郝明銳

(中國煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

無軌輔助運(yùn)輸工藝在煤礦生產(chǎn)中的應(yīng)用有效地提升了人員和物料的運(yùn)輸效率。與井下軌道運(yùn)輸相比，無軌輔助運(yùn)輸可節(jié)約近2/3的人員數(shù)量，使輔運(yùn)成本降低60%～70%。在無軌輔助運(yùn)輸開展較為成熟的礦區(qū)，輔運(yùn)成本在噸煤生產(chǎn)總成本中不足5元，其規(guī)?；瘧?yīng)用對煤礦生產(chǎn)的機(jī)械化、高效化意義重大[1-2]。根據(jù)動(dòng)力裝置形式的不同，當(dāng)前煤礦無軌輔助運(yùn)輸車輛主要有以防爆柴油機(jī)為動(dòng)力的柴驅(qū)車型和以防爆電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車型兩種。其中，防爆柴驅(qū)車型因尾氣排放嚴(yán)重、傳動(dòng)效率低、系統(tǒng)能耗高等問題，發(fā)展日益受限；防爆電驅(qū)車型因防爆動(dòng)力電池等關(guān)鍵技術(shù)尚不成熟，導(dǎo)致續(xù)航里程不足、整車成本較高，其使用數(shù)量有限，應(yīng)用范圍較窄，短期內(nèi)難以替代柴驅(qū)車型[3-4]。以無軌輔助運(yùn)輸工藝應(yīng)用較為成熟的國家能源集團(tuán)神東礦區(qū)為例，2018年其在役的各型無軌輔助運(yùn)輸車輛共計(jì)2 100余臺，其中電驅(qū)車型總數(shù)不足100臺，占比不足5%。

防爆動(dòng)力裝置及其傳動(dòng)系統(tǒng)作為防爆無軌輔助運(yùn)輸車輛的重要部件，其技術(shù)發(fā)展是降低整車排放和系統(tǒng)能耗的關(guān)鍵。通過研究上述兩種動(dòng)力裝置的技術(shù)現(xiàn)狀及其典型傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對明確無軌輔助運(yùn)輸車輛動(dòng)力傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展方向、推動(dòng)無軌輔助運(yùn)輸工藝進(jìn)步，促進(jìn)煤礦生產(chǎn)節(jié)能減排具有重要意義。

1 防爆柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)力傳動(dòng)技術(shù)

1.1 防爆柴油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀

防爆柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為煤礦輔運(yùn)設(shè)備的主要?jiǎng)恿ρb置，技術(shù)成熟，可靠性高，但其尾氣排放帶來的井下空氣污染問題日趨嚴(yán)重。目前礦用防爆車輛主要采用中冷增壓技術(shù)替代早先的自然吸氣式防爆柴油機(jī)，以提高進(jìn)氣效率，改善排放水平[5-6]。煤安監(jiān)技裝〔2018〕39號文件《國家煤礦安監(jiān)局關(guān)于發(fā)布禁止井工煤礦使用的設(shè)備及工藝目錄(第四批)的通知》明確規(guī)定，防爆柴油機(jī)排放需符合GB 20891—2014《非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測量方法》要求，未達(dá)到國Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)型2年后將禁止使用。此舉必將推動(dòng)行業(yè)的技術(shù)革新，相關(guān)低排放技術(shù)的市場需求已十分迫切。

防爆柴油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的主要發(fā)展指向采取防爆電控燃油噴射技術(shù)的電噴發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、尾氣后處理技術(shù)、阻火柵欄高效透氣技術(shù)等。其中采用防爆電控單體泵替換目前常用機(jī)械泵的防爆電噴柴油機(jī)技術(shù)，已進(jìn)入工業(yè)化推廣應(yīng)用階段。該技術(shù)采用時(shí)間控制式電控系統(tǒng)，通過控制防爆高速電磁閥的通斷時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對燃油噴射時(shí)刻和噴射量的精確控制，最大噴油壓力達(dá)到130～160 MPa，可改善燃油噴霧性，有效降低排放指標(biāo)。圖1為某型防爆柴油機(jī)電噴改造前后，尾氣中主要有害物質(zhì)CO和NOx的排放情況對比。改造后排放指標(biāo)明顯好轉(zhuǎn)。該技術(shù)對燃油品質(zhì)要求相對較低，對原機(jī)械式噴油系統(tǒng)柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)改動(dòng)小，排放穩(wěn)定性好，符合煤礦防爆車輛使用需求[7-8]，有一定的市場前景。

