姚志功
(中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司,山西 太原 030006)
煤礦井下無軌膠輪車,可實(shí)現(xiàn)設(shè)備一次裝載后從井口至工作面或工作面至井口的直達(dá)運(yùn)輸,憑借其“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的作業(yè)優(yōu)勢(shì),越來越多地被應(yīng)用于煤礦井下輔助運(yùn)輸作業(yè)中,成為了國內(nèi)大中型礦井不可或缺的設(shè)備[1]。近年來,隨著煤礦開采力度的加大,井下工作面距離井口的距離越來越遠(yuǎn),巷道不斷延伸,同時(shí)一個(gè)礦井同一水平近距離煤層逐步開采,大傾角工作面不斷建立,井下長距離大坡度斜巷數(shù)量也隨之漸漸增加,這種情況進(jìn)一步惡化了無軌膠輪車的礦井運(yùn)行條件,使得井下車輛載重爬坡時(shí),頻繁出現(xiàn)爬坡困難等問題,嚴(yán)重影響了煤礦井下無軌輔助運(yùn)輸車輛的作業(yè)效率,因而急需解決此問題。
車輛的動(dòng)力性指標(biāo)主要通過最高車速、加速時(shí)間及最大爬坡度來評(píng)定,對(duì)于井下無軌膠輪車來說,由于煤礦井下巷道光線昏暗、道路坑洼濕滑、坡長坡大彎多,車輛的行駛速度較慢,加速能力要求相對(duì)較低,車輛的動(dòng)力性主要依靠爬坡能力來評(píng)判,爬坡能力是決定無軌膠輪車對(duì)井下長坡、大坡等復(fù)雜礦井運(yùn)行條件適應(yīng)性的關(guān)鍵因素。一般情況下,井下無軌膠輪車的最大設(shè)計(jì)爬坡能力為25%,即14°左右,但該最大爬坡能力是在試驗(yàn)坡道路面干硬、平坦、坡道較短的條件下完成檢驗(yàn)的,在路況較好、坡度較小的井下環(huán)境中,無軌膠輪車的運(yùn)行狀況相對(duì)可靠,然而在井下路面濕滑、坑洼、坡道較長、坡度較大的路況條件下,車輛的爬坡能力往往會(huì)下降,隨著爬坡時(shí)間的延長,車輛的柴油機(jī)系統(tǒng)發(fā)熱嚴(yán)重,車輛的動(dòng)力性不斷下降,直接影響了其爬坡效果[2]。
在路面附著條件理想的條件下,井下無軌膠輪車的爬坡能力取決于車輛在坡道路況的驅(qū)動(dòng)力以及輪胎與路面的附著力,這些因素與車輛的自身設(shè)計(jì)相關(guān),車輛的動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)(防爆柴油機(jī)系統(tǒng)與傳動(dòng)系統(tǒng))影響了其驅(qū)動(dòng)力,車輛的總體結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)影響了其輪胎與地面的附著力[3],因此,首先從車輛自身設(shè)計(jì)方面開辟途徑,同時(shí)對(duì)車輛的礦井運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行分析,總結(jié)能夠提高無軌膠輪車爬坡能力的措施。
2.1.1 防爆柴油機(jī)系統(tǒng)
井下無軌膠輪車的動(dòng)力源以防爆柴油機(jī)為主,柴油機(jī)的防爆改造是在對(duì)柴油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)進(jìn)行隔爆處理的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,這種措施使得防爆改造后的柴油機(jī)在初始階段就增加了致使其動(dòng)力發(fā)揮欠佳的機(jī)會(huì),若日常維護(hù)保養(yǎng)不當(dāng),很容易出現(xiàn)車輛動(dòng)力不足的狀況。
若要在此基礎(chǔ)上改善車輛的爬坡能力,首先要配備凈輸出功率相對(duì)較大的柴油機(jī),以提高車輛的后備功率,滿足爬坡需要。但是受無軌膠輪車允許的柴油機(jī)安裝尺寸空間以及可選擇柴油機(jī)功率范圍的限制,無軌膠輪車柴油機(jī)不可隨意更改,只能通過在原機(jī)上升級(jí),比如采用柴油機(jī)電子控制技術(shù)、優(yōu)化柴油機(jī)外圍附屬裝置功率消耗等措施,來獲取較大的凈功率。此外,井下無軌膠輪車較為厚重,可利用先進(jìn)的輕量化設(shè)計(jì)手段,對(duì)無軌膠輪車的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),得到最優(yōu)的整備質(zhì)量[4],從而有效降低車輛的日常功率消耗,提高其爬坡功率儲(chǔ)備,達(dá)到改善車輛爬坡能力的目的。
2.1.2 傳動(dòng)系統(tǒng)
