豎井煤礦新型防爆柴油機無軌膠輪車設計及應用

趙海興

(1.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原 030006；2.山西天地煤機裝備有限公司，山西 太原 030006)

煤礦更新需求，在建和擴建煤礦新增需求共同驅動防爆柴油機無軌膠輪車在全國范圍內的推廣應用，其高效和減人的突出優勢已被證實。隨著礦井向大型化和深部發展，豎井一般采用副立井罐籠向井下運輸物料及設備。陜蒙地區的紅慶梁煤礦，罐籠尺寸：長7.9m，寬3.7m，高5.2m；能滿足載重5～10 t級防爆柴油機無軌膠輪車自由出入罐籠。山西大同煤礦集團公司的王村煤礦和四老溝煤礦，罐籠尺寸：長5m，寬2m，高3.8m，采用3t級無軌膠輪車直接進出罐籠完成運輸工作，由于車輛裝載容量小，導致車輛配置數量多，輔助運輸效率低下。山西長治三元中能煤業公司罐籠尺寸：長4.5m，寬1.6m，高2.8m，無軌膠輪車無法直接進出罐籠，需要解體下井后再組裝，用軌道集裝箱或平板車通過罐籠入井后，在井下換裝物料或直接放置在5 t級防爆柴油機無軌膠輪車貨廂內完成運輸，由于運輸環節繁多，效率偏低[1-4]。

1 無軌膠輪車在典型豎井煤礦應用現狀

兗州煤業集團西部的石拉烏素和營盤壕煤礦，罐籠尺寸分別為長7.5m，寬3.6m，高3.2m；長8.4m，寬3.6m，高3.2m。神華億利黃玉川煤礦罐籠尺寸：長7.7m，寬3.8m，高3.2m。這些煤礦的無軌膠輪車包括10 t級的材料運輸車和綜采設備搬家車輛均可直接進出罐籠，高效快捷[5]。

兗州煤業集團本部有濟三煤礦、濟二煤礦和趙樓煤礦，三個煤礦的罐籠尺寸：長5m，寬2m，高3m；東灘煤礦和鮑店煤礦罐籠尺寸：長5m，寬1.6m，高3m；以上煤礦均為豎井開采。濟三煤礦是全國首家采用無軌膠輪車的豎井，材料運輸車主要負責采掘支護材料、噴漿料、混合料、小型設備等運輸。從井口至最遠的工作地點約8km，最近約4km，水平路段和坡度路面各占50%，坡度平均約4°～6°，最大坡度10°；部分車輛還要進入采掘作業地點巷道內。尤其是集中進行路面整平和夯實過程中，路況復雜，局部地點坡度能達到12°～14°，且坑洼不平，存在積水等。濟二煤礦車輛從乘車點單程行駛7km，其中5°坡600m，13°坡70m，10°坡300m。

目前這些煤礦采用的直接進出罐籠的無軌膠輪車為平頭汽車底盤改裝式3t級自卸車，整車為短軸距機械傳動后雙輪驅動防爆車輛，使用中存在數量多，排放污染嚴重的問題；在井下爬坡過程中，車輛易打滑，運輸效率低下。如果將整車的承載能力加大，驅動方式更改為四輪驅動，必然導致整車的高度尺寸變大；負載時重心升高(尤其是在運輸散裝物料時)，車輛運行的穩定性變差；而且在長距離上、下坡時，易出現驅動橋的主減速器損壞和輪邊濕式制動器漏油等故障[6，7]。

為此，急需研究高效的適合罐籠運輸工藝及配套的防爆柴油機無軌膠輪車。

2 防爆柴油機無軌膠輪車設計

2.1 總體技術方案設計

近年來國產的5t和8t級鉸接式防爆柴油機無軌膠輪車已普遍使用在全國各大煤礦，技術成熟可靠，得到了用戶的一致認可。通過防爆柴油機無軌膠輪車在各大煤礦的使用驗證，液力機械傳動方式為最佳選擇，防爆柴油機的動力可隨外阻力的變化在一定范圍內進行無級調速，重載爬坡時具有良好的動力性能，而且駕駛操縱簡便靈活。

整車總體設計要符合標準《礦用防爆柴油機無軌膠輪車通用技術條件》(MT/T 989—2006)，繼承現有車型的成熟技術并創新設計。首先考慮結構布置型式和外形尺寸，同時整車貨廂容積也要滿足貨物平裝所要求的更大載荷設計指標。該車防爆柴油機動力經分體式的液力變距器和變速箱將動力傳到前、后驅動橋及車輪，從而產生行駛驅動力。前后驅動橋上布置有鋼板彈簧懸掛，前端為吊耳，后端為滑動結構，既起減震作用，又可以傳遞驅動力和轉向力。車輛轉向時通過轉向閥塊控制液壓油進入兩個油缸，從而實現向左和向右轉向。為了保證整車的防爆特性，需有必要的液體箱和氣罐，而且各容器須容納一定體積的液體或氣體來滿足整車往返一趟或使用一個班的工作時間。整車的右前方有燃油箱和廢氣處理箱，右前輪上部為防爆柴油機的補水箱，左前輪上部為液壓油箱，兩個等容積的氣罐布置在后車架左右兩側。

