趙海興

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

當(dāng)前煤礦輔助運(yùn)輸方式正朝著智能型和無人化運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展，使輔助運(yùn)輸設(shè)備具有清潔動力、環(huán)境感知和主動避障等功能，實現(xiàn)煤礦井下物料標(biāo)準(zhǔn)化裝載、少人化運(yùn)輸和智能化配送。對于大傾角斜井開拓煤礦的少人化、連續(xù)型運(yùn)輸工藝設(shè)計，首先是將斜井和平巷輔助運(yùn)輸方式由傳統(tǒng)的礦井提升機(jī)和井下無極繩連續(xù)牽引車修改為礦井提升機(jī)牽引軌道礦車和無軌膠輪車轉(zhuǎn)接運(yùn)輸方式，人員可減少 50%，輔助運(yùn)輸綜合效率可提高 40%[1-3]，如傾角17°的黨家河煤礦和傾角23°的山西天地王坡煤業(yè)已得到驗證；在此基礎(chǔ)上，如果將物料換裝運(yùn)輸設(shè)計為集裝箱式整體裝運(yùn)工藝，研究標(biāo)準(zhǔn)集裝箱在井下的快速轉(zhuǎn)移設(shè)備和車載自卸方式，減少物料的裝卸次數(shù)，減輕工人勞動強(qiáng)度，將會進(jìn)一步提高運(yùn)輸效率，提升礦井生產(chǎn)安全性。

1 東江煤業(yè)概況及物料換裝運(yùn)輸工藝確定

1.1 東江煤業(yè)概況

礦井生產(chǎn)能力為1.50Mt/a，采用斜井開拓，設(shè)有主斜井和副斜井。主斜井長度為700m，在主斜井井筒內(nèi)裝備一條帶式輸送機(jī)，擔(dān)負(fù)礦井原煤的運(yùn)輸任務(wù)；主斜井井筒另一側(cè)布置一臺架空乘人裝置，擔(dān)負(fù)礦井人員的入井和出井任務(wù)，人員入井后再換乘另一部架空乘人裝置運(yùn)行780m，然后步行到工作面。副斜井?dāng)嗝鎸挾葹?.2m，高度為3.7m；傾角為20°，長度約為700m；選用JK-3.5×2.5型單繩纏繞式礦用提升機(jī)一臺，將物料牽引運(yùn)送到換裝硐室(長8m、寬6m、高5m)；由一臺10t+10t起重機(jī)完成換裝。

井下輔助運(yùn)輸大巷為平巷，斷面高3.3m、寬5.0m；巷道底板采用混凝土硬化，距離約2000m。其中集中輔運(yùn)大巷平均坡度3°，最大坡度8°、距離50m；采區(qū)輔運(yùn)大巷平均坡度5°～6°，最大坡度9°、距離100m。工作巷近水平，底板未硬化；最長距離1800m；斷面高3.5m、寬5m。

1.2 物料換裝運(yùn)輸工藝確定

在斜井巷道采用軌道平板車運(yùn)輸裝有物料的集裝箱，由礦用提升機(jī)牽引運(yùn)送到換裝硐室，通過起重機(jī)起吊集裝箱放置在無軌膠輪車貨廂內(nèi)部并固定，在平巷由無軌膠輪車將集裝箱內(nèi)物料運(yùn)輸?shù)街付ǖ攸c(diǎn)。雙向運(yùn)行的無軌膠輪車在巷道交叉口會車，會車時下行車停止，上行車先行；在非巷道交叉口會車示意如圖1所示，兩車間距滿足《煤礦安全規(guī)程》要求。

圖1 巷道斷面及無軌膠輪車會車示意圖(mm)

2 無軌膠輪車設(shè)計

2.1 主要技術(shù)性能指標(biāo)及結(jié)構(gòu)型式設(shè)計

東江煤業(yè)井下所需物料主要有沙子、石子、水泥、磚塊、錨桿、錨索、托盤、鐵絲網(wǎng)、膠帶及膠帶架等，合計約80 t/d。礦井實行三班制作業(yè)，兩個班完成物料運(yùn)輸任務(wù)，單班換裝運(yùn)輸物料約40t。設(shè)定無軌膠輪車運(yùn)輸物料載荷為5t(如果增大無軌膠輪車的運(yùn)輸物料載荷，在整車寬度一定的情況下，其裝載高度和最大自卸高度必增大，整車適應(yīng)巷道能力變差)，滿載運(yùn)行最大速度為40km/h，為了滿足煤礦井下生產(chǎn)需求，且保證運(yùn)輸?shù)倪B續(xù)性，確定配置2輛車循環(huán)接續(xù)運(yùn)輸；依據(jù)輔助運(yùn)輸大巷斷面寬度和高度，要保證無軌膠輪車在輔運(yùn)大巷中會車避讓，整車寬度不能大于1980mm、最大自卸高度不能大于3200mm。主要技術(shù)性能指標(biāo)見表1。

