一種礦用防爆電動無軌膠輪人員運輸車液壓系統設計

肖 峰

(神東煤炭集團，陜西 神木 719315)

0 引言

礦用防爆無軌膠輪車廣泛應用于煤礦井下施工作業的運輸中，為現代化煤礦井下的重要裝備。目前國內煤礦井下多采用礦用防爆柴油機無軌膠輪車，從應用情況看，國產防爆柴油機無軌膠輪車主要存在高污染、高噪音、高油耗、低壽命的問題。針對以上問題，神東煤炭集團與航天重型工程裝備有限公司合作研制礦用防爆鋰離子蓄電池無軌膠輪車，其中包括運人車、材料車、指揮車等車型。

現階段，制約礦用防爆鋰離子蓄電池無軌膠輪車發展的瓶頸在于電池。由于電池比能量低，為保證礦用防爆鋰離子蓄電池無軌膠輪車續航里程，液壓系統采用一體化設計理念，使液壓系統構成簡單，效率提升，對提高整車續航里程具有重要意義。

1 整車系統參數

礦用防爆鋰離子蓄電池無軌膠輪車主要用于井下、井上人員運輸，設計承載人數19人(包括司機)，以防爆鋰電池組為動力源，實現運行過程中零排放、低噪聲，節能環保目標，防爆電機為動力輸出，非承載式車身，雙橫臂獨立前懸，非獨立后懸，前橋轉向驅動，封閉式駕駛室，低地板設計，采用智能監控系統，實時監控電機、減速機、電池等重要部件的工作狀態。乘客座椅縱向布置，乘員核定寬度460 mm，配置相應人數安全帶；乘客通道位于車體后方，保證乘員上下車安全；防爆電池箱位于車架與乘客座椅之間，其他電氣、液壓零部件和動力系統位于車體前部，便于維修維護。整車設計主要包括車身、懸掛、動力系統、駕駛室、液壓系統及電氣系統5部分，如圖1所示。

圖1 整車設計簡圖

為進一步滿足礦井使用工況需求，整車主要參數見表1。

表1 整車主要參數

2 液壓系統設計思路

根據礦用防爆鋰離子蓄電池無軌膠輪運人車功能需求，液壓系統包含4個子系統：助力轉向子系統、制動子系統、雨刮子系統和散熱子系統，實現整車助力轉向、制動、雨刮及散熱功能。為保證運人車續航里程，液壓系統設計運用一體化設計理念，使系統構成最簡潔，重量最輕，效率最高，達到節能效果。

液壓4個子系統工作均需要動力源，運用一體化設計理念對液壓系統進行設計。

散熱子系統為電機、控制器、制動電阻提供散熱功能，維持整車的熱平衡。散熱介質選擇上主要有水和油2類。由于液壓子系統必須采用液壓油作介質，運用一體化設計理念將液壓油作為散熱系統介質，使液壓系統與散熱系統共用液壓油箱，一方面，系統可減少水箱、水泵等元件，可減少重量、簡化系統；同時，液壓子系統工作過程中產生的熱量通過液壓油進入散熱子系統進行散熱，達到為液壓子系統散熱的作用。

液壓系統形式主要分為常壓系統和常流系統，常壓系統由柱塞泵驅動，常流系統由齒輪泵驅動。散熱子系統為發熱元件需循環散熱，必須采用常流系統。采用一體化設計理念，將助力轉向子系統及制動子系統采用常流系統設計，并將散熱系統串聯于助力轉向系統及制動系統的回油路上，可減少系統泵源，達到減少重量、簡化系統的效果。因雨刮子系統工作時間短、功率低，其工作不影響制動子系統，將雨刮子系統串聯在制動子系統后端。

由于制動子系統與轉向子系統有同時工作可能，如將助力轉向子系統與制動子系統串聯設計，流量相互影響，使轉向子系統和制動子系統工作不穩定。為保證整車安全性，制動子系統與轉向子系統做并聯設計。

通過采用一體化設計理念，液壓系統最終設計如圖2所示。系統采用常流形式，液壓油為系統介質，制動子系統與轉向子系統并聯，散熱子系統串聯在轉向子系統和制動子系統回油路上。4個子系統之間既有并聯，又有串聯，有效地簡化系統、減少泵源、降低重量，同時提高系統效率，達到節能效果。

圖2 液壓系統簡圖

3 液壓分系統設計

根據液壓系統總體設計思路，對各分系統進行設計。由于制動子系統與雨刮子系統串聯，制動子系統與轉向子系統并聯，散熱子系統串聯在轉向子系統和制動子系統回油路上，對各子系統做參數匹配時，需綜合考慮。

3.1 助力轉向子系統

礦用防爆鋰離子蓄電池無軌膠輪運人車采用助力轉向形式，如圖3所示。液壓式助力轉向系統采用動力轉向器，是基于機械式的齒輪齒條轉向機構而來的，它通過增加一整套液壓系統，包括儲液罐、液壓助力泵、與轉向柱相連的機械閥、轉向機構上的液壓缸和能夠推動轉向拉桿的活塞等元件達到助力轉向的目的。

