立井用鉸接式防爆無軌運輸車關鍵技術研究

王慶祥

(中國煤炭科工集團太原研究院，山西 太原 030006)

我國煤礦開采主要采用立井、斜井、平硐等開拓方式，平硐、斜井開拓煤礦廣泛采用無軌輔助運輸，無軌輔助運輸機動靈活、安全高效，但立井開拓煤礦仍主要采用傳統(tǒng)的軌道輔助運輸，轉載環(huán)節(jié)多、系統(tǒng)復雜、安全性差。主要原因為現(xiàn)有無軌車輛無法直接進出立井罐籠，需井上解體、井下二次組裝，工序繁瑣、占用人員及設備多，且無法實現(xiàn)點到點直達運輸。同時，井下運輸需求多樣，配套車型差異性大，現(xiàn)場運維不便[1-4]。另外，近年來防爆無軌車輛的行車坡度逐漸增大，部分礦井平均坡度達到6°～10°，局部達14°，且井下路面濕滑、彎道交叉，對車輛制動安全性形成很大考驗。同時，煤礦井下巷道規(guī)格小，通風條件差，防爆發(fā)動機廢氣難以及時排出，給井下人員的職業(yè)健康造成不利影響[6，7]。

針對上述問題，采用平臺化研發(fā)模式，首先開發(fā)一種緊湊型清潔動力傳動平臺，基于該平臺拓展研制可直接進出罐籠、安全可靠、清潔高效的運人、運料、設備自裝卸等系列運輸車，既可實現(xiàn)立井條件，人、料、機電設備的點到點直達運輸，同時又大幅提升車輛的作業(yè)安全性及排放清潔性[9，10]。

1 總體方案設計與主參數(shù)確定

1.1 總體設計思路

為滿足整車直接進出立井罐籠要求，主要體現(xiàn)緊湊性，主要包括動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)及承載主體。為適應煤礦井下復雜運行工況，駕駛單元需可實現(xiàn)單向駕駛和雙向駕駛模式的全覆蓋；為滿足井下人員、散裝物料及機電設備等的多樣化運輸需求，設計拓展乘人裝置、后翻/側翻自卸式、水平自卸式、自裝卸式等多種物料運輸工作裝置。最后將駕駛單元和工作裝置以組合的形式搭載于基礎平臺上，形成多種用途的系列車型[11]。

1.2 主參數(shù)確定

車輛需適應立井罐籠、井下狹窄巷道條件要求，依據(jù)總體布置、整車整備質量和額定載荷確定驅動橋的動態(tài)承載能力和外形尺寸等性能參數(shù)；由整車總質量、爬坡能力及最高車速等參數(shù)確定防爆柴油機參數(shù)；根據(jù)動力匹配性能、牽引性能和傳動裝置布置設計等確定液壓泵、液壓馬達等的技術性能參數(shù)。

通過以上主要結構型式及技術配置，可確定車輛滿載最高車速20km/h，最大爬坡能力14°。以基礎車型為例，技術參數(shù)見表1，總體布置如圖1所示。

圖1 WCJS3Y車(單駕后卸)布置(mm)

表1 WCJS3Y車(單駕后卸)整車主要技術參數(shù)

2 關鍵技術

2.1 鉸接式清潔動力傳動平臺設計

2.1.1 緊湊型主體平臺設計

鉸接式平臺采用可靈活拆分的液壓驅動、雙橋傳動系統(tǒng)，防爆柴油機與液壓泵組成主動力，液壓馬達和分動器組成分動力，通過將主動力和分動力以鉸接點分隔布置設計，如圖2所示，大幅壓縮平臺長度尺寸，最終設計出緊湊型主體平臺。

圖2 主、分動力分隔設置

為保證車輛緊湊化后的轉向機動性、穩(wěn)定性，以油缸轉向力矩和行程最小為優(yōu)化目標，設計平臺鉸接轉向系統(tǒng)，實現(xiàn)平臺鉸接轉向部位的緊湊布局。運用優(yōu)化設計方法獲得液壓轉向的最佳設計方案，用作圖法進行機構運動分析，輔以滿載原地轉向性能測試驗證，結果表明，轉向時轉向力變化平穩(wěn)，緊湊設計后鉸接轉向力矩穩(wěn)定，轉向功率消耗少。轉向運動如圖3所示，轉向性能測試如圖4所示。

