王慶祥

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院，山西 太原 030006)

我國(guó)煤礦開采主要采用立井、斜井、平硐等開拓方式，平硐、斜井開拓煤礦廣泛采用無軌輔助運(yùn)輸，無軌輔助運(yùn)輸機(jī)動(dòng)靈活、安全高效，但立井開拓煤礦仍主要采用傳統(tǒng)的軌道輔助運(yùn)輸，轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)多、系統(tǒng)復(fù)雜、安全性差。主要原因?yàn)楝F(xiàn)有無軌車輛無法直接進(jìn)出立井罐籠，需井上解體、井下二次組裝，工序繁瑣、占用人員及設(shè)備多，且無法實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)直達(dá)運(yùn)輸。同時(shí)，井下運(yùn)輸需求多樣，配套車型差異性大，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維不便[1-4]。另外，近年來防爆無軌車輛的行車坡度逐漸增大，部分礦井平均坡度達(dá)到6°～10°，局部達(dá)14°，且井下路面濕滑、彎道交叉，對(duì)車輛制動(dòng)安全性形成很大考驗(yàn)。同時(shí)，煤礦井下巷道規(guī)格小，通風(fēng)條件差，防爆發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣難以及時(shí)排出，給井下人員的職業(yè)健康造成不利影響[6，7]。

針對(duì)上述問題，采用平臺(tái)化研發(fā)模式，首先開發(fā)一種緊湊型清潔動(dòng)力傳動(dòng)平臺(tái)，基于該平臺(tái)拓展研制可直接進(jìn)出罐籠、安全可靠、清潔高效的運(yùn)人、運(yùn)料、設(shè)備自裝卸等系列運(yùn)輸車，既可實(shí)現(xiàn)立井條件，人、料、機(jī)電設(shè)備的點(diǎn)到點(diǎn)直達(dá)運(yùn)輸，同時(shí)又大幅提升車輛的作業(yè)安全性及排放清潔性[9，10]。

1 總體方案設(shè)計(jì)與主參數(shù)確定

1.1 總體設(shè)計(jì)思路

為滿足整車直接進(jìn)出立井罐籠要求，主要體現(xiàn)緊湊性，主要包括動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)及承載主體。為適應(yīng)煤礦井下復(fù)雜運(yùn)行工況，駕駛單元需可實(shí)現(xiàn)單向駕駛和雙向駕駛模式的全覆蓋；為滿足井下人員、散裝物料及機(jī)電設(shè)備等的多樣化運(yùn)輸需求，設(shè)計(jì)拓展乘人裝置、后翻/側(cè)翻自卸式、水平自卸式、自裝卸式等多種物料運(yùn)輸工作裝置。最后將駕駛單元和工作裝置以組合的形式搭載于基礎(chǔ)平臺(tái)上，形成多種用途的系列車型[11]。

1.2 主參數(shù)確定

車輛需適應(yīng)立井罐籠、井下狹窄巷道條件要求，依據(jù)總體布置、整車整備質(zhì)量和額定載荷確定驅(qū)動(dòng)橋的動(dòng)態(tài)承載能力和外形尺寸等性能參數(shù)；由整車總質(zhì)量、爬坡能力及最高車速等參數(shù)確定防爆柴油機(jī)參數(shù)；根據(jù)動(dòng)力匹配性能、牽引性能和傳動(dòng)裝置布置設(shè)計(jì)等確定液壓泵、液壓馬達(dá)等的技術(shù)性能參數(shù)。

通過以上主要結(jié)構(gòu)型式及技術(shù)配置，可確定車輛滿載最高車速20km/h，最大爬坡能力14°。以基礎(chǔ)車型為例，技術(shù)參數(shù)見表1，總體布置如圖1所示。

圖1 WCJS3Y車(單駕后卸)布置(mm)

表1 WCJS3Y車(單駕后卸)整車主要技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 鉸接式清潔動(dòng)力傳動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1.1 緊湊型主體平臺(tái)設(shè)計(jì)

