肖 峰

(神東煤炭集團，陜西 神木 719315)

0 引言

礦用防爆無軌膠輪車廣泛應(yīng)用于煤礦井下施工作業(yè)的運輸中，為現(xiàn)代化煤礦井下的重要裝備。目前國內(nèi)煤礦井下多采用礦用防爆柴油機無軌膠輪車，從應(yīng)用情況看，國產(chǎn)防爆柴油機無軌膠輪車主要存在高污染、高噪音、高油耗、低壽命的問題。針對以上問題，神東煤炭集團與航天重型工程裝備有限公司合作研制礦用防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌膠輪車，其中包括運人車、材料車、指揮車等車型。

現(xiàn)階段，制約礦用防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌膠輪車發(fā)展的瓶頸在于電池。由于電池比能量低，為保證礦用防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌膠輪車?yán)m(xù)航里程，液壓系統(tǒng)采用一體化設(shè)計理念，使液壓系統(tǒng)構(gòu)成簡單，效率提升，對提高整車?yán)m(xù)航里程具有重要意義。

1 整車系統(tǒng)參數(shù)

礦用防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌膠輪車主要用于井下、井上人員運輸，設(shè)計承載人數(shù)19人(包括司機)，以防爆鋰電池組為動力源，實現(xiàn)運行過程中零排放、低噪聲，節(jié)能環(huán)保目標(biāo)，防爆電機為動力輸出，非承載式車身，雙橫臂獨立前懸，非獨立后懸，前橋轉(zhuǎn)向驅(qū)動，封閉式駕駛室，低地板設(shè)計，采用智能監(jiān)控系統(tǒng)，實時監(jiān)控電機、減速機、電池等重要部件的工作狀態(tài)。乘客座椅縱向布置，乘員核定寬度460 mm，配置相應(yīng)人數(shù)安全帶；乘客通道位于車體后方，保證乘員上下車安全；防爆電池箱位于車架與乘客座椅之間，其他電氣、液壓零部件和動力系統(tǒng)位于車體前部，便于維修維護。整車設(shè)計主要包括車身、懸掛、動力系統(tǒng)、駕駛室、液壓系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)5部分，如圖1所示。

圖1 整車設(shè)計簡圖

為進(jìn)一步滿足礦井使用工況需求，整車主要參數(shù)見表1。

表1 整車主要參數(shù)

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計思路

根據(jù)礦用防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌膠輪運人車功能需求，液壓系統(tǒng)包含4個子系統(tǒng)：助力轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)、制動子系統(tǒng)、雨刮子系統(tǒng)和散熱子系統(tǒng)，實現(xiàn)整車助力轉(zhuǎn)向、制動、雨刮及散熱功能。為保證運人車?yán)m(xù)航里程，液壓系統(tǒng)設(shè)計運用一體化設(shè)計理念，使系統(tǒng)構(gòu)成最簡潔，重量最輕，效率最高，達(dá)到節(jié)能效果。

液壓4個子系統(tǒng)工作均需要動力源，運用一體化設(shè)計理念對液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。

散熱子系統(tǒng)為電機、控制器、制動電阻提供散熱功能，維持整車的熱平衡。散熱介質(zhì)選擇上主要有水和油2類。由于液壓子系統(tǒng)必須采用液壓油作介質(zhì)，運用一體化設(shè)計理念將液壓油作為散熱系統(tǒng)介質(zhì)，使液壓系統(tǒng)與散熱系統(tǒng)共用液壓油箱，一方面，系統(tǒng)可減少水箱、水泵等元件，可減少重量、簡化系統(tǒng)；同時，液壓子系統(tǒng)工作過程中產(chǎn)生的熱量通過液壓油進(jìn)入散熱子系統(tǒng)進(jìn)行散熱，達(dá)到為液壓子系統(tǒng)散熱的作用。

