趙海興
(1.中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司,山西 太原 030006;2.山西天地煤機(jī)裝備有限公司,山西 太原 030006)
煤礦更新需求,在建和擴(kuò)建煤礦新增需求共同驅(qū)動(dòng)防爆柴油機(jī)無軌膠輪車在全國范圍內(nèi)的推廣應(yīng)用,其高效和減人的突出優(yōu)勢(shì)已被證實(shí)。隨著礦井向大型化和深部發(fā)展,豎井一般采用副立井罐籠向井下運(yùn)輸物料及設(shè)備。陜蒙地區(qū)的紅慶梁煤礦,罐籠尺寸:長7.9m,寬3.7m,高5.2m;能滿足載重5~10 t級(jí)防爆柴油機(jī)無軌膠輪車自由出入罐籠。山西大同煤礦集團(tuán)公司的王村煤礦和四老溝煤礦,罐籠尺寸:長5m,寬2m,高3.8m,采用3t級(jí)無軌膠輪車直接進(jìn)出罐籠完成運(yùn)輸工作,由于車輛裝載容量小,導(dǎo)致車輛配置數(shù)量多,輔助運(yùn)輸效率低下。山西長治三元中能煤業(yè)公司罐籠尺寸:長4.5m,寬1.6m,高2.8m,無軌膠輪車無法直接進(jìn)出罐籠,需要解體下井后再組裝,用軌道集裝箱或平板車通過罐籠入井后,在井下?lián)Q裝物料或直接放置在5 t級(jí)防爆柴油機(jī)無軌膠輪車貨廂內(nèi)完成運(yùn)輸,由于運(yùn)輸環(huán)節(jié)繁多,效率偏低[1-4]。
兗州煤業(yè)集團(tuán)西部的石拉烏素和營盤壕煤礦,罐籠尺寸分別為長7.5m,寬3.6m,高3.2m;長8.4m,寬3.6m,高3.2m。神華億利黃玉川煤礦罐籠尺寸:長7.7m,寬3.8m,高3.2m。這些煤礦的無軌膠輪車包括10 t級(jí)的材料運(yùn)輸車和綜采設(shè)備搬家車輛均可直接進(jìn)出罐籠,高效快捷[5]。
兗州煤業(yè)集團(tuán)本部有濟(jì)三煤礦、濟(jì)二煤礦和趙樓煤礦,三個(gè)煤礦的罐籠尺寸:長5m,寬2m,高3m;東灘煤礦和鮑店煤礦罐籠尺寸:長5m,寬1.6m,高3m;以上煤礦均為豎井開采。濟(jì)三煤礦是全國首家采用無軌膠輪車的豎井,材料運(yùn)輸車主要負(fù)責(zé)采掘支護(hù)材料、噴漿料、混合料、小型設(shè)備等運(yùn)輸。從井口至最遠(yuǎn)的工作地點(diǎn)約8km,最近約4km,水平路段和坡度路面各占50%,坡度平均約4°~6°,最大坡度10°;部分車輛還要進(jìn)入采掘作業(yè)地點(diǎn)巷道內(nèi)。尤其是集中進(jìn)行路面整平和夯實(shí)過程中,路況復(fù)雜,局部地點(diǎn)坡度能達(dá)到12°~14°,且坑洼不平,存在積水等。濟(jì)二煤礦車輛從乘車點(diǎn)單程行駛7km,其中5°坡600m,13°坡70m,10°坡300m。
目前這些煤礦采用的直接進(jìn)出罐籠的無軌膠輪車為平頭汽車底盤改裝式3t級(jí)自卸車,整車為短軸距機(jī)械傳動(dòng)后雙輪驅(qū)動(dòng)防爆車輛,使用中存在數(shù)量多,排放污染嚴(yán)重的問題;在井下爬坡過程中,車輛易打滑,運(yùn)輸效率低下。如果將整車的承載能力加大,驅(qū)動(dòng)方式更改為四輪驅(qū)動(dòng),必然導(dǎo)致整車的高度尺寸變大;負(fù)載時(shí)重心升高(尤其是在運(yùn)輸散裝物料時(shí)),車輛運(yùn)行的穩(wěn)定性變差;而且在長距離上、下坡時(shí),易出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)橋的主減速器損壞和輪邊濕式制動(dòng)器漏油等故障[6,7]。
為此,急需研究高效的適合罐籠運(yùn)輸工藝及配套的防爆柴油機(jī)無軌膠輪車。