井下無軌膠輪車傳動(dòng)系統(tǒng)的作用是將防爆柴油機(jī)功率傳遞至驅(qū)動(dòng)輪,驅(qū)動(dòng)車輛行駛作業(yè)。無軌膠輪車二種傳動(dòng)系統(tǒng)主要組成如表1所示,由于傳動(dòng)系統(tǒng)元部件的摩擦損耗、泄漏損耗、溢流損耗等緣故,傳動(dòng)系統(tǒng)在傳遞柴油機(jī)功率的過程中存在功率損失,因此在傳動(dòng)系統(tǒng)環(huán)節(jié)改善車輛的驅(qū)動(dòng)力,首要措施是盡可能地簡(jiǎn)化車輛的傳動(dòng)線路,減少傳動(dòng)系統(tǒng)元部件的數(shù)量,降低傳動(dòng)過程中的機(jī)械功率損失和液力/液壓功率損失,獲得最優(yōu)的驅(qū)動(dòng)功率。
表1 井下無軌膠輪車傳動(dòng)系統(tǒng)主要組成
另一方面,對(duì)于采用液力機(jī)械傳動(dòng)方式的車輛,要盡可能多地設(shè)置車輛的擋位數(shù),增加柴油機(jī)發(fā)揮最大功率附近高功率的機(jī)會(huì),同時(shí)需合理增大最低檔速度的傳動(dòng)比,以獲取較大的加速與爬坡能力;對(duì)于采用液壓傳動(dòng)方式的車輛,需將驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的排量最大化,優(yōu)化車輛傳統(tǒng)系統(tǒng)的調(diào)速范圍,以獲得較大的驅(qū)動(dòng)力[5]。
此外,可通過增加輔助驅(qū)動(dòng)裝置來提高車輛的爬坡能力。目前,井下無軌膠輪車分為兩軸線、三軸線及多軸線車輛,可在車輛非驅(qū)動(dòng)軸線處增加輔助驅(qū)動(dòng)裝置,待車輛爬坡困難時(shí),切換車輛的驅(qū)動(dòng)方式,充分利用非驅(qū)動(dòng)軸線的附著力,提高車輛的坡道驅(qū)動(dòng)力。
井下無軌膠輪車重載爬坡時(shí),車輛各軸線的軸重將隨路面坡度的變化而變化,井下無軌膠輪車爬坡受力圖如圖1所示,爬坡時(shí)車輛的前軸線受力F1和后軸線受力F2分別為:
(1)
式中:F1為車輛前軸線受力;F2為車輛后軸線受力;G為車輛重力(含外載);L為車輛前后軸距;h為車輛質(zhì)心高度;a、b為車輛質(zhì)心至前后軸線距離。
圖1 井下無軌膠輪車爬坡受力圖
由公式(1)可知,隨著爬坡路面坡度的逐漸變大,車輛前軸線軸重越來越輕,后軸線軸重越來越重,這樣車輛前驅(qū)動(dòng)輪將會(huì)發(fā)生滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象,從而不能充分發(fā)揮車輛動(dòng)力,影響了車輛的爬坡效果。因此,在設(shè)計(jì)整車結(jié)構(gòu)時(shí),要針對(duì)車輛運(yùn)行的礦井坡道路況條件,詳細(xì)計(jì)算重載情況下車輛的重心分布情況,在合理控制整車重量的前提下,利用增加配重等手段,優(yōu)化各驅(qū)動(dòng)軸線的軸重分配,滿足車輛重載爬坡時(shí)能夠充分發(fā)揮其動(dòng)力所需要的附著力要求,從而改善車輛的爬坡能力[6]。
在上述基礎(chǔ)上,還需在車輛不同驅(qū)動(dòng)軸線之間設(shè)置橫向擺動(dòng)機(jī)構(gòu),并在同軸線驅(qū)動(dòng)輪之間設(shè)計(jì)差速功能,從而能夠充分發(fā)揮每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力,滿足車輛爬坡時(shí)由于路面不平整導(dǎo)致的爬坡無力現(xiàn)象。
在通過優(yōu)化自身設(shè)計(jì)提高車輛的驅(qū)動(dòng)力后,還需對(duì)井下無軌膠輪車所運(yùn)行的礦井路況條件進(jìn)行升級(jí),以提供良好的路面附著條件,充分發(fā)揮車輛的驅(qū)動(dòng)力。由上述可知,井下無軌膠輪車的運(yùn)行坡道路面具有坑洼、濕滑、松軟等特點(diǎn),因此,車輛重載作業(yè)時(shí),需加強(qiáng)對(duì)車輛坡道運(yùn)行路線的維護(hù)保養(yǎng),具體措施為:
1)對(duì)于頂板淋水路面要進(jìn)行排水控制處理。
2)對(duì)于松軟底板路面要進(jìn)行排渣清理,并鋪墊干拌料石或采用砼底板對(duì)路面進(jìn)行硬化處理。
3)對(duì)于坡度較大的路面,還需人工設(shè)置搓衣板式路障,以此提高車輛在坡道路面的附著能力,改善其爬坡效果。
4)對(duì)于具備條件的礦井,可以在坡道上端設(shè)置輔助牽引絞車,或在重載車輛后端配備獨(dú)立的助力車輛,以解決車輛爬坡困難的問題[7]。
井下無軌膠輪車是服務(wù)于煤礦生產(chǎn)的重要設(shè)備,隨著煤礦更深層次的開拓發(fā)展,煤礦井下上山下上巷道不斷增加,對(duì)車輛的動(dòng)力性提出了更高的要求。分析了目前無軌膠輪車的動(dòng)力性及井巷坡道適應(yīng)性,基于車輛驅(qū)動(dòng)力因素及路面附著條件因素,從車輛自身設(shè)計(jì)方面及礦井運(yùn)行環(huán)境方面總結(jié)了系列能夠提高車輛驅(qū)動(dòng)力、改善車輛爬坡效果的措施方法,為改善井下無軌膠輪車對(duì)長坡大坡路況的適應(yīng)性提供了一些參考。