煤礦井下防爆鋰電池單軌吊機車技術(shù)研究

王飛

[摘? ? 要]隨著山東能源集團“一提雙優(yōu)”建設(shè)的實施，對煤礦輔助運輸裝備升級提出要求。解決噪音大、尾氣污染、續(xù)航里程短等問題成為發(fā)展克服的目標，因此鋰電池的選用成為當前最好的方式。文章主要對鋰電池單軌吊機車技術(shù)進行研究。

[關(guān)鍵詞]煤礦;鋰電池;防爆鋰電池單軌吊機車研究及應(yīng)用

[中圖分類號]TD684;U469.6 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）05–0–03

Research on Technology of Explosion Proof Lithium

Battery Monorail Crane in Coal Mine

Wang Fei

[Abstract]With the implementation of "one improvement and double excellence" construction of Shandong energy group， it puts forward requirements for the upgrading of coal mine auxiliary transportation equipment. To solve the problems of noise， exhaust pollution and short driving range has become the goal of development. Therefore， the selection of lithium battery has become the best way at present. Based on this， this paper mainly studies the technology of lithium battery monorail crane locomotive.

[Keywords]coal mine; lithium battery; research and application of explosion proof lithium battery monorail crane locomotive

1 任務(wù)來源

隨著國內(nèi)煤礦大型采掘設(shè)備智能控制及機械化開采，采煤及掘進需要設(shè)備的重量、結(jié)構(gòu)、形式以及運輸距離等都有不同程度的增加，傳統(tǒng)的地軌運輸方式，技術(shù)相對滯后，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化礦井的運輸需要。據(jù)統(tǒng)計，目前我國大多數(shù)煤礦采用小絞車、卡軌車等傳統(tǒng)運輸方式，占用人員多，運輸環(huán)節(jié)多，運輸效率低，易造成斷繩、跑車、掉道等安全隱患。單軌吊機車具有能夠在多彎道、多起伏的巷道中進行高難度作業(yè)，爬坡能力強，且屬于上部空間作業(yè)設(shè)備，并不占用巷道底板空間，加之懸掛式布局，更有利于巷道空間的充分利用。推廣應(yīng)用單軌吊，減少運輸環(huán)節(jié)，提高工作效率，已成為近年來煤礦井下輔助運輸?shù)氖走x運輸設(shè)備。

煤礦井下單軌吊機車按牽引動力不同，分為柴油機、蓄電池、鋼絲繩牽引和氣動等幾種形式。柴油機單軌吊，功率強勁，技術(shù)成熟，爬坡能力大，應(yīng)用最廣泛，但噪音大、對尾氣排放標準有嚴格要求;傳統(tǒng)的蓄電池單軌吊存在充電慢、放電率低、對環(huán)境有污染、動力限制等缺陷，適用于短途及小坡度現(xiàn)場運輸;鋼絲繩牽引單軌吊由于使用牽引絞車，在多道岔、長距離、多變坡、多拐彎等復(fù)雜情況下，其靈活性得不到體現(xiàn)，使其應(yīng)用受到一定程度的限制;氣動單軌吊受氣源管路長度及氣壓大小限制，適應(yīng)于短距離、較輕負載的靈活轉(zhuǎn)運。針對目前各種類型單軌吊機車的特點及存在的問題，需要開發(fā)一種環(huán)保、高效的新能源電機直驅(qū)的新型單軌吊機車——鋰電池單軌吊機車。

2 研究內(nèi)容和目標

2.1 研究內(nèi)容

2.1.1 駕駛室

整體結(jié)構(gòu)采用減震系統(tǒng)，配備操作手柄及機車運行數(shù)據(jù)顯示，可實時操作機車運行及監(jiān)測機車運行狀態(tài)。具備機車視頻監(jiān)控和照明燈。

2.1.2 驅(qū)動部

研制特殊三相異步交流變頻電機，采用行星減速機結(jié)構(gòu)，電機直接驅(qū)動減速機，大幅減輕了驅(qū)動部的自重。具有結(jié)構(gòu)緊湊，高效率，高可靠性，低維護等特點。