液壓系統(tǒng)形式主要分為常壓系統(tǒng)和常流系統(tǒng)，常壓系統(tǒng)由柱塞泵驅(qū)動，常流系統(tǒng)由齒輪泵驅(qū)動。散熱子系統(tǒng)為發(fā)熱元件需循環(huán)散熱，必須采用常流系統(tǒng)。采用一體化設(shè)計理念，將助力轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)及制動子系統(tǒng)采用常流系統(tǒng)設(shè)計，并將散熱系統(tǒng)串聯(lián)于助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及制動系統(tǒng)的回油路上，可減少系統(tǒng)泵源，達(dá)到減少重量、簡化系統(tǒng)的效果。因雨刮子系統(tǒng)工作時間短、功率低，其工作不影響制動子系統(tǒng)，將雨刮子系統(tǒng)串聯(lián)在制動子系統(tǒng)后端。

由于制動子系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)有同時工作可能，如將助力轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)與制動子系統(tǒng)串聯(lián)設(shè)計，流量相互影響，使轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)和制動子系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。為保證整車安全性，制動子系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)做并聯(lián)設(shè)計。

通過采用一體化設(shè)計理念，液壓系統(tǒng)最終設(shè)計如圖2所示。系統(tǒng)采用常流形式，液壓油為系統(tǒng)介質(zhì)，制動子系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)并聯(lián)，散熱子系統(tǒng)串聯(lián)在轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)和制動子系統(tǒng)回油路上。4個子系統(tǒng)之間既有并聯(lián)，又有串聯(lián)，有效地簡化系統(tǒng)、減少泵源、降低重量，同時提高系統(tǒng)效率，達(dá)到節(jié)能效果。

圖2 液壓系統(tǒng)簡圖

3 液壓分系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)液壓系統(tǒng)總體設(shè)計思路，對各分系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。由于制動子系統(tǒng)與雨刮子系統(tǒng)串聯(lián)，制動子系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)并聯(lián)，散熱子系統(tǒng)串聯(lián)在轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)和制動子系統(tǒng)回油路上，對各子系統(tǒng)做參數(shù)匹配時，需綜合考慮。

3.1 助力轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)

礦用防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌膠輪運人車采用助力轉(zhuǎn)向形式，如圖3所示。液壓式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用動力轉(zhuǎn)向器，是基于機械式的齒輪齒條轉(zhuǎn)向機構(gòu)而來的，它通過增加一整套液壓系統(tǒng)，包括儲液罐、液壓助力泵、與轉(zhuǎn)向柱相連的機械閥、轉(zhuǎn)向機構(gòu)上的液壓缸和能夠推動轉(zhuǎn)向拉桿的活塞等元件達(dá)到助力轉(zhuǎn)向的目的。

助力轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)原理圖如圖4所示。液壓系統(tǒng)主要為助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供液壓動力源，壓力油從齒輪泵流出后進(jìn)入轉(zhuǎn)向器，轉(zhuǎn)向器為液壓助力轉(zhuǎn)向器，中位時，P口與T口導(dǎo)通，油液直接回油，溢流閥作安全閥使用。

圖4 助力轉(zhuǎn)向原理系統(tǒng)

3.2 制動子系統(tǒng)

制動系統(tǒng)是礦用防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌膠輪運人車安全運行的關(guān)鍵，煤礦井下車輛制動器必須采用濕式制動器。在MT/T989-2006《礦用防爆柴油機人員運輸車通用技術(shù)條件》、《GB12676-1999汽車制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能和試驗方法》中都有詳細(xì)的要求。

制動系統(tǒng)主要由雙路制動閥、充液閥、駐車解除閥、濕式制動器、制動蓄能器等組成。充液閥為制動系統(tǒng)提供恒定壓力。原理圖如圖5所示。

1-行車制動器；2-雙路制動閥；3-壓力表；4-蓄能器；5-充液閥；6-駐車電磁閥；7-拖車電磁閥；8-駐車制動器圖5 制動系統(tǒng)原理圖

行車制動采用雙路制動，行車制動時，壓力油通過雙路制動閥減壓，輸出壓力至濕式制動器行車制動器油缸，為車輛提供制動力矩，壓力表可實時監(jiān)測兩路制動壓力。行駛過程中油源故障進(jìn)入應(yīng)急模式，蓄能器儲存高壓油液作為備用油源，可使行車制動正常工作至少5次。

