煤矿井下无轨胶轮车爬坡能力的提高途径

姚志功

(中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

煤矿井下无轨胶轮车，可实现设备一次装载后从井口至工作面或工作面至井口的直达运输，凭借其“点对点”的作业优势，越来越多地被应用于煤矿井下辅助运输作业中，成为了国内大中型矿井不可或缺的设备[1]。近年来，随着煤矿开采力度的加大，井下工作面距离井口的距离越来越远，巷道不断延伸，同时一个矿井同一水平近距离煤层逐步开采，大倾角工作面不断建立，井下长距离大坡度斜巷数量也随之渐渐增加，这种情况进一步恶化了无轨胶轮车的矿井运行条件，使得井下车辆载重爬坡时，频繁出现爬坡困难等问题，严重影响了煤矿井下无轨辅助运输车辆的作业效率，因而急需解决此问题。

1 井下无轨胶轮车的动力性

车辆的动力性指标主要通过最高车速、加速时间及最大爬坡度来评定，对于井下无轨胶轮车来说，由于煤矿井下巷道光线昏暗、道路坑洼湿滑、坡长坡大弯多，车辆的行驶速度较慢，加速能力要求相对较低，车辆的动力性主要依靠爬坡能力来评判，爬坡能力是决定无轨胶轮车对井下长坡、大坡等复杂矿井运行条件适应性的关键因素。一般情况下，井下无轨胶轮车的最大设计爬坡能力为25%，即14°左右，但该最大爬坡能力是在试验坡道路面干硬、平坦、坡道较短的条件下完成检验的，在路况较好、坡度较小的井下环境中，无轨胶轮车的运行状况相对可靠，然而在井下路面湿滑、坑洼、坡道较长、坡度较大的路况条件下，车辆的爬坡能力往往会下降，随着爬坡时间的延长，车辆的柴油机系统发热严重，车辆的动力性不断下降，直接影响了其爬坡效果[2]。

在路面附着条件理想的条件下，井下无轨胶轮车的爬坡能力取决于车辆在坡道路况的驱动力以及轮胎与路面的附着力，这些因素与车辆的自身设计相关，车辆的动力装置设计(防爆柴油机系统与传动系统)影响了其驱动力，车辆的总体结构布置设计影响了其轮胎与地面的附着力[3]，因此，首先从车辆自身设计方面开辟途径，同时对车辆的矿井运行环境进行分析，总结能够提高无轨胶轮车爬坡能力的措施。

2 爬坡能力提高途径

2.1 车辆动力装置设计

2.1.1 防爆柴油机系统

井下无轨胶轮车的动力源以防爆柴油机为主，柴油机的防爆改造是在对柴油机进排气系统进行隔爆处理的基础上进行的，这种措施使得防爆改造后的柴油机在初始阶段就增加了致使其动力发挥欠佳的机会，若日常维护保养不当，很容易出现车辆动力不足的状况。

若要在此基础上改善车辆的爬坡能力，首先要配备净输出功率相对较大的柴油机，以提高车辆的后备功率，满足爬坡需要。但是受无轨胶轮车允许的柴油机安装尺寸空间以及可选择柴油机功率范围的限制，无轨胶轮车柴油机不可随意更改，只能通过在原机上升级，比如采用柴油机电子控制技术、优化柴油机外围附属装置功率消耗等措施，来获取较大的净功率。此外，井下无轨胶轮车较为厚重，可利用先进的轻量化设计手段，对无轨胶轮车的现有结构进行优化设计，得到最优的整备质量[4]，从而有效降低车辆的日常功率消耗，提高其爬坡功率储备，达到改善车辆爬坡能力的目的。

2.1.2 传动系统

井下无轨胶轮车传动系统的作用是将防爆柴油机功率传递至驱动轮，驱动车辆行驶作业。无轨胶轮车二种传动系统主要组成如表1所示，由于传动系统元部件的摩擦损耗、泄漏损耗、溢流损耗等缘故，传动系统在传递柴油机功率的过程中存在功率损失，因此在传动系统环节改善车辆的驱动力，首要措施是尽可能地简化车辆的传动线路，减少传动系统元部件的数量，降低传动过程中的机械功率损失和液力/液压功率损失，获得最优的驱动功率。