鉸接式平臺(tái)采用可靈活拆分的液壓驅(qū)動(dòng)、雙橋傳動(dòng)系統(tǒng)，防爆柴油機(jī)與液壓泵組成主動(dòng)力，液壓馬達(dá)和分動(dòng)器組成分動(dòng)力，通過將主動(dòng)力和分動(dòng)力以鉸接點(diǎn)分隔布置設(shè)計(jì)，如圖2所示，大幅壓縮平臺(tái)長(zhǎng)度尺寸，最終設(shè)計(jì)出緊湊型主體平臺(tái)。

圖2 主、分動(dòng)力分隔設(shè)置

為保證車輛緊湊化后的轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)性、穩(wěn)定性，以油缸轉(zhuǎn)向力矩和行程最小為優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)計(jì)平臺(tái)鉸接轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)鉸接轉(zhuǎn)向部位的緊湊布局。運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法獲得液壓轉(zhuǎn)向的最佳設(shè)計(jì)方案，用作圖法進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析，輔以滿載原地轉(zhuǎn)向性能測(cè)試驗(yàn)證，結(jié)果表明，轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向力變化平穩(wěn)，緊湊設(shè)計(jì)后鉸接轉(zhuǎn)向力矩穩(wěn)定，轉(zhuǎn)向功率消耗少。轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)如圖3所示，轉(zhuǎn)向性能測(cè)試如圖4所示。

圖3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)示意

圖4 WCJS3Y車滿載原地轉(zhuǎn)向油缸壓力變化曲線

2.1.2 平臺(tái)防爆發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)及其清潔排放技術(shù)

1)防爆單體泵電控噴油技術(shù)。煤礦井下巷道空間較小，通風(fēng)條件差，防爆柴油機(jī)膠輪車運(yùn)行時(shí)，尾氣排放難以及時(shí)排出，造成環(huán)境污染。為此，開發(fā)排放可達(dá)國(guó)Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)的防爆電噴柴油機(jī)，其燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)為防爆電控單體泵，電控噴油具有更高的燃油噴射壓力，并能夠準(zhǔn)確、靈活的控制噴油量、噴油定時(shí)和噴油速率等參數(shù)，按照不同工況可實(shí)時(shí)監(jiān)控和最優(yōu)綜合控制，從而實(shí)現(xiàn)降低排放目的。

2)防爆柴油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)分析研究。鉸接式平臺(tái)的緊湊型設(shè)計(jì)大幅壓縮了整車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)空間，通過防爆電控噴油技術(shù)、空空中冷技術(shù)有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率體積比，設(shè)計(jì)可降低高度的防爆進(jìn)排氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)裝置低矮型設(shè)計(jì)，其中進(jìn)排氣歧管因其結(jié)構(gòu)緊湊，內(nèi)部進(jìn)排氣通腔較小，為避免上述因素給防爆柴油機(jī)性能造成不利影響，對(duì)防爆進(jìn)氣、排氣系統(tǒng)進(jìn)行了如下研究：①采用加長(zhǎng)變截面進(jìn)氣阻火器技術(shù)，進(jìn)氣負(fù)壓降低為4.5kPa，增加了進(jìn)氣量；②設(shè)計(jì)排氣阻火器前置的廢氣處理結(jié)構(gòu)，增大排氣阻火器通氣能力；③優(yōu)化排氣系統(tǒng)，減小排氣阻力，防爆后的功率損失降低為原機(jī)功率的10%。

3)防爆發(fā)動(dòng)機(jī)清潔排放技術(shù)研究。為進(jìn)一步降低防爆發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放，研究防爆柴油機(jī)尾氣氧化催化技術(shù)，研制負(fù)載氧化物涂層和活性金屬的DOC裝置，如圖5(a)所示;同時(shí)，研發(fā)一種高效尾氣顆粒凈化系統(tǒng)，通過顆粒分層遞進(jìn)捕捉的方式，提高碳煙顆粒的凈化能力，如圖5(b)所示。

圖5 尾氣氧化催化器

上述技術(shù)提高了防爆發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的清潔排放性能，通過防爆發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試了相關(guān)性能和數(shù)據(jù)見表2。

2.2 駕駛單元多模式設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)研究

2.2.1 獨(dú)立可拆卸的駕駛單元設(shè)計(jì)