(a) CO排放對比

(b) NOx排放對比圖1 某型防爆柴油機(jī)電噴改造前后主要有害 排放指標(biāo)對比

1.2 驅(qū)傳動(dòng)技術(shù)

防爆柴油機(jī)驅(qū)車型使用的傳動(dòng)技術(shù)主要有三種：一般機(jī)械傳動(dòng)、液力機(jī)械傳動(dòng)和靜液壓傳動(dòng)，其技術(shù)性能比較見表1。

表1 防爆柴驅(qū)傳動(dòng)技術(shù)性能比較

一般機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)主要是通過控制離合器和變速箱實(shí)現(xiàn)不同擋位的傳動(dòng)，傳動(dòng)效率好、可靠性好、易于維護(hù)、成本較低，廣泛應(yīng)用于防爆運(yùn)人車、皮卡車等車型。但其存在操作繁瑣、駕乘體驗(yàn)差的缺點(diǎn)。而液力機(jī)械傳動(dòng)和靜液壓傳動(dòng)因采用柔性傳動(dòng)技術(shù)，更適合煤礦井下復(fù)雜惡劣的路況環(huán)境。

1.2.1 液力機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)

防爆柴油機(jī)的扭矩適應(yīng)性系數(shù)及過載能力較小，為適應(yīng)車輛頻繁過載與載荷變化大的工況需求，液力機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)被長距離運(yùn)料車型和鏟板類作業(yè)車型廣泛采用。圖2為一種典型的液力機(jī)械傳動(dòng)布置形式。防爆柴油機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力先通過抬高裝置傳遞給液力變矩器，然后到達(dá)動(dòng)力換擋變速箱，再通過傳動(dòng)軸分別傳遞給前、后驅(qū)動(dòng)橋，帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)橋中集成有濕式制動(dòng)器，保證車輛制動(dòng)安全。

1-前驅(qū)動(dòng)橋;2-傳動(dòng)軸;3-變速箱;4-變矩器; 5-后驅(qū)動(dòng)橋;6-抬高裝置;7-防爆柴油機(jī)。圖2 某車型液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)布置

液力機(jī)械傳動(dòng)具有良好的自動(dòng)適應(yīng)性，可簡化車輛操縱，提高駕乘舒適性、通過能力和使用壽命，安全性較高。但同一般機(jī)械傳動(dòng)相比，其成本相對較高，且因液力變矩器在傳動(dòng)過程中產(chǎn)生能耗損失，導(dǎo)致傳動(dòng)效率降低。目前該技術(shù)主要通過機(jī)械拉桿或軟軸機(jī)構(gòu)等手動(dòng)實(shí)現(xiàn)換擋操縱，導(dǎo)致?lián)Q擋過程沖擊大、操作強(qiáng)度較高、部件損壞率高。通過防爆設(shè)計(jì)，利用電液控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)井下液力機(jī)械傳動(dòng)車型的自動(dòng)無級變速運(yùn)行，是該技術(shù)的重要研究方向[9]。

1.2.2 靜液壓傳動(dòng)技術(shù)

靜液壓傳動(dòng)技術(shù)具有結(jié)構(gòu)緊湊、布置靈活的特點(diǎn)，主要用于框架式液壓支架搬運(yùn)車等重載車型[10]。圖3為靜液壓傳動(dòng)系統(tǒng)典型的布置方式，采用兩側(cè)對稱布置設(shè)計(jì)。防爆柴油機(jī)通過分動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)兩個(gè)行走泵，由其帶動(dòng)兩側(cè)的液壓馬達(dá)實(shí)現(xiàn)行走功能。