由于整車須采用濕式制動技術，滿足煤礦長距離大坡度制動要求。國內研制的濕式制動大載荷驅動橋外形尺寸和質量偏大，導致整車整備質量和外形尺寸大，難以滿足罐籠運輸條件。研制12t級自卸車采用國際大公司的通用驅動橋可使整車軸距較大、穩定性好；驅動橋外形尺寸和質量小，可降低整車整備質量，提高驅動橋懸掛高度，增大離地間隙。濕式制動器設計在驅動橋主減速器和輪邊減速器中間，為了降低整車在長距離下坡時摩擦片的發熱量，防止制動系統的密封圈高溫老化出現漏油或液壓液和齒輪油互竄的問題，將前后驅動橋增加強制冷卻裝置，由小排量的齒輪泵帶動驅動橋內部的齒輪油循環冷卻，測試結果表明增加強制冷卻裝置后油溫可降低40%，極大地延長了驅動橋的使用壽命，提高了整車使用的安全性。

駕駛室設計首先要保證駕駛員能在駕駛室的內部空間乘坐舒適，長度確定為1400mm，寬度確定為565mm；且設計有擋風玻璃；機艙蓋板內部布置隔熱和隔音材料；座椅和方向盤的布置要符合人機工程要求，而且對駕駛室區域的儀表、按鈕、扳鈕、手柄和踏板等合理布局，使駕駛員操作方便靈活。

在井下倒車時存在盲區，所以設計開發出防爆可視倒車報警裝置包括紅外測距傳感器、攝像儀、顯示器和控制器等元部件。顯示器布置在駕駛室內部；測距傳感器布置在整車的貨廂尾部，測距傳感器測量有效范圍為400～1000mm；攝像儀和控制器布置在后車架上，攝像儀旁邊設計有補光照明燈。由于整車主要用于裝載散料及鋪設巷道底板的混凝土材料等，為了避免倒車攝像儀在煤礦井下被污泥遮掩，影響倒車可視效果，設計開發了氣動控制的防護裝置，在駕駛室內可動作氣動手拉閥使氣缸帶動攝像頭護板開啟和關閉。

為了使整車能滿足濟三和趙樓煤礦豎井使用要求，具有拆解下井方便、體積載荷比小、承載容積大和卸載速度快的特點；同時可滿足石拉烏素、營盤壕煤礦和黃玉川煤礦等豎井大型罐籠的直接進出運輸條件。整車主要技術參數設計見表1。

表1 整車主要技術參數

2.2 防爆柴油機設計

2.2.1 柴油機主機選型

依據防爆膠輪車噸功率經驗數據，確定防爆柴油機額定功率為130kW/2200r/min，最大扭矩700N·m/1400r/min。采用廢氣渦輪增壓及進氣中冷技術，使柴油機升功率提高約35%～45%，保證動力的前提下能大幅降低柴油機的體積和重量，同時可降低有害物尤其是CO和NOx的排放指標。該型防爆柴油機體積較小，便于在整車上布置設計，既保證了外形尺寸的要求，又有利于整車輕量化設計。

2.2.2 防爆電噴柴油機設計及測試

以上柴動力主機為基礎機型，依據《礦用防爆柴油機通用技術條件》(MT990—2006)設計防爆進、排氣系統及冷卻系統，成功研制出防爆柴油機動力裝置。但其排放指標僅相當于國Ⅱ標準，而煤礦井下巷道空間較小，通風條件普遍較差，防爆柴油機膠輪車運行時，廢氣及粉塵難以及時順暢全部排出，污染嚴重；有的煤礦防爆柴油機膠輪車司機出現頭暈、刺眼、惡心、喘咳，甚至暈倒的現象。為此，開發電噴防爆柴油機更適合煤礦的工作環境，而且電噴柴油機較機械泵的柴油機相比，扭矩儲備系數更大，低轉速扭矩更大。綜合比較兩種柴油機的技術性能指標如圖1和圖2所示。

