郝明銳

(中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

無軌輔助運輸工藝在煤礦生產中的應用有效地提升了人員和物料的運輸效率。與井下軌道運輸相比，無軌輔助運輸可節(jié)約近2/3的人員數量，使輔運成本降低60%～70%。在無軌輔助運輸開展較為成熟的礦區(qū)，輔運成本在噸煤生產總成本中不足5元，其規(guī)?；瘧脤γ旱V生產的機械化、高效化意義重大[1-2]。根據動力裝置形式的不同，當前煤礦無軌輔助運輸車輛主要有以防爆柴油機為動力的柴驅車型和以防爆電動機驅動的電動車型兩種。其中，防爆柴驅車型因尾氣排放嚴重、傳動效率低、系統(tǒng)能耗高等問題，發(fā)展日益受限；防爆電驅車型因防爆動力電池等關鍵技術尚不成熟，導致續(xù)航里程不足、整車成本較高，其使用數量有限，應用范圍較窄，短期內難以替代柴驅車型[3-4]。以無軌輔助運輸工藝應用較為成熟的國家能源集團神東礦區(qū)為例，2018年其在役的各型無軌輔助運輸車輛共計2 100余臺，其中電驅車型總數不足100臺，占比不足5%。

防爆動力裝置及其傳動系統(tǒng)作為防爆無軌輔助運輸車輛的重要部件，其技術發(fā)展是降低整車排放和系統(tǒng)能耗的關鍵。通過研究上述兩種動力裝置的技術現狀及其典型傳動系統(tǒng)的結構特點，對明確無軌輔助運輸車輛動力傳動技術的發(fā)展方向、推動無軌輔助運輸工藝進步，促進煤礦生產節(jié)能減排具有重要意義。

1 防爆柴油機驅動力傳動技術

1.1 防爆柴油發(fā)動機技術現狀

防爆柴油發(fā)動機作為煤礦輔運設備的主要動力裝置，技術成熟，可靠性高，但其尾氣排放帶來的井下空氣污染問題日趨嚴重。目前礦用防爆車輛主要采用中冷增壓技術替代早先的自然吸氣式防爆柴油機，以提高進氣效率，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)局關于發(fā)布禁止井工煤礦使用的設備及工藝目錄(第四批)的通知》明確規(guī)定，防爆柴油機排放需符合GB 20891—2014《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法》要求，未達到國Ⅲ排放標準的機型2年后將禁止使用。此舉必將推動行業(yè)的技術革新，相關低排放技術的市場需求已十分迫切。

防爆柴油發(fā)動機技術的主要發(fā)展指向采取防爆電控燃油噴射技術的電噴發(fā)動機技術、尾氣后處理技術、阻火柵欄高效透氣技術等。其中采用防爆電控單體泵替換目前常用機械泵的防爆電噴柴油機技術，已進入工業(yè)化推廣應用階段。該技術采用時間控制式電控系統(tǒng)，通過控制防爆高速電磁閥的通斷時間，實現對燃油噴射時刻和噴射量的精確控制，最大噴油壓力達到130～160 MPa，可改善燃油噴霧性，有效降低排放指標。圖1為某型防爆柴油機電噴改造前后，尾氣中主要有害物質CO和NOx的排放情況對比。改造后排放指標明顯好轉。該技術對燃油品質要求相對較低，對原機械式噴油系統(tǒng)柴油機的結構改動小，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 某型防爆柴油機電噴改造前后主要有害 排放指標對比

1.2 驅傳動技術

防爆柴油機驅車型使用的傳動技術主要有三種：一般機械傳動、液力機械傳動和靜液壓傳動，其技術性能比較見表1。

表1 防爆柴驅傳動技術性能比較

一般機械傳動技術主要是通過控制離合器和變速箱實現不同擋位的傳動，傳動效率好、可靠性好、易于維護、成本較低，廣泛應用于防爆運人車、皮卡車等車型。但其存在操作繁瑣、駕乘體驗差的缺點。而液力機械傳動和靜液壓傳動因采用柔性傳動技術，更適合煤礦井下復雜惡劣的路況環(huán)境。

1.2.1 液力機械傳動技術

防爆柴油機的扭矩適應性系數及過載能力較小，為適應車輛頻繁過載與載荷變化大的工況需求，液力機械傳動技術被長距離運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械傳動布置形式。防爆柴油機產生的動力先通過抬高裝置傳遞給液力變矩器，然后到達動力換擋變速箱，再通過傳動軸分別傳遞給前、后驅動橋，帶動車輪轉動。驅動橋中集成有濕式制動器，保證車輛制動安全。

1-前驅動橋;2-傳動軸;3-變速箱;4-變矩器; 5-后驅動橋;6-抬高裝置;7-防爆柴油機。圖2 某車型液力機械傳動系統(tǒng)布置

液力機械傳動具有良好的自動適應性，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。但同一般機械傳動相比，其成本相對較高，且因液力變矩器在傳動過程中產生能耗損失，導致傳動效率降低。目前該技術主要通過機械拉桿或軟軸機構等手動實現換擋操縱，導致換擋過程沖擊大、操作強度較高、部件損壞率高。通過防爆設計，利用電液控制技術實現井下液力機械傳動車型的自動無級變速運行，是該技術的重要研究方向[9]。

1.2.2 靜液壓傳動技術

靜液壓傳動技術具有結構緊湊、布置靈活的特點，主要用于框架式液壓支架搬運車等重載車型[10]。圖3為靜液壓傳動系統(tǒng)典型的布置方式，采用兩側對稱布置設計。防爆柴油機通過分動裝置驅動兩個行走泵，由其帶動兩側的液壓馬達實現行走功能。