1-輪邊制動(dòng)器;2-液壓馬達(dá);3-減速器;4-后驅(qū)動(dòng)輪;5-前輪; 6-液壓泵;7-分動(dòng)裝置;8-防爆柴油機(jī);9-散熱裝置。圖3 某車型靜液壓傳動(dòng)系統(tǒng)布置

當(dāng)前礦用靜液壓傳動(dòng)系統(tǒng)主要采用機(jī)械-液壓伺服控制，如自動(dòng)驅(qū)動(dòng)和防憋車控制(DA控制)技術(shù)，適用于載荷變化大、行走速度慢、作業(yè)精度低的牽引車輛。但該控制方式對發(fā)動(dòng)機(jī)的功率利用率較低，造成系統(tǒng)能耗和排放增大，惡化了井下尾氣污染情況。在地面工程機(jī)械領(lǐng)域，電液比例控制技術(shù)因具有良好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，在靜液壓傳動(dòng)控制中已普遍應(yīng)用，也是礦用靜液壓傳動(dòng)技術(shù)的主要發(fā)展方向[11-12]。

2 防爆電驅(qū)動(dòng)力傳動(dòng)技術(shù)

2.1 防爆電驅(qū)動(dòng)技術(shù)現(xiàn)狀

防爆電驅(qū)車輛具有零排放、低噪音等特點(diǎn)，其主要采用礦用特殊型鉛酸蓄電池或隔爆型鋰離子蓄電池作為車載動(dòng)力源，由防爆電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。典型車型有配合連采作業(yè)系統(tǒng)清理浮煤的防爆鉛酸蓄電池鏟運(yùn)機(jī)、綜采設(shè)備安裝回撤用的防爆鉛酸蓄電池鏟板車，以及小噸位的防爆鋰電池運(yùn)人車和運(yùn)料車。但該類車型普遍存在續(xù)駛里程不足、成本過高、維護(hù)保養(yǎng)困難等問題。防爆鋰電池車型續(xù)駛里程不足100 km，鉛酸電池車輛僅有約30 km的續(xù)駛里程。充電所需時(shí)間長，鉛酸電池充電時(shí)間通常需要6～8 h，目前主要通過更換電池的方式延長車輛工作時(shí)間；防爆鋰電池車輛目前只能在井上進(jìn)行充電，快充模式也需3 h左右，使用效率較低，嚴(yán)重限制其使用范圍。

防爆電動(dòng)機(jī)是利用防爆技術(shù)，在普通電動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上加裝隔爆外殼。與地面電動(dòng)機(jī)相比，其存在體積大、質(zhì)量重等特點(diǎn)。防爆電驅(qū)車型常用的類型有隔爆型交流異步電動(dòng)機(jī)、隔爆型開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)和隔爆型永磁同步電動(dòng)機(jī)。其中：隔爆型交流異步電動(dòng)機(jī)主要采用變頻調(diào)速技術(shù)，技術(shù)成熟，使用最為廣泛；隔爆型開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)因控制靈活、可實(shí)現(xiàn)較高的控制精度等特點(diǎn)，在防爆鋰電池車中有所應(yīng)用，驅(qū)動(dòng)效果良好，但是其控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，成本相對較高；隔爆型永磁同步電動(dòng)機(jī)具有效率高、能耗低和體積小等特點(diǎn)，適合作為車載驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)使用，是防爆電動(dòng)機(jī)技術(shù)的主要發(fā)展方向。

2.2 電驅(qū)傳動(dòng)技術(shù)

目前防爆電驅(qū)車輛采用的傳動(dòng)技術(shù)主要有兩種：電驅(qū)機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)和分布式電驅(qū)技術(shù)。表2為防爆電驅(qū)傳動(dòng)技術(shù)性能比較。

表2 防爆電驅(qū)傳動(dòng)技術(shù)性能比較

2.2.1 電驅(qū)機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)

電驅(qū)機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)是利用電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍寬、可實(shí)現(xiàn)短時(shí)過載等特點(diǎn)，采用單電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車橋或雙電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)前、后車橋等布置形式，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞功能。該技術(shù)充分利用成熟的機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)，可在對已有柴驅(qū)車型結(jié)構(gòu)形式改動(dòng)最小的情況下，實(shí)現(xiàn)其電動(dòng)化改造。