表1 井下无轨胶轮车传动系统主要组成

另一方面，对于采用液力机械传动方式的车辆，要尽可能多地设置车辆的挡位数，增加柴油机发挥最大功率附近高功率的机会，同时需合理增大最低档速度的传动比，以获取较大的加速与爬坡能力；对于采用液压传动方式的车辆，需将驱动马达的排量最大化，优化车辆传统系统的调速范围，以获得较大的驱动力[5]。

此外，可通过增加辅助驱动装置来提高车辆的爬坡能力。目前，井下无轨胶轮车分为两轴线、三轴线及多轴线车辆，可在车辆非驱动轴线处增加辅助驱动装置，待车辆爬坡困难时，切换车辆的驱动方式，充分利用非驱动轴线的附着力，提高车辆的坡道驱动力。

2.2 车辆总体布置设计

井下无轨胶轮车重载爬坡时，车辆各轴线的轴重将随路面坡度的变化而变化，井下无轨胶轮车爬坡受力图如图1所示，爬坡时车辆的前轴线受力F1和后轴线受力F2分别为：

(1)

式中：F1为车辆前轴线受力；F2为车辆后轴线受力；G为车辆重力(含外载)；L为车辆前后轴距；h为车辆质心高度；a、b为车辆质心至前后轴线距离。

图1 井下无轨胶轮车爬坡受力图

由公式(1)可知，随着爬坡路面坡度的逐渐变大，车辆前轴线轴重越来越轻，后轴线轴重越来越重，这样车辆前驱动轮将会发生滑转现象，从而不能充分发挥车辆动力，影响了车辆的爬坡效果。因此，在设计整车结构时，要针对车辆运行的矿井坡道路况条件，详细计算重载情况下车辆的重心分布情况，在合理控制整车重量的前提下，利用增加配重等手段，优化各驱动轴线的轴重分配，满足车辆重载爬坡时能够充分发挥其动力所需要的附着力要求，从而改善车辆的爬坡能力[6]。

在上述基础上，还需在车辆不同驱动轴线之间设置横向摆动机构，并在同轴线驱动轮之间设计差速功能，从而能够充分发挥每个驱动轮的驱动力，满足车辆爬坡时由于路面不平整导致的爬坡无力现象。

2.3 车辆矿井运行环境维护

在通过优化自身设计提高车辆的驱动力后，还需对井下无轨胶轮车所运行的矿井路况条件进行升级，以提供良好的路面附着条件，充分发挥车辆的驱动力。由上述可知，井下无轨胶轮车的运行坡道路面具有坑洼、湿滑、松软等特点，因此，车辆重载作业时，需加强对车辆坡道运行路线的维护保养，具体措施为：

1)对于顶板淋水路面要进行排水控制处理。

2)对于松软底板路面要进行排渣清理，并铺垫干拌料石或采用砼底板对路面进行硬化处理。

3)对于坡度较大的路面，还需人工设置搓衣板式路障，以此提高车辆在坡道路面的附着能力，改善其爬坡效果。

4)对于具备条件的矿井，可以在坡道上端设置辅助牵引绞车，或在重载车辆后端配备独立的助力车辆，以解决车辆爬坡困难的问题[7]。

3 结论

井下无轨胶轮车是服务于煤矿生产的重要设备，随着煤矿更深层次的开拓发展，煤矿井下上山下上巷道不断增加，对车辆的动力性提出了更高的要求。分析了目前无轨胶轮车的动力性及井巷坡道适应性，基于车辆驱动力因素及路面附着条件因素，从车辆自身设计方面及矿井运行环境方面总结了系列能够提高车辆驱动力、改善车辆爬坡效果的措施方法，为改善井下无轨胶轮车对长坡大坡路况的适应性提供了一些参考。