礦用無軌膠輪車傳動選型及發(fā)展方向淺析

中國煤炭科工集團太原研究院有限公司 山西太原 030006

煤礦井下無軌膠輪車是一種以防爆柴油機或防爆蓄電池為動力，主要用于煤礦井下運送人員、物料以及設(shè)備的一種無軌膠輪運輸車輛[1]。近年來，我國 90% 以上的新建礦井均采用了無軌膠輪輔助運輸方式。在煤礦巷道的特殊環(huán)境下，相對于軌道運輸而言，使用無軌膠輪車完成礦井輔助運輸任務(wù)具有無需物料轉(zhuǎn)載、速度快、靈活性高、爬坡能力強以及安全性高等眾多優(yōu)點，大大縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備時間，為實現(xiàn)煤礦高產(chǎn)高效做出了突出貢獻。不同于地面機動車輛，受煤礦井下空間限制以及為滿足不同的作業(yè)需求，無軌膠輪車的結(jié)構(gòu)多種多樣。筆者就礦用無軌膠輪車的傳動系統(tǒng)型式及選型進行研究綜述。

1 無軌膠輪車種類

國內(nèi)礦用無軌膠輪車經(jīng)過 20 余年的發(fā)展，已經(jīng)完全替代了進口產(chǎn)品，種類也更加豐富，可以按照功能、結(jié)構(gòu)和動力等來分類。

按照車輛功能，無軌膠輪車可分為運人車、工程車、多功能作業(yè)車、特殊作業(yè)車及支架搬運車等。其中運人車和工程車使用最為廣泛，約占礦井輔助運輸車輛總數(shù)的 80%。以鏟斗、鏟板或鏟叉等作為工作機構(gòu)的多功能作業(yè)車約占礦井輔助運輸車輛總數(shù)的10%，灑水車、加油車、救護車、混凝土攪拌車及吸污車等約占礦井輔助運輸車輛總數(shù)的 4%，專門用于搬運綜采工作面液壓支架的支架搬運車約占礦井輔助運輸車輛總數(shù)的 6%[2]。

按照車輛結(jié)構(gòu)，無軌膠輪車可分為整體式、兩段鉸接式及三段鉸接式等。其中整體式車輛采用整體底盤，減振效果較好但轉(zhuǎn)彎半徑大，以運人車為代表，約占礦井輔助運輸車輛總數(shù)的 20%。鉸接式車輛因其轉(zhuǎn)彎半徑小，通過性好，能更好地適應(yīng)井下空間狹小的巷道環(huán)境特點，占據(jù)了大半江山[3]。它又分為兩段鉸接式和三段鉸接式 2 種類型。

按照車輛動力，無軌膠輪車可分為柴油機無軌膠輪車和蓄電池?zé)o軌膠輪車，占比分別約為 80% 和20%。其中蓄電池?zé)o軌膠輪車又包括鉛酸蓄電池?zé)o軌膠輪車和鋰離子蓄電池?zé)o軌膠輪車 2 種類型。

2 傳動系統(tǒng)型式

礦用無軌膠輪車常見的傳動型式主要有機械傳動、液力機械傳動和液壓傳動等。

2.1 機械傳動

機械傳動類無軌膠輪車以柴油運人車為代表，與地面機動車輛的傳動相同，傳動路線如圖 1 所示。由柴油發(fā)動機連接機械式離合器，通過機械式離合器和變速箱配合，實現(xiàn)換擋和前進后退功能。機械傳動的特點是傳動效率高，劣勢是操控復(fù)雜，對傳動件的可靠性要求較高。

圖1 柴油動力機械傳動路線Fig.1 Mechanical transmission route powered by diesel engine

此外，機械傳動類車輛還有蓄電池動力車輛，如鉛酸蓄電池鏟板車及鋰離子蓄電池運人車等，傳動路線如圖 2 所示。

圖2 電動力機械傳動路線Fig.2 Mechanical transmission route powered by motor

2.2 液力機械傳動

煤礦井下路面復(fù)雜，高低起伏較多，車輛運行時負(fù)載變化千差萬別，純機械傳動難以適應(yīng)載荷突變帶來的轉(zhuǎn)矩沖擊。液力機械傳動由于有液力變矩器，一方面能夠提升原動力轉(zhuǎn)矩，直接改善鏟運類大轉(zhuǎn)矩工況的使用需求，另一方面利用渦輪帶動油液可以有效緩沖轉(zhuǎn)矩沖擊，起到保護傳動件的作用，在井下工程車和重型車上應(yīng)用普遍[4]。

液力機械傳動的傳動路線如圖 3 所示。柴油發(fā)動機的動力經(jīng)液力變矩器降速增扭后，再經(jīng)傳動軸傳至動力換擋變速箱、驅(qū)動橋和輪胎。

