煤礦架線式電動運輸車的設計

趙 進

(山西焦煤能源集團股份有限公司 機電部， 山西 太原 030024)

目前，煤礦井下輔助運輸形式主要有軌道式架線電機車及蓄電池電機車、柴油及電動式無軌膠輪車及各類鋼絲繩類型絞車。其中，有軌式車輛受軌道限制，作業范圍受到較大制約；柴油車輛產生有毒有害氣體且后期維保費用相對較高；蓄電池車輛運行里程受電池影響運輸距離短，充電時間長；鋼絲繩類型絞車在安全可靠性方面不具有優勢。而架線式無軌電動膠輪車綜合多種運輸形式優點，有效解決了軌道限制、有害氣體污染、續航里程短、斜坡運輸不安全等問題，為煤礦井下輔助運輸提供了一種全新的解決思路。

1 概 述

神東集團某煤礦試用的架線式無軌電動運輸車用于井下材料輸送，具有軌道運輸不具備的獨特優勢，與礦井原來使用的柴油機膠輪車對比，其優點主要有3個方面：1) 電動運輸車不會產生尾氣排放而造成CO等有害氣體超標，且裝載能力大，能高速爬坡，生產效率高。2) 設置架空線和固定電氣設備前期需要一次性投資，但是運輸系統一經形成，后期維護保養費用較柴油車輛顯著減少，不需要考慮車輛尾氣治理、通風量加大、燃油損耗等因素，可以有效減少使用車輛需求數量。3) 電動運輸車調速性能好，不會出現輪胎打滑現象，輪胎費用也低于柴油機膠輪車。因此電動材料車用于煤礦井下運輸是一個較好的選擇。根據該類架線電動車的工作原理，對關鍵元部件進行防爆處理及相關試驗，開發了適用于煤礦井下的架線無軌電動膠輪車，并在該礦進行工業試驗。

2 車輛總體介紹

2.1 整體設計

電動運輸車由前后兩個部分組成，前一部分布置發動機、操作系統和駕駛室，后一部分布置料斗和自卸裝置。前后兩部分車身采用鉸接式連接，轉向角可達40°，轉彎半徑小，轉向靈活。另外，前后機架都采用空氣彈簧懸掛系統與車橋連接，保證車輛具有良好的操控性和行駛性能。整機參數見表1. 由于有受電設備，要求巷道高度需要滿足設計尺寸，圖1為能夠滿足電動材料車運行的最小巷道截面。

表1 整機參數表

圖1 最小巷道截面圖

車輛傳動系統采用由電動機獨立驅動前后橋的四輪驅動系統。行走電機為兩臺230 kW的直流牽引電機和一臺40 kW協助行走直流電機。直流牽引電機一臺直接連接前橋軸差速器，另外一臺連接后橋差速器，協助行走電機與后橋行走電機串聯，見圖2.

1—前驅動橋；2—行走電機；3—輔助電機；4—行走電機；5—后驅動橋圖2 整車傳動系統圖

2.2 電氣設計

架空線的電壓為三相交流690 V，50 Hz，由1臺可控硅變流器將AC690 V變成DC1200 V，給行走電機供電，并通過整流器給牽引蓄電池充電，基本電氣原理圖見圖3.

圖3 電氣原理圖

集電器斷開時，電動機由牽引蓄電池通過斬波器供電。在正常情況下，蓄電池由架空線通過變壓器和可控硅整流器充電。蓄電池也可以通過1條插接AC380 V電源充電。泵站電機驅動一臺液壓泵和一臺空氣壓縮機，主要給行車制動器和駐車制動器提供動力源。前后輪各有一臺電動機通過差速器驅動，由于電機串聯，功率均勻分配到所有4個車輪。

輔助系統主要設備是一臺PLC控制器，它調節和控制所有必要的電氣裝置，如滑接式受電器工作順序、可控硅變流器、蓄電池斬波器、蓄電池充電、調速和電力制動。它還可阻止設備的誤用，如果速度過大，PLC可以提供相關情況的故障指示。