圖1 機械泵和電噴泵防爆柴油機外特性曲線比較

圖2 機械泵和電噴泵防爆柴油機排放指標比較

電噴防爆柴油機的燃油系統設計采用自主研發的防爆電控單體泵，電控單體泵系統安裝接口按照原機接口設計，更換了噴油器。與機械柱塞泵式燃油噴射系統相比，電控燃油噴射系統具有較高的燃油噴射壓力，并對噴油規律能夠準確、靈活的控制。能使柴油機的噴油壓力、噴油量、噴油定時和噴油速率等參數，按照不同工況運行時可得到實時監控和最優的綜合控制，從而實現降低柴油機排放，提高燃油經濟性的目的。

防爆電控燃油噴射系統的研究是該防爆柴油機的關鍵技術。目前，我國地面用柴油機對電控燃油噴射技術的研究已基本成熟，但是如何把該項技術應用到煤礦井下，成為研究的主要難點和關鍵點。重點解決高速電磁閥的本安型防爆和電控ECU單元的隔爆問題，同時，還要保證原電控系統中電磁閥的高速動態響應特性不能有任何變化。

2.2.3 動力傳動系統的散熱裝置設計

動力傳動系統的散熱裝置除了防爆柴油機主循環水路散熱器和增壓空氣中冷器之外；還需要增加了一個傳動油冷卻器，采用吸風式冷卻方式，如圖3所示。最理想的狀態是中冷器冷卻后的防爆柴油機進氣最高溫度約70℃、水散熱器冷卻后冷卻液最高溫度約95 ℃、傳動油散熱器冷卻后最高溫度約100 ℃。考慮到該柴油機功率較大，水散熱器的迎風面積也較大，為降低散熱器厚度，將中冷器和油散熱器并列布置在水散熱器前面。散熱面積的確定采用計算及類比的方式進行設計；散熱器的安裝固定方式根據整車總體結構型式確定。

圖3 動力傳動系統散熱裝置

2.3 傳動系統匹配設計

整車動力傳動系統的匹配計算采用進口和國產變矩器與進口和國產變速箱排列組合方式，變矩器有鈑金沖壓焊接式和鑄造兩種，變速箱為平行軸式結構型式。比較分析三種傳動系統的匹配計算結果，綜合考慮動力性能和燃油經濟性等因素，最終確定國產單級雙相綜合式液力變矩器匹配進口雙向各四個檔位的動力換擋變速箱，可使防爆柴油機處在經濟工作狀況的范圍更寬，變矩器工作在效率大于75%的范圍更寬，整車運輸效率更高，結果如圖4和圖5所示；車速牽引力曲線如圖6所示。

圖4 變速箱輸出動力曲線

圖5 防爆柴油機油耗與變矩器效率曲線

圖6 車輛速度及牽引力曲線

2.4 車架設計

2.4.1 車架的建模及多剛體動力學分析

前后車架均為板架式結構，由不規則的中薄鋼板焊接而成，鉸接裝置由鑄鋼零件機加工而成型。在Solid Works建立前車架、后車架和貨廂連接為一體的實體模型，再導入ADAMS中。具體如下：

1)車架體以及所承受各部件建模：在Solid Works建立包括車架體、貨物、發動機系統、傳動系統、氣電液系統等的裝配體模型，再導入ADAMS中。修改各部件的質量參數，并添加運動副和約束。

2)板簧處理方法：在Solid Works中將每個板簧簡化成1片，并離散為10部分，在ADAMS中利用無質量梁將10部分連接起來。板簧與驅動橋為固定連接，與車架體一端為轉動副，另一端為滑動副連接。

3)輪胎處理方法：建立新的輪胎模型，輪胎垂向剛度為3500 N/mm。整車模型如圖7所示。

圖7 整車剛-彈耦合動力學模型

2.4.2 設計優化

選取車輛滿載、一側輪胎通過矩形坑路面的工況進行動態仿真分析，應力和應變分析結果如圖8、圖9和圖10所示，車架應力最大值在板簧末端銷軸孔處為158MPa；前車架主框架側板與板簧末端連接部位、鉸接耳板和轉向油缸座耳板處為應力較大區域。鉸接回轉裝置應力最大值在轉盤軸肩處為170MPa；轉盤軸根部、轉向油缸座耳板處為應力較大區域。后車架應力最大值在后鋼板彈簧座銷軸連接處為235.3MPa；主梁側板與板簧連接處、鉸接部位上方為應力較大區域。各部位應變均處于允許范圍之內。將應力較大部位進行了板材厚度增加、筋板加強和結構改進等設計和再分析，保證車架能滿足煤礦井下最惡劣運行路況及車輛在半坡工況的加速和制動等設計壽命要求

