摘要：設(shè)計(jì)了一種多坡度作業(yè)用防爆洗掃車供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)可使傳統(tǒng)洗掃車在煤礦井下復(fù)雜的、多坡度、大坡度、長坡度巷道路面穩(wěn)定作業(yè)，有效避免上下坡度時(shí)清洗水壓力的波動(dòng)或斷流，確保了巷道路面清掃、清洗作業(yè)的效果和效率，使機(jī)械化清掃能夠有效替代現(xiàn)有的人工清掃作業(yè)，彌補(bǔ)人工清掃所需人員多、人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、清掃效果不理想等不足。

關(guān)鍵詞：防爆洗掃車;多坡度作業(yè);供水系統(tǒng);研究設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U462" " " "收稿日期：2024-11-20" " " " DOI：1019999/jcnki1004-0226202504016

A Water Supply System of Explosion-proof Cleaning Sweeper Truck in Multi-Slope Operations

Li Pengtao" Wang Wei

Shijiazhuang Coal Mining Machinery Co.，Ltd.，Shijiazhuang 051431，China

Abstract：A water supply system of explosion-proof cleaning sweeper truck is designed for multi-slope operations， which can enable traditional cleaning sweeper truck to operate stably on complex， multi-slope， steep-gradient， and long-incline tunnel surfaces in underground coal mines. This system effectively eliminates water pressure fluctuations or interruptions during slope transitions， ensuring consistent cleaning efficiency ， by enabling mechanized cleaning to replace manual cleaning， it addresses critical limitations of manual cleaning， including excessive workforce demand， high labor intensity， and inconsistent cleaning outcomes?.

Key words：Explosion-proof cleaning sweeper truck;Multi-slope operations;Water supply system;Research and design

1 前言

煤礦井下巷道由于進(jìn)風(fēng)回風(fēng)的影響會(huì)覆蓋大量的塵土和煤粉，在車輛通過時(shí)容易導(dǎo)致二次揚(yáng)塵污染，威脅人體健康，同時(shí)大量煤粉堆積也會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)等次生災(zāi)害，因此煤礦安全規(guī)程中規(guī)定必須及時(shí)清除巷道中的浮煤，清掃、沖洗沉積煤塵。目前，煤礦清掃主要以人工清掃、清洗為主[1]，將道路積壓煤塵沖洗到邊溝，但邊溝內(nèi)長時(shí)間堆積的煤泥會(huì)更加難以清除，需有額外專用設(shè)備進(jìn)行定期處理。整個(gè)處理過程需求人員多，勞動(dòng)強(qiáng)度大，清潔效率低。同時(shí)，煤礦生產(chǎn)有煤礦井下單班作業(yè)人數(shù)限員規(guī)定，大量的清潔人員會(huì)占用井下作業(yè)人員數(shù)，影響生產(chǎn)的效率。

洗掃車具有路面清掃和清洗功能[2]，作業(yè)過程中，由箱體內(nèi)清水腔體供應(yīng)清水，通過高壓水路加壓后用于路面沖洗，清洗壓力高，清潔效果好，并可通過風(fēng)機(jī)的負(fù)壓吸拾將污物及污水進(jìn)行回收，便于轉(zhuǎn)用至指定地點(diǎn)，單一車型便可解決煤礦巷道清掃及煤塵的轉(zhuǎn)運(yùn)問題，做到對煤塵的集中利用。且機(jī)械化清掃在單位時(shí)間內(nèi)以作業(yè)長度和作業(yè)面積核算，作業(yè)效率均遠(yuǎn)高于人工清掃[3]。因此可對現(xiàn)有洗掃車電氣部件、動(dòng)力部件等進(jìn)行煤礦安全適用性改造，以滿足煤礦井下使用。結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