表1 無軌膠輪車主要技術(shù)性能指標(biāo)

由上可得，無軌膠輪車須設(shè)計為鉸接式結(jié)構(gòu)，固定在前、后車架上水平對稱布置的雙液壓油缸繞鉸接中心產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩使整車轉(zhuǎn)向。前車體布置設(shè)計動力傳動及駕駛操縱裝置，后車體布置設(shè)計后翻自卸式貨廂。駕駛艙布置在左前側(cè)，設(shè)計有方向盤、加速踏板、制動踏板、檔位操縱手柄和其它控制按鈕等；為了保證駕駛操縱舒適性，將防爆柴油機(jī)偏離車輛縱向中心線布置，增大駕駛室內(nèi)部寬度；盡量減小駕駛艙內(nèi)長度尺寸，增大整車預(yù)爬坡的接近角α，可提高爬坡能力。整車外形如圖2所示。

圖2 無軌膠輪車外形

2.2 防爆柴油機(jī)設(shè)計

依據(jù)煤礦物料運(yùn)輸無軌膠輪車在井下滿載運(yùn)行最大速度為40km/h，整車配置的防爆柴油機(jī)額定功率按最大速度[4]計算：

P≥1/η×(GfV/3600+CDAV3/76140)

(1)

式中，P為防爆柴油機(jī)額定功率，kW；η為傳動系統(tǒng)的傳動效率，取0.8；G為整車滿載重量，取143kN；F為滾動阻力系數(shù)，取0.03；V為滿載最大運(yùn)行速度，取40km/h；CD為空氣阻力系數(shù)，取0.8；A為車輛在前進(jìn)方向上的投影面積，取2m2。

由上求得防爆柴油機(jī)額定功率61.18kW，為其凈輸出功率；按地面工程車輛比功率6kW/t計算，整車需要的防爆柴油機(jī)功率為85.8kW；取兩者中的較大值。依據(jù)國家煤礦安全監(jiān)察局國安監(jiān)技裝[2018]39號文要求：井工煤礦須使用國Ⅲ及以上標(biāo)準(zhǔn)的防爆柴油機(jī)。由此取得煤安標(biāo)志的防爆柴油機(jī)(電噴)主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 防爆柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

防爆柴油機(jī)安裝固定設(shè)計為四點(diǎn)式懸置變阻尼橡膠減震裝置，為了降低噪聲、減少柴油機(jī)熱輻射，在駕駛員右側(cè)車架覆蓋薄板上設(shè)計有降噪吸熱材料。

2.3 傳動系統(tǒng)設(shè)計

鉸接式無軌膠輪車采用液力機(jī)械傳動方式是優(yōu)選方案，動力傳動系統(tǒng)如圖3所示。傳動系統(tǒng)設(shè)計首先對防爆柴油機(jī)、液力變矩器、動力換擋變速箱和驅(qū)動橋等關(guān)鍵部件進(jìn)行匹配計算；然后依據(jù)整車轉(zhuǎn)彎情況、通過障礙物或坑洼地帶的運(yùn)動軌跡，考慮懸架變形，校核各傳動軸的伸縮量，確定其扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度和臨界轉(zhuǎn)速，得出傳動軸的關(guān)鍵性能參數(shù)[5]。

圖3 動力傳動系統(tǒng)簡圖

2.3.1 液力變矩器性能數(shù)據(jù)

可用于無軌膠輪車的液力變矩器主要有單級單相鑄造式、單級雙相鈑金沖壓式和單級三相變矩器[6]，分別對三種變矩器進(jìn)行臺架試驗測試，具體數(shù)據(jù)見表3、表4和表5。通過數(shù)據(jù)分析可知，第三種變矩器更適合車輛的長距離運(yùn)輸工況，其效率超過75%的變矩器速比范圍為[0.435，1]，最高效率為86.1%。

表3 單級單相鑄造式變矩器性能數(shù)據(jù)

表4 單級雙相鈑金沖壓式變矩器性能數(shù)據(jù)

表5 單級三相鑄造式變矩器性能數(shù)據(jù)

