煤矿架线式电动运输车的设计

赵 进

(山西焦煤能源集团股份有限公司 机电部， 山西 太原 030024)

目前，煤矿井下辅助运输形式主要有轨道式架线电机车及蓄电池电机车、柴油及电动式无轨胶轮车及各类钢丝绳类型绞车。其中，有轨式车辆受轨道限制，作业范围受到较大制约；柴油车辆产生有毒有害气体且后期维保费用相对较高；蓄电池车辆运行里程受电池影响运输距离短，充电时间长；钢丝绳类型绞车在安全可靠性方面不具有优势。而架线式无轨电动胶轮车综合多种运输形式优点，有效解决了轨道限制、有害气体污染、续航里程短、斜坡运输不安全等问题，为煤矿井下辅助运输提供了一种全新的解决思路。

1 概 述

神东集团某煤矿试用的架线式无轨电动运输车用于井下材料输送，具有轨道运输不具备的独特优势，与矿井原来使用的柴油机胶轮车对比，其优点主要有3个方面：1) 电动运输车不会产生尾气排放而造成CO等有害气体超标，且装载能力大，能高速爬坡，生产效率高。2) 设置架空线和固定电气设备前期需要一次性投资，但是运输系统一经形成，后期维护保养费用较柴油车辆显著减少，不需要考虑车辆尾气治理、通风量加大、燃油损耗等因素，可以有效减少使用车辆需求数量。3) 电动运输车调速性能好，不会出现轮胎打滑现象，轮胎费用也低于柴油机胶轮车。因此电动材料车用于煤矿井下运输是一个较好的选择。根据该类架线电动车的工作原理，对关键元部件进行防爆处理及相关试验，开发了适用于煤矿井下的架线无轨电动胶轮车，并在该矿进行工业试验。

2 车辆总体介绍

2.1 整体设计

电动运输车由前后两个部分组成，前一部分布置发动机、操作系统和驾驶室，后一部分布置料斗和自卸装置。前后两部分车身采用铰接式连接，转向角可达40°，转弯半径小，转向灵活。另外，前后机架都采用空气弹簧悬挂系统与车桥连接，保证车辆具有良好的操控性和行驶性能。整机参数见表1. 由于有受电设备，要求巷道高度需要满足设计尺寸，图1为能够满足电动材料车运行的最小巷道截面。

表1 整机参数表

图1 最小巷道截面图

车辆传动系统采用由电动机独立驱动前后桥的四轮驱动系统。行走电机为两台230 kW的直流牵引电机和一台40 kW协助行走直流电机。直流牵引电机一台直接连接前桥轴差速器，另外一台连接后桥差速器，协助行走电机与后桥行走电机串联，见图2.

1—前驱动桥；2—行走电机；3—辅助电机；4—行走电机；5—后驱动桥图2 整车传动系统图

2.2 电气设计

架空线的电压为三相交流690 V，50 Hz，由1台可控硅变流器将AC690 V变成DC1200 V，给行走电机供电，并通过整流器给牵引蓄电池充电，基本电气原理图见图3.

图3 电气原理图

集电器断开时，电动机由牵引蓄电池通过斩波器供电。在正常情况下，蓄电池由架空线通过变压器和可控硅整流器充电。蓄电池也可以通过1条插接AC380 V电源充电。泵站电机驱动一台液压泵和一台空气压缩机，主要给行车制动器和驻车制动器提供动力源。前后轮各有一台电动机通过差速器驱动，由于电机串联，功率均匀分配到所有4个车轮。

辅助系统主要设备是一台PLC控制器，它调节和控制所有必要的电气装置，如滑接式受电器工作顺序、可控硅变流器、蓄电池斩波器、蓄电池充电、调速和电力制动。它还可阻止设备的误用，如果速度过大，PLC可以提供相关情况的故障指示。

电动材料车的调速方法：1) 将电动机电压从0提高到1 200 V，相应电机转速从0提高到2 000 r/min. 2) 通过降低励磁电流实现电动机转速在1 000～2 000 r/min调节。

牵引蓄电池的技术特性是280 V和1 580 Ah，可使装载50 t车辆在平道上行驶1 000 m，主要解决车库到架空线网起点的动力问题,之后启用架空线供电，运输车可在平道上正常行驶。

2.3 受电系统介绍

电动材料车的架空线是为适应集电器的迅速下线和上线而设计的，由3根外径为50 mm的铜管传输电流，铜管要求材质好，以便降低电阻。集电器支撑轨使用截面为3英寸的正方形型钢，架空线装置截面见图4.

1—绝缘端子；2—导线；3—导轨图4 架空线截面图

电动材料车工作状态示意图见图5. 集电弓安装在驾驶室顶部，集电弓弓头安装在液压举升臂上，弓头上有8个滚轮，每个角上各有2个滚轮，液压臂托举力使弓头的滚轮与架空线接触，滚轮沿着架空线的导轨行走，弓头上有6个碳刷，碳刷沿导线的下侧滑行，获得交流电。集电弓可以在偏移线网中心一侧0.5 m的位置上线，上下线速度快，从触发上下线按钮到集电器自动捕捉上网不超过5 s.在车辆行驶速度小于8 km/h时可以下线，行驶速度大于15 km/h时不能下线。受电系统巷道路面比一般巷道的路面平整度要求高，不允许路面有明显的凸起或者凹坑，以保证集电弓与接触网的良好受流。

图5 工作示意图

3 应用情况

电动运输车于2020年开始在神东某煤矿进行工业性试验。材料运输是从-480～-250 m的坡道运输，坡度约13°，年运输材料量约50万t，车辆实际行驶车速20 km/h. 实际应用表明，无轨电动车辆系统是一种实用系统，在经济性和可靠性方面具有一定优势。通过对实际使用情况数据积累分析，与传统的柴油运输车辆运输系统相比，电动运输车优势体现在以下方面：1) 运行维护成本费用明显降低，每年每台车辆燃油费用可节约6万元，维护保养费用可节约3万元，轮胎磨损费用可节约1万元。2) 噪声污染显著降低，从95 dB降低到60 dB. 3) 有毒有害气体排放量显著减少，CO瞬时排放量从0.6‰降低到0，NOX瞬时排放量从0.785‰降低到0. 4) 电动车辆由于没有柴油系统，运行更加稳定可靠，完好率提高了10%～20%. 5) 电动车辆的整体使用寿命延长了将近20%. 6) 由于不产生有毒有害气体以及不使用柴油发动机，井下安全性大大提升，工人健康情况有大幅改善。

4 结 语

目前随着煤层埋藏深度的增加，巷道材料运输运量增加，开采难度也随之加大，煤矿传统的运输设备如有轨电机车、蓄电池车辆和柴油发动机无轨辅助运输设备无法克服自身的缺陷，将会遇到前所未有的挑战。而电动运输车系统既克服了有轨电机车受轨道限制和柴油发动机车辆尾气排放、维护费用高的缺陷，也解决了蓄电池车辆续航里程短的限制，不但提高了材料的运输效率，而且节省了运输成本。同时，在较大坡度巷道使用电动运输车运输取代斜坡绞车拖拽设备可有效减少安全事故发生。目前该架空线式无轨电动运输车辆正在进行安标及防爆等相关资质办理，取得合法手续后将为矿井运输提供一条新的发展思路。