礦用無(wú)軌膠輪車(chē)的發(fā)展瓶頸與對(duì)策分析

劉志更

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

1 無(wú)軌膠輪車(chē)發(fā)展

20世紀(jì)90年代，伴隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)步伐的加快，對(duì)煤炭的需求日益旺盛，促使煤炭企業(yè)急需擴(kuò)大產(chǎn)能，引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的采煤及輔運(yùn)設(shè)備。其中無(wú)軌輔助運(yùn)輸設(shè)備因其效率高、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、操控簡(jiǎn)單、輔助人員少等優(yōu)點(diǎn)，使得這種新型的無(wú)軌輔助運(yùn)輸方式受到我國(guó)90%以上新建礦井和改擴(kuò)建礦井的青睞。早期受技術(shù)限制及備件短缺、價(jià)格昂貴等因素的影響，進(jìn)口設(shè)備使用成本代價(jià)太大，國(guó)內(nèi)的煤礦設(shè)備制造商便開(kāi)始了進(jìn)口設(shè)備國(guó)產(chǎn)化吸收再創(chuàng)造的征程，經(jīng)過(guò)了近20年的發(fā)展和積淀，我國(guó)煤機(jī)設(shè)備技術(shù)水平已經(jīng)接近甚至超越了進(jìn)口同類(lèi)設(shè)備。

無(wú)軌膠輪車(chē)作為礦井輔助運(yùn)輸?shù)闹饕O(shè)備，其技術(shù)和生產(chǎn)制造水平在我國(guó)發(fā)展迅速，涌現(xiàn)出來(lái)了諸如山西天地煤機(jī)、常州科試、江蘇天明、萊州亞通、航天重工、卡利格等一些煤機(jī)裝備企業(yè)，實(shí)現(xiàn)了小、中、重型無(wú)軌膠輪設(shè)備的全覆蓋，完全滿(mǎn)足了礦井生產(chǎn)需求。其中輕型車(chē)的主要代表有：WC9R防爆皮卡車(chē)、WC20R防爆運(yùn)人車(chē)等；工程車(chē)的主要代表有：WC3J、WC5E、WC5E(B) 、WC8E、WC8E(B)、WCJ10E等防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車(chē)；支架搬運(yùn)車(chē)的主要代表有：WC25EJ、WC40EJ、WC55EJ柴油鏟板式搬運(yùn)車(chē)，WX35J、WX45J鉛酸蓄電池鏟板式搬運(yùn)車(chē)，WC40Y、WC55Y、WC80Y框架式支架搬運(yùn)等；鏟運(yùn)機(jī)的主要代表有：WJ-4FB、WJ-7FB、WJ-10FB防爆柴油鏟運(yùn)機(jī)等；其余專(zhuān)用車(chē)有WC3Y順槽車(chē)，JC3、5型井下混凝土攪拌車(chē)等。另外根據(jù)客戶(hù)的特殊需求還派生出了很多系列化車(chē)型。

2 發(fā)展瓶頸

2.1 尾氣排放高

一個(gè)年產(chǎn)500萬(wàn)t以上的大型礦井，生產(chǎn)高峰期需要近百輛防爆柴油機(jī)車(chē)運(yùn)行于狹窄的巷道中，由于礦井的客觀通風(fēng)條件和防爆柴油機(jī)車(chē)的特殊防爆結(jié)構(gòu)，使得巷道空氣中CO、NOx等有害氣體濃度以及PM顆粒嚴(yán)重超標(biāo)?！兜V用防爆柴油機(jī)通用技術(shù)條件》對(duì)廢氣成分的規(guī)定：有害氣體成分的體積濃度不應(yīng)超過(guò)下列許可值：一氧化碳，0.1%；氮氧化物，0.08%[1，2]。而目前的防爆柴油機(jī)膠輪車(chē)排放指標(biāo)勉強(qiáng)達(dá)標(biāo)，僅達(dá)到國(guó)Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)，由此引發(fā)的職業(yè)病及潛在的危害程度，甚至超過(guò)了我國(guó)煤礦的塵矽肺、煤矽肺等職業(yè)病，職業(yè)健康環(huán)境堪憂(yōu)。

2.2 油耗高、效率低

受礦井巷道運(yùn)行條件限制，膠輪車(chē)設(shè)計(jì)必須比地面車(chē)輛更加堅(jiān)固和防撞。同載重量車(chē)輛的自重是地面車(chē)輛的2～3倍，同載重量的車(chē)輛百公里耗油量是地面車(chē)輛的3倍以上，燃油消耗及浪費(fèi)嚴(yán)重。

