低污染礦用40 t鏟板式支架搬運(yùn)車的設(shè)計(jì)

李衛(wèi)東

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 王莊煤業(yè)有限公司,山西 長(zhǎng)治 047100)

0 引言

目前在輔運(yùn)方面很多煤礦在大巷中使用電池機(jī)車和架線電機(jī)車進(jìn)行牽引運(yùn)輸，運(yùn)輸方式相較于國(guó)外煤礦非常落后，這與目前煤礦高效、高產(chǎn)、快速、智能、綠色的綜采理念很不匹配，影響了整個(gè)煤礦的出煤效率。我國(guó)很多煤礦主要依賴進(jìn)口鏟板式支架搬運(yùn)車等設(shè)備來滿足煤礦井下的運(yùn)輸，盡管目前多種鏟板式搬運(yùn)車型已經(jīng)成功自主研發(fā)并應(yīng)用，在一定程度上滿足了國(guó)內(nèi)煤礦井下的各種輔助搬運(yùn)和安裝工作需要[1-4]，但隨著煤礦綜采工作面生產(chǎn)技術(shù)的快速發(fā)展，輔助搬運(yùn)和安裝設(shè)備也必須通過提升其運(yùn)載能力來適應(yīng)采煤設(shè)備的運(yùn)輸、安裝需要。

在國(guó)家雙碳目標(biāo)的帶動(dòng)下，對(duì)煤礦井下各種輔運(yùn)車輛的排放要求日趨嚴(yán)格，2020年國(guó)家生態(tài)環(huán)境部對(duì)非道路移動(dòng)機(jī)械及動(dòng)力裝置的非道路國(guó)四排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了相關(guān)內(nèi)容的補(bǔ)充和完善。標(biāo)準(zhǔn)中嚴(yán)格的尾氣排放規(guī)定，必然要求煤礦井下使用的防爆柴油機(jī)車輛的排放需大幅度降低[5-7]，因此研究一款使用頻率高、排放低、搬運(yùn)效率高的防爆車輛對(duì)于煤礦井下輔運(yùn)設(shè)備的升級(jí)換代、技術(shù)提升具有非常重要的意義。

1 鏟板式搬運(yùn)車設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

(1) 以可靠性為出發(fā)點(diǎn)，關(guān)鍵元部件選用國(guó)內(nèi)外知名廠家產(chǎn)品。

(2) 整車及元部件選型符合防爆和各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求。

(3) 考慮國(guó)內(nèi)煤礦企業(yè)煤層分布及地質(zhì)條件，增強(qiáng)產(chǎn)品適應(yīng)性。

(4) 整車采取人性化設(shè)計(jì)理念，提高駕駛操縱舒適性，降低產(chǎn)品日常維護(hù)和保養(yǎng)工作量。

2 鏟板式搬運(yùn)車總體方案設(shè)計(jì)

通過對(duì)我國(guó)主要礦區(qū)井下工況條件進(jìn)行深入解，某型低排放40 t鏟板式搬運(yùn)車整體車架結(jié)構(gòu)采用鉸接式液壓油缸轉(zhuǎn)向，相對(duì)于整體式機(jī)架車輛更加機(jī)動(dòng)靈活，能夠較好地適應(yīng)井下狹窄受限的車輛通過空間。該鏟板式支架搬運(yùn)車主要由低污染柴油機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)、液壓操控系統(tǒng)、前后機(jī)架、工作機(jī)構(gòu)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、氣動(dòng)及安保系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)等組成，整車布置如圖1所示。

圖1 某型低污染40 t鏟板式搬運(yùn)車三維模型

3 低污染動(dòng)力系統(tǒng)防爆柴油機(jī)設(shè)計(jì)

某型低排放40 t鏟板式搬運(yùn)車結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力大，且動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸小、功率大。為滿足非道路國(guó)三標(biāo)準(zhǔn)的要求，防爆柴油機(jī)采用了防爆電控燃油系統(tǒng)和后處理氧化催化轉(zhuǎn)換器。

3.1 進(jìn)氣防爆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

從結(jié)構(gòu)上進(jìn)氣系統(tǒng)可分為雙層水冷低溫增壓裝置、鐵質(zhì)組合空氣濾清裝置、片式進(jìn)氣柵欄、進(jìn)氣關(guān)閉裝置、水空中冷裝置及不銹鋼管路等。安裝進(jìn)氣關(guān)閉裝置的目的是停車時(shí)完全切斷進(jìn)氣系統(tǒng)空氣的供給以保證防爆柴油機(jī)迅速熄火。

3.2 排氣防爆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

排氣系統(tǒng)包括水冷卻排氣歧管、增壓器、水冷卻排氣彎管、廢氣處理箱和排氣柵欄。排氣歧管、增壓器、排氣彎管均設(shè)計(jì)為帶水冷卻的雙層結(jié)構(gòu)，各部件表面最高溫度不超過150 ℃。其中廢氣處理箱處于末端，采用圓桶形結(jié)構(gòu)，水位控制閥和缺水保護(hù)閥置于箱體內(nèi)部，結(jié)構(gòu)緊湊、控制可靠。

