煤礦巷道無軌膠輪行走防爆柴油開槽機的研究開發(fā)

＊趙米真 曹國選 李春

（陜西煤業(yè)化工集團孫家岔龍華礦業(yè)有限公司 陜西 719314）

隨著煤礦行業(yè)生產(chǎn)技術(shù)日新月異的進步和發(fā)展，煤礦井下作業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備已基本實現(xiàn)機械化，并逐步向自動化方向發(fā)展。由于巷道底板多為巖石，硬度比較大，導(dǎo)致人工輔助作業(yè)費時費力，不僅工作效率低、工人勞動強度大，而且存在很大安全隱患。巷道頂板開槽難以支撐，受巷道支護和設(shè)備布置的限制，開槽工作非常艱難。對此，北京新能雅特科技發(fā)展有限公司研發(fā)了一款全新的井下防爆柴油開槽機來替代或部分替代人工作業(yè)。新型開槽機的應(yīng)用對礦井的安全生產(chǎn)、減人提效、保護員工健康具有非常重要的意義。

1.新型防爆柴油開槽機概況

新型防爆柴油開槽機是一款以柴油機為動力，用于井下煤礦巷道內(nèi)開槽作業(yè)的專用設(shè)備。發(fā)動機選用東風(fēng)康明斯4107防爆柴油發(fā)動機，有效功率為105kW。防爆裝置包括進、排氣隔爆柵欄、補水箱、水洗箱和獨立的排氣管冷卻系統(tǒng)。行走液壓系統(tǒng)采用閉式液壓系統(tǒng)，設(shè)備運行平穩(wěn)，工作效率高，壓力損耗少，發(fā)熱量小。前后橋四輪驅(qū)動有效地提高了設(shè)備的爬坡能力和防爆能力，且具有制動力矩大、可靠性高、安全性能好的特點。該設(shè)備側(cè)向駕駛，車架前后部采用鉸接式連接，轉(zhuǎn)彎半徑小，機動靈活，便于在狹窄場地作業(yè)。采用實心寬基重載大扭矩工程輪胎，擺動后橋，具有良好的路面適應(yīng)性能、通過性能。開槽機主要由前后車架、大臂總成、發(fā)動機組件、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)組成。發(fā)動機組件提供源動力，液壓系統(tǒng)由三部分組成,分別為行走系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向、制動系統(tǒng)，工作系統(tǒng)組成。行走系統(tǒng)采用帶DA控制的靜液壓系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向、制動系統(tǒng)采用常壓式系統(tǒng)，工作系統(tǒng)采用負載敏感液壓系統(tǒng)[1]。大臂總成可以安裝縱向、橫向銑挖機，在巷道內(nèi)各方向開槽作業(yè)。

2.防爆柴油開槽機的結(jié)構(gòu)及工作原理

KC-8型防爆柴油開槽機主機結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要由車架總成、駕駛室、動力總成、傳動系統(tǒng)、工作臂、氣動系統(tǒng)、電器及保護系統(tǒng)、視距遙控系統(tǒng)、銑挖機等部分組成。

圖1 KC-8防爆柴油開槽機結(jié)構(gòu)示意圖

(1)主要技術(shù)參數(shù)

表1 主要技術(shù)參數(shù)表

續(xù)表

(2)創(chuàng)新設(shè)計

①動力系統(tǒng)。此防爆柴油開槽機的驅(qū)動力由非道路國三排放標準的電噴柴油發(fā)動機KC4107DZLQFB提供。發(fā)動機的啟動方式為氣啟動，由特定的儲氣罐儲存壓縮空氣提供啟動氣源。發(fā)動機安裝有防爆發(fā)電機，運行過程中其輸出電壓經(jīng)調(diào)節(jié)器后能達到穩(wěn)定的24V，可持續(xù)為蓄電池充電，能夠為電控箱、照明燈等電氣元件提供所需電力，無需接入外部電纜即可展開作業(yè)。發(fā)動機啟動后同時向儲氣罐內(nèi)充氣，為下次設(shè)備的啟動提供足夠的氣源。發(fā)動機尾氣經(jīng)水洗處理后排出，不會對礦井下面的環(huán)境產(chǎn)生不良影響。與電動機動力的設(shè)備相比，柴油動力的設(shè)備更加機動靈活，不需借助其它輔助設(shè)備或外部電纜，即可在巷道內(nèi)自主行走，對外部環(huán)境要求低，特別適用于轉(zhuǎn)場頻繁及遠距離巷道。

表2 KC4107DZLQFB主要參數(shù)

