礦用無軌膠輪車的發展瓶頸與對策分析

劉志更

(中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

1 無軌膠輪車發展

20世紀90年代，伴隨著中國經濟建設步伐的加快，對煤炭的需求日益旺盛，促使煤炭企業急需擴大產能，引進國外先進的采煤及輔運設備。其中無軌輔助運輸設備因其效率高、機動性強、操控簡單、輔助人員少等優點，使得這種新型的無軌輔助運輸方式受到我國90%以上新建礦井和改擴建礦井的青睞。早期受技術限制及備件短缺、價格昂貴等因素的影響，進口設備使用成本代價太大，國內的煤礦設備制造商便開始了進口設備國產化吸收再創造的征程，經過了近20年的發展和積淀，我國煤機設備技術水平已經接近甚至超越了進口同類設備。

無軌膠輪車作為礦井輔助運輸的主要設備，其技術和生產制造水平在我國發展迅速，涌現出來了諸如山西天地煤機、常州科試、江蘇天明、萊州亞通、航天重工、卡利格等一些煤機裝備企業，實現了小、中、重型無軌膠輪設備的全覆蓋，完全滿足了礦井生產需求。其中輕型車的主要代表有：WC9R防爆皮卡車、WC20R防爆運人車等；工程車的主要代表有：WC3J、WC5E、WC5E(B) 、WC8E、WC8E(B)、WCJ10E等防爆柴油機無軌膠輪車；支架搬運車的主要代表有：WC25EJ、WC40EJ、WC55EJ柴油鏟板式搬運車，WX35J、WX45J鉛酸蓄電池鏟板式搬運車，WC40Y、WC55Y、WC80Y框架式支架搬運等；鏟運機的主要代表有：WJ-4FB、WJ-7FB、WJ-10FB防爆柴油鏟運機等；其余專用車有WC3Y順槽車，JC3、5型井下混凝土攪拌車等。另外根據客戶的特殊需求還派生出了很多系列化車型。

2 發展瓶頸

2.1 尾氣排放高

一個年產500萬t以上的大型礦井，生產高峰期需要近百輛防爆柴油機車運行于狹窄的巷道中，由于礦井的客觀通風條件和防爆柴油機車的特殊防爆結構，使得巷道空氣中CO、NOx等有害氣體濃度以及PM顆粒嚴重超標。《礦用防爆柴油機通用技術條件》對廢氣成分的規定：有害氣體成分的體積濃度不應超過下列許可值：一氧化碳，0.1%；氮氧化物，0.08%[1，2]。而目前的防爆柴油機膠輪車排放指標勉強達標，僅達到國Ⅱ標準，由此引發的職業病及潛在的危害程度，甚至超過了我國煤礦的塵矽肺、煤矽肺等職業病，職業健康環境堪憂。

2.2 油耗高、效率低

受礦井巷道運行條件限制，膠輪車設計必須比地面車輛更加堅固和防撞。同載重量車輛的自重是地面車輛的2～3倍，同載重量的車輛百公里耗油量是地面車輛的3倍以上，燃油消耗及浪費嚴重。

同時柴油機進排氣防爆處理導致做功阻力加大，使得柴油機不能運行在一個通暢、高效、經濟的狀態，運行平均效率同比地面車輛降低20%左右。

2.3 噪音高

因無軌膠輪車防爆柴油機功率較大，巷道空間狹小，柴油機及傳動產生的聲音不能被很好地擴散和吸收，導致車輛普遍噪音較高，一般超過90dB(A)甚至達到110dB(A)，對駕駛員及作業礦工的聽力功能損傷很大。

2.4 維護成本高

國內煤礦使用的膠輪車的完好率基本低于60%，相當一部分膠輪車處于在修和待修狀態，與地面車輛完好率超過95%以上相差甚遠。車輛大修和項修周期短，易損件多，備件更換率高，單車月維護費用平均達萬元，超過地面車輛的2倍以上，維護成本高。

