長(zhǎng)距離傾斜巷道煤礦防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車關(guān)鍵技術(shù)研究

趙海興

(1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030006；2.山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西 太原 030006)

防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車在全國(guó)各大煤礦得到了全面的推廣應(yīng)用，其高效和減人的突出優(yōu)勢(shì)已被認(rèn)可。我國(guó)煤礦已經(jīng)進(jìn)入深部開(kāi)采時(shí)代，致使輔運(yùn)巷道坡度增大，輔運(yùn)距離增長(zhǎng)；尤其隨著整車載荷的增大，長(zhǎng)距離爬坡過(guò)程中出現(xiàn)柴油機(jī)冒黑煙嚴(yán)重和油耗居高的突出問(wèn)題；而且在使用過(guò)程中由于柴油機(jī)熱負(fù)荷增大致使頻繁熄火，嚴(yán)重影響了運(yùn)輸效率，與煤礦高產(chǎn)高效和綠色開(kāi)采的新理念極不匹配[1-3]。如果采用蓄電池為動(dòng)力的無(wú)軌輔助運(yùn)輸車輛，由于目前防爆電池能量密度還較小，在長(zhǎng)距離爬坡時(shí)電能消耗過(guò)快，續(xù)駛里程急劇下降，不能正常使用。為此，研制可滿足長(zhǎng)距離傾斜巷道礦用大承載能力的防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車已是當(dāng)務(wù)之急。本文論述了滿足肖家洼和高頭窯煤礦長(zhǎng)距離傾斜巷道大承載能力的防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)研究[5，6]。

1 肖家洼煤礦和高頭窯煤礦輔運(yùn)巷道概述

山西錦興能源有限公司肖家洼煤礦的巷道情況：從井口開(kāi)始3100m輔運(yùn)大巷連續(xù)下坡，平均坡度為6°，地板為混凝土硬化路面，灰塵較大；緊接著2800m連續(xù)上坡，坡度為6°，中間有急彎道，路面采用混凝土硬化，有積水、濕滑；緊接著進(jìn)入回風(fēng)巷，1400m到綜放工作面，路面起伏不平，顛簸幅度大，坡度為4°～6°。

內(nèi)蒙古北方聯(lián)合電力責(zé)任有限公司高頭窯煤礦井下共有2-3和3-1兩個(gè)工作面。2-3工作面的運(yùn)行情況如下：從井口開(kāi)始坡度為5.5°連續(xù)下坡850m；巷道為混凝土硬化路面，有減速帶，較濕滑。然后進(jìn)入工作面輔運(yùn)巷運(yùn)行600m到達(dá)工作面，巷道坡度平均3°左右，混凝土硬化路面，工作面巷道最大高度3.2m左右。3-1工作面的運(yùn)行情況如下：從井口開(kāi)始坡度為5.5°連續(xù)下坡1350m，巷道為混凝土硬化路面，有減速帶，較濕滑。然后進(jìn)入工作面輔運(yùn)巷運(yùn)行1700m到達(dá)工作面，巷道坡度平均為3°左右，彎道較多，混凝土硬化路面，工作面巷道最大高度3.2m左右。

2 鉸接式膠輪運(yùn)輸車的設(shè)計(jì)

2.1 總體技術(shù)方案確定

隨著肖家洼煤礦和高頭窯煤礦礦務(wù)工程量的增大，急需設(shè)計(jì)一種體積載荷比小、外形尺寸可滿足巷道運(yùn)輸?shù)拇蟪休d能力的材料運(yùn)輸車，主要承擔(dān)散料及混凝土等的運(yùn)輸工作，具有高效率和低成本的特點(diǎn)。由此，整車依據(jù)《MT/T989—2006礦用防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車通用技術(shù)條件》設(shè)計(jì)為渦輪增壓空空中冷型防爆柴油機(jī)、液力機(jī)械傳動(dòng)、雙橋驅(qū)動(dòng)、鋼板彈簧懸架、前后車架鉸接式的結(jié)構(gòu)型式；全液壓制動(dòng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，雙油缸直推后翻自卸式工作裝置。整車外形如圖1所示。

圖1 防爆柴油機(jī)鉸接式膠輪運(yùn)輸車(mm)

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 鉸接式膠輪運(yùn)輸車降低體積載荷比技術(shù)

