一種礦用防爆電動無軌膠輪人員運輸車液壓系統(tǒng)設(shè)計

肖 峰

(神東煤炭集團(tuán)，陜西 神木 719315)

0 引言

礦用防爆無軌膠輪車廣泛應(yīng)用于煤礦井下施工作業(yè)的運輸中，為現(xiàn)代化煤礦井下的重要裝備。目前國內(nèi)煤礦井下多采用礦用防爆柴油機無軌膠輪車，從應(yīng)用情況看，國產(chǎn)防爆柴油機無軌膠輪車主要存在高污染、高噪音、高油耗、低壽命的問題。針對以上問題，神東煤炭集團(tuán)與航天重型工程裝備有限公司合作研制礦用防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌膠輪車，其中包括運人車、材料車、指揮車等車型。

現(xiàn)階段，制約礦用防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌膠輪車發(fā)展的瓶頸在于電池。由于電池比能量低，為保證礦用防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌膠輪車?yán)m(xù)航里程，液壓系統(tǒng)采用一體化設(shè)計理念，使液壓系統(tǒng)構(gòu)成簡單，效率提升，對提高整車?yán)m(xù)航里程具有重要意義。

1 整車系統(tǒng)參數(shù)

礦用防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌膠輪車主要用于井下、井上人員運輸，設(shè)計承載人數(shù)19人(包括司機)，以防爆鋰電池組為動力源，實現(xiàn)運行過程中零排放、低噪聲，節(jié)能環(huán)保目標(biāo)，防爆電機為動力輸出，非承載式車身，雙橫臂獨立前懸，非獨立后懸，前橋轉(zhuǎn)向驅(qū)動，封閉式駕駛室，低地板設(shè)計，采用智能監(jiān)控系統(tǒng)，實時監(jiān)控電機、減速機、電池等重要部件的工作狀態(tài)。乘客座椅縱向布置，乘員核定寬度460 mm，配置相應(yīng)人數(shù)安全帶；乘客通道位于車體后方，保證乘員上下車安全；防爆電池箱位于車架與乘客座椅之間，其他電氣、液壓零部件和動力系統(tǒng)位于車體前部，便于維修維護(hù)。整車設(shè)計主要包括車身、懸掛、動力系統(tǒng)、駕駛室、液壓系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)5部分，如圖1所示。

圖1 整車設(shè)計簡圖

為進(jìn)一步滿足礦井使用工況需求，整車主要參數(shù)見表1。

表1 整車主要參數(shù)

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計思路

根據(jù)礦用防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌膠輪運人車功能需求，液壓系統(tǒng)包含4個子系統(tǒng)：助力轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)、制動子系統(tǒng)、雨刮子系統(tǒng)和散熱子系統(tǒng)，實現(xiàn)整車助力轉(zhuǎn)向、制動、雨刮及散熱功能。為保證運人車?yán)m(xù)航里程，液壓系統(tǒng)設(shè)計運用一體化設(shè)計理念，使系統(tǒng)構(gòu)成最簡潔，重量最輕，效率最高，達(dá)到節(jié)能效果。

液壓4個子系統(tǒng)工作均需要動力源，運用一體化設(shè)計理念對液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。

散熱子系統(tǒng)為電機、控制器、制動電阻提供散熱功能，維持整車的熱平衡。散熱介質(zhì)選擇上主要有水和油2類。由于液壓子系統(tǒng)必須采用液壓油作介質(zhì)，運用一體化設(shè)計理念將液壓油作為散熱系統(tǒng)介質(zhì)，使液壓系統(tǒng)與散熱系統(tǒng)共用液壓油箱，一方面，系統(tǒng)可減少水箱、水泵等元件，可減少重量、簡化系統(tǒng)；同時，液壓子系統(tǒng)工作過程中產(chǎn)生的熱量通過液壓油進(jìn)入散熱子系統(tǒng)進(jìn)行散熱，達(dá)到為液壓子系統(tǒng)散熱的作用。