2.5 巷道適應性差

防爆柴油機無軌膠輪車運行于長距離連續坡道時，適應性差的問題越發突出[3]，上坡動力不足短板有待突破，下坡制動安全遭遇挑戰。

3 解決對策

3.1 動力環節

為了改善膠輪車尾氣污染帶來的礦工職業健康問題，在現有技術條件下，采用更加清潔、更加環保的動力源是必由之路。主要有幾下幾種方案：

1)電噴柴油發動機降低污染方案。電控燃油噴射系統[4]能夠提高系統內的燃油噴射壓力，對噴油規律能夠準確、靈活控制。按照不同工況運行時，使柴油機的各燃油噴射參數(噴油壓力、噴油量、噴油定時、噴油速率)，能夠得到實時監控和最優的綜合控制，實現降低柴油機排放，提高燃油經濟性的目的。山西天地煤機裝備有限公司已經研制出了75kW、130kW、240kW等級的防爆增壓中冷電噴柴油機，并得到了推廣應用，尾氣排放相比機械泵式柴油機減少30%～40%。

2)純電動驅動方案。在煤礦井下一些通風條件差的區域，為了改善工人的作業環境，確保人身安全，一些作業車采用了鉛酸蓄電池純電動方案。如用于掘進工作面清理浮煤作業的鏟車，在神華神東礦區應用普遍，主要有488-UN-A-TRAC；綜采工作面短距離搬運支架的鏟板車，主要有VT636、VT650、VT680支架搬運車。2018年1月，用于神華集團8.8m智能超大采高綜采成套裝備搬運的100t蓄電池防爆鏟板搬運車也已開始應用。但鉛酸蓄電池存在能量密度低、體積大、維護量大、充電時間長、充放電次數少、電池二次污染等缺陷，僅在井下相對封閉狹小的短距離作業車上使用，并未在長距離運輸的膠輪車上得到應用。

鋰離子蓄電池膠輪車由于井下蓄電池使用容量受限、壽命短、成本高、續航里程短、爬坡能力有限等問題，正在試驗當中，在我國并未得到大范圍推廣應用。

3)油電雙動源架線車方案。研究柴油機和電機分時獨立驅動的無軌膠輪車，在架線輔運大巷采用電驅動運行；在非架線巷道采用防爆電噴柴油機驅動運行。該方案可實現煤礦井下主要進風巷內的尾氣污染零排放，在通風條件不好的區域尾氣排放同比有效降低。該方案是目前能夠做到的比較好的一種，但存在同時布置兩種動力致使車輛體積大、整車尺寸大，適應性較之前單動力車也會變差等問題，更需要一整套嚴格的管理措施來確保車輛在架線區域的安全運行。

4)電電雙動源架線車方案。研究車載蓄電池和架線電源作為動力源、電機驅動的無軌膠輪車[5]，在架線輔運大巷采用架線供電運行；在非架線巷道采用車載蓄電池供電運行，架線運行的同時給車載蓄電池充電。該方案可實現煤礦井下全巷道內的尾氣污染零排放，徹底解決膠輪車尾氣污染問題，目前還是受限于蓄電池的技術發展。

相信隨著成本低、密度高、體積小的蓄電池問世，無需鋪軌架線，純電動無軌膠輪車的春天必將到來。既實現了膠輪車的清潔無污染、節約了能源、減少了噪音，又提高了適應性，降低了故障率，將大大提高我國礦井的現代化水平。

3.2 設計制造環節

由于礦井的特殊作業環境，礦用車輛的需求量遠小于地面車輛，礦井生產對于膠輪車的要求也僅限于能夠滿足生產需求，進而導致膠輪車生產廠商不會把過多的精力投入到車輛的精細設計當中，車輛設計還停留在粗糙設計水平。設計過程中閉門造車、功能冗余，系統過于復雜、仿真手段欠缺、試驗不充分、前期經驗數據積累不夠、設計過于保守、舒適性差[6]等問題普遍存在。設計制造水平還遠遠低于成熟的工程機械裝備，諸如外觀粗糙、裝配工藝水平落后、管線布置混亂等問題突出，其應對措施如下：