2.1.3 變頻與自動化控制系統(tǒng)

采用變頻器與PLC自動化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對直流電變交流電，同時經(jīng)PLC控制系統(tǒng)檢測各保護點工作狀況，通過控制系統(tǒng)的檢測后實現(xiàn)動力平均輸送到驅(qū)動部，同時在線實現(xiàn)監(jiān)測各運行部件的使用狀況，在駕駛室顯示屏實現(xiàn)機車運行的電壓、速度、電量、運行狀態(tài)等詳細參數(shù)，從而實時掌握單軌吊的運行狀態(tài)和故障信息，確保機車運行時的安全。同時增加了遠程遙控功能，司機可在地面手持遙控器實現(xiàn)機車的運行。

2.2 控制車原理

2.2.1 電氣原理

鋰電池電源裝置提供直流電，通過電控箱里的驅(qū)動電機變頻器和液壓站電機變頻器，將直流電逆變成三相交流電，通過沿途的礦用電纜提供給驅(qū)動電機和液壓站電機;當鋰電池單軌吊機車往下坡運行時，驅(qū)動電機將鋰電池單軌吊機車重力勢能轉(zhuǎn)變成電能，向鋰電池電源裝置反充電。鋰電池單軌吊控制箱是機車控制、檢測、顯示、手動操作和無線遙控操作的集中控制中心，機車的各種保護接入控制中心。

2.2.2 液壓原理

鋰電池單軌吊機車液壓控制系統(tǒng)，主要為驅(qū)動輪與軌道之間的夾緊油缸提供壓力，為驅(qū)動部的制動油缸提供壓力，保護壓力能夠打開壓縮彈簧，當出現(xiàn)緊急情況時，實現(xiàn)壓力快速自卸，壓縮彈簧迅速制動。同時，為起吊梁的液壓馬達提供壓力，液壓馬達帶動減速機，減速機的輸出端連接起吊鏈條，通過鏈條的升降實現(xiàn)貨物的起吊。

當單軌吊機車準備運行時，由操作人員按起動信號，由控制中心發(fā)出指令啟動油泵電機，同時通過液壓系統(tǒng)的電磁閥控制，建立系統(tǒng)工作壓力，當液壓系統(tǒng)壓力達到設(shè)定最低值（9 MPa）時，同時滿足制動壓力達到設(shè)定值時，發(fā)出系統(tǒng)壓力正常信號，單軌吊機車正常運行;當系統(tǒng)壓力達到最高設(shè)定壓力值（15 MPa）時，控制中心發(fā)出信號停止液壓站油泵工作，通過蓄能器實現(xiàn)系統(tǒng)保壓。當系統(tǒng)壓力內(nèi)泄后降到補壓設(shè)定值時，系統(tǒng)自動控制啟動液壓站油泵電機，進行補壓;當系統(tǒng)壓力升到設(shè)定值時，液壓站油泵電機停止工作，完成蓄能器補壓。

如果液壓系統(tǒng)發(fā)生故障，系統(tǒng)壓力下降到設(shè)定最低值時，不能正常起動液壓油泵電機進行補壓，控制中心發(fā)出警報并使單軌吊機車停止運行。

正常運行時，單軌吊機車控制中心接到加速（或減速）操作命令后，控制中心首先檢測到液壓系統(tǒng)工作壓力達到起動要求后，才能控制驅(qū)動變頻器工作。

液壓系統(tǒng)有供起吊使用的電磁閥，如果單軌吊車處于行走狀態(tài)，控制中心將控制起吊的電磁閥油路切斷，此時起吊液壓馬達不會轉(zhuǎn)動;只有當鋰電池單軌吊車處于停車狀態(tài)，在駕駛室內(nèi)把旋鈕轉(zhuǎn)到起吊模式，控制中心控制起吊電磁閥供電，此時給起吊梁馬達供油，液壓馬達帶動起吊減速機工作，實現(xiàn)貨物的升降。