圖3 液力機械傳動路線Fig.3 Mechanical transmission route powered by hydrodynamics

2.3 液壓傳動

液壓傳動與機械傳動型式相比，在輸出同樣功率的條件下具有體積小、質(zhì)量輕及結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點。由于工作液體彈性大，本身又有吸振作用，不像機械傳動會引起過大的振動和沖擊。液壓傳動較易于獲得大的力或力矩，可以實現(xiàn)低速大噸位運行，能在很大的范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速，且調(diào)速可在系統(tǒng)運行過程中進行。液壓傳動路線如圖 4 所示。

圖4 液壓傳動路線Fig.4 Hydraulic transmission route

液壓傳動類無軌膠輪車主要有順槽車和框架式支架搬運車等，因其動力元件和執(zhí)行元件可分開布置，只需要幾根液壓管路連接即可，簡化了整車傳動部件的連接，易于整機布置，適用于低速場合。

3 選型

礦用無軌膠輪車傳動型式的選擇與車輛的結(jié)構(gòu)、使用功能、使用環(huán)境及舒適性等方面有關(guān)。下面從使用功能入手，分析礦井無軌膠輪車的傳動系統(tǒng)選型。

3.1 井下運人車

井下運人車主要完成煤礦井下各崗位人員的上下班和班中餐的運輸工作。代表車型是某煤機裝備公司生產(chǎn)的 WC20R 型防爆柴油機無軌膠輪車，其主要參數(shù)如表 1 所列。

既然是運送人員的車輛，速度快、舒適性好、安全性高是必備的三大要素。要確保有較好的舒適性，只能選擇整體式底盤，配上車橋減振系統(tǒng)，使之滿足礦井長距離運送人員的需求。速度快就要求傳動系統(tǒng)效率要高，在幾種傳動型式中首選機械傳動。因此井下運人車均是整體式底盤結(jié)構(gòu)，傳動型式均是機械傳動。

表1 WC20R 型防爆柴油機無軌膠輪車主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of WC20R trackless rubbertyred vehicle with explosion-proof diesel engine

3.2 井下工程車

井下工程車主要完成一些生產(chǎn)用機械、液壓、氣動及電氣類等小型設(shè)備的長距離運輸作業(yè)[5]。不同于傳統(tǒng)軌道機車，它可以實現(xiàn)點對點無需轉(zhuǎn)載的連續(xù)運輸作業(yè)，大多數(shù)情況下經(jīng)過的路面凸凹不平，有水有泥，且巷道空間狹小，環(huán)境較為惡劣。代表車型是某煤機裝備公司生產(chǎn)的 WC5E 型防爆柴油機無軌膠輪車，其主要參數(shù)如表 2 所列。

表2 WC5E 型防爆柴油機無軌膠輪車主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of WC5E trackless rubbertyred vehicle with explosion-proof diesel engine

首先，由于巷道空間狹小，整體式底盤的車輛轉(zhuǎn)彎半徑大，轉(zhuǎn)彎通過性不好，且上下坡時車身容易擱淺，因此井下工程車一般都采用兩段鉸接式，前段動力承載，后段為貨箱。其次，由于地面坑洼不平，傳統(tǒng)的機械傳動難以適應(yīng)路面的急劇起伏變化，對傳動系統(tǒng)沖擊太大，傳動部件可靠性難以保證，因此優(yōu)先選擇液力機械傳動型式。液力變矩器的油液柔性緩沖特性得以充分利用，能夠有效緩解轉(zhuǎn)矩傳動的沖擊，以保護傳動系部件。由于工程車主要不是運送人員，因此犧牲了減振性能，舒適性較運人車稍差。

3.3 井下作業(yè)車

井下作業(yè)車主要完成一些鏟運類作業(yè)，包括清理巷道路面的裝載機、清理浮煤的鏟運機以及綜采工作面安裝設(shè)備時用的鏟板車等。這類型設(shè)備的特點是多數(shù)時間在固定點作業(yè)，少數(shù)時間短距離運輸作業(yè)。在固定點進行鏟叉作業(yè)時，負(fù)載是千變?nèi)f化的，同樣需要柔性傳動部件來吸收負(fù)載對傳動系的沖擊，再加上路面條件更加惡劣，因此這一類井下作業(yè)車也都是采用液力機械傳動型式。代表車型是某煤機裝備公司生產(chǎn)的 WX45J 型防爆柴油機無軌膠輪車，其主要參數(shù)如表 3 所列。

表3 WX45J 型防爆柴油機無軌膠輪車主要參數(shù)Tab.3 Main parameters of WX45J trackless rubbertyred vehicle with explosion-proof diesel engine