1-輪邊制動器;2-液壓馬達;3-減速器;4-后驅動輪;5-前輪; 6-液壓泵;7-分動裝置;8-防爆柴油機;9-散熱裝置。圖3 某車型靜液壓傳動系統(tǒng)布置

當前礦用靜液壓傳動系統(tǒng)主要采用機械-液壓伺服控制，如自動驅動和防憋車控制(DA控制)技術，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)動機的功率利用率較低，造成系統(tǒng)能耗和排放增大，惡化了井下尾氣污染情況。在地面工程機械領域，電液比例控制技術因具有良好的動力性和經濟性，在靜液壓傳動控制中已普遍應用，也是礦用靜液壓傳動技術的主要發(fā)展方向[11-12]。

2 防爆電驅動力傳動技術

2.1 防爆電驅動技術現狀

防爆電驅車輛具有零排放、低噪音等特點，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力源，由防爆電動機進行驅動。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機、綜采設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人車和運料車。但該類車型普遍存在續(xù)駛里程不足、成本過高、維護保養(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。充電所需時間長，鉛酸電池充電時間通常需要6～8 h，目前主要通過更換電池的方式延長車輛工作時間；防爆鋰電池車輛目前只能在井上進行充電，快充模式也需3 h左右，使用效率較低，嚴重限制其使用范圍。

防爆電動機是利用防爆技術，在普通電動機基礎上加裝隔爆外殼。與地面電動機相比，其存在體積大、質量重等特點。防爆電驅車型常用的類型有隔爆型交流異步電動機、隔爆型開關磁阻電動機和隔爆型永磁同步電動機。其中：隔爆型交流異步電動機主要采用變頻調速技術，技術成熟，使用最為廣泛；隔爆型開關磁阻電動機因控制靈活、可實現較高的控制精度等特點，在防爆鋰電池車中有所應用，驅動效果良好，但是其控制系統(tǒng)較為復雜，成本相對較高；隔爆型永磁同步電動機具有效率高、能耗低和體積小等特點，適合作為車載驅動電動機使用，是防爆電動機技術的主要發(fā)展方向。

2.2 電驅傳動技術

目前防爆電驅車輛采用的傳動技術主要有兩種：電驅機械傳動技術和分布式電驅技術。表2為防爆電驅傳動技術性能比較。

表2 防爆電驅傳動技術性能比較

2.2.1 電驅機械傳動技術

電驅機械傳動技術是利用電動機調速范圍寬、可實現短時過載等特點，采用單電動機直接驅動車橋或雙電動機分別驅動前、后車橋等布置形式，實現動力傳遞功能。該技術充分利用成熟的機械傳動技術，可在對已有柴驅車型結構形式改動最小的情況下，實現其電動化改造。

某防爆電動鏟運機電驅機械傳動系統(tǒng)的布置形式如圖4所示。防爆電動機產生的動力通過分動箱傳遞給前、后驅動橋后，驅動車輪實現車輛行走。該技術通過車橋實現減速、差速等功能，對電動機控制系統(tǒng)要求較低，省去了柴驅傳動中的變矩器、變速箱等復雜部件，簡化了傳動系統(tǒng)。同時，可利用電動機再生制動功能，減少機械制動系統(tǒng)磨損，延長車橋使用壽命，降低系統(tǒng)能耗，是當前防爆電驅車輛主要采用的傳動形式[12]。

1-前驅動橋;2-傳動軸;3-分動箱;4-防爆電動機; 5-后驅動橋;6-動力電池。圖4 防爆電動鏟運機電驅機械傳動系統(tǒng)布置

2.2.2 分布式電驅技術

分布式電驅技術是將驅動電動機分散布置到各個車輪，形成相互獨立的驅動單元，其具有傳動鏈短、結構緊湊、傳動效率高、易于布置等特點。利用車載電控系統(tǒng)分別控制各驅動電動機，通過對各車輪驅動力和制動力的獨立控制，實現驅動防滑、制動防抱死和電子差速等功能，提高車輛動力性，改善行駛平順性[13]。與電驅機械傳動技術相比，分布式電驅技術簡化了傳動系統(tǒng)，但對電控系統(tǒng)的要求較高。

圖5是分布式電驅技術在鉸接式防爆電動鏟板車上的應用示意圖。防爆電動機和輪邊減速器、制動器、車輪組成一個獨立的驅動單元，電控系統(tǒng)可實現對四個驅動單元的獨立控制；同時，通過電動機轉矩信息判斷路面狀況，實時調整轉矩分配、各輪差速，保障車輛平穩(wěn)作業(yè)。鉸接式結構是井下作業(yè)車型的常見形式，分布式電驅技術在該類車型上的應用尚存在路況適應性差、故障率高、容易跑偏等問題，但作為電動車型最適宜的傳動形式，是防爆電驅傳動技術的主要發(fā)展方向。

1-車輪;2-制動器;3-輪邊減速器;4-防爆電動機;5-動力電池。圖5 防爆電動鏟板車輪邊驅動布置

3 結論

1) 防爆柴油機驅動車型是當前煤礦無軌輔助運輸領域的主要裝備，由其帶來的大排放和高能耗問題日益嚴重。防爆電噴發(fā)動機技術的推廣能有效緩解上述問題。同時，通過電液控制等技術手段提高傳動效率、降低整車能耗，是防爆柴驅傳動技術的重要研究方向。

2) 防爆電驅車型具有零排放、低能耗的優(yōu)勢，但目前受制于動力電池技術，導致續(xù)駛里程不足、充電時間過長、維護保養(yǎng)困難、成本居高不下，其適用范圍有限，短期內難以規(guī)?；瘧?。隔爆型永磁電動機的使用和分布式電驅技術的應用可有效提高系統(tǒng)效率、降低能耗，是防爆電驅車型的研究熱點。