圖8 前車架應力應變云圖

圖9 鉸接回轉裝置應力應變云圖

圖10 后車架應力應變云圖

2.5 自卸貨廂及舉升裝置設計

為了最大限度利用整車貨廂的內部空間，同時保證快速卸載性能，貨廂結構型式及自卸舉升機構的設計直接影響整車的運輸效率。貨廂布置在后驅動橋及后輪胎的正上方，方便整車運輸設備而且可以快速卸載，貨廂為薄板焊接結構，在側圍板和底板位置設計有很多加強槽鋼，保證其強度和剛度；后擋板設計為具備自動打開和閉合的雙鉸點旋轉式結構型式，具有開口大、舉升自卸速度快的突出優點。貨廂距地面的高度(裝載高度)由車輪的直徑及其跳動時所需的間隙決定。整車有時需在井下用鏟運機裝載污泥或矸石等材料，故在保證車廂容積足夠和貨物易裝卸的條件下，盡量降低車廂距地面的高度。

經過比較分析幾種常用的舉升機構，最終確定方案如圖11所示。舉升機構采用雙缸直推、腹舉式舉升方式，布置在貨廂的下方，最大自卸角度設計為45°，一方面保證舉升油缸閉合長度最小且發揮最大的效率，另一方面舉升油缸在動作的過程中不能與驅動橋干涉。

圖11 自卸貨廂及舉升裝置

3 應用情況

3.1 晉煤集團趙莊煤業公司

立井距地面深度約420m，罐籠尺寸：長4.9m，寬2.3m，高3m；載荷較大的車輛不能直接進出罐籠。為此，從地面將物料裝載到可直接進出罐籠的礦車內，每個礦車的容積為3m3，通過提升能力9.2t的罐籠將物料運輸到井下容積約100m3的大料倉。趙莊煤業公司井下礦建任務重，一般情況需要混凝土、石子等散料105m3/d；特殊情況需要210m3/d。為了滿足需求，每天正常運行30輛5～8t級防爆柴油機無軌膠輪車，單車運輸貨物3.5m3，平均載荷7t；存在排放污染嚴重、安全隱患大和綜合運營費用高等問題。

整車從副斜井采用牽引絞車與平板車配合運輸下井。該車每次運輸貨物6m3，平均載荷12t。從井底換裝場地開始沿輔運大巷單程運行約20km到達目的地，平均坡度為6°，最大坡度11°，路面起伏不平、顛簸幅度大。使用表明：整車承載能力大，運行速度快；每天運行車輛數量及駕駛員減少30%；車輛排放污染低；得到礦方的一致好評。

3.2 山東新礦集團新巨龍公司

主立井距地面深度約980m，罐籠尺寸：長5.2m，寬2.1m，高2.8m；井下所需的物料由汽車底盤改裝的后雙輪驅動防爆車輛或者軌道礦車直接進出罐籠運輸，防爆車輛的最大容積為2.5m3，每個礦車的容積為3m3。車輛在大巷單程輔運距離約7km，其中輔助運輸大巷最大坡度為7°、長度900m。新巨龍公司井下采用“地軌+無軌+天軌”的接力運輸方式，物料運輸仍以單軌吊為主，無軌膠輪車為輔。存在轉載環節多，運行效率低和防爆柴油機排放污染嚴重的突出問題。

整車從中央鉸接部位拆解為兩部分，管路或線纜均設計為快插式或布置有接線盒，將貨廂與后車架分解，通過罐籠入井后進行組裝使用。在井下料場，采用裝載機將物料裝載到車輛上，完成點到點的運輸。使用表明：車輛承載能力大，爬坡速度快，下坡運行安全可靠。礦井全部無軌膠輪化的新型運輸方式降低了運行費用和巷道污染，提高了效率，減少了輔助運輸的安全隱患。

4 結 論

1)新型防爆柴油機無軌膠輪車的成功研制及使用表明整車可大力推廣應用到豎井煤礦。通過重新設計貨廂的結構型式及自卸方式，改變整車外形尺寸；或增加隨車起吊裝置；或將整車更改為前輪驅動方式，降低工作裝置的裝卸高度可使其適用于更多的煤礦，應用范圍更廣泛。

2)豎井用無軌膠輪車也可設計為類似公路牽引掛車的結構型式，井上由牽引車將拖車運送到罐籠內部，調整好拖車的姿態，快速分離牽引車；拖車入井后，井下防爆牽引車和拖車快速、便捷連接，將物料或設備運輸到指定的地點。

3)提升豎井輔助運輸效率不僅要從設備的研發設計著手，而且還需從礦井生產的全局考慮，改變該類礦井的輔助運輸工藝，在井底建設有換裝站，通過罐籠用礦車將物料運輸到井下大型料倉，然后再次裝載到無軌膠輪車上運送到指定地點。