架线式无轨胶轮车在长距离大坡度巷道中的可行性研究与试验

刘志更

(1.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西 太原 030006；2.山西天地煤机装备有限公司，山西 太原 030006)

无轨胶轮车的出现带来了矿井辅助运输的革命，大大提高了矿井生产准备效率，将过去2～3个月的搬家倒面时间缩短到现在的7～10d；减少了过去轨道运输铺轨、架线等设施及费用，巷道更为干净整洁，还提高了运输作业的安全性；更是以其随放随走、灵活机动的特点使得越来越多的矿井愿意选用无轨辅助运输方式[1，2]。

虽然柴油机无轨胶轮车的应用很普遍，但大范围应用暴露出来的尾气排放高、油耗高、噪音高、维护成本高等问题也应引起足够重视[3]。尤其是运行于井下大坡度巷道时，上坡柴油机发热严重、功率损失增加，尾气排放加剧，下坡频繁制动导致制动安全性变差，极易引发安全事故[4，5]。现有矿井大坡度巷道大多数坡度不大于10°，长度不大于500m，载重10t以下的小、中型胶轮车勉强可以运行，而对于重型搬运车之类的车辆，则上坡动力不足爬不上去，下坡需要依靠固定绞车牵引，车辆适应性很差。

1 巷道概况

神华神东补连塔矿2#辅运平硐所属神东煤炭集团补连塔煤矿井田，位于内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗乌兰木伦镇。此斜井是我国首座TBM(Tunnel Boring Machine，隧道掘进机)施工的长距离大坡度煤矿斜井，从2015年1月开始动工，到2017年1月正式建成启用，历时2年。斜井总长度2745m，最大埋深276m，井筒净直径为6.6m，最大坡度-5.43°(9.5%)，中间在TBM900m和TBM1850m处设置了两处长度200m的水平缓冲段”，是典型的长距离大坡度斜井，主要用作辅助运输巷道[6]。巷道纵向断面如图1所示。

图1 巷道纵向断面图

巷道横断面如图2所示。四周由预制钢筋的混凝土管片组成，管片厚度350mm，底部垫层回填后，铺设沥青平整路面，底宽5724mm，最大高度4943mm，规划双向两车道运行。

图2 巷道横断面图(mm)

2 辅助运输方案选择

在长距离大坡度巷道上运行无轨胶轮车，就必须要解决柴油机排放、燃油消耗、制动安全和备件成本等问题。从问题出发，有以下解决方案：

1)将普通柴油机改为电喷柴油机[7]，提高燃油喷射压力，按照工况实时监控和控制柴油机的各燃油喷射参数(喷油压力、喷油量、喷油定时、喷油速率)，实现降低柴油机排放，提高燃油经济性的目的，尾气排放相比机械泵式柴油机减少30%～40%。

此方案能够有效降低污染物排放，但是无法解决车辆长距离上坡功耗损失大造成的动力不足问题和下坡制动效能变差造成的安全问题。

2)改变动力源，将动力由柴油机变为电动机。由于铅酸蓄电池存在能量密度低、体积大、充电时间长、充放电次数少等不足，仅适合短距离运输作业[8]。而锂离子蓄电池井下使用容量受限(运输车辆用电源、柴油机起动机用电源及其它电源中锂离子蓄电池的额定容量不超过100Ah)、寿命短、成本高、续航里程短等不足，并未得到大范围地成功推广及应用[9，10]。

此方案能够实现零排放，极大地改善巷道作业环境。但续航里程短是致命缺陷，难以满足矿井胶轮辅助运输要求。

3)使用蓄电池大功率坡道无轨胶轮牵引车[11]，工作时来回穿梭于巷道中，完成矿井物料运输。此方案能够解决长距离大坡度巷道的辅助运输问题，但涉及井下物料中转，还需建设配套工业广场进行车辆存放、充电、维修、物料装卸等作业场所。另外上下班高峰期仅依靠牵引车可能会带来效率低的问题。

4)在巷道中运行架线式无轨胶轮车，车辆上坡时，利用架线电源可实现源源不断的能量供给，解决了柴油机上坡动力不足的难题。车辆下坡时，电机回馈制动可以大大减少轮边制动器的使用率，又有安全制动保驾护航，有效地解决了下坡制动安全问题。此方案需要一套严格的管理措施来确保车辆在架线区域的安全运行。

上述四种方案的优缺点对比见表1，经过权衡对比采用了第四种架线式无轨胶轮车的方案。

表1 运输方案优缺点对比表

3 架线式无轨胶轮车

研究柴油机和电机分时独立驱动的无轨胶轮车，在架线辅运大巷采用电驱动运行，车载集电器将接触网系统的电能传输到双动力车辆，为车辆提供驱动电能，实现煤矿井下主要进风巷内的尾气污染零排放，运行效果图如图3所示。在非架线巷道采用防爆电喷柴油机驱动运行，将电机动力切换到柴油机动力，即切断电机动力源，利用防爆电喷柴油机为车辆提供驱动动能，可使巷道尾气排放同比有效降低。

图3 无轨架线车

3.1 传动系统

架线式无轨胶轮车辆要兼顾柴油机和电动机两种动力，柴油机工作时电机不工作，电机工作时柴油机不工作。以运人车为例，根据上述原则设计了传动系统路线图，如图4所示。此方案最大限度地简化了整车传动部件数量，降低了整车布置难度，相对结构布置合理、零部件连接结构紧凑，稳定成熟，机械传动效率高，对柴油机、电机设计研究要求相对低。根据实际的装配和调试，也证明了此方案的合理性。