2.3.2 動力換擋變速箱設(shè)計

由于整車滿載運(yùn)行最大速度不大于40km/h，依據(jù)同類工程車輛的檔位數(shù)設(shè)計經(jīng)驗，動力換擋變速箱確定為三個檔位，更方便整車動力傳動系統(tǒng)布置設(shè)計和換擋操縱設(shè)計。初選驅(qū)動橋減速比為14.98和輪胎的滾動半徑為460mm，依據(jù)最大牽引力和爬坡能力要求，當(dāng)車輛爬坡運(yùn)行時，液力變矩器的輸出轉(zhuǎn)矩要求增大，其工況點(diǎn)會從高效區(qū)移至低轉(zhuǎn)速比的低效區(qū)，需要Ⅲ檔切換為Ⅱ檔、Ⅱ檔切換為Ⅰ檔；當(dāng)車輛在平路或下坡運(yùn)行時，液力變矩器的輸出力矩也隨之減小，其工況點(diǎn)會從高效區(qū)移至高轉(zhuǎn)速比的低效區(qū)，需要Ⅰ檔切換到Ⅱ檔、Ⅱ檔切換到Ⅲ檔。統(tǒng)計分析運(yùn)行工況，整車在煤礦井下主要使用Ⅰ檔和Ⅱ檔運(yùn)行，兩個檔位的總利用率約為70%，因此要求變速箱的Ⅰ檔與Ⅱ檔傳動比間隔要比Ⅱ檔與Ⅲ檔傳動速比間隔更小一些，三個前進(jìn)和后退檔位傳動比相同，分別為：F1=2.4123、F2=1.3493、F3=0.6179。由此動力換擋變速箱設(shè)計為五軸線傳動，原理簡圖如圖4所示，切換常用檔位時沖擊載荷小，可延長檔位離合器的使用壽命。

圖4 動力換擋變速箱傳動原理簡圖

2.3.3 驅(qū)動橋和輪胎設(shè)計

由驅(qū)動橋的減速比和制動結(jié)構(gòu)型式可得，驅(qū)動橋須設(shè)計為二級減速，傳動原理如圖5所示，主減速比為4.125，輪邊減速比為3.632。驅(qū)動橋多盤濕式行車制動器設(shè)計布置在主減速器和輪邊減速器之間，多盤濕式駐車制動器獨(dú)立布置在動力換擋變速箱輸出傳動軸和驅(qū)動橋之間，行車制動器采用液壓給油制動，彈簧釋放；駐車制動器采用彈簧壓緊，液壓釋放。行車制動系統(tǒng)壓力油由液壓泵提供，分兩路分別進(jìn)入前后驅(qū)動橋回路的蓄能器，兩回路是相對獨(dú)立的，當(dāng)一個回路出了故障時，第二個回路可以正常工作[7]。

圖5 驅(qū)動橋傳動原理簡圖

輪胎設(shè)計為多層級充填式，直徑為930mm，胎面寬度為320mm；不僅能降低整車的重心，提高整車運(yùn)行的穩(wěn)定性，還能提高物料換裝的便捷性。

2.3.4 軸距和輪距確定

鉸接式無軌膠輪車動力傳動系統(tǒng)核心零部件設(shè)計匹配完成后，可以確定整車的軸距和輪距。圖2中L1主要根據(jù)液力變矩器到動力換擋變速箱和動力換擋變速箱到前驅(qū)動橋的上、下傳動軸的長度及傳遞角度在許用范圍條件下確定；L2主要根據(jù)整車鉸接結(jié)構(gòu)型式、整車轉(zhuǎn)彎半徑、雙橋驅(qū)動的寄生功率[8，9]和自卸舉升機(jī)構(gòu)設(shè)計等因素來確定，由此盡量將后驅(qū)動橋到鉸接中心的距離設(shè)計得短一些，使整車轉(zhuǎn)彎半徑小，前后車體的重心處于驅(qū)動橋上方，雙橋驅(qū)動的寄生功率小。但軸距過短，使整車的后懸L3過長，在行駛時車輛的縱向角振動過大，整車加速、制動或上坡時軸荷轉(zhuǎn)移過大而導(dǎo)致其制動性和穩(wěn)定性變壞，甚至中間鉸接部位會“拱起”。經(jīng)過計算分析、并對整車直線運(yùn)行及轉(zhuǎn)彎過程校核，得出：L1=1450mm，L2=1950mm。整車軸距為3400mm；前后輪距由整車總體寬度尺寸決定，均為1660mm。