近年來國產(chǎn)的5t和8t級(jí)鉸接式防爆柴油機(jī)無軌膠輪車已普遍使用在全國各大煤礦,技術(shù)成熟可靠,得到了用戶的一致認(rèn)可。通過防爆柴油機(jī)無軌膠輪車在各大煤礦的使用驗(yàn)證,液力機(jī)械傳動(dòng)方式為最佳選擇,防爆柴油機(jī)的動(dòng)力可隨外阻力的變化在一定范圍內(nèi)進(jìn)行無級(jí)調(diào)速,重載爬坡時(shí)具有良好的動(dòng)力性能,而且駕駛操縱簡便靈活。
整車總體設(shè)計(jì)要符合標(biāo)準(zhǔn)《礦用防爆柴油機(jī)無軌膠輪車通用技術(shù)條件》(MT/T 989—2006),繼承現(xiàn)有車型的成熟技術(shù)并創(chuàng)新設(shè)計(jì)。首先考慮結(jié)構(gòu)布置型式和外形尺寸,同時(shí)整車貨廂容積也要滿足貨物平裝所要求的更大載荷設(shè)計(jì)指標(biāo)。該車防爆柴油機(jī)動(dòng)力經(jīng)分體式的液力變距器和變速箱將動(dòng)力傳到前、后驅(qū)動(dòng)橋及車輪,從而產(chǎn)生行駛驅(qū)動(dòng)力。前后驅(qū)動(dòng)橋上布置有鋼板彈簧懸掛,前端為吊耳,后端為滑動(dòng)結(jié)構(gòu),既起減震作用,又可以傳遞驅(qū)動(dòng)力和轉(zhuǎn)向力。車輛轉(zhuǎn)向時(shí)通過轉(zhuǎn)向閥塊控制液壓油進(jìn)入兩個(gè)油缸,從而實(shí)現(xiàn)向左和向右轉(zhuǎn)向。為了保證整車的防爆特性,需有必要的液體箱和氣罐,而且各容器須容納一定體積的液體或氣體來滿足整車往返一趟或使用一個(gè)班的工作時(shí)間。整車的右前方有燃油箱和廢氣處理箱,右前輪上部為防爆柴油機(jī)的補(bǔ)水箱,左前輪上部為液壓油箱,兩個(gè)等容積的氣罐布置在后車架左右兩側(cè)。
由于整車須采用濕式制動(dòng)技術(shù),滿足煤礦長距離大坡度制動(dòng)要求。國內(nèi)研制的濕式制動(dòng)大載荷驅(qū)動(dòng)橋外形尺寸和質(zhì)量偏大,導(dǎo)致整車整備質(zhì)量和外形尺寸大,難以滿足罐籠運(yùn)輸條件。研制12t級(jí)自卸車采用國際大公司的通用驅(qū)動(dòng)橋可使整車軸距較大、穩(wěn)定性好;驅(qū)動(dòng)橋外形尺寸和質(zhì)量小,可降低整車整備質(zhì)量,提高驅(qū)動(dòng)橋懸掛高度,增大離地間隙。濕式制動(dòng)器設(shè)計(jì)在驅(qū)動(dòng)橋主減速器和輪邊減速器中間,為了降低整車在長距離下坡時(shí)摩擦片的發(fā)熱量,防止制動(dòng)系統(tǒng)的密封圈高溫老化出現(xiàn)漏油或液壓液和齒輪油互竄的問題,將前后驅(qū)動(dòng)橋增加強(qiáng)制冷卻裝置,由小排量的齒輪泵帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)橋內(nèi)部的齒輪油循環(huán)冷卻,測(cè)試結(jié)果表明增加強(qiáng)制冷卻裝置后油溫可降低40%,極大地延長了驅(qū)動(dòng)橋的使用壽命,提高了整車使用的安全性。
駕駛室設(shè)計(jì)首先要保證駕駛員能在駕駛室的內(nèi)部空間乘坐舒適,長度確定為1400mm,寬度確定為565mm;且設(shè)計(jì)有擋風(fēng)玻璃;機(jī)艙蓋板內(nèi)部布置隔熱和隔音材料;座椅和方向盤的布置要符合人機(jī)工程要求,而且對(duì)駕駛室區(qū)域的儀表、按鈕、扳鈕、手柄和踏板等合理布局,使駕駛員操作方便靈活。
