劉志更

(1.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原 030006；2.山西天地煤機裝備有限公司，山西 太原 030006)

無軌膠輪車的出現(xiàn)帶來了礦井輔助運輸?shù)母锩?，大大提高了礦井生產(chǎn)準備效率，將過去2～3個月的搬家倒面時間縮短到現(xiàn)在的7～10d；減少了過去軌道運輸鋪軌、架線等設(shè)施及費用，巷道更為干凈整潔，還提高了運輸作業(yè)的安全性；更是以其隨放隨走、靈活機動的特點使得越來越多的礦井愿意選用無軌輔助運輸方式[1，2]。

雖然柴油機無軌膠輪車的應用很普遍，但大范圍應用暴露出來的尾氣排放高、油耗高、噪音高、維護成本高等問題也應引起足夠重視[3]。尤其是運行于井下大坡度巷道時，上坡柴油機發(fā)熱嚴重、功率損失增加，尾氣排放加劇，下坡頻繁制動導致制動安全性變差，極易引發(fā)安全事故[4，5]?，F(xiàn)有礦井大坡度巷道大多數(shù)坡度不大于10°，長度不大于500m，載重10t以下的小、中型膠輪車勉強可以運行，而對于重型搬運車之類的車輛，則上坡動力不足爬不上去，下坡需要依靠固定絞車牽引，車輛適應性很差。

1 巷道概況

神華神東補連塔礦2#輔運平硐所屬神東煤炭集團補連塔煤礦井田，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗烏蘭木倫鎮(zhèn)。此斜井是我國首座TBM(Tunnel Boring Machine，隧道掘進機)施工的長距離大坡度煤礦斜井，從2015年1月開始動工，到2017年1月正式建成啟用，歷時2年。斜井總長度2745m，最大埋深276m，井筒凈直徑為6.6m，最大坡度-5.43°(9.5%)，中間在TBM900m和TBM1850m處設(shè)置了兩處長度200m的水平緩沖段”，是典型的長距離大坡度斜井，主要用作輔助運輸巷道[6]。巷道縱向斷面如圖1所示。

圖1 巷道縱向斷面圖

巷道橫斷面如圖2所示。四周由預制鋼筋的混凝土管片組成，管片厚度350mm，底部墊層回填后，鋪設(shè)瀝青平整路面，底寬5724mm，最大高度4943mm，規(guī)劃雙向兩車道運行。

圖2 巷道橫斷面圖(mm)

2 輔助運輸方案選擇

在長距離大坡度巷道上運行無軌膠輪車，就必須要解決柴油機排放、燃油消耗、制動安全和備件成本等問題。從問題出發(fā)，有以下解決方案：

1)將普通柴油機改為電噴柴油機[7]，提高燃油噴射壓力，按照工況實時監(jiān)控和控制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)，實現(xiàn)降低柴油機排放，提高燃油經(jīng)濟性的目的，尾氣排放相比機械泵式柴油機減少30%～40%。

此方案能夠有效降低污染物排放，但是無法解決車輛長距離上坡功耗損失大造成的動力不足問題和下坡制動效能變差造成的安全問題。

2)改變動力源，將動力由柴油機變?yōu)殡妱訖C。由于鉛酸蓄電池存在能量密度低、體積大、充電時間長、充放電次數(shù)少等不足，僅適合短距離運輸作業(yè)[8]。而鋰離子蓄電池井下使用容量受限(運輸車輛用電源、柴油機起動機用電源及其它電源中鋰離子蓄電池的額定容量不超過100Ah)、壽命短、成本高、續(xù)航里程短等不足，并未得到大范圍地成功推廣及應用[9，10]。

此方案能夠?qū)崿F(xiàn)零排放，極大地改善巷道作業(yè)環(huán)境。但續(xù)航里程短是致命缺陷，難以滿足礦井膠輪輔助運輸要求。

3)使用蓄電池大功率坡道無軌膠輪牽引車[11]，工作時來回穿梭于巷道中，完成礦井物料運輸。此方案能夠解決長距離大坡度巷道的輔助運輸問題，但涉及井下物料中轉(zhuǎn)，還需建設(shè)配套工業(yè)廣場進行車輛存放、充電、維修、物料裝卸等作業(yè)場所。另外上下班高峰期僅依靠牽引車可能會帶來效率低的問題。

