中國煤炭科工集團太原研究院有限公司 山西太原 030006

鉀 是農(nóng)作物生長所必須的營養(yǎng)元素之一，而95% 的鉀鹽用來生產(chǎn)鉀肥，因此，鉀鹽的開采和利用直接關(guān)系到國家糧食安全。受鉀鹽成礦地質(zhì)條件影響，全球鉀鹽資源的分布高度集中，主要分布在歐洲和北美等地區(qū)，其中全球總儲量的 70% 被白俄羅斯、俄羅斯和加拿大這 3 個國家所占據(jù)，資源分布的不均勻性決定了鉀鹽的生產(chǎn)也被少數(shù)企業(yè)壟斷。我國鉀肥產(chǎn)量自給率只有一半，因此保障境外鉀鹽安全穩(wěn)定的供應(yīng)是我們面臨的首要任務(wù)。中國在合理開發(fā)利用國外鉀鹽資源方面，不僅需要綜合分析礦產(chǎn)資源的開發(fā)條件，同時還要考慮該國的政治經(jīng)濟等因素。老撾的萬象盆地特大型鉀礦勘測 KCL 資源儲量高達(dá) 130 億 t，為鉀石鹽-光鹵石型礦床，礦體厚度較大，礦石品位較高，屬于優(yōu)質(zhì)資源，是迄今發(fā)現(xiàn)的大型光鹵石鉀鹽礦。中撾友誼源遠(yuǎn)流長，在老撾鉀鹽資源勘查開發(fā)上，中國具有經(jīng)濟和地緣政治的優(yōu)勢；因此研制適應(yīng)于鉀鹽礦開采的相關(guān)裝備，合理開發(fā)利用鉀鹽資源，可以更好地為國家的糧食生產(chǎn)和安全提供保障[1-2]。

梭車作為連續(xù)采煤機的后配套裝備，由于其運行靈活和裝卸速度快等特點，目前被廣泛應(yīng)用在神東榆林等礦區(qū)的邊角煤開采或巷道掘進(jìn)中。但是其使用僅限于煤礦中，而老撾鉀鹽礦的環(huán)境特點是溫度高，濕度大，腐蝕性強，因此需要設(shè)計一款鉀鹽礦用梭車，以適應(yīng)其復(fù)雜的外界環(huán)境。

1 鉀鹽礦的開采環(huán)境及開采工藝

老撾鉀鹽礦礦石資源十分豐富，鉀鹽含量極高，而且礦物類型比較簡單。其中主要是光鹵石鉀鹽礦，成分以光鹵石 (KCL·MgCL2·6H2O)和氯化鉀 (KCL)的形式存在。在鉀鹽生產(chǎn)過程中，存在的腐蝕性物質(zhì)主要為鹽霧，含有 CL-和 H2O。隨著環(huán)境溫度的升高，腐蝕性物質(zhì)產(chǎn)生汽化并對設(shè)備進(jìn)行腐蝕[3]，而且井工開采的鉀鹽礦一般埋藏較深 (某投資公司在老撾投資的鉀鹽礦井深約 1 000 m)，井下溫度一直都不低于 38 ℃，而且環(huán)境濕度較大，這就更加劇了設(shè)備的腐蝕。

鉀鹽礦的典型開采工藝通常有兩種：一種是連續(xù)型運輸開采，所采用的設(shè)備配套形式為連續(xù)采鉀機+連續(xù)運輸系統(tǒng)；另一種是間斷式運輸開采，所采用的設(shè)備是連續(xù)采鉀機+梭車[4]。間斷式運輸開采工藝系統(tǒng)以其設(shè)備配套簡單、適應(yīng)性強、投資成本較低等優(yōu)點，成為鉀鹽開采企業(yè)的首選，其開采工藝如圖 1 所示。由圖 1 可知，連續(xù)采鉀機將鉀鹽截割下來后，將其裝入梭車，由梭車運送至輸送帶上再運到井外。梭車穿梭于采鉀鹽機和輸送帶之間，實現(xiàn)物料的運輸。

