煤礦架線式電動(dòng)運(yùn)輸車的設(shè)計(jì)

趙 進(jìn)

(山西焦煤能源集團(tuán)股份有限公司 機(jī)電部， 山西 太原 030024)

目前，煤礦井下輔助運(yùn)輸形式主要有軌道式架線電機(jī)車及蓄電池電機(jī)車、柴油及電動(dòng)式無軌膠輪車及各類鋼絲繩類型絞車。其中，有軌式車輛受軌道限制，作業(yè)范圍受到較大制約；柴油車輛產(chǎn)生有毒有害氣體且后期維保費(fèi)用相對較高；蓄電池車輛運(yùn)行里程受電池影響運(yùn)輸距離短，充電時(shí)間長；鋼絲繩類型絞車在安全可靠性方面不具有優(yōu)勢。而架線式無軌電動(dòng)膠輪車綜合多種運(yùn)輸形式優(yōu)點(diǎn)，有效解決了軌道限制、有害氣體污染、續(xù)航里程短、斜坡運(yùn)輸不安全等問題，為煤礦井下輔助運(yùn)輸提供了一種全新的解決思路。

1 概 述

神東集團(tuán)某煤礦試用的架線式無軌電動(dòng)運(yùn)輸車用于井下材料輸送，具有軌道運(yùn)輸不具備的獨(dú)特優(yōu)勢，與礦井原來使用的柴油機(jī)膠輪車對比，其優(yōu)點(diǎn)主要有3個(gè)方面：1) 電動(dòng)運(yùn)輸車不會(huì)產(chǎn)生尾氣排放而造成CO等有害氣體超標(biāo)，且裝載能力大，能高速爬坡，生產(chǎn)效率高。2) 設(shè)置架空線和固定電氣設(shè)備前期需要一次性投資，但是運(yùn)輸系統(tǒng)一經(jīng)形成，后期維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用較柴油車輛顯著減少，不需要考慮車輛尾氣治理、通風(fēng)量加大、燃油損耗等因素，可以有效減少使用車輛需求數(shù)量。3) 電動(dòng)運(yùn)輸車調(diào)速性能好，不會(huì)出現(xiàn)輪胎打滑現(xiàn)象，輪胎費(fèi)用也低于柴油機(jī)膠輪車。因此電動(dòng)材料車用于煤礦井下運(yùn)輸是一個(gè)較好的選擇。根據(jù)該類架線電動(dòng)車的工作原理，對關(guān)鍵元部件進(jìn)行防爆處理及相關(guān)試驗(yàn)，開發(fā)了適用于煤礦井下的架線無軌電動(dòng)膠輪車，并在該礦進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)。

2 車輛總體介紹

2.1 整體設(shè)計(jì)

電動(dòng)運(yùn)輸車由前后兩個(gè)部分組成，前一部分布置發(fā)動(dòng)機(jī)、操作系統(tǒng)和駕駛室，后一部分布置料斗和自卸裝置。前后兩部分車身采用鉸接式連接，轉(zhuǎn)向角可達(dá)40°，轉(zhuǎn)彎半徑小，轉(zhuǎn)向靈活。另外，前后機(jī)架都采用空氣彈簧懸掛系統(tǒng)與車橋連接，保證車輛具有良好的操控性和行駛性能。整機(jī)參數(shù)見表1. 由于有受電設(shè)備，要求巷道高度需要滿足設(shè)計(jì)尺寸，圖1為能夠滿足電動(dòng)材料車運(yùn)行的最小巷道截面。

表1 整機(jī)參數(shù)表

圖1 最小巷道截面圖

車輛傳動(dòng)系統(tǒng)采用由電動(dòng)機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)前后橋的四輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。行走電機(jī)為兩臺(tái)230 kW的直流牽引電機(jī)和一臺(tái)40 kW協(xié)助行走直流電機(jī)。直流牽引電機(jī)一臺(tái)直接連接前橋軸差速器，另外一臺(tái)連接后橋差速器，協(xié)助行走電機(jī)與后橋行走電機(jī)串聯(lián)，見圖2.

1—前驅(qū)動(dòng)橋；2—行走電機(jī)；3—輔助電機(jī)；4—行走電機(jī)；5—后驅(qū)動(dòng)橋圖2 整車傳動(dòng)系統(tǒng)圖

2.2 電氣設(shè)計(jì)

架空線的電壓為三相交流690 V，50 Hz，由1臺(tái)可控硅變流器將AC690 V變成DC1200 V，給行走電機(jī)供電，并通過整流器給牽引蓄電池充電，基本電氣原理圖見圖3.