液壓系統(tǒng)形式主要分為常壓系統(tǒng)和常流系統(tǒng)，常壓系統(tǒng)由柱塞泵驅(qū)動，常流系統(tǒng)由齒輪泵驅(qū)動。散熱子系統(tǒng)為發(fā)熱元件需循環(huán)散熱，必須采用常流系統(tǒng)。采用一體化設(shè)計理念，將助力轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)及制動子系統(tǒng)采用常流系統(tǒng)設(shè)計，并將散熱系統(tǒng)串聯(lián)于助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及制動系統(tǒng)的回油路上，可減少系統(tǒng)泵源，達(dá)到減少重量、簡化系統(tǒng)的效果。因雨刮子系統(tǒng)工作時間短、功率低，其工作不影響制動子系統(tǒng)，將雨刮子系統(tǒng)串聯(lián)在制動子系統(tǒng)后端。

由于制動子系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)有同時工作可能，如將助力轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)與制動子系統(tǒng)串聯(lián)設(shè)計，流量相互影響，使轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)和制動子系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。為保證整車安全性，制動子系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)做并聯(lián)設(shè)計。

通過采用一體化設(shè)計理念，液壓系統(tǒng)最終設(shè)計如圖2所示。系統(tǒng)采用常流形式，液壓油為系統(tǒng)介質(zhì)，制動子系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)并聯(lián)，散熱子系統(tǒng)串聯(lián)在轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)和制動子系統(tǒng)回油路上。4個子系統(tǒng)之間既有并聯(lián)，又有串聯(lián)，有效地簡化系統(tǒng)、減少泵源、降低重量，同時提高系統(tǒng)效率，達(dá)到節(jié)能效果。

圖2 液壓系統(tǒng)簡圖

3 液壓分系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)液壓系統(tǒng)總體設(shè)計思路，對各分系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。由于制動子系統(tǒng)與雨刮子系統(tǒng)串聯(lián)，制動子系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)并聯(lián)，散熱子系統(tǒng)串聯(lián)在轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)和制動子系統(tǒng)回油路上，對各子系統(tǒng)做參數(shù)匹配時，需綜合考慮。

3.1 助力轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)

礦用防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌膠輪運人車采用助力轉(zhuǎn)向形式，如圖3所示。液壓式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用動力轉(zhuǎn)向器，是基于機械式的齒輪齒條轉(zhuǎn)向機構(gòu)而來的，它通過增加一整套液壓系統(tǒng)，包括儲液罐、液壓助力泵、與轉(zhuǎn)向柱相連的機械閥、轉(zhuǎn)向機構(gòu)上的液壓缸和能夠推動轉(zhuǎn)向拉桿的活塞等元件達(dá)到助力轉(zhuǎn)向的目的。

助力轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)原理圖如圖4所示。液壓系統(tǒng)主要為助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供液壓動力源，壓力油從齒輪泵流出后進(jìn)入轉(zhuǎn)向器，轉(zhuǎn)向器為液壓助力轉(zhuǎn)向器，中位時，P口與T口導(dǎo)通，油液直接回油，溢流閥作安全閥使用。

圖4 助力轉(zhuǎn)向原理系統(tǒng)

3.2 制動子系統(tǒng)

制動系統(tǒng)是礦用防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌膠輪運人車安全運行的關(guān)鍵，煤礦井下車輛制動器必須采用濕式制動器。在MT/T989-2006《礦用防爆柴油機人員運輸車通用技術(shù)條件》、《GB12676-1999汽車制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能和試驗方法》中都有詳細(xì)的要求。

制動系統(tǒng)主要由雙路制動閥、充液閥、駐車解除閥、濕式制動器、制動蓄能器等組成。充液閥為制動系統(tǒng)提供恒定壓力。原理圖如圖5所示。

1-行車制動器；2-雙路制動閥；3-壓力表；4-蓄能器；5-充液閥；6-駐車電磁閥；7-拖車電磁閥；8-駐車制動器圖5 制動系統(tǒng)原理圖

行車制動采用雙路制動，行車制動時，壓力油通過雙路制動閥減壓，輸出壓力至濕式制動器行車制動器油缸，為車輛提供制動力矩，壓力表可實時監(jiān)測兩路制動壓力。行駛過程中油源故障進(jìn)入應(yīng)急模式，蓄能器儲存高壓油液作為備用油源，可使行車制動正常工作至少5次。

