低污染礦用40 t鏟板式支架搬運車的設計

李衛東

(晉能控股煤業集團 王莊煤業有限公司,山西 長治 047100)

0 引言

目前在輔運方面很多煤礦在大巷中使用電池機車和架線電機車進行牽引運輸，運輸方式相較于國外煤礦非常落后，這與目前煤礦高效、高產、快速、智能、綠色的綜采理念很不匹配，影響了整個煤礦的出煤效率。我國很多煤礦主要依賴進口鏟板式支架搬運車等設備來滿足煤礦井下的運輸，盡管目前多種鏟板式搬運車型已經成功自主研發并應用，在一定程度上滿足了國內煤礦井下的各種輔助搬運和安裝工作需要[1-4]，但隨著煤礦綜采工作面生產技術的快速發展，輔助搬運和安裝設備也必須通過提升其運載能力來適應采煤設備的運輸、安裝需要。

在國家雙碳目標的帶動下，對煤礦井下各種輔運車輛的排放要求日趨嚴格，2020年國家生態環境部對非道路移動機械及動力裝置的非道路國四排放標準進行了相關內容的補充和完善。標準中嚴格的尾氣排放規定，必然要求煤礦井下使用的防爆柴油機車輛的排放需大幅度降低[5-7]，因此研究一款使用頻率高、排放低、搬運效率高的防爆車輛對于煤礦井下輔運設備的升級換代、技術提升具有非常重要的意義。

1 鏟板式搬運車設計準則

(1) 以可靠性為出發點，關鍵元部件選用國內外知名廠家產品。

(2) 整車及元部件選型符合防爆和各項性能指標的要求。

(3) 考慮國內煤礦企業煤層分布及地質條件，增強產品適應性。

(4) 整車采取人性化設計理念，提高駕駛操縱舒適性，降低產品日常維護和保養工作量。

2 鏟板式搬運車總體方案設計

通過對我國主要礦區井下工況條件進行深入解，某型低排放40 t鏟板式搬運車整體車架結構采用鉸接式液壓油缸轉向，相對于整體式機架車輛更加機動靈活，能夠較好地適應井下狹窄受限的車輛通過空間。該鏟板式支架搬運車主要由低污染柴油機動力系統、液壓操控系統、前后機架、工作機構系統、電氣系統、氣動及安保系統和機械傳動系統等組成，整車布置如圖1所示。

圖1 某型低污染40 t鏟板式搬運車三維模型

3 低污染動力系統防爆柴油機設計

某型低排放40 t鏟板式搬運車結構緊湊、承載能力大，且動力系統結構尺寸小、功率大。為滿足非道路國三標準的要求，防爆柴油機采用了防爆電控燃油系統和后處理氧化催化轉換器。

3.1 進氣防爆系統的設計

從結構上進氣系統可分為雙層水冷低溫增壓裝置、鐵質組合空氣濾清裝置、片式進氣柵欄、進氣關閉裝置、水空中冷裝置及不銹鋼管路等。安裝進氣關閉裝置的目的是停車時完全切斷進氣系統空氣的供給以保證防爆柴油機迅速熄火。

3.2 排氣防爆系統的設計

排氣系統包括水冷卻排氣歧管、增壓器、水冷卻排氣彎管、廢氣處理箱和排氣柵欄。排氣歧管、增壓器、排氣彎管均設計為帶水冷卻的雙層結構，各部件表面最高溫度不超過150 ℃。其中廢氣處理箱處于末端，采用圓桶形結構，水位控制閥和缺水保護閥置于箱體內部，結構緊湊、控制可靠。

3.3 后處理氧化催化轉換器的設計

為了降低防爆柴油機CO的排放，對氧化催化轉化裝置進行防爆結構設計優化，且盡量少影響DOC(氧化催化轉換器)的轉化效率。在保證轉化效率的前提下降低氧化催化轉化器對防爆柴油機性能和可靠性的影響，達到DOC在低排氣溫度下能夠起燃反應，降低CO排放污染物。符合防爆要求的氧化催化轉換器結構示意簡圖如圖2所示。