針對(duì)煤礦井下的巷道寬度和高度，在保證整車額定載荷和爬坡強(qiáng)勁的情況下，整車動(dòng)力為空空中冷渦輪增壓型防爆柴油機(jī)，整備質(zhì)量小，功率大；可增速的大能容液力變矩器匹配進(jìn)口平行軸式的動(dòng)力換檔變速箱，利于等速和同軸線傳動(dòng)軸的布置，傳遞功率大、效率高、溫升??；中央橋殼集多盤濕式工作制動(dòng)和駐車制動(dòng)一體式布置設(shè)計(jì)的國(guó)際知名品牌的綜合式驅(qū)動(dòng)橋，外形尺寸和自身質(zhì)量小；定量齒輪泵負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)向、制動(dòng)和舉升功能的開(kāi)式液壓系統(tǒng)，原理簡(jiǎn)單可靠；防爆柴油機(jī)自帶氣源可控制啟動(dòng)、熄火和輔助功能的控制系統(tǒng)，節(jié)能簡(jiǎn)便，綠色環(huán)保；可實(shí)現(xiàn)防爆安全保護(hù)、照明和防爆可視倒車報(bào)警功能的電氣系統(tǒng)。

繼承國(guó)內(nèi)外膠輪車車架的結(jié)構(gòu)型式，前車架設(shè)計(jì)為U型板架式結(jié)構(gòu)，懸架安裝部位設(shè)計(jì)為“工”字梁結(jié)構(gòu)型式，懸架裝置固定在主立板外側(cè)，可以承受六維空間力；鉸接轉(zhuǎn)向部位設(shè)計(jì)為筋板加強(qiáng)的箱型結(jié)構(gòu)型式，增強(qiáng)了剛度和強(qiáng)度。其它安裝主要部件的懸置點(diǎn)采用中薄板焊接結(jié)構(gòu)型式。

依據(jù)載貨汽車車架的結(jié)構(gòu)型式，后車架由鉸接安裝板架結(jié)構(gòu)與縱橫梁組合焊接組成，前后等寬?？v梁是主要承載元件，鋼板彈簧嵌入布置在槽型結(jié)構(gòu)的縱梁內(nèi)部，其上平面是平直結(jié)構(gòu)以適應(yīng)平底板的通用車廂。舉升自卸油缸的鉸接耳座布置在橫梁上，橫梁設(shè)計(jì)為加強(qiáng)型鋼結(jié)構(gòu)型式。

以上設(shè)計(jì)既減小了整車的外形尺寸(整車寬度1980mm)如圖1所示；又降低了整車的體積載荷比。

2.2.2 中間鉸接擺動(dòng)架和四點(diǎn)懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了保證整車行走時(shí)四輪著地，改善車輪的附著條件，增強(qiáng)牽引力和工作穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了上下雙鉸點(diǎn)擺動(dòng)式鉸接架結(jié)構(gòu)，鉸接架主體與擺動(dòng)銷軸做成一體，前車架和后車架之間通過(guò)該擺動(dòng)式鉸接架連接。同時(shí)在鉸接擺動(dòng)架中間部位設(shè)計(jì)有與鉸接架主體通過(guò)球軸承旋轉(zhuǎn)的花鍵軸，通過(guò)接盤與中間傳動(dòng)軸和后傳動(dòng)軸之間連接，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳遞。鉸接擺動(dòng)架通過(guò)兩端對(duì)稱布置的圓錐滾子軸承可在圓周方向旋轉(zhuǎn)360°，焊接限位塊后保證橫向擺動(dòng)±10°角度，滿足通過(guò)能力需求。

中間鉸接擺動(dòng)架的應(yīng)用減輕整車在不平路面上行駛時(shí)車架的應(yīng)力，延長(zhǎng)整車的使用壽命；采用四點(diǎn)懸掛的鋼板彈簧及鉸接回轉(zhuǎn)裝置使雙橋驅(qū)動(dòng)的軸間差動(dòng)和輪間差動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力得以保證。

2.2.3 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)

變矩器為正穿透性，輸入特性曲線族順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，如圖2所示。由共同工作輸入特性曲線可知：高效工作區(qū)的變矩器速比范圍為[0.55，0.98]；高效范圍為1.78；最高效率點(diǎn)87.7%的變矩器速比為：i=0.77和i=0.95；偶合工況的變矩器速比為：0.82～0.87；通過(guò)防爆柴油機(jī)額定功率點(diǎn)的變矩器速比為：0.86。變矩器輸入轉(zhuǎn)速在[1833，2353]區(qū)間內(nèi)，均工作在高效工作區(qū)。變矩器的初始輸入轉(zhuǎn)速與防爆柴油機(jī)最大扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速相差220r/min，匹配合理。