同時(shí)柴油機(jī)進(jìn)排氣防爆處理導(dǎo)致做功阻力加大，使得柴油機(jī)不能運(yùn)行在一個(gè)通暢、高效、經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)，運(yùn)行平均效率同比地面車(chē)輛降低20%左右。

2.3 噪音高

因無(wú)軌膠輪車(chē)防爆柴油機(jī)功率較大，巷道空間狹小，柴油機(jī)及傳動(dòng)產(chǎn)生的聲音不能被很好地?cái)U(kuò)散和吸收，導(dǎo)致車(chē)輛普遍噪音較高，一般超過(guò)90dB(A)甚至達(dá)到110dB(A)，對(duì)駕駛員及作業(yè)礦工的聽(tīng)力功能損傷很大。

2.4 維護(hù)成本高

國(guó)內(nèi)煤礦使用的膠輪車(chē)的完好率基本低于60%，相當(dāng)一部分膠輪車(chē)處于在修和待修狀態(tài)，與地面車(chē)輛完好率超過(guò)95%以上相差甚遠(yuǎn)。車(chē)輛大修和項(xiàng)修周期短，易損件多，備件更換率高，單車(chē)月維護(hù)費(fèi)用平均達(dá)萬(wàn)元，超過(guò)地面車(chē)輛的2倍以上，維護(hù)成本高。

2.5 巷道適應(yīng)性差

防爆柴油機(jī)無(wú)軌膠輪車(chē)運(yùn)行于長(zhǎng)距離連續(xù)坡道時(shí)，適應(yīng)性差的問(wèn)題越發(fā)突出[3]，上坡動(dòng)力不足短板有待突破，下坡制動(dòng)安全遭遇挑戰(zhàn)。

3 解決對(duì)策

3.1 動(dòng)力環(huán)節(jié)

為了改善膠輪車(chē)尾氣污染帶來(lái)的礦工職業(yè)健康問(wèn)題，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，采用更加清潔、更加環(huán)保的動(dòng)力源是必由之路。主要有幾下幾種方案：

1)電噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)降低污染方案。電控燃油噴射系統(tǒng)[4]能夠提高系統(tǒng)內(nèi)的燃油噴射壓力，對(duì)噴油規(guī)律能夠準(zhǔn)確、靈活控制。按照不同工況運(yùn)行時(shí)，使柴油機(jī)的各燃油噴射參數(shù)(噴油壓力、噴油量、噴油定時(shí)、噴油速率)，能夠得到實(shí)時(shí)監(jiān)控和最優(yōu)的綜合控制，實(shí)現(xiàn)降低柴油機(jī)排放，提高燃油經(jīng)濟(jì)性的目的。山西天地煤機(jī)裝備有限公司已經(jīng)研制出了75kW、130kW、240kW等級(jí)的防爆增壓中冷電噴柴油機(jī)，并得到了推廣應(yīng)用，尾氣排放相比機(jī)械泵式柴油機(jī)減少30%～40%。

2)純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方案。在煤礦井下一些通風(fēng)條件差的區(qū)域，為了改善工人的作業(yè)環(huán)境，確保人身安全，一些作業(yè)車(chē)采用了鉛酸蓄電池純電動(dòng)方案。如用于掘進(jìn)工作面清理浮煤作業(yè)的鏟車(chē)，在神華神東礦區(qū)應(yīng)用普遍，主要有488-UN-A-TRAC；綜采工作面短距離搬運(yùn)支架的鏟板車(chē)，主要有VT636、VT650、VT680支架搬運(yùn)車(chē)。2018年1月，用于神華集團(tuán)8.8m智能超大采高綜采成套裝備搬運(yùn)的100t蓄電池防爆鏟板搬運(yùn)車(chē)也已開(kāi)始應(yīng)用。但鉛酸蓄電池存在能量密度低、體積大、維護(hù)量大、充電時(shí)間長(zhǎng)、充放電次數(shù)少、電池二次污染等缺陷，僅在井下相對(duì)封閉狹小的短距離作業(yè)車(chē)上使用，并未在長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)哪z輪車(chē)上得到應(yīng)用。

鋰離子蓄電池膠輪車(chē)由于井下蓄電池使用容量受限、壽命短、成本高、續(xù)航里程短、爬坡能力有限等問(wèn)題，正在試驗(yàn)當(dāng)中，在我國(guó)并未得到大范圍推廣應(yīng)用。

