劉志更

(中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

1 無軌膠輪車發(fā)展

20世紀(jì)90年代，伴隨著中國經(jīng)濟建設(shè)步伐的加快，對煤炭的需求日益旺盛，促使煤炭企業(yè)急需擴大產(chǎn)能，引進國外先進的采煤及輔運設(shè)備。其中無軌輔助運輸設(shè)備因其效率高、機動性強、操控簡單、輔助人員少等優(yōu)點，使得這種新型的無軌輔助運輸方式受到我國90%以上新建礦井和改擴建礦井的青睞。早期受技術(shù)限制及備件短缺、價格昂貴等因素的影響，進口設(shè)備使用成本代價太大，國內(nèi)的煤礦設(shè)備制造商便開始了進口設(shè)備國產(chǎn)化吸收再創(chuàng)造的征程，經(jīng)過了近20年的發(fā)展和積淀，我國煤機設(shè)備技術(shù)水平已經(jīng)接近甚至超越了進口同類設(shè)備。

無軌膠輪車作為礦井輔助運輸?shù)闹饕O(shè)備，其技術(shù)和生產(chǎn)制造水平在我國發(fā)展迅速，涌現(xiàn)出來了諸如山西天地煤機、常州科試、江蘇天明、萊州亞通、航天重工、卡利格等一些煤機裝備企業(yè)，實現(xiàn)了小、中、重型無軌膠輪設(shè)備的全覆蓋，完全滿足了礦井生產(chǎn)需求。其中輕型車的主要代表有：WC9R防爆皮卡車、WC20R防爆運人車等；工程車的主要代表有：WC3J、WC5E、WC5E(B) 、WC8E、WC8E(B)、WCJ10E等防爆柴油機無軌膠輪車；支架搬運車的主要代表有：WC25EJ、WC40EJ、WC55EJ柴油鏟板式搬運車，WX35J、WX45J鉛酸蓄電池鏟板式搬運車，WC40Y、WC55Y、WC80Y框架式支架搬運等；鏟運機的主要代表有：WJ-4FB、WJ-7FB、WJ-10FB防爆柴油鏟運機等；其余專用車有WC3Y順槽車，JC3、5型井下混凝土攪拌車等。另外根據(jù)客戶的特殊需求還派生出了很多系列化車型。

2 發(fā)展瓶頸

2.1 尾氣排放高

一個年產(chǎn)500萬t以上的大型礦井，生產(chǎn)高峰期需要近百輛防爆柴油機車運行于狹窄的巷道中，由于礦井的客觀通風(fēng)條件和防爆柴油機車的特殊防爆結(jié)構(gòu)，使得巷道空氣中CO、NOx等有害氣體濃度以及PM顆粒嚴(yán)重超標(biāo)?！兜V用防爆柴油機通用技術(shù)條件》對廢氣成分的規(guī)定：有害氣體成分的體積濃度不應(yīng)超過下列許可值：一氧化碳，0.1%；氮氧化物，0.08%[1，2]。而目前的防爆柴油機膠輪車排放指標(biāo)勉強達標(biāo)，僅達到國Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)，由此引發(fā)的職業(yè)病及潛在的危害程度，甚至超過了我國煤礦的塵矽肺、煤矽肺等職業(yè)病，職業(yè)健康環(huán)境堪憂。

2.2 油耗高、效率低

受礦井巷道運行條件限制，膠輪車設(shè)計必須比地面車輛更加堅固和防撞。同載重量車輛的自重是地面車輛的2～3倍，同載重量的車輛百公里耗油量是地面車輛的3倍以上，燃油消耗及浪費嚴(yán)重。

同時柴油機進排氣防爆處理導(dǎo)致做功阻力加大，使得柴油機不能運行在一個通暢、高效、經(jīng)濟的狀態(tài)，運行平均效率同比地面車輛降低20%左右。

2.3 噪音高

因無軌膠輪車防爆柴油機功率較大，巷道空間狹小，柴油機及傳動產(chǎn)生的聲音不能被很好地擴散和吸收，導(dǎo)致車輛普遍噪音較高，一般超過90dB(A)甚至達到110dB(A)，對駕駛員及作業(yè)礦工的聽力功能損傷很大。

2.4 維護成本高

國內(nèi)煤礦使用的膠輪車的完好率基本低于60%，相當(dāng)一部分膠輪車處于在修和待修狀態(tài)，與地面車輛完好率超過95%以上相差甚遠(yuǎn)。車輛大修和項修周期短，易損件多，備件更換率高，單車月維護費用平均達萬元，超過地面車輛的2倍以上，維護成本高。

2.5 巷道適應(yīng)性差

防爆柴油機無軌膠輪車運行于長距離連續(xù)坡道時，適應(yīng)性差的問題越發(fā)突出[3]，上坡動力不足短板有待突破，下坡制動安全遭遇挑戰(zhàn)。