4)在巷道中運行架線式無軌膠輪車，車輛上坡時，利用架線電源可實現(xiàn)源源不斷的能量供給，解決了柴油機上坡動力不足的難題。車輛下坡時，電機回饋制動可以大大減少輪邊制動器的使用率，又有安全制動保駕護航，有效地解決了下坡制動安全問題。此方案需要一套嚴格的管理措施來確保車輛在架線區(qū)域的安全運行。

上述四種方案的優(yōu)缺點對比見表1，經(jīng)過權(quán)衡對比采用了第四種架線式無軌膠輪車的方案。

表1 運輸方案優(yōu)缺點對比表

3 架線式無軌膠輪車

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，車載集電器將接觸網(wǎng)系統(tǒng)的電能傳輸?shù)诫p動力車輛，為車輛提供驅(qū)動電能，實現(xiàn)煤礦井下主要進風巷內(nèi)的尾氣污染零排放，運行效果圖如圖3所示。在非架線巷道采用防爆電噴柴油機驅(qū)動運行，將電機動力切換到柴油機動力，即切斷電機動力源，利用防爆電噴柴油機為車輛提供驅(qū)動動能，可使巷道尾氣排放同比有效降低。

圖3 無軌架線車

3.1 傳動系統(tǒng)

架線式無軌膠輪車輛要兼顧柴油機和電動機兩種動力，柴油機工作時電機不工作，電機工作時柴油機不工作。以運人車為例，根據(jù)上述原則設(shè)計了傳動系統(tǒng)路線圖，如圖4所示。此方案最大限度地簡化了整車傳動部件數(shù)量，降低了整車布置難度，相對結(jié)構(gòu)布置合理、零部件連接結(jié)構(gòu)緊湊，穩(wěn)定成熟，機械傳動效率高，對柴油機、電機設(shè)計研究要求相對低。根據(jù)實際的裝配和調(diào)試，也證明了此方案的合理性。

圖4 傳動系統(tǒng)路線圖

其中動力切換裝置是傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵，既要能夠完成柴油機和電機兩種動力的切換和互鎖，又要確保切換準確順暢而不發(fā)生故障，原理示意圖如圖5所示。發(fā)動機工作時，操作動力撥叉至發(fā)動機位置，此時電動機動力與主傳動脫開，發(fā)動機動力與主傳動相連，驅(qū)動車輛行駛。電動機工作時，操作動力撥叉至電動機位置，此時發(fā)動機動力與主傳動脫開，電動機動力與主傳動相連，驅(qū)動車輛行駛，電動機的動力由架線電源提供。

圖5 動力切換箱原理示意圖

3.2 集電系統(tǒng)

發(fā)動機傳動和電機傳動均是成熟的傳動系統(tǒng)，在此不做研究。關(guān)鍵點是電動機工作時需要采用架線電源供電，而且是無軌膠輪式尚屬首次。井下路面起伏不平和無軌膠輪車減震性能差等固有因素，給車輛運行過程中的良好受電帶來難題。因此集電系統(tǒng)的研究便是架線式膠輪車能否研制成功的關(guān)鍵。

調(diào)研地面無軌電車、城市軌道交通、井下電機車、金屬礦山電動卡車等受電方式[12-15]，考慮到巷道空間有限，架線接觸網(wǎng)采用了剛性懸掛型式，受電采用了托舉接觸方式。受電系統(tǒng)如圖6所示。

受電流程：集電裝置上裝有舉升油缸和擺動油缸，車輛行駛于接觸網(wǎng)導軌正下方后，操作舉升油缸，集電桿開始上升動作，通過升弓視頻觀察，待集電弓頭距離接觸網(wǎng)導軌間距約為400mm時，停止上升動作。操作擺動油缸實現(xiàn)集電頭位置的左、右向調(diào)整，視頻觀察到碳刷基本與導軌正對時，再次操作舉升油缸完成碳刷與導電軌的無縫接觸，同時觀察導輪處的接近開關(guān)是否亮燈，亮燈則表示導向輪已就位。原地啟動車輛，緩慢向前行駛2～3m，確認正常后車輛即可以正常速度行駛。

