为2.5m3，每个矿车的容积为3m3。车辆在大巷单程辅运距离约7km，其中辅助运输大巷最大坡度为7°、长度900m。新巨龙公司井下采用“地轨+无轨+天轨”的接力运输方式，物料运输仍以单轨吊为主，无轨胶轮车为辅。存在转载环节多，运行效率低和防爆柴油机排放污染严重的突出问题。

整车从中央铰接部位拆解为两部分，管路或线缆均设计为快插式或布置有接线盒，将货厢与后车架分解，通过罐笼入井后进行组装使用。在井下料场，采用装载机将物料装载到车辆上，完成点到点的运输。使用表明：车辆承载能力大，爬坡速度快，下坡运行安全可靠。矿井全部无轨胶轮化的新型运输方式降低了运行费用和巷道污染，提高了效率，减少了辅助运输的安全隐患。