電動材料車的調速方法：1) 將電動機電壓從0提高到1 200 V，相應電機轉速從0提高到2 000 r/min. 2) 通過降低勵磁電流實現電動機轉速在1 000～2 000 r/min調節。

牽引蓄電池的技術特性是280 V和1 580 Ah，可使裝載50 t車輛在平道上行駛1 000 m，主要解決車庫到架空線網起點的動力問題,之后啟用架空線供電，運輸車可在平道上正常行駛。

2.3 受電系統介紹

電動材料車的架空線是為適應集電器的迅速下線和上線而設計的，由3根外徑為50 mm的銅管傳輸電流，銅管要求材質好，以便降低電阻。集電器支撐軌使用截面為3英寸的正方形型鋼，架空線裝置截面見圖4.

1—絕緣端子；2—導線；3—導軌圖4 架空線截面圖

電動材料車工作狀態示意圖見圖5. 集電弓安裝在駕駛室頂部，集電弓弓頭安裝在液壓舉升臂上，弓頭上有8個滾輪，每個角上各有2個滾輪，液壓臂托舉力使弓頭的滾輪與架空線接觸，滾輪沿著架空線的導軌行走，弓頭上有6個碳刷，碳刷沿導線的下側滑行，獲得交流電。集電弓可以在偏移線網中心一側0.5 m的位置上線，上下線速度快，從觸發上下線按鈕到集電器自動捕捉上網不超過5 s.在車輛行駛速度小于8 km/h時可以下線，行駛速度大于15 km/h時不能下線。受電系統巷道路面比一般巷道的路面平整度要求高，不允許路面有明顯的凸起或者凹坑，以保證集電弓與接觸網的良好受流。

圖5 工作示意圖

3 應用情況

電動運輸車于2020年開始在神東某煤礦進行工業性試驗。材料運輸是從-480～-250 m的坡道運輸，坡度約13°，年運輸材料量約50萬t，車輛實際行駛車速20 km/h. 實際應用表明，無軌電動車輛系統是一種實用系統，在經濟性和可靠性方面具有一定優勢。通過對實際使用情況數據積累分析，與傳統的柴油運輸車輛運輸系統相比，電動運輸車優勢體現在以下方面：1) 運行維護成本費用明顯降低，每年每臺車輛燃油費用可節約6萬元，維護保養費用可節約3萬元，輪胎磨損費用可節約1萬元。2) 噪聲污染顯著降低，從95 dB降低到60 dB. 3) 有毒有害氣體排放量顯著減少，CO瞬時排放量從0.6‰降低到0，NOX瞬時排放量從0.785‰降低到0. 4) 電動車輛由于沒有柴油系統，運行更加穩定可靠，完好率提高了10%～20%. 5) 電動車輛的整體使用壽命延長了將近20%. 6) 由于不產生有毒有害氣體以及不使用柴油發動機，井下安全性大大提升，工人健康情況有大幅改善。

4 結 語

目前隨著煤層埋藏深度的增加，巷道材料運輸運量增加，開采難度也隨之加大，煤礦傳統的運輸設備如有軌電機車、蓄電池車輛和柴油發動機無軌輔助運輸設備無法克服自身的缺陷，將會遇到前所未有的挑戰。而電動運輸車系統既克服了有軌電機車受軌道限制和柴油發動機車輛尾氣排放、維護費用高的缺陷，也解決了蓄電池車輛續航里程短的限制，不但提高了材料的運輸效率，而且節省了運輸成本。同時，在較大坡度巷道使用電動運輸車運輸取代斜坡絞車拖拽設備可有效減少安全事故發生。目前該架空線式無軌電動運輸車輛正在進行安標及防爆等相關資質辦理，取得合法手續后將為礦井運輸提供一條新的發展思路。