矿用无轨胶轮车传动选型及发展方向浅析

中国煤炭科工集团太原研究院有限公司 山西太原 030006

煤矿井下无轨胶轮车是一种以防爆柴油机或防爆蓄电池为动力，主要用于煤矿井下运送人员、物料以及设备的一种无轨胶轮运输车辆[1]。近年来，我国 90% 以上的新建矿井均采用了无轨胶轮辅助运输方式。在煤矿巷道的特殊环境下，相对于轨道运输而言，使用无轨胶轮车完成矿井辅助运输任务具有无需物料转载、速度快、灵活性高、爬坡能力强以及安全性高等众多优点，大大缩短了生产准备时间，为实现煤矿高产高效做出了突出贡献。不同于地面机动车辆，受煤矿井下空间限制以及为满足不同的作业需求，无轨胶轮车的结构多种多样。笔者就矿用无轨胶轮车的传动系统型式及选型进行研究综述。

1 无轨胶轮车种类

国内矿用无轨胶轮车经过 20 余年的发展，已经完全替代了进口产品，种类也更加丰富，可以按照功能、结构和动力等来分类。

按照车辆功能，无轨胶轮车可分为运人车、工程车、多功能作业车、特殊作业车及支架搬运车等。其中运人车和工程车使用最为广泛，约占矿井辅助运输车辆总数的 80%。以铲斗、铲板或铲叉等作为工作机构的多功能作业车约占矿井辅助运输车辆总数的10%，洒水车、加油车、救护车、混凝土搅拌车及吸污车等约占矿井辅助运输车辆总数的 4%，专门用于搬运综采工作面液压支架的支架搬运车约占矿井辅助运输车辆总数的 6%[2]。

按照车辆结构，无轨胶轮车可分为整体式、两段铰接式及三段铰接式等。其中整体式车辆采用整体底盘，减振效果较好但转弯半径大，以运人车为代表，约占矿井辅助运输车辆总数的 20%。铰接式车辆因其转弯半径小，通过性好，能更好地适应井下空间狭小的巷道环境特点，占据了大半江山[3]。它又分为两段铰接式和三段铰接式 2 种类型。

按照车辆动力，无轨胶轮车可分为柴油机无轨胶轮车和蓄电池无轨胶轮车，占比分别约为 80% 和20%。其中蓄电池无轨胶轮车又包括铅酸蓄电池无轨胶轮车和锂离子蓄电池无轨胶轮车 2 种类型。

2 传动系统型式

矿用无轨胶轮车常见的传动型式主要有机械传动、液力机械传动和液压传动等。

2.1 机械传动

机械传动类无轨胶轮车以柴油运人车为代表，与地面机动车辆的传动相同，传动路线如图 1 所示。由柴油发动机连接机械式离合器，通过机械式离合器和变速箱配合，实现换挡和前进后退功能。机械传动的特点是传动效率高，劣势是操控复杂，对传动件的可靠性要求较高。

图1 柴油动力机械传动路线Fig.1 Mechanical transmission route powered by diesel engine

此外，机械传动类车辆还有蓄电池动力车辆，如铅酸蓄电池铲板车及锂离子蓄电池运人车等，传动路线如图 2 所示。

图2 电动力机械传动路线Fig.2 Mechanical transmission route powered by motor

2.2 液力机械传动

煤矿井下路面复杂，高低起伏较多，车辆运行时负载变化千差万别，纯机械传动难以适应载荷突变带来的转矩冲击。液力机械传动由于有液力变矩器，一方面能够提升原动力转矩，直接改善铲运类大转矩工况的使用需求，另一方面利用涡轮带动油液可以有效缓冲转矩冲击，起到保护传动件的作用，在井下工程车和重型车上应用普遍[4]。