駐車解除時，壓力油通過蓄能器，經(jīng)過駐車電磁閥、截止閥輸出壓力至駐車制動器油缸，使駐車彈簧釋放。壓力表可實時監(jiān)測駐車制動壓力。

緊急制動時，拍下急停按鈕，駐車電磁閥與行車電磁閥同時動作，駐車壓力切斷，駐車制動器內(nèi)油液經(jīng)過駐車電磁閥回油，駐車彈簧作用，駐車制動器投入工作；行車電磁閥工作，緊急制動蓄能器油液經(jīng)過行車電磁閥、梭閥進(jìn)入行車制動器，實現(xiàn)車輛行車制動與駐車制動同時投入。

3.3 雨刮子系統(tǒng)

目前礦用防爆柴油機無軌膠輪車用的雨刮器一般采用手動、氣動和電動3種形式。手動形式簡單，需人工動作清理擋風(fēng)玻璃的灰塵及雨水，不利于安全駕駛。由于礦用防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌膠輪運人車無氣動系統(tǒng)，氣動雨刮方案需氣源、蓄氣罐等氣動系統(tǒng)配件，無法采用該形式。電動雨刮方案增加防爆外殼后體積大、重量重，一方面在緊湊的空間內(nèi)布置困難，另一方面重量重，不利于系統(tǒng)節(jié)能。綜合考慮礦用防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌膠輪運人車采用馬達(dá)雨刮方案。原理圖如圖6所示。

1-雨刮馬達(dá)；2-節(jié)流閥；3-電磁閥；4-溢流閥圖6 雨刮子系統(tǒng)原理圖

馬達(dá)雨刮系統(tǒng)由雨刮馬達(dá)、節(jié)流閥、防爆電磁換向閥、溢流閥及附屬管路組成。雨刮子系統(tǒng)進(jìn)油從制動子系統(tǒng)回油引出。雨刮不工作時，電磁閥不得電，油液通過電磁閥P口進(jìn)入，再經(jīng)T口流出。油液不通過馬達(dá)，馬達(dá)無旋轉(zhuǎn)，雨刮無動作。

按下雨刮按鈕Y1，電磁閥得電，油液通過電磁閥P口進(jìn)入，A口流出，通過馬達(dá)、節(jié)流閥、再從電磁閥B口進(jìn)入，T口流出。油液通過馬達(dá)，馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，雨刮動作。

當(dāng)雨刮速度過高時，通過調(diào)小節(jié)流閥節(jié)流孔、調(diào)高溢流閥溢流壓力，可使馬達(dá)轉(zhuǎn)速下降，進(jìn)而降低雨刮速度；當(dāng)雨刮速度過慢時，通過調(diào)大節(jié)流閥節(jié)流孔、調(diào)低溢流閥溢流壓力，可使馬達(dá)轉(zhuǎn)速升高，進(jìn)而提高雨刮速度。

3.4 散熱子系統(tǒng)

散熱系統(tǒng)為整車發(fā)熱元件散熱，維持整車的熱平衡。發(fā)熱元件包括電機、控制器、散熱電阻等。通過計算，濕式制動器采用自冷卻散熱；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與制動系統(tǒng)的流量之和滿足電機、電機控制器及散熱器的流量需求；由于發(fā)熱功率小，根據(jù)計算，散熱器可采用自然風(fēng)冷散熱形式，無需采用風(fēng)扇強制散熱形式。散熱系統(tǒng)原理圖如圖7所示。

圖7 散熱子系統(tǒng)原理圖

4 結(jié)語

2016年4月17日，3臺礦用防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌膠輪運人車在神東煤炭集團大柳塔煤礦投入使用，截止2018年3月20日，其中1#車運行11 800 km，累計充電量7 456.89 Ah；2#車運行4 658 km，耗電2 929.62 Ah·h；3#車運行5 943 km，耗電4 682.5 Ah。平均百公里耗電量約為39.6 kW·h，電費約合25.74元，較防爆柴油工程車百公里節(jié)約燃料費用208.26元。

根據(jù)樣車工業(yè)性試驗測試情況，整車?yán)m(xù)航里程可達(dá)80 km，各液壓系統(tǒng)工作穩(wěn)定，參數(shù)匹配合理，液壓系統(tǒng)各項指標(biāo)均滿足整車設(shè)計指標(biāo)，且系統(tǒng)符合高效節(jié)能，滿足井下安全運輸要求。