續(xù)表

②工作機構(gòu)。工作機構(gòu)（圖2）主要由支撐座、伸縮大臂、舉升油缸、擺動油缸、小臂總成、大臂旋轉(zhuǎn)過渡機構(gòu)、回轉(zhuǎn)座、快速連接器、橫向銑挖機和縱向銑挖機等部件組成。

圖2 工作機構(gòu)

快速連接器與二級臂之間的連接采用四連桿機構(gòu)，設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性增強，在工作環(huán)境復(fù)雜的巷道也可展開作業(yè)。設(shè)備工作過程中，過渡機構(gòu)將會承載主要載荷，可有效的保護內(nèi)部的擺動油缸，保證油缸的使用壽命，同時也降低了設(shè)備的維護成本。工作臂中的伸縮臂可伸縮450mm，回轉(zhuǎn)裝置可以驅(qū)動二級臂進行360°回轉(zhuǎn)，快速連接器可以對橫向、縱向銑挖機及其他配套附件進行快速更換，回轉(zhuǎn)底座在油缸驅(qū)動下可將工作臂整體進行左右各25°的擺動。

③行走總成。由液壓行走系統(tǒng)、液壓驅(qū)動橋、輪胎組成。液壓行走系統(tǒng)采用帶DA控制的靜液壓系統(tǒng)，由一臺閉式液壓泵直接驅(qū)動兩臺變量液壓馬達，液壓馬達驅(qū)動前、后車橋行走，中間不需要任何的控制閥組[2]。

圖3 液壓驅(qū)動橋

帶DA控制靜液壓傳動的特點：一是在操縱方面，由于DA控制裝置內(nèi)置于變量泵中且完全自動控制，所以變量泵和變量馬達排量的控制與柴油機油門控制只需用一個踏板——柴油機油門踏板，使本機調(diào)速操縱非常簡單，大大方便了司機操作[3]。二是在性能方面，DA控制靜液壓系統(tǒng)有可自動驅(qū)動控制和防憋車控制兩大功能。自動驅(qū)動控制使操作者駕駛車輛類似于駕駛自動變速傳動轎車，隨著油門踏板的踩下，變量泵提供更多的油液讓車輛加速[4]。防憋車控制則一方面確保變量泵調(diào)整其消耗的功率使其達到從柴油機可獲得的功率，而另一方面當(dāng)車輛過載時，防憋車控制減少變量泵的排量防止柴油機熄火。

液壓馬達具有兩點排量控制功能，低速時用大排量保持大的牽引力，高速時用小排量，可實現(xiàn)快速轉(zhuǎn)場。其中低速狀態(tài)下最高速度可達7km/h，高速狀態(tài)下最高速度可達15km/h。同時閉式液壓系統(tǒng)的具有設(shè)備運行平穩(wěn)，工作效率高，壓力損耗少，發(fā)熱量小等優(yōu)點[5]。液壓驅(qū)動橋由主減器總成、輪邊減速器總成、濕式制動器總成、橋殼總成等部件組成，其中前橋為防滑差速器，后橋為普通差速器，如圖4。

圖4 制動液壓系統(tǒng)

驅(qū)動橋的結(jié)構(gòu)特點：設(shè)計合理、結(jié)構(gòu)先進、體積小、重量輕、易于維修等優(yōu)點。連接方式：前橋采用固定式，后橋采用浮動式，以提高整車的道路適應(yīng)能力。前后橋設(shè)有行星齒輪輪邊減速器和多片濕式液壓制動器，其傳動比i=26.27，有效地提高了設(shè)備的爬坡能力和防爆能力，且具有制動力矩大、可靠性高、安全性能好的特點。主減速器主要將由液壓泵傳來的動力通過差速器和半軸將動力傳給輪邊減速器，并將扭矩分配給左、右驅(qū)動車輪，并使兩邊車輪具有差速功能。

④轉(zhuǎn)向、制動系統(tǒng)。轉(zhuǎn)向、制動系統(tǒng)是常壓系統(tǒng)，由一臺恒壓變量泵提供壓力和流量，其額定工作壓力為16MPa，排量為45mL/r。系統(tǒng)中設(shè)有轉(zhuǎn)向蓄能器、制動蓄能器兩個蓄能器，容量分別為6.3L、4L。其作用是在設(shè)備正常運轉(zhuǎn)時，發(fā)動機的動力突然失去，為避免設(shè)備失控，轉(zhuǎn)向蓄能器能為司機提供從中位到一個極限位置的轉(zhuǎn)向動力，制動蓄能器能提供3-5次的解制動的動力。A.轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向器總成、轉(zhuǎn)向油缸、氣控切斷閥、單向閥、蓄能器等組成。B.制動系統(tǒng)。制動系統(tǒng)主要用于行駛時降速或停車，包括行車制動、停車和緊急制動、關(guān)門閉鎖、制動解除等。