將駕駛單元設(shè)計(jì)為獨(dú)立可拆卸式，并集成基控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化。駕駛室總成采用框架式結(jié)構(gòu)，在保證強(qiáng)度基礎(chǔ)上進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。同時(shí)，對(duì)車輛駕駛室操縱空間、行車視野、儀表盤和人機(jī)界面設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使司機(jī)能夠減輕疲勞，方便操作。

表2 防爆發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2.2 單/雙向駕駛模式及控制系統(tǒng)

單向駕駛為基礎(chǔ)車型駕駛模式，為適應(yīng)未設(shè)調(diào)頭硐室的巷道運(yùn)行，設(shè)計(jì)雙向駕駛方式。單向駕駛采用主駕駛單元，雙向駕駛采用同側(cè)主、副兩個(gè)駕駛單元。兩種駕駛方式如圖6所示。

圖6 單向/雙向駕駛模式

為防止前后同時(shí)操作或誤動(dòng)作造成事故，設(shè)計(jì)主、副駕駛室的轉(zhuǎn)向互鎖控制系統(tǒng)。正常行駛時(shí)一個(gè)駕駛單元內(nèi)的轉(zhuǎn)向器能動(dòng)作，另一個(gè)駕駛單元的轉(zhuǎn)向器無動(dòng)力，當(dāng)駕駛位需要變化時(shí)，通過氣動(dòng)控制液壓油路，對(duì)主、副駕駛室兩個(gè)優(yōu)先閥進(jìn)行切換，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向互鎖。

2.3 工作裝置作業(yè)功能拓展設(shè)計(jì)研究

2.3.1 后翻自卸和側(cè)翻自卸裝置

后翻自卸式貨廂布置在后驅(qū)動(dòng)橋及后輪胎的正上方，貨廂活動(dòng)擋板設(shè)計(jì)為具備自動(dòng)打開和閉合的旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)。整車有時(shí)需在井下用鏟運(yùn)機(jī)裝載散料，盡量降低貨廂距地面的高度。經(jīng)過分析比較多種舉升機(jī)構(gòu)，最終確定后翻自卸方案如圖7所示。自卸舉升機(jī)構(gòu)采用雙缸直推、腹舉式舉升方式。雙向駕駛車輛，貨廂無法后翻，采用側(cè)卸方式。另外，側(cè)卸料也可用于低矮巷道。由于車輛長(zhǎng)度有限，采用單缸直推。側(cè)卸方案如圖8所示。

圖7 后翻自卸貨廂及舉升裝置

圖8 側(cè)翻自卸貨廂及舉升裝置

2.3.2 水平自卸裝置

為解決礦井巷道高度低、卸載困難的問題，設(shè)計(jì)一種水平自卸裝置，同時(shí)解決了粘濕性物料卸載不徹底的問題。該裝置由機(jī)械裝置和液壓系統(tǒng)構(gòu)成，機(jī)械裝置主要由貨廂、偽底、推板等組成。液壓系統(tǒng)主要由偽底兩側(cè)的兩液壓缸、推板兩側(cè)的兩液壓缸以及液壓泵、液壓油箱和順序閥等組成。為保證混凝土、淤泥等粘性物料卸載干凈，在油缸前設(shè)置液壓激振器，使活塞桿伸出時(shí)具備抖動(dòng)功能。

2.4 車輛安全保障技術(shù)研究

2.4.1 制動(dòng)聯(lián)動(dòng)安全保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

制動(dòng)聯(lián)動(dòng)安全保護(hù)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)2種功能：①車輛發(fā)動(dòng)機(jī)熄火時(shí)的自動(dòng)執(zhí)行制動(dòng)，具體為發(fā)動(dòng)機(jī)突然熄火時(shí)機(jī)油壓力降為零，緊急制動(dòng)閥組中的液控?fù)Q向閥迅速換向，制動(dòng)器的高壓解制動(dòng)油通過緊急制動(dòng)閥組回油，車輛迅速實(shí)施緊急制動(dòng)；②車輛雙駕駛室前、后緊急制動(dòng)閥在解除制動(dòng)時(shí)采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，制動(dòng)時(shí)采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)形式，操作任一緊急制動(dòng)閥均可使車輛緊急制動(dòng)。