2.3 鋰電池組

鋰電池組由4組100 Ah電池箱并聯(lián)組成，每組100 Ah電池箱由100塊100 Ah（3.2 V）單體串聯(lián)。4組電池箱采用電池吊掛梁連接在一起，電池吊掛梁通過鏈條與電池起吊梁連接，可實現(xiàn)電池組的升降，同時隨電池起吊梁與機車一起行駛。

采用鋰電池組的優(yōu)點如下：

（1）相比柴油機避免大量尾氣排放，改善了作業(yè)環(huán)境。

（2）動力輸出沒有噪音。

（3）充電快（最快2.5 h完成400 Ah電池充電）。

（4）鋰電池組沒有記憶效應(yīng)，現(xiàn)場人員可隨時充電，檢修的時間也可插上插頭直接充電（記憶效應(yīng)指經(jīng)常處于充滿不放完的條件下工作，容量會迅速低于額定容量值）。

2.4 智能型充電機

充電機由三相隔離變壓器，將1140 V（660 V）變成380 VAC，供給直流單元，輸出有電抗器。把充電機的插銷連接器插頭與鋰電池電源裝置上的插銷連接器連接上，同時把通訊插頭連接上，按下充電機上的充電按鈕，充電機智能監(jiān)測鋰電池的相關(guān)參數(shù)，充電完成后，智能斷電。

2.5 研究目標

（1）采用防爆鋰電池單軌吊機車代替煤礦井下傳統(tǒng)運輸方式。

（2）清潔環(huán)保性：以新能源磷酸鐵鋰電池為動力的單軌吊輔助運輸機車無污染、無噪音。

（3）可靠適用性：防爆鋰電池單軌吊機車滿足煤礦井下多變

坡、多轉(zhuǎn)彎的混合巷道。

（4）安全性：提高防爆鋰電池單軌吊使用安全性，首先考慮鋰電池組的使用安全，選用礦用電芯，鋰電池BMS智能管理系統(tǒng)，增加電池包。

（5）自動化、智能化：防爆鋰電池單軌吊機車具備無人操作自動化運輸，同時實現(xiàn)遠程智能化控制。

（6）標準化、系列化：隨著國家標準、行業(yè)標準在以后的推

廣。防爆鋰電池單軌吊機車的使用及控制會更加標準化，因現(xiàn)場使用的多元化，會推進鋰電池單軌吊的系列化。

3 技術(shù)特征

3.1 技術(shù)研究方案

經(jīng)過研究，決定采用如下技術(shù)路線：調(diào)研、消化國內(nèi)外單軌吊機車設(shè)備技術(shù)及工藝→總結(jié)我國單軌吊機車等設(shè)備研制經(jīng)驗→研究提出適合棗礦集團地質(zhì)條件的配套方案和關(guān)鍵裝備設(shè)計方案→先進行方案論證→再進行方案設(shè)計→產(chǎn)品設(shè)計制造→相關(guān)性能試驗→方案優(yōu)化→工業(yè)性試驗→鑒定推廣。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

（1）電源裝置：主要由單體磷酸鐵鋰電池、BMS電池管理系統(tǒng)、防爆箱、連接導(dǎo)線和礦用隔爆插銷連接器組成。

（2）變頻與自動化控制系統(tǒng)：實現(xiàn)對直流電變交流電，同時經(jīng)PLC控制系統(tǒng)檢測各保護點工作狀況，通過控制系統(tǒng)的檢測后實現(xiàn)動力平均輸送到驅(qū)動部，同時在線實現(xiàn)監(jiān)測各運行部件的使用狀況，在駕駛室顯示屏實現(xiàn)機車運行的電壓、速度、電量、運行狀態(tài)等詳細參數(shù)，從而實時掌握單軌吊的運行狀態(tài)和故障信息，確保機車運行時的安全。同時增加了遠程遙控功能，司機可在地面手持遙控器實現(xiàn)機車的運行。

4 具體研究任務(wù)