某防爆電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)電驅(qū)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的布置形式如圖4所示。防爆電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力通過分動(dòng)箱傳遞給前、后驅(qū)動(dòng)橋后，驅(qū)動(dòng)車輪實(shí)現(xiàn)車輛行走。該技術(shù)通過車橋?qū)崿F(xiàn)減速、差速等功能，對電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)要求較低，省去了柴驅(qū)傳動(dòng)中的變矩器、變速箱等復(fù)雜部件，簡化了傳動(dòng)系統(tǒng)。同時(shí)，可利用電動(dòng)機(jī)再生制動(dòng)功能，減少機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)磨損，延長車橋使用壽命，降低系統(tǒng)能耗，是當(dāng)前防爆電驅(qū)車輛主要采用的傳動(dòng)形式[12]。

1-前驅(qū)動(dòng)橋;2-傳動(dòng)軸;3-分動(dòng)箱;4-防爆電動(dòng)機(jī); 5-后驅(qū)動(dòng)橋;6-動(dòng)力電池。圖4 防爆電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)電驅(qū)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)布置

2.2.2 分布式電驅(qū)技術(shù)

分布式電驅(qū)技術(shù)是將驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)分散布置到各個(gè)車輪，形成相互獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)單元，其具有傳動(dòng)鏈短、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)效率高、易于布置等特點(diǎn)。利用車載電控系統(tǒng)分別控制各驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，通過對各車輪驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力的獨(dú)立控制，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)防滑、制動(dòng)防抱死和電子差速等功能，提高車輛動(dòng)力性，改善行駛平順性[13]。與電驅(qū)機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)相比，分布式電驅(qū)技術(shù)簡化了傳動(dòng)系統(tǒng)，但對電控系統(tǒng)的要求較高。

圖5是分布式電驅(qū)技術(shù)在鉸接式防爆電動(dòng)鏟板車上的應(yīng)用示意圖。防爆電動(dòng)機(jī)和輪邊減速器、制動(dòng)器、車輪組成一個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)單元，電控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對四個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的獨(dú)立控制；同時(shí)，通過電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩信息判斷路面狀況，實(shí)時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)矩分配、各輪差速，保障車輛平穩(wěn)作業(yè)。鉸接式結(jié)構(gòu)是井下作業(yè)車型的常見形式，分布式電驅(qū)技術(shù)在該類車型上的應(yīng)用尚存在路況適應(yīng)性差、故障率高、容易跑偏等問題，但作為電動(dòng)車型最適宜的傳動(dòng)形式，是防爆電驅(qū)傳動(dòng)技術(shù)的主要發(fā)展方向。

1-車輪;2-制動(dòng)器;3-輪邊減速器;4-防爆電動(dòng)機(jī);5-動(dòng)力電池。圖5 防爆電動(dòng)鏟板車輪邊驅(qū)動(dòng)布置

3 結(jié)論

1) 防爆柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)車型是當(dāng)前煤礦無軌輔助運(yùn)輸領(lǐng)域的主要裝備，由其帶來的大排放和高能耗問題日益嚴(yán)重。防爆電噴發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的推廣能有效緩解上述問題。同時(shí)，通過電液控制等技術(shù)手段提高傳動(dòng)效率、降低整車能耗，是防爆柴驅(qū)傳動(dòng)技術(shù)的重要研究方向。

2) 防爆電驅(qū)車型具有零排放、低能耗的優(yōu)勢，但目前受制于動(dòng)力電池技術(shù)，導(dǎo)致續(xù)駛里程不足、充電時(shí)間過長、維護(hù)保養(yǎng)困難、成本居高不下，其適用范圍有限，短期內(nèi)難以規(guī)?；瘧?yīng)用。隔爆型永磁電動(dòng)機(jī)的使用和分布式電驅(qū)技術(shù)的應(yīng)用可有效提高系統(tǒng)效率、降低能耗，是防爆電驅(qū)車型的研究熱點(diǎn)。