2.4.2 運(yùn)人車乘人裝置門啟閉安全聯(lián)動(dòng)技術(shù)

運(yùn)人車乘人裝置設(shè)計(jì)氣液控制客廂門啟閉的安全聯(lián)動(dòng)裝置，通過液壓、氣動(dòng)及手動(dòng)操作協(xié)調(diào)控制，車輛行駛過程如車門開啟則自動(dòng)實(shí)施制動(dòng)，防止乘員在沒得到司機(jī)允許時(shí)私自下車造成傷害事故以及客廂門在沒有關(guān)閉狀態(tài)下車輛即行走而造成的安全事故，保證乘員在車輛運(yùn)行過程中的安全性。原理如圖9所示。

圖9 乘人裝置門啟閉安全聯(lián)動(dòng)原理

3 關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)及驗(yàn)證

上述關(guān)鍵技術(shù)已應(yīng)用在立井鉸接式無軌膠輪車上，在煤礦井下完成了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1)單向運(yùn)料車：車輛從地面裝載物料到達(dá)副立井罐籠進(jìn)出口，車輛整體駛?cè)牍藁\，罐籠下放530m后到達(dá)井下，車輛駛出罐籠后進(jìn)入主運(yùn)大巷，再進(jìn)入東盤區(qū)輔運(yùn)巷。主要承擔(dān)運(yùn)輸混凝土，出渣和運(yùn)送散料等任務(wù)，平均每天下井9次，單趟運(yùn)距約15km，在3個(gè)月工業(yè)性試驗(yàn)中運(yùn)輸路程達(dá)到9870km，運(yùn)輸量達(dá)到4200t。試驗(yàn)表明：整車滿足立井直接進(jìn)出罐籠要求，顯著提高了運(yùn)輸效率，具備外形小、駕駛視野好、尾氣排放低等特點(diǎn)。

2)雙向順槽車：車輛主要承擔(dān)運(yùn)輸混凝土、沙子等散料，以及吊運(yùn)中小型機(jī)電設(shè)備和成捆物料的任務(wù)，平均每天運(yùn)行10次，平均載重量為2.8t，年運(yùn)輸里程達(dá)到42000km，年平均運(yùn)輸貨物達(dá)到14500t。使用表明：整車發(fā)揮緊湊型設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，可直接進(jìn)出罐籠，提高了轉(zhuǎn)運(yùn)效率，工作裝置滿足井下材料及設(shè)備的裝卸運(yùn)需求，雙向駕駛功能克服了工作面巷道未設(shè)調(diào)頭硐室等不利條件，適應(yīng)能力強(qiáng)。

4 結(jié) 論

1)闡述了基于清潔動(dòng)力傳動(dòng)平臺(tái)的立井用鉸接式運(yùn)輸車總體方案設(shè)計(jì)、主參數(shù)的確定、基礎(chǔ)平臺(tái)開發(fā)、駕駛單元多模式設(shè)計(jì)、工作裝置作業(yè)功能拓展設(shè)計(jì)及車輛清潔排放、安全保障等關(guān)鍵技術(shù)。

2)針對(duì)立井煤礦條件，并根據(jù)井下運(yùn)人、運(yùn)料及機(jī)電設(shè)備運(yùn)輸?shù)亩鄻踊枨螅捎闷脚_(tái)化研發(fā)模式，將兩種駕駛單元和多種裝卸運(yùn)工作裝置組合搭載于緊湊型平臺(tái)上，研制系列化無軌車輛，滿足立井條件的點(diǎn)到點(diǎn)直達(dá)運(yùn)輸，并提高系列產(chǎn)品的模塊化和通用化程度。

3)應(yīng)用以上關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)計(jì)方法的立井用鉸接式系列無軌膠輪車在煤礦井下完成了使用驗(yàn)證，試驗(yàn)表明整車技術(shù)性能滿足生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的需求，且平臺(tái)化設(shè)計(jì)的產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維更加便捷。