矿用无轨胶轮车的发展瓶颈与对策分析

刘志更

(中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

1 无轨胶轮车发展

20世纪90年代，伴随着中国经济建设步伐的加快，对煤炭的需求日益旺盛，促使煤炭企业急需扩大产能，引进国外先进的采煤及辅运设备。其中无轨辅助运输设备因其效率高、机动性强、操控简单、辅助人员少等优点，使得这种新型的无轨辅助运输方式受到我国90%以上新建矿井和改扩建矿井的青睐。早期受技术限制及备件短缺、价格昂贵等因素的影响，进口设备使用成本代价太大，国内的煤矿设备制造商便开始了进口设备国产化吸收再创造的征程，经过了近20年的发展和积淀，我国煤机设备技术水平已经接近甚至超越了进口同类设备。

无轨胶轮车作为矿井辅助运输的主要设备，其技术和生产制造水平在我国发展迅速，涌现出来了诸如山西天地煤机、常州科试、江苏天明、莱州亚通、航天重工、卡利格等一些煤机装备企业，实现了小、中、重型无轨胶轮设备的全覆盖，完全满足了矿井生产需求。其中轻型车的主要代表有：WC9R防爆皮卡车、WC20R防爆运人车等；工程车的主要代表有：WC3J、WC5E、WC5E(B) 、WC8E、WC8E(B)、WCJ10E等防爆柴油机无轨胶轮车；支架搬运车的主要代表有：WC25EJ、WC40EJ、WC55EJ柴油铲板式搬运车，WX35J、WX45J铅酸蓄电池铲板式搬运车，WC40Y、WC55Y、WC80Y框架式支架搬运等；铲运机的主要代表有：WJ-4FB、WJ-7FB、WJ-10FB防爆柴油铲运机等；其余专用车有WC3Y顺槽车，JC3、5型井下混凝土搅拌车等。另外根据客户的特殊需求还派生出了很多系列化车型。

2 发展瓶颈

2.1 尾气排放高

一个年产500万t以上的大型矿井，生产高峰期需要近百辆防爆柴油机车运行于狭窄的巷道中，由于矿井的客观通风条件和防爆柴油机车的特殊防爆结构，使得巷道空气中CO、NOx等有害气体浓度以及PM颗粒严重超标。《矿用防爆柴油机通用技术条件》对废气成分的规定：有害气体成分的体积浓度不应超过下列许可值：一氧化碳，0.1%；氮氧化物，0.08%[1，2]。而目前的防爆柴油机胶轮车排放指标勉强达标，仅达到国Ⅱ标准，由此引发的职业病及潜在的危害程度，甚至超过了我国煤矿的尘矽肺、煤矽肺等职业病，职业健康环境堪忧。

2.2 油耗高、效率低

受矿井巷道运行条件限制，胶轮车设计必须比地面车辆更加坚固和防撞。同载重量车辆的自重是地面车辆的2～3倍，同载重量的车辆百公里耗油量是地面车辆的3倍以上，燃油消耗及浪费严重。

同时柴油机进排气防爆处理导致做功阻力加大，使得柴油机不能运行在一个通畅、高效、经济的状态，运行平均效率同比地面车辆降低20%左右。

2.3 噪音高

因无轨胶轮车防爆柴油机功率较大，巷道空间狭小，柴油机及传动产生的声音不能被很好地扩散和吸收，导致车辆普遍噪音较高，一般超过90dB(A)甚至达到110dB(A)，对驾驶员及作业矿工的听力功能损伤很大。

2.4 维护成本高

国内煤矿使用的胶轮车的完好率基本低于60%，相当一部分胶轮车处于在修和待修状态，与地面车辆完好率超过95%以上相差甚远。车辆大修和项修周期短，易损件多，备件更换率高，单车月维护费用平均达万元，超过地面车辆的2倍以上，维护成本高。

2.5 巷道适应性差

防爆柴油机无轨胶轮车运行于长距离连续坡道时，适应性差的问题越发突出[3]，上坡动力不足短板有待突破，下坡制动安全遭遇挑战。

3 解决对策

3.1 动力环节

为了改善胶轮车尾气污染带来的矿工职业健康问题，在现有技术条件下，采用更加清洁、更加环保的动力源是必由之路。主要有几下几种方案：

1)电喷柴油发动机降低污染方案。电控燃油喷射系统[4]能够提高系统内的燃油喷射压力，对喷油规律能够准确、灵活控制。按照不同工况运行时，使柴油机的各燃油喷射参数(喷油压力、喷油量、喷油定时、喷油速率)，能够得到实时监控和最优的综合控制，实现降低柴油机排放，提高燃油经济性的目的。山西天地煤机装备有限公司已经研制出了75kW、130kW、240kW等级的防爆增压中冷电喷柴油机，并得到了推广应用，尾气排放相比机械泵式柴油机减少30%～40%。

2)纯电动驱动方案。在煤矿井下一些通风条件差的区域，为了改善工人的作业环境，确保人身安全，一些作业车采用了铅酸蓄电池纯电动方案。如用于掘进工作面清理浮煤作业的铲车，在神华神东矿区应用普遍，主要有488-UN-A-TRAC；综采工作面短距离搬运支架的铲板车，主要有VT636、VT650、VT680支架搬运车。2018年1月，用于神华集团8.8m智能超大采高综采成套装备搬运的100t蓄电池防爆铲板搬运车也已开始应用。但铅酸蓄电池存在能量密度低、体积大、维护量大、充电时间长、充放电次数少、电池二次污染等缺陷，仅在井下相对封闭狭小的短距离作业车上使用，并未在长距离运输的胶轮车上得到应用。

