钾盐矿用梭车的研制

中国煤炭科工集团太原研究院有限公司 山西太原 030006

钾 是农作物生长所必须的营养元素之一，而95% 的钾盐用来生产钾肥，因此，钾盐的开采和利用直接关系到国家粮食安全。受钾盐成矿地质条件影响，全球钾盐资源的分布高度集中，主要分布在欧洲和北美等地区，其中全球总储量的 70% 被白俄罗斯、俄罗斯和加拿大这 3 个国家所占据，资源分布的不均匀性决定了钾盐的生产也被少数企业垄断。我国钾肥产量自给率只有一半，因此保障境外钾盐安全稳定的供应是我们面临的首要任务。中国在合理开发利用国外钾盐资源方面，不仅需要综合分析矿产资源的开发条件，同时还要考虑该国的政治经济等因素。老挝的万象盆地特大型钾矿勘测 KCL 资源储量高达 130 亿 t，为钾石盐-光卤石型矿床，矿体厚度较大，矿石品位较高，属于优质资源，是迄今发现的大型光卤石钾盐矿。中挝友谊源远流长，在老挝钾盐资源勘查开发上，中国具有经济和地缘政治的优势；因此研制适应于钾盐矿开采的相关装备，合理开发利用钾盐资源，可以更好地为国家的粮食生产和安全提供保障[1-2]。

梭车作为连续采煤机的后配套装备，由于其运行灵活和装卸速度快等特点，目前被广泛应用在神东榆林等矿区的边角煤开采或巷道掘进中。但是其使用仅限于煤矿中，而老挝钾盐矿的环境特点是温度高，湿度大，腐蚀性强，因此需要设计一款钾盐矿用梭车，以适应其复杂的外界环境。

1 钾盐矿的开采环境及开采工艺

老挝钾盐矿矿石资源十分丰富，钾盐含量极高，而且矿物类型比较简单。其中主要是光卤石钾盐矿，成分以光卤石 (KCL·MgCL2·6H2O)和氯化钾 (KCL)的形式存在。在钾盐生产过程中，存在的腐蚀性物质主要为盐雾，含有 CL-和 H2O。随着环境温度的升高，腐蚀性物质产生汽化并对设备进行腐蚀[3]，而且井工开采的钾盐矿一般埋藏较深 (某投资公司在老挝投资的钾盐矿井深约 1 000 m)，井下温度一直都不低于 38 ℃，而且环境湿度较大，这就更加剧了设备的腐蚀。

钾盐矿的典型开采工艺通常有两种：一种是连续型运输开采，所采用的设备配套形式为连续采钾机+连续运输系统；另一种是间断式运输开采，所采用的设备是连续采钾机+梭车[4]。间断式运输开采工艺系统以其设备配套简单、适应性强、投资成本较低等优点，成为钾盐开采企业的首选，其开采工艺如图 1 所示。由图 1 可知，连续采钾机将钾盐截割下来后，将其装入梭车，由梭车运送至输送带上再运到井外。梭车穿梭于采钾盐机和输送带之间，实现物料的运输。

图1 钾盐矿开采工艺Fig.1 Mining process of potassium salt

2 钾盐矿用梭车的结构特点

中国煤炭科工集团太原研究院有限公司是国内最早研制梭车的单位，在梭车研制方面积累了丰富的经验，在国内梭车市场保有率上也占据绝对优势。榆林神东等煤矿开采中大量使用其所生产的梭车，梭车运行稳定，性能可靠，故障率低，得到用户的一致好评。

钾盐矿用梭车结构如图 2 所示，主要由分体机架、行走转向机构、电控系统、循环水冷系统、液压系统、卷揽机构和输送机构等组成[5]。

图2 钾盐矿用梭车结构Fig.2 Structure of shuttle car used in potassium salt mine

为了适应不同矿井下井尺寸的需要，钾盐矿用梭车的分体机架进行分解后下井再进行组装，而目前国外同类产品均是整体式机架，适应矿井范围较窄；行走转向机构采用空间连杆机构实现四轮全转向，该结构在轮胎转向时转向受力好，行走时则由两侧 2 个交流电动机分别驱动 2 个轮边减速器；电控系统是对电动机等电气件的统称；循环水冷系统对变频器进行冷却；液压系统为液压缸等提供液压油源；卷缆机构实现电缆高速收放，最大行程可达 150 m；输送机构将车辆中的煤卸到输送带上，采用交流变频技术，特点是启动转矩大，对运输系统冲击性小。