液力机械传动的传动路线如图 3 所示。柴油发动机的动力经液力变矩器降速增扭后，再经传动轴传至动力换挡变速箱、驱动桥和轮胎。

图3 液力机械传动路线Fig.3 Mechanical transmission route powered by hydrodynamics

2.3 液压传动

液压传动与机械传动型式相比，在输出同样功率的条件下具有体积小、质量轻及结构紧凑的优点。由于工作液体弹性大，本身又有吸振作用，不像机械传动会引起过大的振动和冲击。液压传动较易于获得大的力或力矩，可以实现低速大吨位运行，能在很大的范围内实现无级调速，且调速可在系统运行过程中进行。液压传动路线如图 4 所示。

图4 液压传动路线Fig.4 Hydraulic transmission route

液压传动类无轨胶轮车主要有顺槽车和框架式支架搬运车等，因其动力元件和执行元件可分开布置，只需要几根液压管路连接即可，简化了整车传动部件的连接，易于整机布置，适用于低速场合。

3 选型

矿用无轨胶轮车传动型式的选择与车辆的结构、使用功能、使用环境及舒适性等方面有关。下面从使用功能入手，分析矿井无轨胶轮车的传动系统选型。

3.1 井下运人车

井下运人车主要完成煤矿井下各岗位人员的上下班和班中餐的运输工作。代表车型是某煤机装备公司生产的 WC20R 型防爆柴油机无轨胶轮车，其主要参数如表 1 所列。

既然是运送人员的车辆，速度快、舒适性好、安全性高是必备的三大要素。要确保有较好的舒适性，只能选择整体式底盘，配上车桥减振系统，使之满足矿井长距离运送人员的需求。速度快就要求传动系统效率要高，在几种传动型式中首选机械传动。因此井下运人车均是整体式底盘结构，传动型式均是机械传动。

表1 WC20R 型防爆柴油机无轨胶轮车主要参数Tab.1 Main parameters of WC20R trackless rubbertyred vehicle with explosion-proof diesel engine

3.2 井下工程车

井下工程车主要完成一些生产用机械、液压、气动及电气类等小型设备的长距离运输作业[5]。不同于传统轨道机车，它可以实现点对点无需转载的连续运输作业，大多数情况下经过的路面凸凹不平，有水有泥，且巷道空间狭小，环境较为恶劣。代表车型是某煤机装备公司生产的 WC5E 型防爆柴油机无轨胶轮车，其主要参数如表 2 所列。

表2 WC5E 型防爆柴油机无轨胶轮车主要参数Tab.2 Main parameters of WC5E trackless rubbertyred vehicle with explosion-proof diesel engine

首先，由于巷道空间狭小，整体式底盘的车辆转弯半径大，转弯通过性不好，且上下坡时车身容易搁浅，因此井下工程车一般都采用两段铰接式，前段动力承载，后段为货箱。其次，由于地面坑洼不平，传统的机械传动难以适应路面的急剧起伏变化，对传动系统冲击太大，传动部件可靠性难以保证，因此优先选择液力机械传动型式。液力变矩器的油液柔性缓冲特性得以充分利用，能够有效缓解转矩传动的冲击，以保护传动系部件。由于工程车主要不是运送人员，因此牺牲了减振性能，舒适性较运人车稍差。

3.3 井下作业车

井下作业车主要完成一些铲运类作业，包括清理巷道路面的装载机、清理浮煤的铲运机以及综采工作面安装设备时用的铲板车等。这类型设备的特点是多数时间在固定点作业，少数时间短距离运输作业。在固定点进行铲叉作业时，负载是千变万化的，同样需要柔性传动部件来吸收负载对传动系的冲击，再加上路面条件更加恶劣，因此这一类井下作业车也都是采用液力机械传动型式。代表车型是某煤机装备公司生产的 WX45J 型防爆柴油机无轨胶轮车，其主要参数如表 3 所列。

表3 WX45J 型防爆柴油机无轨胶轮车主要参数Tab.3 Main parameters of WX45J trackless rubbertyred vehicle with explosion-proof diesel engine