隨著交流異步電動機、開關(guān)磁阻電動機及永磁電動機技術(shù)的發(fā)展和調(diào)速技術(shù)的成熟，也有獨立電動機直驅(qū)輪邊的礦用鏟板車案例，比如系列鉛酸蓄電池鏟板式搬運車[6]。

3.4 井下支架搬運車

井下支架搬運車主要完成綜采工作面安裝和回撤液壓支架的遠距離運輸作業(yè)。受井下巷道高度限制，運輸時支架和車身的整體高度不宜過大，車身更需要較低的離地間隙，這就決定了橋驅(qū)方案被排除。液壓支架運輸時只有位于底座左右側(cè)的 4 個起吊孔可以用，受液壓支架結(jié)構(gòu)特殊性的限制，承載支架的框架中間必須是空的，以方便液壓支架裝卸，即車輛驅(qū)動側(cè)左右必須是斷開的。鑒于上述客觀條件，井下支架搬運車均采用驅(qū)動輪獨立液壓驅(qū)動型式。代表車型是某煤機裝備公司生產(chǎn)的 WC80Y 型支架搬運車，其主要參數(shù)如表 4 所列。

表4 WC80Y 型支架搬運車主要參數(shù)Tab.4 Main parameters of WC80Y support carrying vehicle

4 發(fā)展方向

我國礦用無軌膠輪車經(jīng)過了十幾年的發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)非常成熟，成套裝備也已經(jīng)完全滿足了礦井輔助運輸生產(chǎn)需求，車輛傳動系統(tǒng)型式也已經(jīng)基本固化。未來的發(fā)展可能在以下幾個方面有所創(chuàng)新。

4.1 混合傳動型式

近幾年，中國礦業(yè)大學(xué)、山西天地煤機裝備有限公司等單位進行了混合動力傳動方面的理論研究[7]，包括防爆電噴柴油機、防爆動力電池、電池管理、動力源切換、油門控制及制動控制等方面的基礎(chǔ)研究工作，但至今國內(nèi)還沒有井下混合動力的無軌膠輪車產(chǎn)品問世，最主要的原因是由于 2 種動力會占用更多的車輛空間，對于尺寸要求較高的礦用無軌膠輪車來說，整車布置難度加大。即便研發(fā)出來，其大尺寸也會導(dǎo)致巷道適應(yīng)性差，且部件多、故障多、排布緊張導(dǎo)致檢修困難，難以進行工業(yè)性推廣應(yīng)用。

隨著電動機技術(shù)以及蓄電池儲能技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)動力電池和電動機的體積不再是制約整車布置的攔路虎時，柴電混合動力、架線電源和蓄電池混合動力的車輛才會有一定的研發(fā)空間。

4.2 傳動控制方式

隨著煤礦智能化步伐的加快，無人駕駛輔助運輸機器人的研發(fā)已經(jīng)提上日程。不同于以往的油門、轉(zhuǎn)向及制動等觸覺控制方式，無人駕駛的決策是由傳感器根據(jù)實際道路狀況輸出電信號，這就需要對傳統(tǒng)汽車的底盤進行線控改造，以適用于自動駕駛。作為無人駕駛的行走部，線控底盤主要有五大系統(tǒng)，分別為線控轉(zhuǎn)向、線控制動、線控?fù)Q擋、線控油門和線控懸掛。采用多傳感器融合技術(shù)，實時判斷車輛狀態(tài)，并自主決策，執(zhí)行動作，實現(xiàn)單機裝備的智能化。

4.3 薄煤層車輛傳動結(jié)構(gòu)

近些年我國能夠使用無軌膠輪車進行輔助運輸作業(yè)的礦井多是巷道頂?shù)装鍡l件好、寬度和高度大的礦井，但國內(nèi)仍有很多地質(zhì)條件不好、開采難度較大的薄煤層煤礦，難以應(yīng)用現(xiàn)有膠輪車完成輔助運輸任務(wù)。隨著神東煤炭集團公司引進的薄煤層等高式綜采成套裝備地面調(diào)試的完成，必將帶動國內(nèi)薄煤層礦井相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，包括薄煤層輔助運輸成套裝備，這將給煤機制造商在薄煤層低矮型無軌膠輪車系列裝備的研究上帶來機遇和挑戰(zhàn)。

5 結(jié)語

礦用無軌膠輪車發(fā)展迅速，種類繁多，在傳動系統(tǒng)設(shè)計選型時，要充分考慮車輛的應(yīng)用場合、使用功能、舒適性及動力源等多方面因素，結(jié)合各方面技術(shù)的成熟度，綜合評價后確定合適的傳動型式。

礦用車輛性能可靠的前提是盡量保持功能單一，傳動系統(tǒng)也一樣，要堅持簡單、易行、可靠的原則，未來在混合動力、傳動控制及傳動結(jié)構(gòu)等方面還有很大的發(fā)展空間。