煤矿用防爆指挥车的设计与开发

冯家鹏

（中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西省太原市，030006）

当前，在无轨辅助运输工艺体系中，缺乏一种用于煤矿井下人员运输、生产指挥、工作调度、紧急事件处理以及同时实现人员、小型设备和配件等运输的辅助生产指挥用车。国外公司研制开发了各种性能可靠的防爆胶轮车，但主要车型均采用不同吨位的通用底盘，在此通用底盘的基础上配置不同的工作装置，形成多种车型。如澳大利亚的SMV公司和德国的PAUS公司采用的液力机械传动和四轮驱动的刚性通用底盘，更换工作平台即可改装为运人车、运料车和管道运输车等车型，实现了零部件的通用化和标准化，降低了设备资金和备件数量。目前国内研制生产防爆胶轮车的单位主要有山西煤机装备有限公司、常州科试中心有限公司、昆山晋桦豹和三一重工等公司。防爆指挥车主要有SMV 公司推出的SMV-D 指挥车、江苏金驰车辆有限公司改装生产的WC5RJ指挥车以及三一重型装备有限公司推出了RXD5防爆无轨胶轮指挥车（概念车），但均为改装车或概念车。

基于上述情况，中煤科工集团太原研究院有限公司通过在已开发成功的防爆四驱车的基础上，自主研发了一种外形尺寸小、能够根据载荷变化自动调节悬挂刚度、具有较好的平顺性和乘坐舒适性、用于煤矿井下生产调度和紧急救护的6人座防爆指挥车。在满足使用性能的前提下，以实用性、可靠性和经济性为出发点进行设计，整车性价比要优于国内外同类型产品。

1 总体结构方案及技术参数

1.1 总体结构方案

在已开发成功的防爆四驱长头车的基础上，通过与专业厂家的共同合作，合理匹配变速箱、分动箱和驱动桥的参数及性能，研制开发出一种有市场竞争力的整体四驱矿用防爆指挥车。

整车的总体方案及各总成部件的参数由中国煤炭科工集团太原研究院有限公司来确定，车架及驾驶室由专业厂家来制作完成，这样可有效利用专业厂家的生产设备和专业资源，提高产品设计及装配质量，加快试制进度，确保课题研究质量，发挥公司的技术优势。

1.2 主要技术参数

防爆指挥车整车外型尺寸 （L×W×H）为4800mm×1900mm×2100mm；驱动形式为四轮分时驱动；各档速度分别为Ⅰ档7km／h、Ⅱ档12km／h、Ⅲ档22km／h、Ⅳ档34km／h、Ⅴ档40km／h 以及倒档7.5km／h；最大爬坡能力为纵向16°，横向7.5°；最小转弯的内半径为4500 m，外半径为7000 mm；柴油发动机规格型号为TY4100ZQFB （A）；额定功率为65kW，转速为2200rpm；额定载人数为6 人；空载重量为4450kg。

2 结构组成

WC6R （B）矿用防爆指挥车结构如图1所示。

图1 WC6R （B）矿用防爆指挥车结构图

由图1可见，WC6R （B）矿用防爆指挥车主要由防爆柴油机及进排气装置、传动装置、液压及制动系统、电气及安全保护系统、车身及驾驶室和车架及悬架系统组成。

2.1 防爆柴油机及进排气装置

该车采用山西天地煤机装备有限公司研制的TY4100ZQFB （A）四缸直列式水冷增压柴油机，主要由柴油主机、进排气歧管、防爆增压器、排气管、排气波纹管、废气处理箱、进气系统、启动系统、安全保护系统、热平衡系统、燃油供给系统及附件等组成。采用闭式水冷却循环系统和气压启动方式，安装有空气压缩机、风冷型散热器、气控熄火装置及附属装置。防爆柴油机组成示意图见图2。