在井下倒車時(shí)存在盲區(qū),所以設(shè)計(jì)開發(fā)出防爆可視倒車報(bào)警裝置包括紅外測(cè)距傳感器、攝像儀、顯示器和控制器等元部件。顯示器布置在駕駛室內(nèi)部;測(cè)距傳感器布置在整車的貨廂尾部,測(cè)距傳感器測(cè)量有效范圍為400~1000mm;攝像儀和控制器布置在后車架上,攝像儀旁邊設(shè)計(jì)有補(bǔ)光照明燈。由于整車主要用于裝載散料及鋪設(shè)巷道底板的混凝土材料等,為了避免倒車攝像儀在煤礦井下被污泥遮掩,影響倒車可視效果,設(shè)計(jì)開發(fā)了氣動(dòng)控制的防護(hù)裝置,在駕駛室內(nèi)可動(dòng)作氣動(dòng)手拉閥使氣缸帶動(dòng)攝像頭護(hù)板開啟和關(guān)閉。
為了使整車能滿足濟(jì)三和趙樓煤礦豎井使用要求,具有拆解下井方便、體積載荷比小、承載容積大和卸載速度快的特點(diǎn);同時(shí)可滿足石拉烏素、營盤壕煤礦和黃玉川煤礦等豎井大型罐籠的直接進(jìn)出運(yùn)輸條件。整車主要技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)見表1。
表1 整車主要技術(shù)參數(shù)
2.2.1 柴油機(jī)主機(jī)選型
依據(jù)防爆膠輪車噸功率經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),確定防爆柴油機(jī)額定功率為130kW/2200r/min,最大扭矩700N·m/1400r/min。采用廢氣渦輪增壓及進(jìn)氣中冷技術(shù),使柴油機(jī)升功率提高約35%~45%,保證動(dòng)力的前提下能大幅降低柴油機(jī)的體積和重量,同時(shí)可降低有害物尤其是CO和NOx的排放指標(biāo)。該型防爆柴油機(jī)體積較小,便于在整車上布置設(shè)計(jì),既保證了外形尺寸的要求,又有利于整車輕量化設(shè)計(jì)。
2.2.2 防爆電噴柴油機(jī)設(shè)計(jì)及測(cè)試
以上柴動(dòng)力主機(jī)為基礎(chǔ)機(jī)型,依據(jù)《礦用防爆柴油機(jī)通用技術(shù)條件》(MT990—2006)設(shè)計(jì)防爆進(jìn)、排氣系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng),成功研制出防爆柴油機(jī)動(dòng)力裝置。但其排放指標(biāo)僅相當(dāng)于國Ⅱ標(biāo)準(zhǔn),而煤礦井下巷道空間較小,通風(fēng)條件普遍較差,防爆柴油機(jī)膠輪車運(yùn)行時(shí),廢氣及粉塵難以及時(shí)順暢全部排出,污染嚴(yán)重;有的煤礦防爆柴油機(jī)膠輪車司機(jī)出現(xiàn)頭暈、刺眼、惡心、喘咳,甚至?xí)灥沟默F(xiàn)象。為此,開發(fā)電噴防爆柴油機(jī)更適合煤礦的工作環(huán)境,而且電噴柴油機(jī)較機(jī)械泵的柴油機(jī)相比,扭矩儲(chǔ)備系數(shù)更大,低轉(zhuǎn)速扭矩更大。綜合比較兩種柴油機(jī)的技術(shù)性能指標(biāo)如圖1和圖2所示。
圖1 機(jī)械泵和電噴泵防爆柴油機(jī)外特性曲線比較
圖2 機(jī)械泵和電噴泵防爆柴油機(jī)排放指標(biāo)比較
電噴防爆柴油機(jī)的燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用自主研發(fā)的防爆電控單體泵,電控單體泵系統(tǒng)安裝接口按照原機(jī)接口設(shè)計(jì),更換了噴油器。與機(jī)械柱塞泵式燃油噴射系統(tǒng)相比,電控燃油噴射系統(tǒng)具有較高的燃油噴射壓力,并對(duì)噴油規(guī)律能夠準(zhǔn)確、靈活的控制。能使柴油機(jī)的噴油壓力、噴油量、噴油定時(shí)和噴油速率等參數(shù),按照不同工況運(yùn)行時(shí)可得到實(shí)時(shí)監(jiān)控和最優(yōu)的綜合控制,從而實(shí)現(xiàn)降低柴油機(jī)排放,提高燃油經(jīng)濟(jì)性的目的。
