煤礦井下防爆鋰電池單軌吊機(jī)車技術(shù)研究

王飛

[摘? ? 要]隨著山東能源集團(tuán)“一提雙優(yōu)”建設(shè)的實(shí)施，對(duì)煤礦輔助運(yùn)輸裝備升級(jí)提出要求。解決噪音大、尾氣污染、續(xù)航里程短等問題成為發(fā)展克服的目標(biāo)，因此鋰電池的選用成為當(dāng)前最好的方式。文章主要對(duì)鋰電池單軌吊機(jī)車技術(shù)進(jìn)行研究。

[關(guān)鍵詞]煤礦;鋰電池;防爆鋰電池單軌吊機(jī)車研究及應(yīng)用

[中圖分類號(hào)]TD684;U469.6 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）05–0–03

Research on Technology of Explosion Proof Lithium

Battery Monorail Crane in Coal Mine

Wang Fei

[Abstract]With the implementation of "one improvement and double excellence" construction of Shandong energy group， it puts forward requirements for the upgrading of coal mine auxiliary transportation equipment. To solve the problems of noise， exhaust pollution and short driving range has become the goal of development. Therefore， the selection of lithium battery has become the best way at present. Based on this， this paper mainly studies the technology of lithium battery monorail crane locomotive.

[Keywords]coal mine; lithium battery; research and application of explosion proof lithium battery monorail crane locomotive

1 任務(wù)來源

隨著國(guó)內(nèi)煤礦大型采掘設(shè)備智能控制及機(jī)械化開采，采煤及掘進(jìn)需要設(shè)備的重量、結(jié)構(gòu)、形式以及運(yùn)輸距離等都有不同程度的增加，傳統(tǒng)的地軌運(yùn)輸方式，技術(shù)相對(duì)滯后，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化礦井的運(yùn)輸需要。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)大多數(shù)煤礦采用小絞車、卡軌車等傳統(tǒng)運(yùn)輸方式，占用人員多，運(yùn)輸環(huán)節(jié)多，運(yùn)輸效率低，易造成斷繩、跑車、掉道等安全隱患。單軌吊機(jī)車具有能夠在多彎道、多起伏的巷道中進(jìn)行高難度作業(yè)，爬坡能力強(qiáng)，且屬于上部空間作業(yè)設(shè)備，并不占用巷道底板空間，加之懸掛式布局，更有利于巷道空間的充分利用。推廣應(yīng)用單軌吊，減少運(yùn)輸環(huán)節(jié)，提高工作效率，已成為近年來煤礦井下輔助運(yùn)輸?shù)氖走x運(yùn)輸設(shè)備。

煤礦井下單軌吊機(jī)車按牽引動(dòng)力不同，分為柴油機(jī)、蓄電池、鋼絲繩牽引和氣動(dòng)等幾種形式。柴油機(jī)單軌吊，功率強(qiáng)勁，技術(shù)成熟，爬坡能力大，應(yīng)用最廣泛，但噪音大、對(duì)尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)有嚴(yán)格要求;傳統(tǒng)的蓄電池單軌吊存在充電慢、放電率低、對(duì)環(huán)境有污染、動(dòng)力限制等缺陷，適用于短途及小坡度現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)輸;鋼絲繩牽引單軌吊由于使用牽引絞車，在多道岔、長(zhǎng)距離、多變坡、多拐彎等復(fù)雜情況下，其靈活性得不到體現(xiàn)，使其應(yīng)用受到一定程度的限制;氣動(dòng)單軌吊受氣源管路長(zhǎng)度及氣壓大小限制，適應(yīng)于短距離、較輕負(fù)載的靈活轉(zhuǎn)運(yùn)。針對(duì)目前各種類型單軌吊機(jī)車的特點(diǎn)及存在的問題，需要開發(fā)一種環(huán)保、高效的新能源電機(jī)直驅(qū)的新型單軌吊機(jī)車——鋰電池單軌吊機(jī)車。

2 研究?jī)?nèi)容和目標(biāo)

2.1 研究?jī)?nèi)容

2.1.1 駕駛室

整體結(jié)構(gòu)采用減震系統(tǒng)，配備操作手柄及機(jī)車運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，可實(shí)時(shí)操作機(jī)車運(yùn)行及監(jiān)測(cè)機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)。具備機(jī)車視頻監(jiān)控和照明燈。

2.1.2 驅(qū)動(dòng)部

研制特殊三相異步交流變頻電機(jī)，采用行星減速機(jī)結(jié)構(gòu)，電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)減速機(jī)，大幅減輕了驅(qū)動(dòng)部的自重。具有結(jié)構(gòu)緊湊，高效率，高可靠性，低維護(hù)等特點(diǎn)。