2)匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)。針對(duì)物料運(yùn)輸膠輪車在使用過(guò)程中的快速運(yùn)載和爬坡工況，專門設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出帶超越離合器的鈑金沖壓式液力變矩器，在變矩器傳動(dòng)比i≤0.82時(shí)，工作于變矩器工況；i≥0.82時(shí)，工作于耦合器工況。同時(shí)為了滿足整車適用于多數(shù)礦井不同的坡度要求，提高整車爬坡時(shí)的運(yùn)行速度，通過(guò)與專業(yè)廠家的技術(shù)協(xié)作，設(shè)計(jì)出前進(jìn)、后退各四個(gè)檔位的動(dòng)力換檔變速箱，合理的檔位速比設(shè)計(jì)使防爆柴油機(jī)在全工作范圍內(nèi)平均輸出功率更大；檔位切換時(shí)整車動(dòng)力傳遞更加平穩(wěn)和速度變化連續(xù)。而且變速箱檔位增多后，使柴油機(jī)處于經(jīng)濟(jì)工作狀況的范圍更寬，燃油消耗更小。下面兩個(gè)圖中虛線代表1個(gè)檔位，若去除Ⅱ檔和Ⅲ檔，只留虛線檔位，則變?yōu)槿齻€(gè)檔位。柴油機(jī)輸出功率與行駛速度的關(guān)系曲線如圖3所示，取代設(shè)計(jì)為四個(gè)檔位時(shí)功率曲線下的有效面積更大，防爆柴油機(jī)平均輸出功率更大；變速箱檔位速比的確定與柴油機(jī)輸出功率關(guān)系曲線如圖4所示，設(shè)計(jì)為四個(gè)檔位時(shí)在保證換檔速度連續(xù)的原則下，每個(gè)檔位下防爆柴油機(jī)都能工作在nA～nB最佳區(qū)間內(nèi)，燃油消耗更小。動(dòng)力匹配計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，可滿足啟動(dòng)工況和長(zhǎng)距離爬坡要求。

圖2 防爆柴油機(jī)與液力變矩器的共同工作輸入特性曲線

圖3 柴油機(jī)輸出功率與行駛速度的關(guān)系曲線

圖4 變速箱檔位速比的確定與柴油機(jī)輸出功率關(guān)系曲線

2.2.4 有限防滑差速器在后驅(qū)動(dòng)橋上的設(shè)計(jì)應(yīng)用

該車采用雙橋驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，前驅(qū)動(dòng)橋采用了標(biāo)準(zhǔn)差速器，后驅(qū)動(dòng)橋采用了有限防滑差速器。標(biāo)準(zhǔn)的差速器傳到兩根半軸上的轉(zhuǎn)矩總是相等的，當(dāng)一側(cè)半軸驅(qū)動(dòng)的車輪與地面的附著情況較差時(shí)，另一側(cè)車輪上所能產(chǎn)生的牽引力便受到限制，大大影響了整車的通過(guò)性能。采用防滑差速器后，利用差速器內(nèi)部摩擦阻力增大時(shí)，低速車輪驅(qū)動(dòng)力增大的原理。當(dāng)一側(cè)車輪打滑時(shí)，提供更多的轉(zhuǎn)矩給不打滑的輪子，內(nèi)部摩擦力矩系數(shù)為0.45，兩個(gè)輪胎轉(zhuǎn)矩的差比為2.64。有限打滑差速器裝配圖如圖5所示。

表2 動(dòng)力匹配計(jì)算結(jié)果

1—外摩擦片；2—內(nèi)摩擦片Ⅰ；3—內(nèi)摩擦片Ⅱ；4—行星齒輪；5—行星齒輪軸；6—差速齒輪；7—調(diào)整墊片Ⅰ；8—調(diào)整墊片Ⅱ圖5 有限打滑差速器裝配圖

整車滿載時(shí)后驅(qū)動(dòng)橋的附著重量大，使用有限防滑差速器使后輪間差動(dòng)驅(qū)動(dòng)力得以保證，提高了整車的牽引特性和通過(guò)能力，更適合煤礦井下巷道條件。

2.2.5 制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及測(cè)試

由于整車須設(shè)計(jì)為帶濕式制動(dòng)的大載荷驅(qū)動(dòng)橋，國(guó)內(nèi)廠家較少。選型設(shè)計(jì)國(guó)際大公司的通用驅(qū)動(dòng)橋可使整車軸距較大、穩(wěn)定性好。而且驅(qū)動(dòng)橋外形尺寸小、質(zhì)量輕，可降低整車整備質(zhì)量，提高驅(qū)動(dòng)橋懸掛高度，增大離地間隙。