3 设计要点

3.1 防腐措施

通过对钾盐矿井下开采现场的观察与分析可知，钾盐矿物元素对车辆的腐蚀属于电化学腐蚀。钾盐矿与煤矿的地质结构不同，煤矿开采中的片帮和垮落现象在钾盐矿不会出现。在钾盐矿中，钾盐截割过程中产生的钾盐颗粒很小，同时也会产生大量的粉尘，常用的除尘方式是喷洒饱和盐水。这些粉尘吸水性特别强，吸水后钾盐粉尘和设备表面会构成微电池对设备造成腐蚀[6-7]。此外，钾盐矿埋藏深度一般达数百米，有的甚至上千米，井下温度较高，这就加快了钾盐对设备的腐蚀速度。

碳钢在空气中的腐蚀主要包括电化学腐蚀和氧化腐蚀，腐蚀速度不高，在空气中的腐蚀反应方程式如下：

在单一盐和复合盐的环境下，腐蚀会变得非常快，主要原因是金属表面的氧化膜与盐中的氯离子发生反应溶解到盐中，化学反应方程式如下：

溶解物和氧气发生反应形成沉淀物，使氧化层进一步增厚，加速了腐蚀，化学反应方程式如下：

针对钾盐开采强腐蚀性的环境，钾盐矿用梭车分别从 3 个方面对设备进行防腐处理。第一是机架，钾盐梭车机架先酸洗进行化学防腐，然后再进行喷漆作业，底漆选用 H06-4 环氧富锌底漆，厚度为 230～270 µm，中间漆选用云铁环氧防锈漆，厚度为 60～100 µm，面漆选用氯化橡胶铝粉防锈漆，厚度为 250～300 µm[8]。第二是销轴，由于销轴涉及拆装和更换，一旦锈蚀严重，无法进行拆卸。销轴表面热处理工艺采用新型复合盐浴高防腐处理技术，即在氮化盐浴和氧化盐浴两种盐浴中处理工件。这种技术在工件不变形的情况下，既能提高工件表面的抗腐蚀性，又能提高工件的耐磨性，实现了渗氮和氧化工序的复合以及热处理技术和防腐技术的复合。第三是标准件，设备中会大量使用了需要频繁拆卸的标准件及液压接头。钾盐矿现场勘查发现，经过发黑处理的螺栓等标准件容易发生“锈死”现象，这就给设备维护带来困难，为此本设计采用不锈钢标准件和接头。

3.2 降温措施

梭车行走系统采用变频调速电动机，变频器发热量很大，在梭车中有专门的水冷系统，用来给变频器箱散热。水冷系统如图 3 所示，水冷系统的工作原理[9]是：水循环泵将冷水从水箱Ⅰ中抽出，经过变频器箱后，将变频器箱中的热量带走，然后进入水箱Ⅱ，热水在水箱Ⅱ和水箱Ⅰ中充分散热后再进入循环系统。因为水的热量是靠水箱发散的，因此设置了2 个水箱增加散热面积。现有梭车使用的煤矿井下环境温度一般在 10～25 ℃ 之间，而老挝钾盐矿井下温度达到 38 ℃，现有的水冷系统显然不能满足散热要求，因此在钾盐矿用梭车的水冷系统中串联了 1 个散热器，水箱不能及时散走的热量通过散热器发散。

图3 水冷系统Fig.3 Cooling system

3.3 制动系统的改进

由于钾盐矿与煤矿不同，车辆与路面的摩擦因数也有所不同，原有的制动力矩不能满足钾盐矿的制动要求，因此必须对梭车的制动参数重新进行调整。

梭车传动系统的布置简图如图 4 所示。由图 4 可知，梭车传动系统的顺序是，行走电动机与行走减速器相连，行走减速器与前轮边减速器通过短传动轴相连，前轮边减速器再通过长传动轴与后轮边减速器相连。其中轮边减速器与轮胎相连，实现车辆的动力传动，制动器则与行走减速器相连。由于梭车传动系统对称布置在车体的两侧，此处只给出传动系统的一侧。

图4 梭车传动系统布置简图Fig.4 Layout sketch of drive system of shuttle car

制动距离

则

式中：t1为驾驶员反应时间，s；t2为液压制动系统响应时间，s；v为满载行车速度，m/s；a为制动加速度，m/s2。

制动器所需的制动力矩

式中：J为整车满载时的转动惯量，kg·m2；m为满载质量，kg；f为滚动摩擦因数；i为传动系统的传动比。

由式 (3)可知，除了滚动摩擦因数f，其余变量是系统固有的，由于车辆与钾盐的滚动摩擦因数比车辆与煤矿的滚动摩擦因数小，所需的制动力矩就要增大。因此本设计通过增大制动器的制动力矩来满足钾盐矿用梭车的制动要求[9]。

钾盐矿用梭车的实物如图 5 所示。

图5 钾盐矿用梭车的实物Fig.5 Entity of shuttle car used in potassium salt mine

4 结论

针对老挝钾盐矿温度高，湿度大，腐蚀性强的特有开采特点，开发了耐腐蚀耐高温的钾盐矿用梭车，使其能满足钾盐矿开采的要求。