助力轉向子系統原理圖如圖4所示。液壓系統主要為助力轉向系統提供液壓動力源，壓力油從齒輪泵流出后進入轉向器，轉向器為液壓助力轉向器，中位時，P口與T口導通，油液直接回油，溢流閥作安全閥使用。

圖4 助力轉向原理系統

3.2 制動子系統

制動系統是礦用防爆鋰離子蓄電池無軌膠輪運人車安全運行的關鍵，煤礦井下車輛制動器必須采用濕式制動器。在MT/T989-2006《礦用防爆柴油機人員運輸車通用技術條件》、《GB12676-1999汽車制動系統結構、性能和試驗方法》中都有詳細的要求。

制動系統主要由雙路制動閥、充液閥、駐車解除閥、濕式制動器、制動蓄能器等組成。充液閥為制動系統提供恒定壓力。原理圖如圖5所示。

1-行車制動器；2-雙路制動閥；3-壓力表；4-蓄能器；5-充液閥；6-駐車電磁閥；7-拖車電磁閥；8-駐車制動器圖5 制動系統原理圖

行車制動采用雙路制動，行車制動時，壓力油通過雙路制動閥減壓，輸出壓力至濕式制動器行車制動器油缸，為車輛提供制動力矩，壓力表可實時監測兩路制動壓力。行駛過程中油源故障進入應急模式，蓄能器儲存高壓油液作為備用油源，可使行車制動正常工作至少5次。

駐車解除時，壓力油通過蓄能器，經過駐車電磁閥、截止閥輸出壓力至駐車制動器油缸，使駐車彈簧釋放。壓力表可實時監測駐車制動壓力。

緊急制動時，拍下急停按鈕，駐車電磁閥與行車電磁閥同時動作，駐車壓力切斷，駐車制動器內油液經過駐車電磁閥回油，駐車彈簧作用，駐車制動器投入工作；行車電磁閥工作，緊急制動蓄能器油液經過行車電磁閥、梭閥進入行車制動器，實現車輛行車制動與駐車制動同時投入。

3.3 雨刮子系統

目前礦用防爆柴油機無軌膠輪車用的雨刮器一般采用手動、氣動和電動3種形式。手動形式簡單，需人工動作清理擋風玻璃的灰塵及雨水，不利于安全駕駛。由于礦用防爆鋰離子蓄電池無軌膠輪運人車無氣動系統，氣動雨刮方案需氣源、蓄氣罐等氣動系統配件，無法采用該形式。電動雨刮方案增加防爆外殼后體積大、重量重，一方面在緊湊的空間內布置困難，另一方面重量重，不利于系統節能。綜合考慮礦用防爆鋰離子蓄電池無軌膠輪運人車采用馬達雨刮方案。原理圖如圖6所示。

1-雨刮馬達；2-節流閥；3-電磁閥；4-溢流閥圖6 雨刮子系統原理圖

馬達雨刮系統由雨刮馬達、節流閥、防爆電磁換向閥、溢流閥及附屬管路組成。雨刮子系統進油從制動子系統回油引出。雨刮不工作時，電磁閥不得電，油液通過電磁閥P口進入，再經T口流出。油液不通過馬達，馬達無旋轉，雨刮無動作。

按下雨刮按鈕Y1，電磁閥得電，油液通過電磁閥P口進入，A口流出，通過馬達、節流閥、再從電磁閥B口進入，T口流出。油液通過馬達，馬達旋轉，雨刮動作。

當雨刮速度過高時，通過調小節流閥節流孔、調高溢流閥溢流壓力，可使馬達轉速下降，進而降低雨刮速度；當雨刮速度過慢時，通過調大節流閥節流孔、調低溢流閥溢流壓力，可使馬達轉速升高，進而提高雨刮速度。

3.4 散熱子系統

散熱系統為整車發熱元件散熱，維持整車的熱平衡。發熱元件包括電機、控制器、散熱電阻等。通過計算，濕式制動器采用自冷卻散熱；轉向系統與制動系統的流量之和滿足電機、電機控制器及散熱器的流量需求；由于發熱功率小，根據計算，散熱器可采用自然風冷散熱形式，無需采用風扇強制散熱形式。散熱系統原理圖如圖7所示。

圖7 散熱子系統原理圖

4 結語

2016年4月17日，3臺礦用防爆鋰離子蓄電池無軌膠輪運人車在神東煤炭集團大柳塔煤礦投入使用，截止2018年3月20日，其中1#車運行11 800 km，累計充電量7 456.89 Ah；2#車運行4 658 km，耗電2 929.62 Ah·h；3#車運行5 943 km，耗電4 682.5 Ah。平均百公里耗電量約為39.6 kW·h，電費約合25.74元，較防爆柴油工程車百公里節約燃料費用208.26元。

根據樣車工業性試驗測試情況，整車續航里程可達80 km，各液壓系統工作穩定，參數匹配合理，液壓系統各項指標均滿足整車設計指標，且系統符合高效節能，滿足井下安全運輸要求。