駐車解除時，壓力油通過蓄能器，經(jīng)過駐車電磁閥、截止閥輸出壓力至駐車制動器油缸，使駐車彈簧釋放。壓力表可實時監(jiān)測駐車制動壓力。

緊急制動時，拍下急停按鈕，駐車電磁閥與行車電磁閥同時動作，駐車壓力切斷，駐車制動器內(nèi)油液經(jīng)過駐車電磁閥回油，駐車彈簧作用，駐車制動器投入工作；行車電磁閥工作，緊急制動蓄能器油液經(jīng)過行車電磁閥、梭閥進(jìn)入行車制動器，實現(xiàn)車輛行車制動與駐車制動同時投入。

3.3 雨刮子系統(tǒng)

目前礦用防爆柴油機無軌膠輪車用的雨刮器一般采用手動、氣動和電動3種形式。手動形式簡單，需人工動作清理擋風(fēng)玻璃的灰塵及雨水，不利于安全駕駛。由于礦用防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌膠輪運人車無氣動系統(tǒng)，氣動雨刮方案需氣源、蓄氣罐等氣動系統(tǒng)配件，無法采用該形式。電動雨刮方案增加防爆外殼后體積大、重量重，一方面在緊湊的空間內(nèi)布置困難，另一方面重量重，不利于系統(tǒng)節(jié)能。綜合考慮礦用防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌膠輪運人車采用馬達(dá)雨刮方案。原理圖如圖6所示。

1-雨刮馬達(dá)；2-節(jié)流閥；3-電磁閥；4-溢流閥圖6 雨刮子系統(tǒng)原理圖

馬達(dá)雨刮系統(tǒng)由雨刮馬達(dá)、節(jié)流閥、防爆電磁換向閥、溢流閥及附屬管路組成。雨刮子系統(tǒng)進(jìn)油從制動子系統(tǒng)回油引出。雨刮不工作時，電磁閥不得電，油液通過電磁閥P口進(jìn)入，再經(jīng)T口流出。油液不通過馬達(dá)，馬達(dá)無旋轉(zhuǎn)，雨刮無動作。

按下雨刮按鈕Y1，電磁閥得電，油液通過電磁閥P口進(jìn)入，A口流出，通過馬達(dá)、節(jié)流閥、再從電磁閥B口進(jìn)入，T口流出。油液通過馬達(dá)，馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，雨刮動作。

當(dāng)雨刮速度過高時，通過調(diào)小節(jié)流閥節(jié)流孔、調(diào)高溢流閥溢流壓力，可使馬達(dá)轉(zhuǎn)速下降，進(jìn)而降低雨刮速度；當(dāng)雨刮速度過慢時，通過調(diào)大節(jié)流閥節(jié)流孔、調(diào)低溢流閥溢流壓力，可使馬達(dá)轉(zhuǎn)速升高，進(jìn)而提高雨刮速度。

3.4 散熱子系統(tǒng)

散熱系統(tǒng)為整車發(fā)熱元件散熱，維持整車的熱平衡。發(fā)熱元件包括電機、控制器、散熱電阻等。通過計算，濕式制動器采用自冷卻散熱；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與制動系統(tǒng)的流量之和滿足電機、電機控制器及散熱器的流量需求；由于發(fā)熱功率小，根據(jù)計算，散熱器可采用自然風(fēng)冷散熱形式，無需采用風(fēng)扇強制散熱形式。散熱系統(tǒng)原理圖如圖7所示。

圖7 散熱子系統(tǒng)原理圖

4 結(jié)語

2016年4月17日，3臺礦用防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌膠輪運人車在神東煤炭集團(tuán)大柳塔煤礦投入使用，截止2018年3月20日，其中1#車運行11 800 km，累計充電量7 456.89 Ah；2#車運行4 658 km，耗電2 929.62 Ah·h；3#車運行5 943 km，耗電4 682.5 Ah。平均百公里耗電量約為39.6 kW·h，電費約合25.74元，較防爆柴油工程車百公里節(jié)約燃料費用208.26元。

根據(jù)樣車工業(yè)性試驗測試情況，整車?yán)m(xù)航里程可達(dá)80 km，各液壓系統(tǒng)工作穩(wěn)定，參數(shù)匹配合理，液壓系統(tǒng)各項指標(biāo)均滿足整車設(shè)計指標(biāo)，且系統(tǒng)符合高效節(jié)能，滿足井下安全運輸要求。