3 解決對策

3.1 動力環(huán)節(jié)

為了改善膠輪車尾氣污染帶來的礦工職業(yè)健康問題，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，采用更加清潔、更加環(huán)保的動力源是必由之路。主要有幾下幾種方案：

1)電噴柴油發(fā)動機降低污染方案。電控燃油噴射系統(tǒng)[4]能夠提高系統(tǒng)內(nèi)的燃油噴射壓力，對噴油規(guī)律能夠準(zhǔn)確、靈活控制。按照不同工況運行時，使柴油機的各燃油噴射參數(shù)(噴油壓力、噴油量、噴油定時、噴油速率)，能夠得到實時監(jiān)控和最優(yōu)的綜合控制，實現(xiàn)降低柴油機排放，提高燃油經(jīng)濟性的目的。山西天地煤機裝備有限公司已經(jīng)研制出了75kW、130kW、240kW等級的防爆增壓中冷電噴柴油機，并得到了推廣應(yīng)用，尾氣排放相比機械泵式柴油機減少30%～40%。

2)純電動驅(qū)動方案。在煤礦井下一些通風(fēng)條件差的區(qū)域，為了改善工人的作業(yè)環(huán)境，確保人身安全，一些作業(yè)車采用了鉛酸蓄電池純電動方案。如用于掘進工作面清理浮煤作業(yè)的鏟車，在神華神東礦區(qū)應(yīng)用普遍，主要有488-UN-A-TRAC；綜采工作面短距離搬運支架的鏟板車，主要有VT636、VT650、VT680支架搬運車。2018年1月，用于神華集團8.8m智能超大采高綜采成套裝備搬運的100t蓄電池防爆鏟板搬運車也已開始應(yīng)用。但鉛酸蓄電池存在能量密度低、體積大、維護量大、充電時間長、充放電次數(shù)少、電池二次污染等缺陷，僅在井下相對封閉狹小的短距離作業(yè)車上使用，并未在長距離運輸?shù)哪z輪車上得到應(yīng)用。

鋰離子蓄電池膠輪車由于井下蓄電池使用容量受限、壽命短、成本高、續(xù)航里程短、爬坡能力有限等問題，正在試驗當(dāng)中，在我國并未得到大范圍推廣應(yīng)用。

3)油電雙動源架線車方案。研究柴油機和電機分時獨立驅(qū)動的無軌膠輪車，在架線輔運大巷采用電驅(qū)動運行；在非架線巷道采用防爆電噴柴油機驅(qū)動運行。該方案可實現(xiàn)煤礦井下主要進風(fēng)巷內(nèi)的尾氣污染零排放，在通風(fēng)條件不好的區(qū)域尾氣排放同比有效降低。該方案是目前能夠做到的比較好的一種，但存在同時布置兩種動力致使車輛體積大、整車尺寸大，適應(yīng)性較之前單動力車也會變差等問題，更需要一整套嚴(yán)格的管理措施來確保車輛在架線區(qū)域的安全運行。

4)電電雙動源架線車方案。研究車載蓄電池和架線電源作為動力源、電機驅(qū)動的無軌膠輪車[5]，在架線輔運大巷采用架線供電運行；在非架線巷道采用車載蓄電池供電運行，架線運行的同時給車載蓄電池充電。該方案可實現(xiàn)煤礦井下全巷道內(nèi)的尾氣污染零排放，徹底解決膠輪車尾氣污染問題，目前還是受限于蓄電池的技術(shù)發(fā)展。

相信隨著成本低、密度高、體積小的蓄電池問世，無需鋪軌架線，純電動無軌膠輪車的春天必將到來。既實現(xiàn)了膠輪車的清潔無污染、節(jié)約了能源、減少了噪音，又提高了適應(yīng)性，降低了故障率，將大大提高我國礦井的現(xiàn)代化水平。

3.2 設(shè)計制造環(huán)節(jié)

由于礦井的特殊作業(yè)環(huán)境，礦用車輛的需求量遠(yuǎn)小于地面車輛，礦井生產(chǎn)對于膠輪車的要求也僅限于能夠滿足生產(chǎn)需求，進而導(dǎo)致膠輪車生產(chǎn)廠商不會把過多的精力投入到車輛的精細(xì)設(shè)計當(dāng)中，車輛設(shè)計還停留在粗糙設(shè)計水平。設(shè)計過程中閉門造車、功能冗余，系統(tǒng)過于復(fù)雜、仿真手段欠缺、試驗不充分、前期經(jīng)驗數(shù)據(jù)積累不夠、設(shè)計過于保守、舒適性差[6]等問題普遍存在。設(shè)計制造水平還遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于成熟的工程機械裝備，諸如外觀粗糙、裝配工藝水平落后、管線布置混亂等問題突出，其應(yīng)對措施如下：