3)油電雙動(dòng)源架線(xiàn)車(chē)方案。研究柴油機(jī)和電機(jī)分時(shí)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的無(wú)軌膠輪車(chē)，在架線(xiàn)輔運(yùn)大巷采用電驅(qū)動(dòng)運(yùn)行；在非架線(xiàn)巷道采用防爆電噴柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行。該方案可實(shí)現(xiàn)煤礦井下主要進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)的尾氣污染零排放，在通風(fēng)條件不好的區(qū)域尾氣排放同比有效降低。該方案是目前能夠做到的比較好的一種，但存在同時(shí)布置兩種動(dòng)力致使車(chē)輛體積大、整車(chē)尺寸大，適應(yīng)性較之前單動(dòng)力車(chē)也會(huì)變差等問(wèn)題，更需要一整套嚴(yán)格的管理措施來(lái)確保車(chē)輛在架線(xiàn)區(qū)域的安全運(yùn)行。

4)電電雙動(dòng)源架線(xiàn)車(chē)方案。研究車(chē)載蓄電池和架線(xiàn)電源作為動(dòng)力源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)的無(wú)軌膠輪車(chē)[5]，在架線(xiàn)輔運(yùn)大巷采用架線(xiàn)供電運(yùn)行；在非架線(xiàn)巷道采用車(chē)載蓄電池供電運(yùn)行，架線(xiàn)運(yùn)行的同時(shí)給車(chē)載蓄電池充電。該方案可實(shí)現(xiàn)煤礦井下全巷道內(nèi)的尾氣污染零排放，徹底解決膠輪車(chē)尾氣污染問(wèn)題，目前還是受限于蓄電池的技術(shù)發(fā)展。

相信隨著成本低、密度高、體積小的蓄電池問(wèn)世，無(wú)需鋪軌架線(xiàn)，純電動(dòng)無(wú)軌膠輪車(chē)的春天必將到來(lái)。既實(shí)現(xiàn)了膠輪車(chē)的清潔無(wú)污染、節(jié)約了能源、減少了噪音，又提高了適應(yīng)性，降低了故障率，將大大提高我國(guó)礦井的現(xiàn)代化水平。

3.2 設(shè)計(jì)制造環(huán)節(jié)

由于礦井的特殊作業(yè)環(huán)境，礦用車(chē)輛的需求量遠(yuǎn)小于地面車(chē)輛，礦井生產(chǎn)對(duì)于膠輪車(chē)的要求也僅限于能夠滿(mǎn)足生產(chǎn)需求，進(jìn)而導(dǎo)致膠輪車(chē)生產(chǎn)廠商不會(huì)把過(guò)多的精力投入到車(chē)輛的精細(xì)設(shè)計(jì)當(dāng)中，車(chē)輛設(shè)計(jì)還停留在粗糙設(shè)計(jì)水平。設(shè)計(jì)過(guò)程中閉門(mén)造車(chē)、功能冗余，系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜、仿真手段欠缺、試驗(yàn)不充分、前期經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)積累不夠、設(shè)計(jì)過(guò)于保守、舒適性差[6]等問(wèn)題普遍存在。設(shè)計(jì)制造水平還遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于成熟的工程機(jī)械裝備，諸如外觀粗糙、裝配工藝水平落后、管線(xiàn)布置混亂等問(wèn)題突出，其應(yīng)對(duì)措施如下：

1)注重整機(jī)頂層設(shè)計(jì)，樹(shù)立項(xiàng)目課題負(fù)責(zé)人的總體大局意識(shí)，做好市場(chǎng)調(diào)研，充分了解客戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)需求，以便設(shè)計(jì)時(shí)宏觀把控，合理任務(wù)分解。

2)提高設(shè)計(jì)人員的綜合能力，從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求出發(fā)，精簡(jiǎn)各系統(tǒng)功能，做到簡(jiǎn)單實(shí)用、方便操作、舒適性好、維修方便。車(chē)輛設(shè)計(jì)時(shí)去除冗余設(shè)計(jì)，精簡(jiǎn)故障點(diǎn)，減少不可控因素，故障率將會(huì)大大改善。

3)嚴(yán)格設(shè)計(jì)過(guò)程審查。做好傳動(dòng)系統(tǒng)匹配與計(jì)算復(fù)核，可以確保車(chē)輛動(dòng)力性能穩(wěn)定；做好圖紙審查，可以有效杜絕低級(jí)設(shè)計(jì)失誤。

4)注重關(guān)鍵傳動(dòng)元部件的設(shè)計(jì)及選型、參與生產(chǎn)工藝管理、加強(qiáng)元部件在的試驗(yàn)力度，做好數(shù)據(jù)分析及改進(jìn)試驗(yàn)工作，保證元部件的高可靠性。