圖3 電氣原理圖

集電器斷開時(shí)，電動(dòng)機(jī)由牽引蓄電池通過斬波器供電。在正常情況下，蓄電池由架空線通過變壓器和可控硅整流器充電。蓄電池也可以通過1條插接AC380 V電源充電。泵站電機(jī)驅(qū)動(dòng)一臺(tái)液壓泵和一臺(tái)空氣壓縮機(jī)，主要給行車制動(dòng)器和駐車制動(dòng)器提供動(dòng)力源。前后輪各有一臺(tái)電動(dòng)機(jī)通過差速器驅(qū)動(dòng)，由于電機(jī)串聯(lián)，功率均勻分配到所有4個(gè)車輪。

輔助系統(tǒng)主要設(shè)備是一臺(tái)PLC控制器，它調(diào)節(jié)和控制所有必要的電氣裝置，如滑接式受電器工作順序、可控硅變流器、蓄電池?cái)夭ㄆ?、蓄電池充電、調(diào)速和電力制動(dòng)。它還可阻止設(shè)備的誤用，如果速度過大，PLC可以提供相關(guān)情況的故障指示。

電動(dòng)材料車的調(diào)速方法：1) 將電動(dòng)機(jī)電壓從0提高到1 200 V，相應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速從0提高到2 000 r/min. 2) 通過降低勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 000～2 000 r/min調(diào)節(jié)。

牽引蓄電池的技術(shù)特性是280 V和1 580 Ah，可使裝載50 t車輛在平道上行駛1 000 m，主要解決車庫到架空線網(wǎng)起點(diǎn)的動(dòng)力問題,之后啟用架空線供電，運(yùn)輸車可在平道上正常行駛。

2.3 受電系統(tǒng)介紹

電動(dòng)材料車的架空線是為適應(yīng)集電器的迅速下線和上線而設(shè)計(jì)的，由3根外徑為50 mm的銅管傳輸電流，銅管要求材質(zhì)好，以便降低電阻。集電器支撐軌使用截面為3英寸的正方形型鋼，架空線裝置截面見圖4.

1—絕緣端子；2—導(dǎo)線；3—導(dǎo)軌圖4 架空線截面圖

電動(dòng)材料車工作狀態(tài)示意圖見圖5. 集電弓安裝在駕駛室頂部，集電弓弓頭安裝在液壓舉升臂上，弓頭上有8個(gè)滾輪，每個(gè)角上各有2個(gè)滾輪，液壓臂托舉力使弓頭的滾輪與架空線接觸，滾輪沿著架空線的導(dǎo)軌行走，弓頭上有6個(gè)碳刷，碳刷沿導(dǎo)線的下側(cè)滑行，獲得交流電。集電弓可以在偏移線網(wǎng)中心一側(cè)0.5 m的位置上線，上下線速度快，從觸發(fā)上下線按鈕到集電器自動(dòng)捕捉上網(wǎng)不超過5 s.在車輛行駛速度小于8 km/h時(shí)可以下線，行駛速度大于15 km/h時(shí)不能下線。受電系統(tǒng)巷道路面比一般巷道的路面平整度要求高，不允許路面有明顯的凸起或者凹坑，以保證集電弓與接觸網(wǎng)的良好受流。

圖5 工作示意圖

3 應(yīng)用情況

電動(dòng)運(yùn)輸車于2020年開始在神東某煤礦進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。材料運(yùn)輸是從-480～-250 m的坡道運(yùn)輸，坡度約13°，年運(yùn)輸材料量約50萬t，車輛實(shí)際行駛車速20 km/h. 實(shí)際應(yīng)用表明，無軌電動(dòng)車輛系統(tǒng)是一種實(shí)用系統(tǒng)，在經(jīng)濟(jì)性和可靠性方面具有一定優(yōu)勢。通過對實(shí)際使用情況數(shù)據(jù)積累分析，與傳統(tǒng)的柴油運(yùn)輸車輛運(yùn)輸系統(tǒng)相比，電動(dòng)運(yùn)輸車優(yōu)勢體現(xiàn)在以下方面：1) 運(yùn)行維護(hù)成本費(fèi)用明顯降低，每年每臺(tái)車輛燃油費(fèi)用可節(jié)約6萬元，維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用可節(jié)約3萬元，輪胎磨損費(fèi)用可節(jié)約1萬元。2) 噪聲污染顯著降低，從95 dB降低到60 dB. 3) 有毒有害氣體排放量顯著減少，CO瞬時(shí)排放量從0.6‰降低到0，NOX瞬時(shí)排放量從0.785‰降低到0. 4) 電動(dòng)車輛由于沒有柴油系統(tǒng)，運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠，完好率提高了10%～20%. 5) 電動(dòng)車輛的整體使用壽命延長了將近20%. 6) 由于不產(chǎn)生有毒有害氣體以及不使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，井下安全性大大提升，工人健康情況有大幅改善。

4 結(jié) 語

目前隨著煤層埋藏深度的增加，巷道材料運(yùn)輸運(yùn)量增加，開采難度也隨之加大，煤礦傳統(tǒng)的運(yùn)輸設(shè)備如有軌電機(jī)車、蓄電池車輛和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)無軌輔助運(yùn)輸設(shè)備無法克服自身的缺陷，將會(huì)遇到前所未有的挑戰(zhàn)。而電動(dòng)運(yùn)輸車系統(tǒng)既克服了有軌電機(jī)車受軌道限制和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)車輛尾氣排放、維護(hù)費(fèi)用高的缺陷，也解決了蓄電池車輛續(xù)航里程短的限制，不但提高了材料的運(yùn)輸效率，而且節(jié)省了運(yùn)輸成本。同時(shí)，在較大坡度巷道使用電動(dòng)運(yùn)輸車運(yùn)輸取代斜坡絞車拖拽設(shè)備可有效減少安全事故發(fā)生。目前該架空線式無軌電動(dòng)運(yùn)輸車輛正在進(jìn)行安標(biāo)及防爆等相關(guān)資質(zhì)辦理，取得合法手續(xù)后將為礦井運(yùn)輸提供一條新的發(fā)展思路。