圖2 符合防爆要求的氧化催化轉換器結構示意圖

4 鏟板式搬運車前后機架結構設計

由于煤礦井下工況復雜，礦用40 t鏟板式搬運車行駛過程中受到的作用力方向和大小是實時變化的，為了準確地反映該車的結構動態特性，采用有限元軟件對其前后機架進行模擬分析計算。前、后機架結構如圖3所示，銷軸和軸套的材料分別采用40Cr和27SiMn并進行調質處理，鏟板、立板等部件材料選用WH70，而其他剩余部件材料均選用16Mn。

在進行有限元分析時，模擬40 t鏟板式搬運車的實際作業工況，在前機架鏟板的中心處加載最大載荷40 t。分析得到的40 t鏟板式搬運車整車結構應力分布云圖如圖4所示，鉸接軸及軸套結構應力分布云圖如圖5所示。

圖3 前、后機架結構示意圖

圖4 整車結構應力分布云圖

由圖4中可以發現：40 t鏟板式車輛載荷主要集中在車輛前端，受力最大處為前機架鉸接部分；后機架在連接后橋的擺架處應力最大，但相較前車架應力要小很多。

由圖5中可以發現：上、下軸銷最大應力均低于其材料本身的許用應力值210 MPa，符合強度要求;上銷軸軸套最大應力值為513 MPa，下銷軸軸套最大應力值為453 MPa，這兩值均未超過許用限值980 MPa，符合設計要求。

圖5 鉸接軸及軸套結構應力分布云圖

5 液壓操控系統設計

根據整車設計參數，對液壓操控系統中的工作、冷卻、解鎖手泵、蓄能器卸荷等回路做了大量性能匹配研究，確定各分系統的設計和部件選型。液壓系統由轉向系統、制動系統和液壓控制回路組成。

防爆柴油機工作時，液壓油從液壓油箱進入轉向泵，轉向泵輸出的壓力油進入液壓助力轉向器，液壓助力轉向器的回油通過回油過濾器回到油箱。

同時液壓油從液壓油箱進入齒輪油泵，齒輪油泵輸出的壓力油通過充液閥給安裝的蓄能器進行充液，當每個蓄能器內的油壓都達到規定的壓力后，液壓油直接從充液閥通過過濾器流入油箱，當任何一個蓄能器內的油壓低于規定的壓力后，液壓油重新通過充液閥進入這個蓄能器，直至這個蓄能器內的油壓達到規定的壓力。

6 氣動及安全保護系統的設計

氣動系統采用了壓縮空氣啟動方式，并在啟動前系統進行自檢，自檢正常后啟動發動機。氣動系統由氣馬達、空壓機、安全閥、控制閥、氣罐、撥動閥、單向閥、機油先導閥、單氣控閥、梭閥、截止閥、氣缸、氣喇叭及儀表等組成。

安全保護系統由隔爆型發電機調節器、隔爆型永磁發電機、礦用隔爆型照明燈、礦用隔爆型電氣控制箱、礦用隔爆型信號燈、柴油機車用隔爆兼本質安全型安全保護裝置、煤礦車輛用隔爆型雨刷電動機、礦用語音燈光告警裝置、礦用隔爆型運輸機械照明燈、連接電纜和礦用隔爆型電源箱組成。

7 結論

該低排放礦用40 t鏟板式搬運車設計完成后在煤礦井下進行了大量的工業性試驗，試驗表明該車滿足非道路國三排放標準，且具有如下優勢：

(1) 防爆柴油機滿足非道路國三排放，排放低且功率大，解決了鏟板式搬運車普遍功率不足的問題。

(2) 液壓操控系統工作回路采用負載反饋液壓操控系統，發熱量更小，液壓元件使用壽命更長。

(3) 采用人機工程學和人性化設計，整車外形美觀、檢查保養更方便。