3.3 后處理氧化催化轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

為了降低防爆柴油機(jī)CO的排放，對(duì)氧化催化轉(zhuǎn)化裝置進(jìn)行防爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，且盡量少影響DOC(氧化催化轉(zhuǎn)換器)的轉(zhuǎn)化效率。在保證轉(zhuǎn)化效率的前提下降低氧化催化轉(zhuǎn)化器對(duì)防爆柴油機(jī)性能和可靠性的影響，達(dá)到DOC在低排氣溫度下能夠起燃反應(yīng)，降低CO排放污染物。符合防爆要求的氧化催化轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 符合防爆要求的氧化催化轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)示意圖

4 鏟板式搬運(yùn)車前后機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于煤礦井下工況復(fù)雜，礦用40 t鏟板式搬運(yùn)車行駛過程中受到的作用力方向和大小是實(shí)時(shí)變化的，為了準(zhǔn)確地反映該車的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性，采用有限元軟件對(duì)其前后機(jī)架進(jìn)行模擬分析計(jì)算。前、后機(jī)架結(jié)構(gòu)如圖3所示，銷軸和軸套的材料分別采用40Cr和27SiMn并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，鏟板、立板等部件材料選用WH70，而其他剩余部件材料均選用16Mn。

在進(jìn)行有限元分析時(shí)，模擬40 t鏟板式搬運(yùn)車的實(shí)際作業(yè)工況，在前機(jī)架鏟板的中心處加載最大載荷40 t。分析得到的40 t鏟板式搬運(yùn)車整車結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖如圖4所示，鉸接軸及軸套結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖如圖5所示。

圖3 前、后機(jī)架結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 整車結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖

由圖4中可以發(fā)現(xiàn)：40 t鏟板式車輛載荷主要集中在車輛前端，受力最大處為前機(jī)架鉸接部分；后機(jī)架在連接后橋的擺架處應(yīng)力最大，但相較前車架應(yīng)力要小很多。

由圖5中可以發(fā)現(xiàn)：上、下軸銷最大應(yīng)力均低于其材料本身的許用應(yīng)力值210 MPa，符合強(qiáng)度要求;上銷軸軸套最大應(yīng)力值為513 MPa，下銷軸軸套最大應(yīng)力值為453 MPa，這兩值均未超過許用限值980 MPa，符合設(shè)計(jì)要求。

圖5 鉸接軸及軸套結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖

5 液壓操控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)整車設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)液壓操控系統(tǒng)中的工作、冷卻、解鎖手泵、蓄能器卸荷等回路做了大量性能匹配研究，確定各分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和部件選型。液壓系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)和液壓控制回路組成。

防爆柴油機(jī)工作時(shí)，液壓油從液壓油箱進(jìn)入轉(zhuǎn)向泵，轉(zhuǎn)向泵輸出的壓力油進(jìn)入液壓助力轉(zhuǎn)向器，液壓助力轉(zhuǎn)向器的回油通過回油過濾器回到油箱。

同時(shí)液壓油從液壓油箱進(jìn)入齒輪油泵，齒輪油泵輸出的壓力油通過充液閥給安裝的蓄能器進(jìn)行充液，當(dāng)每個(gè)蓄能器內(nèi)的油壓都達(dá)到規(guī)定的壓力后，液壓油直接從充液閥通過過濾器流入油箱，當(dāng)任何一個(gè)蓄能器內(nèi)的油壓低于規(guī)定的壓力后，液壓油重新通過充液閥進(jìn)入這個(gè)蓄能器，直至這個(gè)蓄能器內(nèi)的油壓達(dá)到規(guī)定的壓力。

6 氣動(dòng)及安全保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

氣動(dòng)系統(tǒng)采用了壓縮空氣啟動(dòng)方式，并在啟動(dòng)前系統(tǒng)進(jìn)行自檢，自檢正常后啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。氣動(dòng)系統(tǒng)由氣馬達(dá)、空壓機(jī)、安全閥、控制閥、氣罐、撥動(dòng)閥、單向閥、機(jī)油先導(dǎo)閥、單氣控閥、梭閥、截止閥、氣缸、氣喇叭及儀表等組成。

安全保護(hù)系統(tǒng)由隔爆型發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器、隔爆型永磁發(fā)電機(jī)、礦用隔爆型照明燈、礦用隔爆型電氣控制箱、礦用隔爆型信號(hào)燈、柴油機(jī)車用隔爆兼本質(zhì)安全型安全保護(hù)裝置、煤礦車輛用隔爆型雨刷電動(dòng)機(jī)、礦用語音燈光告警裝置、礦用隔爆型運(yùn)輸機(jī)械照明燈、連接電纜和礦用隔爆型電源箱組成。

7 結(jié)論

該低排放礦用40 t鏟板式搬運(yùn)車設(shè)計(jì)完成后在煤礦井下進(jìn)行了大量的工業(yè)性試驗(yàn)，試驗(yàn)表明該車滿足非道路國(guó)三排放標(biāo)準(zhǔn)，且具有如下優(yōu)勢(shì)：

(1) 防爆柴油機(jī)滿足非道路國(guó)三排放，排放低且功率大，解決了鏟板式搬運(yùn)車普遍功率不足的問題。

(2) 液壓操控系統(tǒng)工作回路采用負(fù)載反饋液壓操控系統(tǒng)，發(fā)熱量更小，液壓元件使用壽命更長(zhǎng)。

(3) 采用人機(jī)工程學(xué)和人性化設(shè)計(jì)，整車外形美觀、檢查保養(yǎng)更方便。