煤礦井下多用途窄體式無軌膠輪平臺

陳逢雷

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

無軌輔助運輸設備在國內發(fā)展得比較晚，直到20世紀90年代初才開始引進無軌膠輪輔助運輸設備[1-4]，在此基礎上，一些科研所和大型礦區(qū)通過強強聯(lián)合，開發(fā)出了更適合國內礦井的輔助運輸設備，不僅生產周期短，而且價格相對低廉[5-6]。經過幾十年的發(fā)展，以神東礦區(qū)為代表的大型礦區(qū)，已經廣泛使用無軌膠輪式輔助運輸設備，實現(xiàn)了人、物料、液壓支架、采煤機和鉆機的快速轉運，極大地提高了礦井運輸效率。對無軌膠輪設備而言，地面運輸一般要求很低，除了對速度的要求外，其他不予考慮，主要考慮煤礦井下運輸，隨著國內煤礦礦井規(guī)模的擴大和開采距離的延伸，希望設備能無限接近工作面，尤其是一些自身質量比較大的設備，有的甚至需要在帶式輸送機巷道內使用，在這種情況下，現(xiàn)有運輸設備的缺點就凸顯出來，這就對無軌膠輪設備提出了更高的要求[7-8]。

目前市面上主要的無軌膠輪設備，承載能力達到10 000 kg的其寬度都在1.8 m以上，而寬度在1.5 m以下的，承載能力只能到3 000 kg。針對現(xiàn)有膠輪設備在寬度和承載能力等方面存在的局限性，提出多用途窄體式無軌膠輪平臺的方案，可根據(jù)需要在平臺上布置鉆探和掘錨類工作裝置，也可安裝貨斗，實現(xiàn)一機多用的目的。

1 總體設計

運輸平臺由一體式機架、動力單元、支腿及輪邊驅動單元等組成，額定載質量8 000 kg。動力源為防爆柴油發(fā)動機帶動泵集成在動力艙內[9-10]。主要參數(shù)為：①長×寬×高:5.95 m×1.5 m×2.2 m；②自重：6 000 kg；③載重:8 000 kg；④最大行駛速度：15 km/h；⑤最大爬坡度：15°；⑥最小轉彎半徑：7 m。

1）機架結構。機架由2根主梁和若干根橫梁組成，其余各個部件均通過高強度螺栓與主梁連接，具有良好的穩(wěn)定性和承載性，機架結構如圖1。

圖1 機架結構圖Fig.1 The frame structure

2）動力單元和駕駛艙。動力單元和駕駛艙布置在機架前方，包括防爆柴油機、液壓泵、燃油箱、補水箱、水洗箱和冷卻器等。駕駛艙內部集成了操作模塊和輔助倒車影像視頻和雷達。

3）支腿結構。運輸平臺車體左右安裝了4個液壓支腿，主要由內外支撐套和液壓油缸組成，外套與機架連接，油缸分別與內外套連接，支腿可由平臺自身液壓油路和外部油源分別完成支護，可提高上裝設備工作的穩(wěn)定性和平臺行走的通過性能，亦可增加可維護性。

2 液壓控制系統(tǒng)

根據(jù)使用特點及巷道內的要求，由于單體載質量大，并且需要具備重載工況下的微動行駛功能，對低速時的穩(wěn)定性要求很高，所以平臺采用了液壓控制系統(tǒng)，主要由驅動控制系統(tǒng)、轉向控制系統(tǒng)、支腿控制系統(tǒng)和制動控制系統(tǒng)等組成，不需要額外牽引設備即可自行完成前進、后退和轉向等動作，驅動控制系統(tǒng)采用閉式液壓回路,遠程比例控制；其他控制系統(tǒng)采用開式液壓回路,恒功率負荷傳感+遠程比例控制[11-12]。

2.1 驅動控制系統(tǒng)

平臺的驅動控制系統(tǒng)采用由外部油源控制換向的DA比例變量泵+具有可變排量的低速大扭矩馬達配置方案，驅動液壓系統(tǒng)原理如圖2，通過泵的變量改變主油路中的流量和方向，實現(xiàn)車輛的變速與換向,并且閉式液壓系統(tǒng)具有功率密度高、布局方便、過載保護能力強和控制方式靈活等特點[13]。