圖3 轉向機構示意

圖4 WCJS3Y車滿載原地轉向油缸壓力變化曲線

2.1.2 平臺防爆發(fā)動機開發(fā)及其清潔排放技術

1)防爆單體泵電控噴油技術。煤礦井下巷道空間較小，通風條件差，防爆柴油機膠輪車運行時，尾氣排放難以及時排出，造成環(huán)境污染。為此，開發(fā)排放可達國Ⅲ標準的防爆電噴柴油機，其燃油系統(tǒng)設計為防爆電控單體泵，電控噴油具有更高的燃油噴射壓力，并能夠準確、靈活的控制噴油量、噴油定時和噴油速率等參數(shù)，按照不同工況可實時監(jiān)控和最優(yōu)綜合控制，從而實現(xiàn)降低排放目的。

2)防爆柴油機進排氣系統(tǒng)分析研究。鉸接式平臺的緊湊型設計大幅壓縮了整車動力傳動系統(tǒng)空間，通過防爆電控噴油技術、空空中冷技術有效提高發(fā)動機功率體積比，設計可降低高度的防爆進排氣系統(tǒng)實現(xiàn)發(fā)動機裝置低矮型設計，其中進排氣歧管因其結構緊湊，內部進排氣通腔較小，為避免上述因素給防爆柴油機性能造成不利影響，對防爆進氣、排氣系統(tǒng)進行了如下研究：①采用加長變截面進氣阻火器技術，進氣負壓降低為4.5kPa，增加了進氣量；②設計排氣阻火器前置的廢氣處理結構，增大排氣阻火器通氣能力；③優(yōu)化排氣系統(tǒng)，減小排氣阻力，防爆后的功率損失降低為原機功率的10%。

3)防爆發(fā)動機清潔排放技術研究。為進一步降低防爆發(fā)動機尾氣排放，研究防爆柴油機尾氣氧化催化技術，研制負載氧化物涂層和活性金屬的DOC裝置，如圖5(a)所示;同時，研發(fā)一種高效尾氣顆粒凈化系統(tǒng)，通過顆粒分層遞進捕捉的方式，提高碳煙顆粒的凈化能力，如圖5(b)所示。

圖5 尾氣氧化催化器

上述技術提高了防爆發(fā)動機系統(tǒng)的清潔排放性能，通過防爆發(fā)動機臺架試驗測試了相關性能和數(shù)據(jù)見表2。

2.2 駕駛單元多模式設計和控制系統(tǒng)研究

2.2.1 獨立可拆卸的駕駛單元設計

將駕駛單元設計為獨立可拆卸式，并集成基控制系統(tǒng)，實現(xiàn)模塊化和標準化。駕駛室總成采用框架式結構，在保證強度基礎上進行輕量化設計。同時，對車輛駕駛室操縱空間、行車視野、儀表盤和人機界面設計等方面進行優(yōu)化設計，使司機能夠減輕疲勞，方便操作。

表2 防爆發(fā)動機尾氣排放試驗數(shù)據(jù)

2.2.2 單/雙向駕駛模式及控制系統(tǒng)

單向駕駛為基礎車型駕駛模式，為適應未設調頭硐室的巷道運行，設計雙向駕駛方式。單向駕駛采用主駕駛單元，雙向駕駛采用同側主、副兩個駕駛單元。兩種駕駛方式如圖6所示。

圖6 單向/雙向駕駛模式

為防止前后同時操作或誤動作造成事故，設計主、副駕駛室的轉向互鎖控制系統(tǒng)。正常行駛時一個駕駛單元內的轉向器能動作，另一個駕駛單元的轉向器無動力，當駕駛位需要變化時，通過氣動控制液壓油路，對主、副駕駛室兩個優(yōu)先閥進行切換，從而實現(xiàn)轉向互鎖。

2.3 工作裝置作業(yè)功能拓展設計研究

2.3.1 后翻自卸和側翻自卸裝置

后翻自卸式貨廂布置在后驅動橋及后輪胎的正上方，貨廂活動擋板設計為具備自動打開和閉合的旋轉式結構。整車有時需在井下用鏟運機裝載散料，盡量降低貨廂距地面的高度。經(jīng)過分析比較多種舉升機構，最終確定后翻自卸方案如圖7所示。自卸舉升機構采用雙缸直推、腹舉式舉升方式。雙向駕駛車輛，貨廂無法后翻，采用側卸方式。另外，側卸料也可用于低矮巷道。由于車輛長度有限，采用單缸直推。側卸方案如圖8所示。