图2 防爆柴油机组成示意图

由图2可见，进排气系统是柴油机防爆装置的主要部分。进气系统由空气滤清器、进气管、气控阻风门机构和进气阻火器等组成；排气防爆系统包括进排气弯管、排气波纹管和废气处理箱 （包括排气栅栏）。其中柴油机本身的进排气歧管、增压器、排气弯管和排气波纹管都设计为带水冷却套的双层结构，保证其在发动机满负荷工作时，各部件表面最高温度不超过150℃，排气温度下降到70℃以下，使尾气净化满足其防爆要求。

2.2 传动装置

WC6R （B）矿用防爆指挥车动力传动系统采用前置发动机四轮驱动布置的形式，主要由防爆增压发动机、防爆型离合器、变速箱、分动箱、前后传动轴和前后驱动桥等组成，该传动系统提高了整车对各种路面和地面的适应性、通过性和安全性，并通过分动箱实现两驱与四驱的分时驱动，避免了两驱方式在爬坡等恶劣工况驱动力不足和四驱方式在平路高速运行时产生的寄生功率缺陷。

2.3 液压及制动系统

该车液压系统主要用于液压阻力转向系统和制动系统，驻车制动采用弹簧制动液压释放的形式；行车制动采用液压制动弹簧释放的形式，系统工作油压为15 MPa，制动压力为4.5 MPa。该制动系统采用双回路控制形式，即前、后制动分两路独立控制。若其中任何一路的元件出现故障失灵时，另一路回路仍可正常工作保证整车制动，使整车制动更加安全可靠。制动器为全封闭防爆型湿式多盘制动器，整个系统符合MT／T989-2006中华人民共和国煤炭行业标准 《矿用防爆柴油机无轨胶轮车通用技术条件》中的防爆要求，制动灵敏且安全可靠。

2.4 电气及安全保护系统

主机面板显示内容为：表面温度，报警温度为148℃；冷却水温，报警温度为98℃；排气温度，报警温度为68℃；机油压力报警开关；水位报警开关；发动机转速开关；车速和里程。当安全保护装置被测到超过指标时，会发出声光报警信号。

保护装置控制面板由发光管和按钮组成，主机车辆安全保护系统设置了6项保护指标的自动停车装置，分别是柴油机排气温度不超过70℃、柴油机冷却水温度不超过98℃、柴油机机油压力不低于0.15 MPa、柴油机表面温度不大于150℃、废气处理水箱缺水保护、甲烷浓度超过规定值。当出现以上情况之一时，电保护装置能发出声光报警信号，并在1min内实现自动停机。

2.5 车身及驾驶室

WC6R （B）矿用防爆指挥车驾驶室内的仪表主要包括起动气压表、柴油机机油压表、柴油机水温表、车速里程表、制动压力表和保护显示器等；控制按钮主要包括过载按钮、起动按钮、喇叭按钮、灯切换旋钮、雨刷电机按钮等；踏板主要包括离合器踏板、制动踏板和油门加速踏板；操纵手柄主要包括换挡手柄和驻车制动手柄。遵照煤矿井下人机工程学的原则，设计开发出了能够满足井下使用条件的整体式车身。

2.6 车架及悬架系统

本车采用箱型梁框架式整体车架结构，由左右箱型纵梁和若干横梁连接而成。纵梁采用矩形箱型结构，纵梁和横梁的材料均采用低合金高强度大梁专用钢板。开发过程中，对车架静应力、刚度、振动模型以及动应力等进行了有限元分析，对其进行了轻量化设计，并对其使用寿命和振动特性做出了初步判断。为了降低整车高度、减小自重以及改善操作舒适性，WC6R （B）矿用防爆指挥车在前、后悬架采用了混合式空气悬架装置悬架，其结构示意图见图3。

图3 悬架结构示意图

由图3可见，WC6R （B）矿用防爆指挥车的悬挂系统主要由悬架稳定杆、气囊高度阀、高度控制机构、车架、气源输入 （输出）口、空气弹簧和减振器总成等组成，其中悬架稳定杆主要作为传力导向杆，同时也作为弹性元件承受部分垂直载荷。