1)注重整機頂層設(shè)計，樹立項目課題負(fù)責(zé)人的總體大局意識，做好市場調(diào)研，充分了解客戶現(xiàn)場需求，以便設(shè)計時宏觀把控，合理任務(wù)分解。

2)提高設(shè)計人員的綜合能力，從現(xiàn)場實際需求出發(fā)，精簡各系統(tǒng)功能，做到簡單實用、方便操作、舒適性好、維修方便。車輛設(shè)計時去除冗余設(shè)計，精簡故障點，減少不可控因素，故障率將會大大改善。

3)嚴(yán)格設(shè)計過程審查。做好傳動系統(tǒng)匹配與計算復(fù)核，可以確保車輛動力性能穩(wěn)定；做好圖紙審查，可以有效杜絕低級設(shè)計失誤。

4)注重關(guān)鍵傳動元部件的設(shè)計及選型、參與生產(chǎn)工藝管理、加強元部件在的試驗力度，做好數(shù)據(jù)分析及改進試驗工作，保證元部件的高可靠性。

5)完善整機裝配工藝管理，加強中間過程質(zhì)量控制。整機裝配一定要按照工藝規(guī)程嚴(yán)格執(zhí)行，采取合適的裝配手段和方法，拒絕粗暴裝配。各種管線布置要有據(jù)可依，做到整齊有序，便于元部件和管線的維修和更換。

3.3試驗環(huán)節(jié)

國內(nèi)無軌膠輪車廠商主要是匹配和組裝，外購元部件的數(shù)量占到整機關(guān)鍵元部件的80%～90%，其質(zhì)量得不到保證。自主研發(fā)的關(guān)鍵元部件很多時候在試驗臺上的試驗不充分，就冒然服務(wù)于整機，帶來行車安全隱患。

另外國內(nèi)除個別廠商擁有比較完善的試車道及整機性能試驗臺之外，很多廠商還不具備全面測試車輛性能的手段，整機得不到充分地跑合，一些潛在的問題不足以暴露就服務(wù)于生產(chǎn)，帶來安全隱患的同時也損傷了廠商的質(zhì)量和信譽。

提高整機裝備質(zhì)量，降低車輛維修成本，應(yīng)該加大元部件及整機的試驗力度，在不同工況下進行嚴(yán)格測試和數(shù)據(jù)分析，并結(jié)合現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)進行改進完善才是根本出路。

4 前沿技術(shù)研究

1)根據(jù)電控泵噴油系統(tǒng)的性能機理，優(yōu)化防爆電噴柴油機噴油控制工藝，實時監(jiān)控和調(diào)整單體泵的噴油量和噴油正時，提高扭矩和功率指標(biāo)，減少燃料消耗，降低排放。繼續(xù)深入研究礦用柴油機進、排氣防爆技術(shù)，減少功率損失。

2)使用現(xiàn)代化的信息技術(shù)，實現(xiàn)對車輛本身運行參數(shù)的監(jiān)測、車載語音通話、機車可視雷達倒車、提供車輛狀態(tài)自診斷和分析等功能，進而對車輛系統(tǒng)及關(guān)鍵部件進行實時狀態(tài)監(jiān)測，可以快速發(fā)現(xiàn)問題、識別潛在安全隱患，便于用戶及時維護，確保車輛及人員安全。除此之外，隨著車載終端數(shù)據(jù)采集分析處理平臺技術(shù)的日趨成熟，可以足不出戶就可以收集更多的一線試驗數(shù)據(jù)，為設(shè)計和研發(fā)提高效率和質(zhì)量。

3)逐步探索研究無人駕駛技術(shù)在煤礦井下無軌膠輪車應(yīng)用的適應(yīng)性，為高效安全的智慧礦山做技術(shù)儲備。

4)配套基于物聯(lián)網(wǎng)的無軌輔助運輸工藝，研制智能、清潔、高效的無軌膠輪車，實現(xiàn)礦井生產(chǎn)中人、物料及設(shè)備等的智能分配和高效運輸，全面提升我國礦井輔助運輸?shù)闹悄芑夹g(shù)水平。

5 結(jié) 語

無軌膠輪車的大范圍應(yīng)用，縮短了礦井生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，大大提高了礦井運輸效率。在肯定其效果的同時，更應(yīng)該正視其存在的尾氣污染大、噪音高、燃油消耗高、維護成本高、適應(yīng)性差等突出問題，使用清潔動力源、提高設(shè)計制造水平、加強整機和元部件試驗力度，精細(xì)生產(chǎn)打造精品，并逐步將信息技術(shù)、無人駕駛技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等前沿科技進行研究和應(yīng)用，才能使無軌膠輪車更高效、更安全、更持久地服務(wù)于礦井生產(chǎn)。