車輛運行時，擺動油缸有桿腔和無桿腔聯(lián)通使之自由，集電弓頭可以圍繞中心軸360°旋轉(zhuǎn)，這些措施能極大地減小由于車輛橫向移動帶來的導向輪對接觸導軌的側(cè)向力，既保證了受電穩(wěn)定性，又降低了車輛操作難度。受電碳刷彈簧補償、中心軸彈簧補償和油缸彈簧補償?shù)热幋瓜蜓a償，確保了車輛行駛過程中輕微顛簸時不掉弓。行駛過程中如果出現(xiàn)掉弓現(xiàn)象或者其它報警提示，按下降弓按鈕，舉升油缸拉動集電桿快速下降并居中回位。

3.3 絕緣系統(tǒng)研究

架線式膠輪車運行時，安全是首先要考慮的問題。為了確保車體安全不帶電，從碳刷開始設(shè)置了四級絕緣防護，如圖7所示。分別是：

1)集電弓頭上設(shè)置了一級絕緣，實現(xiàn)集電弓頭與集電桿之間的絕緣。

2)集電桿上設(shè)置了二級絕緣，實現(xiàn)了集電桿上、下兩部分之間的絕緣。

3)集電裝置底座與車體之間設(shè)置了三級絕緣。

4)電控箱和電動機分別與車體之間設(shè)置了四級絕緣。

圖7 多重絕緣防護

除此之外，架線運行前車載直流漏電流傳感器進行漏電檢測，配合直流電網(wǎng)脈沖式漏電檢測形成兩級漏電保護，檢測絕緣合格才能啟動電驅(qū)，確保行車安全。

4 功能性試驗

4.1 試驗情況

為了驗證技術(shù)可靠性，中國煤炭科工集團太原研究院有限公司建設(shè)了長度400m的架線無軌膠輪車試驗場，其中包含一段30m長的14°坡道。礦用架線運人車整機下線后，在試驗場進行了冷滑及熱滑功能性試驗，試驗現(xiàn)場如圖8所示。試驗效果如下：

1)兩種動力源切換方便，以柴驅(qū)切換電驅(qū)為例，車輛停車2s，集電裝置升弓10s，柴驅(qū)熄火2s、動力切換3s、車輛保護自檢到啟動電機8s，總切換用時約25s。

2)車輛以架線模式在平直的試驗路面上30km/h車速行駛時，集電弓頭對接觸軌的跟隨性良好，試驗車輛受流穩(wěn)定，使用情況良好。

3)車輛以電噴柴驅(qū)模式運行時，尾氣排放指標為CO<100×10-6，NOx<600×10-6，性能優(yōu)于機械泵柴油機車。

4)架線運人車運行數(shù)據(jù)見表2。

表2 運行數(shù)據(jù)表

圖8 地面試驗場及運人車試驗

4.2 試驗總結(jié)

架線式無軌膠輪車具有以下優(yōu)點：

1)車輛可以在14°坡道上2檔起步，上坡動力充足。

2)車輛下坡采用電制動方式，有效延長了輪邊制動器的使用壽命，提高了車輛下坡運行的安全性。

3)同一路段爬坡，柴電成本對比約為5：1。

4)實現(xiàn)了架線巷道內(nèi)低噪音、零排放，非架線巷道內(nèi)低排放。

問題和啟示：

1)由于礦用車輛底盤減震不好，架線車運行時對路面的要求較高，建議使用平直的瀝青或水泥路面。井下使用時需要對路面進行特殊處理，否則將影響集電弓頭受電效果。

2)現(xiàn)有的撥叉式動力切換操作時，一次成功率在80%左右，需要進行結(jié)構(gòu)改進。

3)夜間測試時，當遇到路面不好導致負載變大時，火花較明顯，下一步改進研究多點接觸的受電接觸單元。

4)未來架線車在井下運行時，需要有一套嚴格的運行管理辦法作為安全保障。

5 結(jié) 語

架線式膠輪車采用架線供電方式，使得車輛上坡動力充足，下坡制動能量能夠及時回饋給接觸網(wǎng)吸收再利用。在試驗場的成功試驗說明，該方式能夠解決傳統(tǒng)柴油機膠輪車運行于連續(xù)長距離大坡度輔運巷道時出現(xiàn)的廢氣污染和制動安全問題，能有效降低煤礦大巷車輛運行高峰期CO、NOx等有害氣體污染的濃度，也可有效減少噪音，能有效改善煤礦井下工作環(huán)境，保證井下工作人員的身心健康。這種方式提供了一種長距離大坡度巷道無軌輔助運輸?shù)倪x擇方案，對于解決現(xiàn)場問題具有實際意義。