圖1 鉀鹽礦開采工藝Fig.1 Mining process of potassium salt

2 鉀鹽礦用梭車的結(jié)構(gòu)特點

中國煤炭科工集團太原研究院有限公司是國內(nèi)最早研制梭車的單位，在梭車研制方面積累了豐富的經(jīng)驗，在國內(nèi)梭車市場保有率上也占據(jù)絕對優(yōu)勢。榆林神東等煤礦開采中大量使用其所生產(chǎn)的梭車，梭車運行穩(wěn)定，性能可靠，故障率低，得到用戶的一致好評。

鉀鹽礦用梭車結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，主要由分體機架、行走轉(zhuǎn)向機構(gòu)、電控系統(tǒng)、循環(huán)水冷系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、卷攬機構(gòu)和輸送機構(gòu)等組成[5]。

圖2 鉀鹽礦用梭車結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of shuttle car used in potassium salt mine

為了適應(yīng)不同礦井下井尺寸的需要，鉀鹽礦用梭車的分體機架進(jìn)行分解后下井再進(jìn)行組裝，而目前國外同類產(chǎn)品均是整體式機架，適應(yīng)礦井范圍較窄；行走轉(zhuǎn)向機構(gòu)采用空間連桿機構(gòu)實現(xiàn)四輪全轉(zhuǎn)向，該結(jié)構(gòu)在輪胎轉(zhuǎn)向時轉(zhuǎn)向受力好，行走時則由兩側(cè) 2 個交流電動機分別驅(qū)動 2 個輪邊減速器；電控系統(tǒng)是對電動機等電氣件的統(tǒng)稱；循環(huán)水冷系統(tǒng)對變頻器進(jìn)行冷卻；液壓系統(tǒng)為液壓缸等提供液壓油源；卷纜機構(gòu)實現(xiàn)電纜高速收放，最大行程可達(dá) 150 m；輸送機構(gòu)將車輛中的煤卸到輸送帶上，采用交流變頻技術(shù)，特點是啟動轉(zhuǎn)矩大，對運輸系統(tǒng)沖擊性小。

3 設(shè)計要點

3.1 防腐措施

通過對鉀鹽礦井下開采現(xiàn)場的觀察與分析可知，鉀鹽礦物元素對車輛的腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕。鉀鹽礦與煤礦的地質(zhì)結(jié)構(gòu)不同，煤礦開采中的片幫和垮落現(xiàn)象在鉀鹽礦不會出現(xiàn)。在鉀鹽礦中，鉀鹽截割過程中產(chǎn)生的鉀鹽顆粒很小，同時也會產(chǎn)生大量的粉塵，常用的除塵方式是噴灑飽和鹽水。這些粉塵吸水性特別強，吸水后鉀鹽粉塵和設(shè)備表面會構(gòu)成微電池對設(shè)備造成腐蝕[6-7]。此外，鉀鹽礦埋藏深度一般達(dá)數(shù)百米，有的甚至上千米，井下溫度較高，這就加快了鉀鹽對設(shè)備的腐蝕速度。

碳鋼在空氣中的腐蝕主要包括電化學(xué)腐蝕和氧化腐蝕，腐蝕速度不高，在空氣中的腐蝕反應(yīng)方程式如下：

在單一鹽和復(fù)合鹽的環(huán)境下，腐蝕會變得非?？?，主要原因是金屬表面的氧化膜與鹽中的氯離子發(fā)生反應(yīng)溶解到鹽中，化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

溶解物和氧氣發(fā)生反應(yīng)形成沉淀物，使氧化層進(jìn)一步增厚，加速了腐蝕，化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

針對鉀鹽開采強腐蝕性的環(huán)境，鉀鹽礦用梭車分別從 3 個方面對設(shè)備進(jìn)行防腐處理。第一是機架，鉀鹽梭車機架先酸洗進(jìn)行化學(xué)防腐，然后再進(jìn)行噴漆作業(yè)，底漆選用 H06-4 環(huán)氧富鋅底漆，厚度為 230～270 μm，中間漆選用云鐵環(huán)氧防銹漆，厚度為 60～100 μm，面漆選用氯化橡膠鋁粉防銹漆，厚度為 250～300 μm[8]。第二是銷軸，由于銷軸涉及拆裝和更換，一旦銹蝕嚴(yán)重，無法進(jìn)行拆卸。銷軸表面熱處理工藝采用新型復(fù)合鹽浴高防腐處理技術(shù)，即在氮化鹽浴和氧化鹽浴兩種鹽浴中處理工件。這種技術(shù)在工件不變形的情況下，既能提高工件表面的抗腐蝕性，又能提高工件的耐磨性，實現(xiàn)了滲氮和氧化工序的復(fù)合以及熱處理技術(shù)和防腐技術(shù)的復(fù)合。第三是標(biāo)準(zhǔn)件，設(shè)備中會大量使用了需要頻繁拆卸的標(biāo)準(zhǔn)件及液壓接頭。鉀鹽礦現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過發(fā)黑處理的螺栓等標(biāo)準(zhǔn)件容易發(fā)生“銹死”現(xiàn)象，這就給設(shè)備維護帶來困難，為此本設(shè)計采用不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)件和接頭。