目前中小型洗掃車的污水箱與清水箱多為一體式設(shè)計(jì)，布置采用前部清水腔體和后部兩側(cè)清水腔體、后側(cè)中部污水腔體設(shè)計(jì)。為便于傾卸箱體內(nèi)部回收的污水及垃圾，箱體通常設(shè)計(jì)有大角度傾翻功能[4]，導(dǎo)致現(xiàn)有洗掃車的高壓水路系統(tǒng)供水取水口大部分位于箱體傾翻鉸接點(diǎn)后側(cè)，且通常在該取水口附近設(shè)置有一個(gè)低水位傳感器作為水路保護(hù)裝置[5]。但煤礦井下巷道路況復(fù)雜，路面坡度多、坡度大且坡度長，采用此常規(guī)布置設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致下坡路段時(shí)，清水腔內(nèi)大量的清水積于箱體前側(cè)，低于取水口位置，無法供給高壓水泵，造成作業(yè)中斷、縮短作業(yè)時(shí)間、降低作業(yè)效率。同時(shí)，高壓水泵布置于箱體前部，上坡路段高壓水泵位置會(huì)高于部分清水腔體，存在高壓水泵吸水不暢或空吸等情況，容易導(dǎo)致高壓水泵的損壞。為了解決以上問題，本文設(shè)計(jì)了一種多坡度作業(yè)用防爆洗掃車供水系統(tǒng)，來保證高壓水路系統(tǒng)作業(yè)的穩(wěn)定性，保證作業(yè)效率及效果。

2 供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高壓水路系統(tǒng)的可靠及穩(wěn)定性是清潔效果良好的重要保證之一，高壓水路供水系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定又是高壓水路系統(tǒng)穩(wěn)定的重要保證[6]。供水系統(tǒng)主要由提供水源的清水箱、高壓水泵、連接高壓水泵與清水箱的供水管路及提供高壓水路系統(tǒng)保護(hù)的水位報(bào)警裝置組成，如圖2所示。

本供水方案為解決現(xiàn)有洗掃車在煤礦井下多坡度路段作業(yè)存在的問題，在不改變現(xiàn)有箱體情況下，對供水管路、高壓水泵位置的布置、水位報(bào)警裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

2.1 供水管路

防爆柴油機(jī)無軌膠輪洗掃車設(shè)計(jì)最大爬坡能力14°，供水管路則以滿足最大14°坡度作業(yè)進(jìn)行設(shè)計(jì)，為避免上下坡度作業(yè)情況下清水積于角落無法有效排出的情況，在清水箱底部設(shè)計(jì)下沉式前后連通管路。

為保護(hù)高壓水泵，防止高壓水泵出現(xiàn)空吸情況，清水箱容積設(shè)計(jì)時(shí)均有一定預(yù)留量，預(yù)留量的多少與清水箱結(jié)構(gòu)和高壓水泵排量有關(guān)，本方案以180 L預(yù)留量進(jìn)行前后連通管路的設(shè)計(jì)。清水箱前后寬度分別為2 100 mm、1 200 mm。以上述數(shù)據(jù)分別計(jì)算上下坡情況剩余水量所占高度尺寸。

以上述計(jì)算結(jié)果在清水箱上作兩條斜向14°線，如圖2所示，供水管路前端以清水箱前斜向線作為轉(zhuǎn)折位置進(jìn)行傾斜管路設(shè)計(jì)，傾斜角度14°，供水管路后端綜合考慮清水箱后斜向線和箱體傾翻鉸接點(diǎn)位置，采用直角結(jié)構(gòu)布置，與供水管路前端連接。供水管路總體布置如圖2所示。

2.2 高壓水泵

以供水管路計(jì)算剩余水量所得位置，需將高壓水泵設(shè)置于兩條14°斜向線交叉點(diǎn)下側(cè)，如圖2所示，才能保證在14°以下任意坡度作業(yè)情況下高壓水泵進(jìn)口均具有足夠的正壓水頭，保證供水穩(wěn)定。但現(xiàn)有動(dòng)力傳遞方式為作業(yè)防爆柴油機(jī)通過萬向聯(lián)軸器帶動(dòng)軸承盒及與軸承盒相連的皮帶輪旋轉(zhuǎn)，皮帶輪再通過皮帶帶動(dòng)高壓水泵和風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)工作，如圖1所示，高壓水泵位置受限于作業(yè)防爆柴油機(jī)和風(fēng)機(jī)位置，無法靈活布置，必然會(huì)導(dǎo)致上坡路段高壓水泵位置高于部分清水箱體，水量偏少情況下作業(yè)會(huì)引起高壓水泵吸水不暢，甚至出現(xiàn)空吸情況，進(jìn)而導(dǎo)致出水壓力減小，甚至斷流，影響作業(yè)效果，長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)更會(huì)損壞高壓水泵。