图4 传动系统路线图

其中动力切换装置是传动系统的关键，既要能够完成柴油机和电机两种动力的切换和互锁，又要确保切换准确顺畅而不发生故障，原理示意图如图5所示。发动机工作时，操作动力拨叉至发动机位置，此时电动机动力与主传动脱开，发动机动力与主传动相连，驱动车辆行驶。电动机工作时，操作动力拨叉至电动机位置，此时发动机动力与主传动脱开，电动机动力与主传动相连，驱动车辆行驶，电动机的动力由架线电源提供。

图5 动力切换箱原理示意图

3.2 集电系统

发动机传动和电机传动均是成熟的传动系统，在此不做研究。关键点是电动机工作时需要采用架线电源供电，而且是无轨胶轮式尚属首次。井下路面起伏不平和无轨胶轮车减震性能差等固有因素，给车辆运行过程中的良好受电带来难题。因此集电系统的研究便是架线式胶轮车能否研制成功的关键。

调研地面无轨电车、城市轨道交通、井下电机车、金属矿山电动卡车等受电方式[12-15]，考虑到巷道空间有限，架线接触网采用了刚性悬挂型式，受电采用了托举接触方式。受电系统如图6所示。

受电流程：集电装置上装有举升油缸和摆动油缸，车辆行驶于接触网导轨正下方后，操作举升油缸，集电杆开始上升动作，通过升弓视频观察，待集电弓头距离接触网导轨间距约为400mm时，停止上升动作。操作摆动油缸实现集电头位置的左、右向调整，视频观察到碳刷基本与导轨正对时，再次操作举升油缸完成碳刷与导电轨的无缝接触，同时观察导轮处的接近开关是否亮灯，亮灯则表示导向轮已就位。原地启动车辆，缓慢向前行驶2～3m，确认正常后车辆即可以正常速度行驶。

车辆运行时，摆动油缸有杆腔和无杆腔联通使之自由，集电弓头可以围绕中心轴360°旋转，这些措施能极大地减小由于车辆横向移动带来的导向轮对接触导轨的侧向力，既保证了受电稳定性，又降低了车辆操作难度。受电碳刷弹簧补偿、中心轴弹簧补偿和油缸弹簧补偿等三处垂向补偿，确保了车辆行驶过程中轻微颠簸时不掉弓。行驶过程中如果出现掉弓现象或者其它报警提示，按下降弓按钮，举升油缸拉动集电杆快速下降并居中回位。

3.3 绝缘系统研究

架线式胶轮车运行时，安全是首先要考虑的问题。为了确保车体安全不带电，从碳刷开始设置了四级绝缘防护，如图7所示。分别是：

1)集电弓头上设置了一级绝缘，实现集电弓头与集电杆之间的绝缘。

2)集电杆上设置了二级绝缘，实现了集电杆上、下两部分之间的绝缘。

3)集电装置底座与车体之间设置了三级绝缘。

4)电控箱和电动机分别与车体之间设置了四级绝缘。

图7 多重绝缘防护

除此之外，架线运行前车载直流漏电流传感器进行漏电检测，配合直流电网脉冲式漏电检测形成两级漏电保护，检测绝缘合格才能启动电驱，确保行车安全。

4 功能性试验

4.1 试验情况

为了验证技术可靠性，中国煤炭科工集团太原研究院有限公司建设了长度400m的架线无轨胶轮车试验场，其中包含一段30m长的14°坡道。矿用架线运人车整机下线后，在试验场进行了冷滑及热滑功能性试验，试验现场如图8所示。试验效果如下：

1)两种动力源切换方便，以柴驱切换电驱为例，车辆停车2s，集电装置升弓10s，柴驱熄火2s、动力切换3s、车辆保护自检到启动电机8s，总切换用时约25s。

2)车辆以架线模式在平直的试验路面上30km/h车速行驶时，集电弓头对接触轨的跟随性良好，试验车辆受流稳定，使用情况良好。

3)车辆以电喷柴驱模式运行时，尾气排放指标为CO<100×10-6，NOx<600×10-6，性能优于机械泵柴油机车。

4)架线运人车运行数据见表2。

表2 运行数据表

图8 地面试验场及运人车试验

4.2 试验总结

架线式无轨胶轮车具有以下优点：

1)车辆可以在14°坡道上2档起步，上坡动力充足。

2)车辆下坡采用电制动方式，有效延长了轮边制动器的使用寿命，提高了车辆下坡运行的安全性。

3)同一路段爬坡，柴电成本对比约为5：1。

4)实现了架线巷道内低噪音、零排放，非架线巷道内低排放。

问题和启示：

1)由于矿用车辆底盘减震不好，架线车运行时对路面的要求较高，建议使用平直的沥青或水泥路面。井下使用时需要对路面进行特殊处理，否则将影响集电弓头受电效果。

2)现有的拨叉式动力切换操作时，一次成功率在80%左右，需要进行结构改进。

3)夜间测试时，当遇到路面不好导致负载变大时，火花较明显，下一步改进研究多点接触的受电接触单元。

4)未来架线车在井下运行时，需要有一套严格的运行管理办法作为安全保障。

5 结 语

架线式胶轮车采用架线供电方式，使得车辆上坡动力充足，下坡制动能量能够及时回馈给接触网吸收再利用。在试验场的成功试验说明，该方式能够解决传统柴油机胶轮车运行于连续长距离大坡度辅运巷道时出现的废气污染和制动安全问题，能有效降低煤矿大巷车辆运行高峰期CO、NOx等有害气体污染的浓度，也可有效减少噪音，能有效改善煤矿井下工作环境，保证井下工作人员的身心健康。这种方式提供了一种长距离大坡度巷道无轨辅助运输的选择方案，对于解决现场问题具有实际意义。