2.1.3 變頻與自動(dòng)化控制系統(tǒng)

采用變頻器與PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電變交流電，同時(shí)經(jīng)PLC控制系統(tǒng)檢測(cè)各保護(hù)點(diǎn)工作狀況，通過控制系統(tǒng)的檢測(cè)后實(shí)現(xiàn)動(dòng)力平均輸送到驅(qū)動(dòng)部，同時(shí)在線實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)各運(yùn)行部件的使用狀況，在駕駛室顯示屏實(shí)現(xiàn)機(jī)車運(yùn)行的電壓、速度、電量、運(yùn)行狀態(tài)等詳細(xì)參數(shù)，從而實(shí)時(shí)掌握單軌吊的運(yùn)行狀態(tài)和故障信息，確保機(jī)車運(yùn)行時(shí)的安全。同時(shí)增加了遠(yuǎn)程遙控功能，司機(jī)可在地面手持遙控器實(shí)現(xiàn)機(jī)車的運(yùn)行。

2.2 控制車原理

2.2.1 電氣原理

鋰電池電源裝置提供直流電，通過電控箱里的驅(qū)動(dòng)電機(jī)變頻器和液壓站電機(jī)變頻器，將直流電逆變成三相交流電，通過沿途的礦用電纜提供給驅(qū)動(dòng)電機(jī)和液壓站電機(jī);當(dāng)鋰電池單軌吊機(jī)車往下坡運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)將鋰電池單軌吊機(jī)車重力勢(shì)能轉(zhuǎn)變成電能，向鋰電池電源裝置反充電。鋰電池單軌吊控制箱是機(jī)車控制、檢測(cè)、顯示、手動(dòng)操作和無線遙控操作的集中控制中心，機(jī)車的各種保護(hù)接入控制中心。

2.2.2 液壓原理

鋰電池單軌吊機(jī)車液壓控制系統(tǒng)，主要為驅(qū)動(dòng)輪與軌道之間的夾緊油缸提供壓力，為驅(qū)動(dòng)部的制動(dòng)油缸提供壓力，保護(hù)壓力能夠打開壓縮彈簧，當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，實(shí)現(xiàn)壓力快速自卸，壓縮彈簧迅速制動(dòng)。同時(shí)，為起吊梁的液壓馬達(dá)提供壓力，液壓馬達(dá)帶動(dòng)減速機(jī)，減速機(jī)的輸出端連接起吊鏈條，通過鏈條的升降實(shí)現(xiàn)貨物的起吊。

當(dāng)單軌吊機(jī)車準(zhǔn)備運(yùn)行時(shí)，由操作人員按起動(dòng)信號(hào)，由控制中心發(fā)出指令啟動(dòng)油泵電機(jī)，同時(shí)通過液壓系統(tǒng)的電磁閥控制，建立系統(tǒng)工作壓力，當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力達(dá)到設(shè)定最低值（9 MPa）時(shí)，同時(shí)滿足制動(dòng)壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，發(fā)出系統(tǒng)壓力正常信號(hào)，單軌吊機(jī)車正常運(yùn)行;當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到最高設(shè)定壓力值（15 MPa）時(shí)，控制中心發(fā)出信號(hào)停止液壓站油泵工作，通過蓄能器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)保壓。當(dāng)系統(tǒng)壓力內(nèi)泄后降到補(bǔ)壓設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)控制啟動(dòng)液壓站油泵電機(jī)，進(jìn)行補(bǔ)壓;當(dāng)系統(tǒng)壓力升到設(shè)定值時(shí)，液壓站油泵電機(jī)停止工作，完成蓄能器補(bǔ)壓。

如果液壓系統(tǒng)發(fā)生故障，系統(tǒng)壓力下降到設(shè)定最低值時(shí)，不能正常起動(dòng)液壓油泵電機(jī)進(jìn)行補(bǔ)壓，控制中心發(fā)出警報(bào)并使單軌吊機(jī)車停止運(yùn)行。

正常運(yùn)行時(shí)，單軌吊機(jī)車控制中心接到加速（或減速）操作命令后，控制中心首先檢測(cè)到液壓系統(tǒng)工作壓力達(dá)到起動(dòng)要求后，才能控制驅(qū)動(dòng)變頻器工作。

液壓系統(tǒng)有供起吊使用的電磁閥，如果單軌吊車處于行走狀態(tài)，控制中心將控制起吊的電磁閥油路切斷，此時(shí)起吊液壓馬達(dá)不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng);只有當(dāng)鋰電池單軌吊車處于停車狀態(tài)，在駕駛室內(nèi)把旋鈕轉(zhuǎn)到起吊模式，控制中心控制起吊電磁閥供電，此時(shí)給起吊梁馬達(dá)供油，液壓馬達(dá)帶動(dòng)起吊減速機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)貨物的升降。