⑤行車制動。由于車輪制動器采用彈簧制動、液壓釋放的工作原理，因此行車制動采用反向制動閥制動，制動踏板位于駕駛室底板上，液壓油通過踏板后，為制動器提供一個8.62MPa的壓力油，用于解除制動器制動，踩下踏板后，釋放制動器內(nèi)部壓力，實現(xiàn)制動功能。

⑥停車和緊急制動。緊急和停車制動控制裝置安裝在駕駛室座椅右側(cè)，由人工操縱手柄完成。在停車熄火后、駕駛員下車前，停車和緊急制動手柄必須處于拉起/制動狀態(tài)；當(dāng)車輛啟動后、行車前，停車和緊急制動手柄必須處于壓下/制動釋放狀態(tài)。

⑦關(guān)門閉鎖。關(guān)門閉鎖是指駕駛室車門未處于關(guān)閉狀態(tài)時，車輛處于制動狀態(tài)，是車輛的一種保護裝置。當(dāng)駕駛室人員在離開駕駛室后，進行其他作業(yè)任務(wù)時，要求打開車門，以保證車輛處于制動狀態(tài)。

⑧制動解除。在車輛發(fā)生故障，無法進行動力液壓制動釋放時，還可以通過手動泵進行人工制動解除。

⑨行走機構(gòu)與工作機構(gòu)互鎖。開槽機的各操作閥組和開關(guān)均布置在駕駛室內(nèi)部。在移機過程中為了防止意外觸碰到其它控制閥組引起工作機構(gòu)的運動，在駕駛室內(nèi)設(shè)置工作-行走轉(zhuǎn)換開關(guān)。設(shè)備行走時，液壓控制油全部流向控制行走的先導(dǎo)閥，其它各工作機構(gòu)的先導(dǎo)閥無法控制主閥，對應(yīng)的各執(zhí)行部件均不會動作。設(shè)備停穩(wěn)后，轉(zhuǎn)換開關(guān)扳到工作位，液壓系統(tǒng)不再向行走先導(dǎo)閥供油，輪胎將保持靜止，其它各執(zhí)行機構(gòu)開始正常動作。行走機構(gòu)與工作機構(gòu)形成互鎖，能有效防止作業(yè)過程中的誤操作，保障周邊人員的人身安全。

3.防爆柴油開槽機的優(yōu)勢

該機型具有如下優(yōu)勢：（1）提高效率，節(jié)省人力和成本。人工開槽作業(yè)時人的承受力有限，開槽緩慢，人力消耗較大，費時費力，開槽機承載力遠遠大于人力，開槽效率提高。（2）安全可靠性高。人工作業(yè)時，人員相對集中，開槽工作在高處時需支點支撐，工作過程中經(jīng)常有擦碰、砸傷，機械施工可避免工作人員與巷道圍巖近距離接觸，可在巷道各個方向開槽作業(yè)，作業(yè)人員的安全得到提高。（3）整機靈活，動作平穩(wěn)。開槽機液壓系統(tǒng)由三部分組成，分別為行走系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向、制動系統(tǒng)，工作系統(tǒng)組成。行走系統(tǒng)采用帶DA控制的靜液壓系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向、制動系統(tǒng)采用常壓式系統(tǒng)，工作系統(tǒng)采用負載敏感液壓系統(tǒng)。由于該車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用流量放大的功能，行走系統(tǒng)帶DA控制，工作系統(tǒng)通過液壓先導(dǎo)操縱，因此整機輕便靈活，動作平穩(wěn)可靠。（4）解體性能良好，維修、操作方便，機械化程度高。此設(shè)備采用模塊化設(shè)計，便于拆解安裝。（5）可靠性高，結(jié)構(gòu)簡單。整機結(jié)構(gòu)件采用高強度鋼材，液壓系統(tǒng)采用先導(dǎo)多路閥組集中控制，元件為優(yōu)質(zhì)進口品牌。

4.結(jié)語

防爆柴油開槽機具有無纜無軌轉(zhuǎn)場、輕便、機動、靈活、平穩(wěn)等顯著特點，既能適應(yīng)于高度機械化作業(yè)的大型礦井，也可適應(yīng)較小產(chǎn)能的中小型煤礦。開槽機采用液壓系統(tǒng)控制，液壓驅(qū)動橋傳動行走，機械化程度高，運行安全可靠，應(yīng)用推廣前景廣闊。