（1）調(diào)查研究國內(nèi)外同類地質(zhì)條件下單軌吊機車設(shè)備及工藝的現(xiàn)狀、存在問題及發(fā)展趨勢。

（2）分析目前國內(nèi)外單軌吊機車的特點及技術(shù)裝備情況，結(jié)合礦區(qū)的特點，確定項目實施地點及設(shè)備選型原則。

（3）根據(jù)國內(nèi)單軌吊機車設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀，確定能滿足使用的配套設(shè)備。

（4）研究設(shè)計防爆鋰電池單軌吊機車的初步方案，然后進行論證，確定單軌吊機車的最終方案及其主要參數(shù)。

（5）完成防爆鋰電池單軌吊機車的總體配套設(shè)計。

（6）調(diào)查研究單軌吊機車的現(xiàn)狀及性能，確定能滿足要求的控制系統(tǒng)。

（7）完成鋰電池組與控制系統(tǒng)的配套設(shè)計。

（8）優(yōu)化防爆鋰電池單軌吊機車相關(guān)配套件及輔助件的設(shè)計。

（9）樣機試制、現(xiàn)場檢驗、現(xiàn)場評審及試驗，完善設(shè)計。

（10）防爆鋰電池單軌吊機車進行地面聯(lián)合試運轉(zhuǎn)并驗收。

（11）井下做工業(yè)性安全試驗。

（11）完成項目科技技術(shù)成果鑒定。

（12）開始技術(shù)推廣應(yīng)用工作。

5 推廣應(yīng)用的條件及前景

5.1 推廣應(yīng)用的條件

當前，煤礦單軌吊輔助運輸設(shè)備種類繁多，柴油機單軌吊、蓄電池單軌吊、鋼絲繩牽引單軌吊和氣動單軌吊等;國內(nèi)外單軌吊輔助運輸設(shè)備產(chǎn)品的質(zhì)量也各不相同，每種不同的設(shè)備適應(yīng)的條件也不一樣，煤礦地質(zhì)條件不同決定單軌吊輔助運輸設(shè)備的性能也有很大差距。煤礦單軌吊輔助運輸系統(tǒng)的可靠性和先進性直接影響煤礦的生產(chǎn)效率，對煤礦的安全生產(chǎn)也有重大影響。隨著各種高新技術(shù)在煤礦井下的廣泛應(yīng)用，安全、高效、智能化現(xiàn)代化礦井建設(shè)和輔助運輸?shù)默F(xiàn)代化程度成為衡量煤礦現(xiàn)代化生產(chǎn)能力和水平的重要指標，因此發(fā)展高效、快捷、環(huán)保的單軌吊輔助運輸方式是我國煤礦輔助運輸系統(tǒng)建設(shè)的一項重要任務(wù)。

5.2 推廣應(yīng)用的前景

在煤礦輔助運輸中，鋰電池單軌吊運輸作為一種新的輔助運輸方式，適用于煤礦井下材料、設(shè)備、人員和液壓支架等的輔助運輸，主要用于大巷采區(qū)上、下山及采掘工作面的運輸。防爆鋰電池單軌吊機車解決了無極繩絞車、鋼絲繩牽引齒軌車運輸條件限制，實現(xiàn)井下多條巷道連通使用，可以在多彎道、多變坡的巷道中應(yīng)用，特別是巷道底板條件較差，容易地鼓的巷道，鋰電池單軌吊的應(yīng)用解決了使用維護量大，人員技能要求高，使用成本高等難點，為輔助運輸增加了安全性和節(jié)能性。

6 結(jié)語

本項目的成功研制與現(xiàn)場使用，為棗礦集團煤礦機電運輸設(shè)備提供了可靠的理論依據(jù)和實踐經(jīng)驗，通過對該鋰電池單軌吊機車的不斷優(yōu)化和完善，能更好地滿足礦井高產(chǎn)高效要求，獲得良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

參考文獻

[1] 袁美蓉，趙世璽，郭雙桃.低溫鋰電池的研究應(yīng)用現(xiàn)狀[J].化工管理，2016（30）：86.