2.4 車架及懸架設(shè)計

2.4.1 車架設(shè)計

依據(jù)鉸接式物料運(yùn)輸車輛前后車架得到試驗驗證的結(jié)構(gòu)型式[10，11]，前車架設(shè)計為鋼板焊接式框架結(jié)構(gòu)，可提高車架剛性和承載能力，且有利于動力傳動系統(tǒng)各部件及其它附件的布置及裝配。后車架設(shè)計為橫梁和縱梁拼接結(jié)構(gòu)，橫縱梁為矩形截面、空心結(jié)構(gòu)，既有利于貨廂、舉升液壓缸和轉(zhuǎn)向液壓缸的布置，液壓油管和電線的排布，又可保證后車體的離地間隙足夠。

中間鉸接結(jié)構(gòu)設(shè)計是車架設(shè)計的核心技術(shù)，將前車架確定為雙耳板、后車架確定為單耳板，前車架上、下鉸接結(jié)構(gòu)型式和尺寸均相同，見圖2。圖6為前后車體的受力簡圖，受力分析及計算[12，13]如下：

圖6 前后車體受力簡圖

靜止或良好路面工況下，Pk=Pf(驅(qū)動力=滾動阻力)，對前輪接地點(diǎn)取力矩得：

(2)

(3)

取前車體為分離體，受力分析如圖7所示，對下鉸點(diǎn)取力矩得：

圖7 前車體受力簡圖

(4)

X2=X1+Pk2-Pf2

(5)

Y=GS2-N2

(6)

式中，GS1為后車體重量，滿載取87kN，空載取28kN；GS2為前車體滿載和空載重量，取53kN；L為軸距，取3400mm；L1為前橋到鉸接中心線的距離，取1450mm；L11為245mm；L12為后車體重心距后驅(qū)動橋的距離，滿載取127mm，空載取263mm；H為前車體上下銷軸水平力之間距離，取380mm；h0為下鉸接銷軸水平力到地面的距離，取360mm。

計算可得，滿載時：X1=7.23kN，X2=7.23kN，Y=-7.06kN；空載時：X1=11.33kN，X2=11.33kN，Y=-5.99kN。極限工況時(前輪離地，N2=0)：X1max=236kN，X2max=236kN，Ymax=53kN。

降低下鉸點(diǎn)的高度，加大上、下鉸點(diǎn)之間的距離L5，可以有效地減小鉸接點(diǎn)的徑向受力[14，15]；但下鉸點(diǎn)過低使整車離地間隙L4變小，上鉸點(diǎn)過高使貨廂的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、容積減小。根據(jù)鉸接點(diǎn)的受力值，上、下鉸接銷軸的直徑確定為70mm，材質(zhì)為合金鋼且調(diào)質(zhì)處理。

2.4.2 懸架設(shè)計

鉸接式物料運(yùn)輸無軌膠輪車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是鉸接前部分為動力傳動及駕駛操縱系統(tǒng)，鉸接后部分為后翻自卸工作裝置和承載的物料；由此，整車在使用中前懸架的載荷變化不大，后懸架的載荷變化較大，比較鋼板彈簧、螺旋彈簧、空氣彈簧、油氣彈簧、橡膠彈簧等彈性元件的結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)，確定采用縱置半橢圓鋼板彈簧非獨(dú)立懸架，設(shè)計為板簧前端卷耳、末端滑動的結(jié)構(gòu)型式[16]。前、后鋼板彈簧的長度應(yīng)與輪胎直徑接近，使其更易布置在板架焊接式前車架上和嵌入布置在后車架的槽型梁內(nèi)；鋼板彈簧的彈性變形要避免驅(qū)動橋與車體碰撞，由此，前、后鋼板彈簧的自由剛度設(shè)計為1276N/mm，自由狀態(tài)弧高為68mm。

2.5 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計

確定了整車的前車體滿載重量、后車體滿載重量、軸距及輪距，依據(jù)雙橋驅(qū)動鉸接式防爆膠輪車空載和滿載原地轉(zhuǎn)向阻力矩公式[17]設(shè)計轉(zhuǎn)向油缸四個鉸點(diǎn)位置，確定圖2中的L7、L8、L9和L10，并且設(shè)計液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)性能參數(shù)[18]。

