立井用铰接式防爆无轨运输车关键技术研究

王庆祥

(中国煤炭科工集团太原研究院，山西 太原 030006)

我国煤矿开采主要采用立井、斜井、平硐等开拓方式，平硐、斜井开拓煤矿广泛采用无轨辅助运输，无轨辅助运输机动灵活、安全高效，但立井开拓煤矿仍主要采用传统的轨道辅助运输，转载环节多、系统复杂、安全性差。主要原因为现有无轨车辆无法直接进出立井罐笼，需井上解体、井下二次组装，工序繁琐、占用人员及设备多，且无法实现点到点直达运输。同时，井下运输需求多样，配套车型差异性大，现场运维不便[1-4]。另外，近年来防爆无轨车辆的行车坡度逐渐增大，部分矿井平均坡度达到6°～10°，局部达14°，且井下路面湿滑、弯道交叉，对车辆制动安全性形成很大考验。同时，煤矿井下巷道规格小，通风条件差，防爆发动机废气难以及时排出，给井下人员的职业健康造成不利影响[6，7]。

针对上述问题，采用平台化研发模式，首先开发一种紧凑型清洁动力传动平台，基于该平台拓展研制可直接进出罐笼、安全可靠、清洁高效的运人、运料、设备自装卸等系列运输车，既可实现立井条件，人、料、机电设备的点到点直达运输，同时又大幅提升车辆的作业安全性及排放清洁性[9，10]。

1 总体方案设计与主参数确定

1.1 总体设计思路

为满足整车直接进出立井罐笼要求，主要体现紧凑性，主要包括动力系统、传动系统及承载主体。为适应煤矿井下复杂运行工况，驾驶单元需可实现单向驾驶和双向驾驶模式的全覆盖；为满足井下人员、散装物料及机电设备等的多样化运输需求，设计拓展乘人装置、后翻/侧翻自卸式、水平自卸式、自装卸式等多种物料运输工作装置。最后将驾驶单元和工作装置以组合的形式搭载于基础平台上，形成多种用途的系列车型[11]。

1.2 主参数确定

车辆需适应立井罐笼、井下狭窄巷道条件要求，依据总体布置、整车整备质量和额定载荷确定驱动桥的动态承载能力和外形尺寸等性能参数；由整车总质量、爬坡能力及最高车速等参数确定防爆柴油机参数；根据动力匹配性能、牵引性能和传动装置布置设计等确定液压泵、液压马达等的技术性能参数。

通过以上主要结构型式及技术配置，可确定车辆满载最高车速20km/h，最大爬坡能力14°。以基础车型为例，技术参数见表1，总体布置如图1所示。

图1 WCJS3Y车(单驾后卸)布置(mm)

表1 WCJS3Y车(单驾后卸)整车主要技术参数

2 关键技术

2.1 铰接式清洁动力传动平台设计

2.1.1 紧凑型主体平台设计

铰接式平台采用可灵活拆分的液压驱动、双桥传动系统，防爆柴油机与液压泵组成主动力，液压马达和分动器组成分动力，通过将主动力和分动力以铰接点分隔布置设计，如图2所示，大幅压缩平台长度尺寸，最终设计出紧凑型主体平台。

图2 主、分动力分隔设置

为保证车辆紧凑化后的转向机动性、稳定性，以油缸转向力矩和行程最小为优化目标，设计平台铰接转向系统，实现平台铰接转向部位的紧凑布局。运用优化设计方法获得液压转向的最佳设计方案，用作图法进行机构运动分析，辅以满载原地转向性能测试验证，结果表明，转向时转向力变化平稳，紧凑设计后铰接转向力矩稳定，转向功率消耗少。转向运动如图3所示，转向性能测试如图4所示。

图3 转向机构示意

图4 WCJS3Y车满载原地转向油缸压力变化曲线

2.1.2 平台防爆发动机开发及其清洁排放技术

1)防爆单体泵电控喷油技术。煤矿井下巷道空间较小，通风条件差，防爆柴油机胶轮车运行时，尾气排放难以及时排出，造成环境污染。为此，开发排放可达国Ⅲ标准的防爆电喷柴油机，其燃油系统设计为防爆电控单体泵，电控喷油具有更高的燃油喷射压力，并能够准确、灵活的控制喷油量、喷油定时和喷油速率等参数，按照不同工况可实时监控和最优综合控制，从而实现降低排放目的。

2)防爆柴油机进排气系统分析研究。铰接式平台的紧凑型设计大幅压缩了整车动力传动系统空间，通过防爆电控喷油技术、空空中冷技术有效提高发动机功率体积比，设计可降低高度的防爆进排气系统实现发动机装置低矮型设计，其中进排气歧管因其结构紧凑，内部进排气通腔较小，为避免上述因素给防爆柴油机性能造成不利影响，对防爆进气、排气系统进行了如下研究：①采用加长变截面进气阻火器技术，进气负压降低为4.5kPa，增加了进气量；②设计排气阻火器前置的废气处理结构，增大排气阻火器通气能力；③优化排气系统，减小排气阻力，防爆后的功率损失降低为原机功率的10%。

3)防爆发动机清洁排放技术研究。为进一步降低防爆发动机尾气排放，研究防爆柴油机尾气氧化催化技术，研制负载氧化物涂层和活性金属的DOC装置，如图5(a)所示;同时，研发一种高效尾气颗粒净化系统，通过颗粒分层递进捕捉的方式，提高碳烟颗粒的净化能力，如图5(b)所示。