圖7 后翻自卸貨廂及舉升裝置

圖8 側翻自卸貨廂及舉升裝置

2.3.2 水平自卸裝置

為解決礦井巷道高度低、卸載困難的問題，設計一種水平自卸裝置，同時解決了粘濕性物料卸載不徹底的問題。該裝置由機械裝置和液壓系統(tǒng)構成，機械裝置主要由貨廂、偽底、推板等組成。液壓系統(tǒng)主要由偽底兩側的兩液壓缸、推板兩側的兩液壓缸以及液壓泵、液壓油箱和順序閥等組成。為保證混凝土、淤泥等粘性物料卸載干凈，在油缸前設置液壓激振器，使活塞桿伸出時具備抖動功能。

2.4 車輛安全保障技術研究

2.4.1 制動聯(lián)動安全保護系統(tǒng)設計

制動聯(lián)動安全保護系統(tǒng)可實現(xiàn)2種功能：①車輛發(fā)動機熄火時的自動執(zhí)行制動，具體為發(fā)動機突然熄火時機油壓力降為零，緊急制動閥組中的液控換向閥迅速換向，制動器的高壓解制動油通過緊急制動閥組回油，車輛迅速實施緊急制動；②車輛雙駕駛室前、后緊急制動閥在解除制動時采用串聯(lián)結構，制動時采用并聯(lián)結構形式，操作任一緊急制動閥均可使車輛緊急制動。

2.4.2 運人車乘人裝置門啟閉安全聯(lián)動技術

運人車乘人裝置設計氣液控制客廂門啟閉的安全聯(lián)動裝置，通過液壓、氣動及手動操作協(xié)調控制，車輛行駛過程如車門開啟則自動實施制動，防止乘員在沒得到司機允許時私自下車造成傷害事故以及客廂門在沒有關閉狀態(tài)下車輛即行走而造成的安全事故，保證乘員在車輛運行過程中的安全性。原理如圖9所示。

圖9 乘人裝置門啟閉安全聯(lián)動原理

3 關鍵技術試驗及驗證

上述關鍵技術已應用在立井鉸接式無軌膠輪車上，在煤礦井下完成了試驗驗證。

1)單向運料車：車輛從地面裝載物料到達副立井罐籠進出口，車輛整體駛入罐籠，罐籠下放530m后到達井下，車輛駛出罐籠后進入主運大巷，再進入東盤區(qū)輔運巷。主要承擔運輸混凝土，出渣和運送散料等任務，平均每天下井9次，單趟運距約15km，在3個月工業(yè)性試驗中運輸路程達到9870km，運輸量達到4200t。試驗表明：整車滿足立井直接進出罐籠要求，顯著提高了運輸效率，具備外形小、駕駛視野好、尾氣排放低等特點。

2)雙向順槽車：車輛主要承擔運輸混凝土、沙子等散料，以及吊運中小型機電設備和成捆物料的任務，平均每天運行10次，平均載重量為2.8t，年運輸里程達到42000km，年平均運輸貨物達到14500t。使用表明：整車發(fā)揮緊湊型設計優(yōu)勢，可直接進出罐籠，提高了轉運效率，工作裝置滿足井下材料及設備的裝卸運需求，雙向駕駛功能克服了工作面巷道未設調頭硐室等不利條件，適應能力強。

4 結 論

1)闡述了基于清潔動力傳動平臺的立井用鉸接式運輸車總體方案設計、主參數(shù)的確定、基礎平臺開發(fā)、駕駛單元多模式設計、工作裝置作業(yè)功能拓展設計及車輛清潔排放、安全保障等關鍵技術。

2)針對立井煤礦條件，并根據(jù)井下運人、運料及機電設備運輸?shù)亩鄻踊枨螅捎闷脚_化研發(fā)模式，將兩種駕駛單元和多種裝卸運工作裝置組合搭載于緊湊型平臺上，研制系列化無軌車輛，滿足立井條件的點到點直達運輸，并提高系列產品的模塊化和通用化程度。

3)應用以上關鍵技術和設計方法的立井用鉸接式系列無軌膠輪車在煤礦井下完成了使用驗證，試驗表明整車技術性能滿足生產現(xiàn)場的需求，且平臺化設計的產品現(xiàn)場運維更加便捷。