2.6 自卸貨廂及集裝箱設(shè)計

整車自卸貨廂為薄板焊接結(jié)構(gòu)，在側(cè)圍板和底板上設(shè)計有很多加強(qiáng)槽鋼。為了最大限度利用貨廂內(nèi)部空間，貨廂設(shè)計布置在后輪胎的正上方，為矩形結(jié)構(gòu)型式，內(nèi)寬1880mm，長3200mm，高550mm；貨廂后擋板設(shè)計為能自動打開和閉合的雙鉸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)型式，可快速拆裝，方便集裝箱的換裝和物料的快速卸載；貨廂舉升機(jī)構(gòu)采用雙液壓油缸直推、腹舉式舉升方式，液壓油缸布置在貨廂的下方，最大自卸角度設(shè)計為45°。

集裝箱外形尺寸為長2700mm、寬1350mm、高740mm，質(zhì)量為1000kg，集裝箱后擋板可開合；嵌入放置在貨廂內(nèi)部后，通過帶彈簧自復(fù)位的插銷固定鎖止。

3 無軌膠輪車測試試驗

整車滿載在水平干硬路面上測試最大牽引力為90kN；運(yùn)行最大速度為35km/h；將L2加長600mm測試，四輪驅(qū)動和前輪驅(qū)動最大速度均為32km/h。由此可知整車動力傳動系統(tǒng)的后備功率充足；變矩器工作特性和動力換擋變速箱各檔位傳動比及驅(qū)動橋減速比匹配合理，綜合傳動效率高。

4 集裝箱換裝及無軌膠輪車使用情況

無軌膠輪車左右輪胎內(nèi)側(cè)寬度為1340mm，整車跨騎在軌道上(斜井內(nèi)左右軌道距離為900mm，軌道高出地面80mm)，駕駛員在駕駛室內(nèi)啟動車輛；車輛尾部與慢速絞車固定，由絞車輔助從副斜井處入井。無軌膠輪車日常存放在井下硐室，當(dāng)加注柴油時，從地面取一定量柴油運(yùn)輸入井在硐室內(nèi)加油。

無軌膠輪車進(jìn)入換裝硐室(尺寸如前所述)，運(yùn)行到起重機(jī)下方；集裝箱和物料合計約6t，通過起重機(jī)起吊集裝箱后整體放置在無軌膠輪車輛貨廂內(nèi)部并固定好，集裝箱換裝示意如圖8所示。當(dāng)車輛運(yùn)輸沙子、石子、水泥和磚塊時，集裝箱與貨廂整體后翻將物料自卸；運(yùn)輸錨桿、錨索、托盤、鐵絲網(wǎng)、膠帶及膠帶架等物料時，物料連同集裝箱一并由起吊裝置卸載到指定地點(diǎn)，車輛返回?fù)Q裝硐室后重新裝配其它集裝箱。

兩輛無軌膠輪車裝載集裝箱在巷道內(nèi)錯車時，集裝箱及物料在高度方向不會與巷道內(nèi)的電纜或水管等剮蹭和干涉。兩輛無軌膠輪車單日平均運(yùn)輸16趟，單輛車單趟換裝、自卸和往返運(yùn)行的時間合計約1h，使用至今已有12個月，性能穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

1)山西東江煤業(yè)為斜井轉(zhuǎn)平巷煤礦，采用礦井提升機(jī)牽引軌道礦車和無軌膠輪車轉(zhuǎn)接運(yùn)輸方式，提出將物料換裝運(yùn)輸設(shè)計為集裝箱式整體裝運(yùn)工藝，研究了在井下采用起重機(jī)起吊集裝箱換裝和車載后翻自卸方式，不僅提升了輔助運(yùn)輸效率和安全性，而且提高了無軌輔助運(yùn)輸裝備的技術(shù)水平，該運(yùn)輸工藝可推廣應(yīng)用到同類型礦井。

2)依據(jù)煤礦井下單日需求物料約80t，提出無軌膠輪車運(yùn)輸物料載荷為5t，滿載運(yùn)行最大速度為40km/h，配置2輛車循環(huán)接續(xù)運(yùn)輸。要求無軌膠輪車在輔運(yùn)大巷中會車避讓，整車寬度不能大于1980mm、最大自卸高度不能大于3200mm，由此整車設(shè)計為鉸接式，前車體設(shè)計布置動力傳動系統(tǒng)及駕駛操縱裝置，后車體設(shè)計布置工作裝置。

3)無軌膠輪車的結(jié)構(gòu)型式設(shè)計、傳動系統(tǒng)設(shè)計、車架及懸架設(shè)計和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計可為同類型車輛設(shè)計提供參考。