由液壓泵和馬達并聯(lián)形成回路，有效解決了差速、防滑和功率匹配等問題。當轉彎或者路況改變時，系統(tǒng)可自動分配流量，避免輪組的滑動；當路面附著力差出現(xiàn)輪組打滑時，可由遠控的閥組強制分流，保證設備的通過性；當負載突然增大而引起功率接近發(fā)動機輸出時，液壓泵排量可隨發(fā)動機轉速降低而減小，防止發(fā)動機熄火，達到功率匹配的目的。

圖2 驅動液壓系統(tǒng)原理Fig.2 The principle of driving hydraulic system

2.2 轉向控制系統(tǒng)

轉向機構主要包括液壓泵、液壓單路穩(wěn)流閥、液壓比例轉向器、安全閥塊及液壓缸等。液壓轉向系統(tǒng)具有重量輕、結構緊湊、可控性好、功率密度大、能緩和地面沖擊和動作迅速而平穩(wěn)等優(yōu)點。

從平臺結構和經濟適用性方面考慮，采用組合式液壓轉向系統(tǒng)，即將工作裝置液壓系統(tǒng)和液壓轉向系統(tǒng)通過優(yōu)先分流閥連接起來組成一個新的液壓系統(tǒng)。它的主要優(yōu)點是可獲得接近于最完善的轉向性能，并同時滿足工作裝置性能的需要。轉向系統(tǒng)和工作裝置系統(tǒng)共泵組合油路如圖3，工作裝置油路與穩(wěn)固系統(tǒng)或者冷卻系統(tǒng)等相連。

圖3 轉向系統(tǒng)和工作裝置系統(tǒng)共泵組合油路Fig.3 The principle of steering and working system

2.3 制動控制系統(tǒng)

在巷道內部運行的設備，具有一套安全有效的制動系統(tǒng)非常重要，所以運輸平臺的制動系統(tǒng)主要包括駐車制動、緊急制動和行車制動。

駐車制動由安裝在液壓馬達中的濕式多盤制動器完成，車輛行駛時，壓力油克服彈簧力使制動器開啟；車輛停止時，制動器泄壓，在彈簧力的作用下，實現(xiàn)駐車制動；同時，液壓系統(tǒng)的響應時間加長，使得打開減速機駐車制動器的壓力不穩(wěn)定，減速機內的剎車片過度磨耗，減短了使用壽命。為了解決上述問題，在駐車制動管路上增加蓄能器，作為駐車制動系統(tǒng)輔助動力源。在巷道內行使時，周圍環(huán)境比較潮濕，光線黑暗，在碰到緊急情況，需要立刻停車時，駕駛員可以按下駕駛室內的紅色按鈕，關閉發(fā)動機，實現(xiàn)車輛的緊急制動，緊急制動與駐車制動共用制動器。

行車制動由閉式液壓系統(tǒng)和行車制動器共同組成，車輛運行過程中，主要利用閉式系統(tǒng)來實現(xiàn)，在變量泵的排量逐漸降低直到0的過程中，系統(tǒng)的循環(huán)流量也隨之降低，此時液壓泵中的高壓溢流閥起作用，產生液壓阻尼的作用，實現(xiàn)車輛的制動。與此同時，駕駛員踩下行車制動踏板，使?jié)袷街苿悠髌鹱饔?，兩者共同實現(xiàn)行車制動，工作時，壓力油通過制動踏板進入制動油腔，推動活塞將摩擦片壓緊實現(xiàn)制動，當駕駛員松開制動踏板時，壓力油通過腳踏板流回油箱卸壓，卸壓后，回位彈簧將摩擦片彈回。

3 運輸平臺試驗

在試驗中使用等量的物體放置在平臺上進行測試，利用測試儀器測試系統(tǒng)壓力,主要參數(shù)如下：①最大行駛速度：20 km/h；②最大爬坡度：15°；③最小轉彎半徑：6.8 m；④最小離地間隙：200 mm；⑤平地行走壓力：12.8 MPa；⑥爬坡行走壓力：32.6 MPa；⑦轉向壓力：8.6 MPa；⑧行車制動最大壓力：10.8 MPa。結果表明：運輸平臺轉向靈活，制動安全，可在貨臺上安裝鉆探或掘錨類設備完成相應施工工作，也可安裝貨箱進行物料的搬運。

4 結語

無軌膠輪平臺是針對煤礦井下巷道需求而研制的途窄體式運輸平臺，采用整體式設計思路，具有較高的載體比，滿足特殊使用環(huán)境下的要求。設計了一體式機架和專用的液壓控制系統(tǒng)，利用防爆柴油機作為動力源，滿足了煤礦井下特殊工作環(huán)境下對機動性、靈活性和通過性等要求。