1)注重整機頂層設計，樹立項目課題負責人的總體大局意識，做好市場調研，充分了解客戶現場需求，以便設計時宏觀把控，合理任務分解。

2)提高設計人員的綜合能力，從現場實際需求出發，精簡各系統功能，做到簡單實用、方便操作、舒適性好、維修方便。車輛設計時去除冗余設計，精簡故障點，減少不可控因素，故障率將會大大改善。

3)嚴格設計過程審查。做好傳動系統匹配與計算復核，可以確保車輛動力性能穩定；做好圖紙審查，可以有效杜絕低級設計失誤。

4)注重關鍵傳動元部件的設計及選型、參與生產工藝管理、加強元部件在的試驗力度，做好數據分析及改進試驗工作，保證元部件的高可靠性。

5)完善整機裝配工藝管理，加強中間過程質量控制。整機裝配一定要按照工藝規程嚴格執行，采取合適的裝配手段和方法，拒絕粗暴裝配。各種管線布置要有據可依，做到整齊有序，便于元部件和管線的維修和更換。

3.3試驗環節

國內無軌膠輪車廠商主要是匹配和組裝，外購元部件的數量占到整機關鍵元部件的80%～90%，其質量得不到保證。自主研發的關鍵元部件很多時候在試驗臺上的試驗不充分，就冒然服務于整機，帶來行車安全隱患。

另外國內除個別廠商擁有比較完善的試車道及整機性能試驗臺之外，很多廠商還不具備全面測試車輛性能的手段，整機得不到充分地跑合，一些潛在的問題不足以暴露就服務于生產，帶來安全隱患的同時也損傷了廠商的質量和信譽。

提高整機裝備質量，降低車輛維修成本，應該加大元部件及整機的試驗力度，在不同工況下進行嚴格測試和數據分析，并結合現場實驗數據進行改進完善才是根本出路。

4 前沿技術研究

1)根據電控泵噴油系統的性能機理，優化防爆電噴柴油機噴油控制工藝，實時監控和調整單體泵的噴油量和噴油正時，提高扭矩和功率指標，減少燃料消耗，降低排放。繼續深入研究礦用柴油機進、排氣防爆技術，減少功率損失。

2)使用現代化的信息技術，實現對車輛本身運行參數的監測、車載語音通話、機車可視雷達倒車、提供車輛狀態自診斷和分析等功能，進而對車輛系統及關鍵部件進行實時狀態監測，可以快速發現問題、識別潛在安全隱患，便于用戶及時維護，確保車輛及人員安全。除此之外，隨著車載終端數據采集分析處理平臺技術的日趨成熟，可以足不出戶就可以收集更多的一線試驗數據，為設計和研發提高效率和質量。

3)逐步探索研究無人駕駛技術在煤礦井下無軌膠輪車應用的適應性，為高效安全的智慧礦山做技術儲備。

4)配套基于物聯網的無軌輔助運輸工藝，研制智能、清潔、高效的無軌膠輪車，實現礦井生產中人、物料及設備等的智能分配和高效運輸，全面提升我國礦井輔助運輸的智能化技術水平。

5 結 語

無軌膠輪車的大范圍應用，縮短了礦井生產準備周期，大大提高了礦井運輸效率。在肯定其效果的同時，更應該正視其存在的尾氣污染大、噪音高、燃油消耗高、維護成本高、適應性差等突出問題，使用清潔動力源、提高設計制造水平、加強整機和元部件試驗力度，精細生產打造精品，并逐步將信息技術、無人駕駛技術、物聯網技術等前沿科技進行研究和應用，才能使無軌膠輪車更高效、更安全、更持久地服務于礦井生產。