5)完善整機(jī)裝配工藝管理，加強(qiáng)中間過(guò)程質(zhì)量控制。整機(jī)裝配一定要按照工藝規(guī)程嚴(yán)格執(zhí)行，采取合適的裝配手段和方法，拒絕粗暴裝配。各種管線(xiàn)布置要有據(jù)可依，做到整齊有序，便于元部件和管線(xiàn)的維修和更換。

3.3試驗(yàn)環(huán)節(jié)

國(guó)內(nèi)無(wú)軌膠輪車(chē)廠商主要是匹配和組裝，外購(gòu)元部件的數(shù)量占到整機(jī)關(guān)鍵元部件的80%～90%，其質(zhì)量得不到保證。自主研發(fā)的關(guān)鍵元部件很多時(shí)候在試驗(yàn)臺(tái)上的試驗(yàn)不充分，就冒然服務(wù)于整機(jī)，帶來(lái)行車(chē)安全隱患。

另外國(guó)內(nèi)除個(gè)別廠商擁有比較完善的試車(chē)道及整機(jī)性能試驗(yàn)臺(tái)之外，很多廠商還不具備全面測(cè)試車(chē)輛性能的手段，整機(jī)得不到充分地跑合，一些潛在的問(wèn)題不足以暴露就服務(wù)于生產(chǎn)，帶來(lái)安全隱患的同時(shí)也損傷了廠商的質(zhì)量和信譽(yù)。

提高整機(jī)裝備質(zhì)量，降低車(chē)輛維修成本，應(yīng)該加大元部件及整機(jī)的試驗(yàn)力度，在不同工況下進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試和數(shù)據(jù)分析，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行改進(jìn)完善才是根本出路。

4 前沿技術(shù)研究

1)根據(jù)電控泵噴油系統(tǒng)的性能機(jī)理，優(yōu)化防爆電噴柴油機(jī)噴油控制工藝，實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)整單體泵的噴油量和噴油正時(shí)，提高扭矩和功率指標(biāo)，減少燃料消耗，降低排放。繼續(xù)深入研究礦用柴油機(jī)進(jìn)、排氣防爆技術(shù)，減少功率損失。

2)使用現(xiàn)代化的信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛本身運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)、車(chē)載語(yǔ)音通話(huà)、機(jī)車(chē)可視雷達(dá)倒車(chē)、提供車(chē)輛狀態(tài)自診斷和分析等功能，進(jìn)而對(duì)車(chē)輛系統(tǒng)及關(guān)鍵部件進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，可以快速發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、識(shí)別潛在安全隱患，便于用戶(hù)及時(shí)維護(hù)，確保車(chē)輛及人員安全。除此之外，隨著車(chē)載終端數(shù)據(jù)采集分析處理平臺(tái)技術(shù)的日趨成熟，可以足不出戶(hù)就可以收集更多的一線(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為設(shè)計(jì)和研發(fā)提高效率和質(zhì)量。

3)逐步探索研究無(wú)人駕駛技術(shù)在煤礦井下無(wú)軌膠輪車(chē)應(yīng)用的適應(yīng)性，為高效安全的智慧礦山做技術(shù)儲(chǔ)備。

4)配套基于物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)軌輔助運(yùn)輸工藝，研制智能、清潔、高效的無(wú)軌膠輪車(chē)，實(shí)現(xiàn)礦井生產(chǎn)中人、物料及設(shè)備等的智能分配和高效運(yùn)輸，全面提升我國(guó)礦井輔助運(yùn)輸?shù)闹悄芑夹g(shù)水平。

5 結(jié) 語(yǔ)

無(wú)軌膠輪車(chē)的大范圍應(yīng)用，縮短了礦井生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，大大提高了礦井運(yùn)輸效率。在肯定其效果的同時(shí)，更應(yīng)該正視其存在的尾氣污染大、噪音高、燃油消耗高、維護(hù)成本高、適應(yīng)性差等突出問(wèn)題，使用清潔動(dòng)力源、提高設(shè)計(jì)制造水平、加強(qiáng)整機(jī)和元部件試驗(yàn)力度，精細(xì)生產(chǎn)打造精品，并逐步將信息技術(shù)、無(wú)人駕駛技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等前沿科技進(jìn)行研究和應(yīng)用，才能使無(wú)軌膠輪車(chē)更高效、更安全、更持久地服務(wù)于礦井生產(chǎn)。