為解決以上問題，本文設(shè)計(jì)了一套液壓傳動(dòng)方案，液壓原理如圖3所示，作業(yè)防爆柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓油泵，通過液壓管路將動(dòng)力有效傳遞到液壓馬達(dá)，再由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)高壓水泵旋轉(zhuǎn)。以此方案，可將高壓水泵布置于任意所需范圍。

2.3 水位報(bào)警裝置

清水箱內(nèi)設(shè)計(jì)有浮球式低水位傳感器作為高壓水路系統(tǒng)的保護(hù)裝置，用于水量少的情況下的預(yù)警和強(qiáng)制控制作業(yè)停止，防止高壓水泵發(fā)生空吸現(xiàn)象，避免高壓水泵損壞。因車輛加減速行駛或者上下坡行駛會(huì)導(dǎo)致清水箱內(nèi)局部位置的清水高度波動(dòng)，導(dǎo)致低水位傳感器短時(shí)誤報(bào)，為避免誤報(bào)，通過設(shè)置有1 min的延時(shí)報(bào)警時(shí)間，降低誤報(bào)概率。但以上設(shè)置同樣會(huì)導(dǎo)致長上坡或下坡情況下（與低水位傳感器的安裝位置有關(guān)）報(bào)警，導(dǎo)致在清水充足情況下作業(yè)停止，從而降低作業(yè)效率。

為解決以上問題，本供水方案以供水管路計(jì)算剩余水量所得位置，前后各設(shè)置一低水位傳感器，如圖2所示，兩低水位傳感器在電氣線路上獨(dú)立連接，互不相關(guān)，在控制邏輯上進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)低水位傳感器均無感應(yīng)，再進(jìn)行作業(yè)停止操作。電氣線路上的獨(dú)立性可在低水位傳感器故障時(shí)快速定位故障件，程序上也有相應(yīng)的手動(dòng)檢測功能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和更換故障件，避免低水位傳感器故障造成的不必要停機(jī)。同時(shí)兩低水位傳感器大間距的布置可解決局部位置清水高度波動(dòng)，將報(bào)警延時(shí)時(shí)間縮短到20 s以內(nèi)，減少清水報(bào)警預(yù)留量，提高清水利用率，同樣清水箱容積情況下增加連續(xù)作業(yè)時(shí)間。

3 應(yīng)用情況

以該供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一款防爆柴油機(jī)無軌膠輪洗掃車現(xiàn)服務(wù)于某井工礦，該礦作業(yè)路段工況復(fù)雜，坡道路段占作業(yè)總路段43%以上，坡度大小集中在6°，占坡道路段的73%，少量坡度能達(dá)到12°。車輛作業(yè)場景如圖4所示。

多次試驗(yàn)的單箱清水連續(xù)作業(yè)時(shí)間數(shù)據(jù)見表1。由表中數(shù)據(jù)可看出，車輛在煤礦井下的單箱清水連續(xù)作業(yè)時(shí)間優(yōu)于或持平于平整路段作業(yè)的時(shí)間，且實(shí)際應(yīng)用中高壓水路系統(tǒng)出水穩(wěn)定無斷流，無誤報(bào)故障停機(jī)情況。

4 結(jié)語

隨著國內(nèi)高效智能化礦井建設(shè)的推進(jìn)，機(jī)械化、自動(dòng)化將滲透于開采掘進(jìn)、輔助運(yùn)輸?shù)雀魃a(chǎn)方面。此供水系統(tǒng)使得傳統(tǒng)洗掃車可在煤礦井下多坡度巷道路面穩(wěn)定、可靠地作業(yè)，同時(shí)結(jié)合防爆無軌膠輪洗掃車清掃作業(yè)的良好效果和較高作業(yè)效率等優(yōu)勢，將替代大部分煤礦井下巷道人工清掃任務(wù)，彌補(bǔ)了人工清掃所需人員多、人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、清掃效果不理想等方面的不足。

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作者簡介：

李朋濤，男，1988年生，工程師，研究方向?yàn)閷Ｓ闷囇邪l(fā)。