锂离子蓄电池胶轮车由于井下蓄电池使用容量受限、寿命短、成本高、续航里程短、爬坡能力有限等问题，正在试验当中，在我国并未得到大范围推广应用。

3)油电双动源架线车方案。研究柴油机和电机分时独立驱动的无轨胶轮车，在架线辅运大巷采用电驱动运行；在非架线巷道采用防爆电喷柴油机驱动运行。该方案可实现煤矿井下主要进风巷内的尾气污染零排放，在通风条件不好的区域尾气排放同比有效降低。该方案是目前能够做到的比较好的一种，但存在同时布置两种动力致使车辆体积大、整车尺寸大，适应性较之前单动力车也会变差等问题，更需要一整套严格的管理措施来确保车辆在架线区域的安全运行。

4)电电双动源架线车方案。研究车载蓄电池和架线电源作为动力源、电机驱动的无轨胶轮车[5]，在架线辅运大巷采用架线供电运行；在非架线巷道采用车载蓄电池供电运行，架线运行的同时给车载蓄电池充电。该方案可实现煤矿井下全巷道内的尾气污染零排放，彻底解决胶轮车尾气污染问题，目前还是受限于蓄电池的技术发展。

相信随着成本低、密度高、体积小的蓄电池问世，无需铺轨架线，纯电动无轨胶轮车的春天必将到来。既实现了胶轮车的清洁无污染、节约了能源、减少了噪音，又提高了适应性，降低了故障率，将大大提高我国矿井的现代化水平。

3.2 设计制造环节

由于矿井的特殊作业环境，矿用车辆的需求量远小于地面车辆，矿井生产对于胶轮车的要求也仅限于能够满足生产需求，进而导致胶轮车生产厂商不会把过多的精力投入到车辆的精细设计当中，车辆设计还停留在粗糙设计水平。设计过程中闭门造车、功能冗余，系统过于复杂、仿真手段欠缺、试验不充分、前期经验数据积累不够、设计过于保守、舒适性差[6]等问题普遍存在。设计制造水平还远远低于成熟的工程机械装备，诸如外观粗糙、装配工艺水平落后、管线布置混乱等问题突出，其应对措施如下：

1)注重整机顶层设计，树立项目课题负责人的总体大局意识，做好市场调研，充分了解客户现场需求，以便设计时宏观把控，合理任务分解。

2)提高设计人员的综合能力，从现场实际需求出发，精简各系统功能，做到简单实用、方便操作、舒适性好、维修方便。车辆设计时去除冗余设计，精简故障点，减少不可控因素，故障率将会大大改善。

3)严格设计过程审查。做好传动系统匹配与计算复核，可以确保车辆动力性能稳定；做好图纸审查，可以有效杜绝低级设计失误。

4)注重关键传动元部件的设计及选型、参与生产工艺管理、加强元部件在的试验力度，做好数据分析及改进试验工作，保证元部件的高可靠性。

5)完善整机装配工艺管理，加强中间过程质量控制。整机装配一定要按照工艺规程严格执行，采取合适的装配手段和方法，拒绝粗暴装配。各种管线布置要有据可依，做到整齐有序，便于元部件和管线的维修和更换。

3.3试验环节

国内无轨胶轮车厂商主要是匹配和组装，外购元部件的数量占到整机关键元部件的80%～90%，其质量得不到保证。自主研发的关键元部件很多时候在试验台上的试验不充分，就冒然服务于整机，带来行车安全隐患。

另外国内除个别厂商拥有比较完善的试车道及整机性能试验台之外，很多厂商还不具备全面测试车辆性能的手段，整机得不到充分地跑合，一些潜在的问题不足以暴露就服务于生产，带来安全隐患的同时也损伤了厂商的质量和信誉。

提高整机装备质量，降低车辆维修成本，应该加大元部件及整机的试验力度，在不同工况下进行严格测试和数据分析，并结合现场实验数据进行改进完善才是根本出路。

4 前沿技术研究

1)根据电控泵喷油系统的性能机理，优化防爆电喷柴油机喷油控制工艺，实时监控和调整单体泵的喷油量和喷油正时，提高扭矩和功率指标，减少燃料消耗，降低排放。继续深入研究矿用柴油机进、排气防爆技术，减少功率损失。

2)使用现代化的信息技术，实现对车辆本身运行参数的监测、车载语音通话、机车可视雷达倒车、提供车辆状态自诊断和分析等功能，进而对车辆系统及关键部件进行实时状态监测，可以快速发现问题、识别潜在安全隐患，便于用户及时维护，确保车辆及人员安全。除此之外，随着车载终端数据采集分析处理平台技术的日趋成熟，可以足不出户就可以收集更多的一线试验数据，为设计和研发提高效率和质量。

3)逐步探索研究无人驾驶技术在煤矿井下无轨胶轮车应用的适应性，为高效安全的智慧矿山做技术储备。

4)配套基于物联网的无轨辅助运输工艺，研制智能、清洁、高效的无轨胶轮车，实现矿井生产中人、物料及设备等的智能分配和高效运输，全面提升我国矿井辅助运输的智能化技术水平。

5 结 语

无轨胶轮车的大范围应用，缩短了矿井生产准备周期，大大提高了矿井运输效率。在肯定其效果的同时，更应该正视其存在的尾气污染大、噪音高、燃油消耗高、维护成本高、适应性差等突出问题，使用清洁动力源、提高设计制造水平、加强整机和元部件试验力度，精细生产打造精品，并逐步将信息技术、无人驾驶技术、物联网技术等前沿科技进行研究和应用，才能使无轨胶轮车更高效、更安全、更持久地服务于矿井生产。