2.3 鋰電池組

鋰電池組由4組100 Ah電池箱并聯(lián)組成，每組100 Ah電池箱由100塊100 Ah（3.2 V）單體串聯(lián)。4組電池箱采用電池吊掛梁連接在一起，電池吊掛梁通過鏈條與電池起吊梁連接，可實(shí)現(xiàn)電池組的升降，同時(shí)隨電池起吊梁與機(jī)車一起行駛。

采用鋰電池組的優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）相比柴油機(jī)避免大量尾氣排放，改善了作業(yè)環(huán)境。

（2）動(dòng)力輸出沒有噪音。

（3）充電快（最快2.5 h完成400 Ah電池充電）。

（4）鋰電池組沒有記憶效應(yīng)，現(xiàn)場(chǎng)人員可隨時(shí)充電，檢修的時(shí)間也可插上插頭直接充電（記憶效應(yīng)指經(jīng)常處于充滿不放完的條件下工作，容量會(huì)迅速低于額定容量值）。

2.4 智能型充電機(jī)

充電機(jī)由三相隔離變壓器，將1140 V（660 V）變成380 VAC，供給直流單元，輸出有電抗器。把充電機(jī)的插銷連接器插頭與鋰電池電源裝置上的插銷連接器連接上，同時(shí)把通訊插頭連接上，按下充電機(jī)上的充電按鈕，充電機(jī)智能監(jiān)測(cè)鋰電池的相關(guān)參數(shù)，充電完成后，智能斷電。

2.5 研究目標(biāo)

（1）采用防爆鋰電池單軌吊機(jī)車代替煤礦井下傳統(tǒng)運(yùn)輸方式。

（2）清潔環(huán)保性：以新能源磷酸鐵鋰電池為動(dòng)力的單軌吊輔助運(yùn)輸機(jī)車無污染、無噪音。

（3）可靠適用性：防爆鋰電池單軌吊機(jī)車滿足煤礦井下多變

坡、多轉(zhuǎn)彎的混合巷道。

（4）安全性：提高防爆鋰電池單軌吊使用安全性，首先考慮鋰電池組的使用安全，選用礦用電芯，鋰電池BMS智能管理系統(tǒng)，增加電池包。

（5）自動(dòng)化、智能化：防爆鋰電池單軌吊機(jī)車具備無人操作自動(dòng)化運(yùn)輸，同時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能化控制。

（6）標(biāo)準(zhǔn)化、系列化：隨著國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在以后的推

廣。防爆鋰電池單軌吊機(jī)車的使用及控制會(huì)更加標(biāo)準(zhǔn)化，因現(xiàn)場(chǎng)使用的多元化，會(huì)推進(jìn)鋰電池單軌吊的系列化。

3 技術(shù)特征

3.1 技術(shù)研究方案

經(jīng)過研究，決定采用如下技術(shù)路線：調(diào)研、消化國(guó)內(nèi)外單軌吊機(jī)車設(shè)備技術(shù)及工藝→總結(jié)我國(guó)單軌吊機(jī)車等設(shè)備研制經(jīng)驗(yàn)→研究提出適合棗礦集團(tuán)地質(zhì)條件的配套方案和關(guān)鍵裝備設(shè)計(jì)方案→先進(jìn)行方案論證→再進(jìn)行方案設(shè)計(jì)→產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造→相關(guān)性能試驗(yàn)→方案優(yōu)化→工業(yè)性試驗(yàn)→鑒定推廣。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

（1）電源裝置：主要由單體磷酸鐵鋰電池、BMS電池管理系統(tǒng)、防爆箱、連接導(dǎo)線和礦用隔爆插銷連接器組成。

（2）變頻與自動(dòng)化控制系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電變交流電，同時(shí)經(jīng)PLC控制系統(tǒng)檢測(cè)各保護(hù)點(diǎn)工作狀況，通過控制系統(tǒng)的檢測(cè)后實(shí)現(xiàn)動(dòng)力平均輸送到驅(qū)動(dòng)部，同時(shí)在線實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)各運(yùn)行部件的使用狀況，在駕駛室顯示屏實(shí)現(xiàn)機(jī)車運(yùn)行的電壓、速度、電量、運(yùn)行狀態(tài)等詳細(xì)參數(shù)，從而實(shí)時(shí)掌握單軌吊的運(yùn)行狀態(tài)和故障信息，確保機(jī)車運(yùn)行時(shí)的安全。同時(shí)增加了遠(yuǎn)程遙控功能，司機(jī)可在地面手持遙控器實(shí)現(xiàn)機(jī)車的運(yùn)行。