随着交流异步电动机、开关磁阻电动机及永磁电动机技术的发展和调速技术的成熟，也有独立电动机直驱轮边的矿用铲板车案例，比如系列铅酸蓄电池铲板式搬运车[6]。

3.4 井下支架搬运车

井下支架搬运车主要完成综采工作面安装和回撤液压支架的远距离运输作业。受井下巷道高度限制，运输时支架和车身的整体高度不宜过大，车身更需要较低的离地间隙，这就决定了桥驱方案被排除。液压支架运输时只有位于底座左右侧的 4 个起吊孔可以用，受液压支架结构特殊性的限制，承载支架的框架中间必须是空的，以方便液压支架装卸，即车辆驱动侧左右必须是断开的。鉴于上述客观条件，井下支架搬运车均采用驱动轮独立液压驱动型式。代表车型是某煤机装备公司生产的 WC80Y 型支架搬运车，其主要参数如表 4 所列。

表4 WC80Y 型支架搬运车主要参数Tab.4 Main parameters of WC80Y support carrying vehicle

4 发展方向

我国矿用无轨胶轮车经过了十几年的发展，技术已经非常成熟，成套装备也已经完全满足了矿井辅助运输生产需求，车辆传动系统型式也已经基本固化。未来的发展可能在以下几个方面有所创新。

4.1 混合传动型式

近几年，中国矿业大学、山西天地煤机装备有限公司等单位进行了混合动力传动方面的理论研究[7]，包括防爆电喷柴油机、防爆动力电池、电池管理、动力源切换、油门控制及制动控制等方面的基础研究工作，但至今国内还没有井下混合动力的无轨胶轮车产品问世，最主要的原因是由于 2 种动力会占用更多的车辆空间，对于尺寸要求较高的矿用无轨胶轮车来说，整车布置难度加大。即便研发出来，其大尺寸也会导致巷道适应性差，且部件多、故障多、排布紧张导致检修困难，难以进行工业性推广应用。

随着电动机技术以及蓄电池储能技术的发展，当动力电池和电动机的体积不再是制约整车布置的拦路虎时，柴电混合动力、架线电源和蓄电池混合动力的车辆才会有一定的研发空间。

4.2 传动控制方式

随着煤矿智能化步伐的加快，无人驾驶辅助运输机器人的研发已经提上日程。不同于以往的油门、转向及制动等触觉控制方式，无人驾驶的决策是由传感器根据实际道路状况输出电信号，这就需要对传统汽车的底盘进行线控改造，以适用于自动驾驶。作为无人驾驶的行走部，线控底盘主要有五大系统，分别为线控转向、线控制动、线控换挡、线控油门和线控悬挂。采用多传感器融合技术，实时判断车辆状态，并自主决策，执行动作，实现单机装备的智能化。

4.3 薄煤层车辆传动结构

近些年我国能够使用无轨胶轮车进行辅助运输作业的矿井多是巷道顶底板条件好、宽度和高度大的矿井，但国内仍有很多地质条件不好、开采难度较大的薄煤层煤矿，难以应用现有胶轮车完成辅助运输任务。随着神东煤炭集团公司引进的薄煤层等高式综采成套装备地面调试的完成，必将带动国内薄煤层矿井相关产业的发展，包括薄煤层辅助运输成套装备，这将给煤机制造商在薄煤层低矮型无轨胶轮车系列装备的研究上带来机遇和挑战。

5 结语

矿用无轨胶轮车发展迅速，种类繁多，在传动系统设计选型时，要充分考虑车辆的应用场合、使用功能、舒适性及动力源等多方面因素，结合各方面技术的成熟度，综合评价后确定合适的传动型式。

矿用车辆性能可靠的前提是尽量保持功能单一，传动系统也一样，要坚持简单、易行、可靠的原则，未来在混合动力、传动控制及传动结构等方面还有很大的发展空间。