3 整车特点

（1）采用液压助力转向，减轻了驾驶员的劳动强度，同时装备了防爆暖风机，用于保持驾驶室的温度，改善了操作的舒适性。悬架系统采用能够自动调节刚度的混合式空气弹簧悬架系统，提高乘坐的舒适性。

（2）采用防爆增压柴油机动力匹配技术，整车动力强劲，爬坡能力大，能满足煤矿井下巷道各种工况的运行要求。

（3）研制开发了专用底盘，四轮分时驱动技术在煤矿井下无轨运输设备中得以应用。

（4）按照煤矿井下人机工程学的原则，同时兼顾整车安全性、舒适性和阻燃特性，与专业厂家共同对矿用防爆指挥车座椅、方向盘、仪表盘、操作手柄、脚踏板等进行了人性化的设计布置，人员乘坐舒适且操纵方便。

（5）车上装备的防爆数字仪表盘便于驾驶员随时了解整车的运行状况，提高驾驶的安全性。

4 试验情况

4.1 整机试验

在整个试制过程中，严格控制每个环节的质量、生产厂家的出场检验和设备的检验准入制度，对于不合格件禁止出厂和上机装配；对泵、阀类等各种液压元件，都要进行液压试验台带载检验；对分动箱等传动部件严格进行带载寿命试验。防爆柴油发动机由国家安全生产邢台矿用防爆柴油机械检测检验中心进行防爆和性能试验。整机装配完成后，山西煤机装备有限公司检测中心的检验人员到现场进行了整机检验，根据出厂实验大纲的要求，对其进行了全项逐一检验。国家安全生产邢台矿用防爆柴油机械检测检验中心的检测人员在现场进行了整车安标性能的检测，并针对检测中出现的问题提出了整改要求。

为了充分考核整车各项性能指标，选择符合条件的相应路段进行了整车空载、带载和坡度试验，带载试跑合计100km，累计试跑总计300km，并在南汽专用车汽车实验场进行了比利时石块路、鹅卵石路、搓板路、长波路、短波路、凸块路和扭曲路等特殊路面的可靠性试验。

WC6R （B）型煤矿用防爆指挥车在出厂前经过反复调试，模拟各种工况，在水平路面空载、满载及12°坡道路面满载情况下进行车速、行车制动和驻车制动试验。测量结果是WC6R （B）型煤矿用防爆指挥车在12°坡道上能够满载停车且可靠驻车，再次启动时能够顺利启车；WC6R （B）型煤矿用防爆指挥车内、外转弯半径，基本满足设计性能。

4.2 井下工业性试验

中煤科工集团太原研究院质量管理部组织检测中心的检验人员对地面试验进行了全面跟踪，并根据铲运车企业标准的要求，对铲车进行了全项逐一检验，经检验测试后，该车的各项性能指标均达到了 《WC6R （B）型防爆胶轮车》企业标准的要求。

铲运车于2010年5 月-8 月在神华集团神东煤炭分公司保德煤矿进行了井下工业性试验，总计试验148d。试验期间WC6R （B）矿用指挥车从大巷道到井下，往返一趟25km 左右，单趟运送6人次，平均每天往返5趟左右，圆满地完成了井下工业性试验任务。该样机在井下工作正常，效果良好。

通过3 个月的井下工业性试验，WC6R （B）矿用指挥车共运行超过3000km，百公里平均油耗35L，达到了百公里油耗不大于40L的要求。

试验结果表明，该车使用的空气弹簧悬架与钢板弹簧悬架相比更适合人员乘坐；各零部件安全可靠；整车性能匹配合理、制动灵活、可靠，人员乘坐平稳、舒适，得到矿上工作人员的一致认可。

5 结论

WC6R （B）型煤矿用防爆指挥车的成功开发满足了煤矿用户的具体需求，目前该车型已在山西晋兴斜沟、平朔安家岭、内蒙双欣等煤矿推广使用，并完成了煤矿井下工业性试验，该车主要用于煤矿井下生产指挥、调度和救护，不仅可以降低工作强度，而且可以提高工作效率，同时又能消除非防爆车下井带来的不安全因素，具有广阔的应用前景。

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