4 具體研究任務(wù)

（1）調(diào)查研究國(guó)內(nèi)外同類地質(zhì)條件下單軌吊機(jī)車設(shè)備及工藝的現(xiàn)狀、存在問題及發(fā)展趨勢(shì)。

（2）分析目前國(guó)內(nèi)外單軌吊機(jī)車的特點(diǎn)及技術(shù)裝備情況，結(jié)合礦區(qū)的特點(diǎn)，確定項(xiàng)目實(shí)施地點(diǎn)及設(shè)備選型原則。

（3）根據(jù)國(guó)內(nèi)單軌吊機(jī)車設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀，確定能滿足使用的配套設(shè)備。

（4）研究設(shè)計(jì)防爆鋰電池單軌吊機(jī)車的初步方案，然后進(jìn)行論證，確定單軌吊機(jī)車的最終方案及其主要參數(shù)。

（5）完成防爆鋰電池單軌吊機(jī)車的總體配套設(shè)計(jì)。

（6）調(diào)查研究單軌吊機(jī)車的現(xiàn)狀及性能，確定能滿足要求的控制系統(tǒng)。

（7）完成鋰電池組與控制系統(tǒng)的配套設(shè)計(jì)。

（8）優(yōu)化防爆鋰電池單軌吊機(jī)車相關(guān)配套件及輔助件的設(shè)計(jì)。

（9）樣機(jī)試制、現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)評(píng)審及試驗(yàn)，完善設(shè)計(jì)。

（10）防爆鋰電池單軌吊機(jī)車進(jìn)行地面聯(lián)合試運(yùn)轉(zhuǎn)并驗(yàn)收。

（11）井下做工業(yè)性安全試驗(yàn)。

（11）完成項(xiàng)目科技技術(shù)成果鑒定。

（12）開始技術(shù)推廣應(yīng)用工作。

5 推廣應(yīng)用的條件及前景

5.1 推廣應(yīng)用的條件

當(dāng)前，煤礦單軌吊輔助運(yùn)輸設(shè)備種類繁多，柴油機(jī)單軌吊、蓄電池單軌吊、鋼絲繩牽引單軌吊和氣動(dòng)單軌吊等;國(guó)內(nèi)外單軌吊輔助運(yùn)輸設(shè)備產(chǎn)品的質(zhì)量也各不相同，每種不同的設(shè)備適應(yīng)的條件也不一樣，煤礦地質(zhì)條件不同決定單軌吊輔助運(yùn)輸設(shè)備的性能也有很大差距。煤礦單軌吊輔助運(yùn)輸系統(tǒng)的可靠性和先進(jìn)性直接影響煤礦的生產(chǎn)效率，對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)也有重大影響。隨著各種高新技術(shù)在煤礦井下的廣泛應(yīng)用，安全、高效、智能化現(xiàn)代化礦井建設(shè)和輔助運(yùn)輸?shù)默F(xiàn)代化程度成為衡量煤礦現(xiàn)代化生產(chǎn)能力和水平的重要指標(biāo)，因此發(fā)展高效、快捷、環(huán)保的單軌吊輔助運(yùn)輸方式是我國(guó)煤礦輔助運(yùn)輸系統(tǒng)建設(shè)的一項(xiàng)重要任務(wù)。

5.2 推廣應(yīng)用的前景

在煤礦輔助運(yùn)輸中，鋰電池單軌吊運(yùn)輸作為一種新的輔助運(yùn)輸方式，適用于煤礦井下材料、設(shè)備、人員和液壓支架等的輔助運(yùn)輸，主要用于大巷采區(qū)上、下山及采掘工作面的運(yùn)輸。防爆鋰電池單軌吊機(jī)車解決了無極繩絞車、鋼絲繩牽引齒軌車運(yùn)輸條件限制，實(shí)現(xiàn)井下多條巷道連通使用，可以在多彎道、多變坡的巷道中應(yīng)用，特別是巷道底板條件較差，容易地鼓的巷道，鋰電池單軌吊的應(yīng)用解決了使用維護(hù)量大，人員技能要求高，使用成本高等難點(diǎn)，為輔助運(yùn)輸增加了安全性和節(jié)能性。

6 結(jié)語

本項(xiàng)目的成功研制與現(xiàn)場(chǎng)使用，為棗礦集團(tuán)煤礦機(jī)電運(yùn)輸設(shè)備提供了可靠的理論依據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過對(duì)該鋰電池單軌吊機(jī)車的不斷優(yōu)化和完善，能更好地滿足礦井高產(chǎn)高效要求，獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

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