濕式制動(dòng)器設(shè)計(jì)在驅(qū)動(dòng)橋主減速器和輪邊減速器中間，如圖6所示，通過(guò)螺旋彈簧和碟簧兩種執(zhí)行機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)行車制動(dòng)和駐車制動(dòng)功能。制動(dòng)摩擦材料為新型油介質(zhì)紙基，動(dòng)/靜摩擦系數(shù)平均為0.15，單橋制動(dòng)器單邊摩擦副6對(duì)，左右制動(dòng)器摩擦副的總間隙可調(diào)，正常間隙為1mm；具有傳輸扭矩強(qiáng)、結(jié)合柔和、噪音小的特點(diǎn)。行車和駐車制動(dòng)設(shè)計(jì)理論計(jì)算和臺(tái)架測(cè)試校核：制動(dòng)力的測(cè)試包括行車制動(dòng)和駐車制動(dòng)測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)分別為：121.61kN和121.99kN。驅(qū)動(dòng)橋提供的行車制動(dòng)力矩和駐車制動(dòng)力矩分別為60000N·m和58000N·m。測(cè)試結(jié)果與驅(qū)動(dòng)橋提供的數(shù)據(jù)基本相同；與根據(jù)制動(dòng)距離4.5m計(jì)算的行車制動(dòng)力矩58747N·m基本相同。

為了降低整車在長(zhǎng)距離下坡時(shí)摩擦片的發(fā)熱量，防止制動(dòng)系統(tǒng)的密封圈高溫老化出現(xiàn)漏油或液壓油和齒輪油互竄的問(wèn)題，將前后驅(qū)動(dòng)橋增加強(qiáng)制冷卻裝置，由小排量的齒輪泵帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)橋內(nèi)部的齒輪油循環(huán)冷卻，測(cè)試結(jié)果表明增加強(qiáng)制冷卻裝置后油溫可降低40%，降溫效果顯著，極大的延長(zhǎng)了驅(qū)動(dòng)橋的使用壽命，提高了整車使用的安全性。

3 應(yīng)用情況

整車在肖家洼煤礦從井下排矸石出井采用Ⅱ檔連續(xù)爬坡；從工作面升井后，將矸石運(yùn)輸?shù)骄嚯x約2000m的指定地點(diǎn)，路面顛簸嚴(yán)重，可采用Ⅲ或Ⅳ檔運(yùn)行，車速平均可達(dá)25km/h左右。平均單臺(tái)車每天下井往返運(yùn)行3次。每次往返運(yùn)距約10000m。平均單車載重量為9.5t，最大載荷為12t(運(yùn)輸錨桿)。除去檢修時(shí)間外，1臺(tái)車在井下四個(gè)月工業(yè)性試驗(yàn)中往返拉運(yùn)趟數(shù)為104趟；運(yùn)輸里程達(dá)到1600km，運(yùn)輸量共計(jì)1100t。應(yīng)用表明：整車動(dòng)力強(qiáng)勁，運(yùn)輸效率高，舒適性較好，下坡制動(dòng)安全可靠。

整車在高頭窯煤礦主要為井下運(yùn)輸混凝土、石子及砂漿，三班連續(xù)運(yùn)行，為了避免貨廂內(nèi)的散料及混凝土在下坡或急剎車情況下溢出貨廂外部，在貨廂上增加擋板保護(hù)，單趟平均載荷為9t；同時(shí)承擔(dān)煤礦井下的出渣任務(wù)，出渣載荷平均為8t，采用Ⅱ檔連續(xù)爬坡，速度約14km/h，單趟共需要1.5個(gè)小時(shí)，往返運(yùn)行平均距離為4000m左右，平均每班運(yùn)行4趟。整車在三個(gè)月工業(yè)性試驗(yàn)期間共運(yùn)行距離6000km，運(yùn)輸量共計(jì)5000t左右。應(yīng)用表明：整車加速時(shí)間短、爬坡能力強(qiáng)、運(yùn)行速度快，下坡制動(dòng)安全可靠。

同功能車型在此工況下只能使用Ⅰ檔爬坡運(yùn)輸，平均運(yùn)行速度僅為該車型的50%。

4 結(jié) 語(yǔ)

在建設(shè)高產(chǎn)、高效現(xiàn)代化礦井的迫切需求下，采用新思路和新方法對(duì)現(xiàn)有的防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車技術(shù)薄弱點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)性優(yōu)化設(shè)計(jì)及致力于開(kāi)發(fā)一些關(guān)鍵傳動(dòng)元部件，提高運(yùn)行安全性和運(yùn)輸效率；降低運(yùn)營(yíng)成本，促使防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車的應(yīng)用范圍更廣。

該類車型還可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新來(lái)滿足國(guó)內(nèi)更多的長(zhǎng)距離傾斜巷道煤礦的輔助運(yùn)輸要求。如：降低排放和燃油消耗的防爆電噴柴油機(jī)技術(shù)、增寬傳動(dòng)高效區(qū)域的多級(jí)多相液力變矩器開(kāi)發(fā)、可提升爬坡能力的多檔位液力換擋變速器的開(kāi)發(fā)和提高安全性及延長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)橋制動(dòng)器壽命的緩速裝置設(shè)計(jì)等。