图5 尾气氧化催化器

上述技术提高了防爆发动机系统的清洁排放性能，通过防爆发动机台架试验测试了相关性能和数据见表2。

2.2 驾驶单元多模式设计和控制系统研究

2.2.1 独立可拆卸的驾驶单元设计

将驾驶单元设计为独立可拆卸式，并集成基控制系统，实现模块化和标准化。驾驶室总成采用框架式结构，在保证强度基础上进行轻量化设计。同时，对车辆驾驶室操纵空间、行车视野、仪表盘和人机界面设计等方面进行优化设计，使司机能够减轻疲劳，方便操作。

表2 防爆发动机尾气排放试验数据

2.2.2 单/双向驾驶模式及控制系统

单向驾驶为基础车型驾驶模式，为适应未设调头硐室的巷道运行，设计双向驾驶方式。单向驾驶采用主驾驶单元，双向驾驶采用同侧主、副两个驾驶单元。两种驾驶方式如图6所示。

图6 单向/双向驾驶模式

为防止前后同时操作或误动作造成事故，设计主、副驾驶室的转向互锁控制系统。正常行驶时一个驾驶单元内的转向器能动作，另一个驾驶单元的转向器无动力，当驾驶位需要变化时，通过气动控制液压油路，对主、副驾驶室两个优先阀进行切换，从而实现转向互锁。

2.3 工作装置作业功能拓展设计研究

2.3.1 后翻自卸和侧翻自卸装置

后翻自卸式货厢布置在后驱动桥及后轮胎的正上方，货厢活动挡板设计为具备自动打开和闭合的旋转式结构。整车有时需在井下用铲运机装载散料，尽量降低货厢距地面的高度。经过分析比较多种举升机构，最终确定后翻自卸方案如图7所示。自卸举升机构采用双缸直推、腹举式举升方式。双向驾驶车辆，货厢无法后翻，采用侧卸方式。另外，侧卸料也可用于低矮巷道。由于车辆长度有限，采用单缸直推。侧卸方案如图8所示。

图7 后翻自卸货厢及举升装置

图8 侧翻自卸货厢及举升装置

2.3.2 水平自卸装置

为解决矿井巷道高度低、卸载困难的问题，设计一种水平自卸装置，同时解决了粘湿性物料卸载不彻底的问题。该装置由机械装置和液压系统构成，机械装置主要由货厢、伪底、推板等组成。液压系统主要由伪底两侧的两液压缸、推板两侧的两液压缸以及液压泵、液压油箱和顺序阀等组成。为保证混凝土、淤泥等粘性物料卸载干净，在油缸前设置液压激振器，使活塞杆伸出时具备抖动功能。

2.4 车辆安全保障技术研究

2.4.1 制动联动安全保护系统设计

制动联动安全保护系统可实现2种功能：①车辆发动机熄火时的自动执行制动，具体为发动机突然熄火时机油压力降为零，紧急制动阀组中的液控换向阀迅速换向，制动器的高压解制动油通过紧急制动阀组回油，车辆迅速实施紧急制动；②车辆双驾驶室前、后紧急制动阀在解除制动时采用串联结构，制动时采用并联结构形式，操作任一紧急制动阀均可使车辆紧急制动。

2.4.2 运人车乘人装置门启闭安全联动技术

运人车乘人装置设计气液控制客厢门启闭的安全联动装置，通过液压、气动及手动操作协调控制，车辆行驶过程如车门开启则自动实施制动，防止乘员在没得到司机允许时私自下车造成伤害事故以及客厢门在没有关闭状态下车辆即行走而造成的安全事故，保证乘员在车辆运行过程中的安全性。原理如图9所示。

图9 乘人装置门启闭安全联动原理

3 关键技术试验及验证

上述关键技术已应用在立井铰接式无轨胶轮车上，在煤矿井下完成了试验验证。

1)单向运料车：车辆从地面装载物料到达副立井罐笼进出口，车辆整体驶入罐笼，罐笼下放530m后到达井下，车辆驶出罐笼后进入主运大巷，再进入东盘区辅运巷。主要承担运输混凝土，出渣和运送散料等任务，平均每天下井9次，单趟运距约15km，在3个月工业性试验中运输路程达到9870km，运输量达到4200t。试验表明：整车满足立井直接进出罐笼要求，显著提高了运输效率，具备外形小、驾驶视野好、尾气排放低等特点。

2)双向顺槽车：车辆主要承担运输混凝土、沙子等散料，以及吊运中小型机电设备和成捆物料的任务，平均每天运行10次，平均载重量为2.8t，年运输里程达到42000km，年平均运输货物达到14500t。使用表明：整车发挥紧凑型设计优势，可直接进出罐笼，提高了转运效率，工作装置满足井下材料及设备的装卸运需求，双向驾驶功能克服了工作面巷道未设调头硐室等不利条件，适应能力强。

4 结 论

1)阐述了基于清洁动力传动平台的立井用铰接式运输车总体方案设计、主参数的确定、基础平台开发、驾驶单元多模式设计、工作装置作业功能拓展设计及车辆清洁排放、安全保障等关键技术。

2)针对立井煤矿条件，并根据井下运人、运料及机电设备运输的多样化需求，采用平台化研发模式，将两种驾驶单元和多种装卸运工作装置组合搭载于紧凑型平台上，研制系列化无轨车辆，满足立井条件的点到点直达运输，并提高系列产品的模块化和通用化程度。

3)应用以上关键技术和设计方法的立井用铰接式系列无轨胶轮车在煤矿井下完成了使用验证，试验表明整车技术性能满足生产现场的需求，且平台化设计的产品现场运维更加便捷。