3.2 降溫措施

梭車行走系統(tǒng)采用變頻調(diào)速電動機，變頻器發(fā)熱量很大，在梭車中有專門的水冷系統(tǒng)，用來給變頻器箱散熱。水冷系統(tǒng)如圖 3 所示，水冷系統(tǒng)的工作原理[9]是：水循環(huán)泵將冷水從水箱Ⅰ中抽出，經(jīng)過變頻器箱后，將變頻器箱中的熱量帶走，然后進(jìn)入水箱Ⅱ，熱水在水箱Ⅱ和水箱Ⅰ中充分散熱后再進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)。因為水的熱量是靠水箱發(fā)散的，因此設(shè)置了2 個水箱增加散熱面積?，F(xiàn)有梭車使用的煤礦井下環(huán)境溫度一般在 10～25 ℃ 之間，而老撾鉀鹽礦井下溫度達(dá)到 38 ℃，現(xiàn)有的水冷系統(tǒng)顯然不能滿足散熱要求，因此在鉀鹽礦用梭車的水冷系統(tǒng)中串聯(lián)了 1 個散熱器，水箱不能及時散走的熱量通過散熱器發(fā)散。

圖3 水冷系統(tǒng)Fig.3 Cooling system

3.3 制動系統(tǒng)的改進(jìn)

由于鉀鹽礦與煤礦不同，車輛與路面的摩擦因數(shù)也有所不同，原有的制動力矩不能滿足鉀鹽礦的制動要求，因此必須對梭車的制動參數(shù)重新進(jìn)行調(diào)整。

梭車傳動系統(tǒng)的布置簡圖如圖 4 所示。由圖 4 可知，梭車傳動系統(tǒng)的順序是，行走電動機與行走減速器相連，行走減速器與前輪邊減速器通過短傳動軸相連，前輪邊減速器再通過長傳動軸與后輪邊減速器相連。其中輪邊減速器與輪胎相連，實現(xiàn)車輛的動力傳動，制動器則與行走減速器相連。由于梭車傳動系統(tǒng)對稱布置在車體的兩側(cè)，此處只給出傳動系統(tǒng)的一側(cè)。

圖4 梭車傳動系統(tǒng)布置簡圖Fig.4 Layout sketch of drive system of shuttle car

制動距離

則

式中：t1為駕駛員反應(yīng)時間，s；t2為液壓制動系統(tǒng)響應(yīng)時間，s；v為滿載行車速度，m/s；a為制動加速度，m/s2。

制動器所需的制動力矩

式中：J為整車滿載時的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；m為滿載質(zhì)量，kg；f為滾動摩擦因數(shù)；i為傳動系統(tǒng)的傳動比。

由式 (3)可知，除了滾動摩擦因數(shù)f，其余變量是系統(tǒng)固有的，由于車輛與鉀鹽的滾動摩擦因數(shù)比車輛與煤礦的滾動摩擦因數(shù)小，所需的制動力矩就要增大。因此本設(shè)計通過增大制動器的制動力矩來滿足鉀鹽礦用梭車的制動要求[9]。

鉀鹽礦用梭車的實物如圖 5 所示。

圖5 鉀鹽礦用梭車的實物Fig.5 Entity of shuttle car used in potassium salt mine

4 結(jié)論

針對老撾鉀鹽礦溫度高，濕度大，腐蝕性強的特有開采特點，開發(fā)了耐腐蝕耐高溫的鉀鹽礦用梭車，使其能滿足鉀鹽礦開采的要求。