防爆電控燃油噴射系統(tǒng)的研究是該防爆柴油機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。目前,我國地面用柴油機(jī)對(duì)電控燃油噴射技術(shù)的研究已基本成熟,但是如何把該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到煤礦井下,成為研究的主要難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)。重點(diǎn)解決高速電磁閥的本安型防爆和電控ECU單元的隔爆問題,同時(shí),還要保證原電控系統(tǒng)中電磁閥的高速動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性不能有任何變化。
2.2.3 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的散熱裝置設(shè)計(jì)
動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的散熱裝置除了防爆柴油機(jī)主循環(huán)水路散熱器和增壓空氣中冷器之外;還需要增加了一個(gè)傳動(dòng)油冷卻器,采用吸風(fēng)式冷卻方式,如圖3所示。最理想的狀態(tài)是中冷器冷卻后的防爆柴油機(jī)進(jìn)氣最高溫度約70℃、水散熱器冷卻后冷卻液最高溫度約95 ℃、傳動(dòng)油散熱器冷卻后最高溫度約100 ℃。考慮到該柴油機(jī)功率較大,水散熱器的迎風(fēng)面積也較大,為降低散熱器厚度,將中冷器和油散熱器并列布置在水散熱器前面。散熱面積的確定采用計(jì)算及類比的方式進(jìn)行設(shè)計(jì);散熱器的安裝固定方式根據(jù)整車總體結(jié)構(gòu)型式確定。
圖3 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)散熱裝置
整車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配計(jì)算采用進(jìn)口和國產(chǎn)變矩器與進(jìn)口和國產(chǎn)變速箱排列組合方式,變矩器有鈑金沖壓焊接式和鑄造兩種,變速箱為平行軸式結(jié)構(gòu)型式。比較分析三種傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配計(jì)算結(jié)果,綜合考慮動(dòng)力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性等因素,最終確定國產(chǎn)單級(jí)雙相綜合式液力變矩器匹配進(jìn)口雙向各四個(gè)檔位的動(dòng)力換擋變速箱,可使防爆柴油機(jī)處在經(jīng)濟(jì)工作狀況的范圍更寬,變矩器工作在效率大于75%的范圍更寬,整車運(yùn)輸效率更高,結(jié)果如圖4和圖5所示;車速牽引力曲線如圖6所示。
圖4 變速箱輸出動(dòng)力曲線
圖5 防爆柴油機(jī)油耗與變矩器效率曲線
圖6 車輛速度及牽引力曲線
2.4.1 車架的建模及多剛體動(dòng)力學(xué)分析
前后車架均為板架式結(jié)構(gòu),由不規(guī)則的中薄鋼板焊接而成,鉸接裝置由鑄鋼零件機(jī)加工而成型。在Solid Works建立前車架、后車架和貨廂連接為一體的實(shí)體模型,再導(dǎo)入ADAMS中。具體如下:
1)車架體以及所承受各部件建模:在Solid Works建立包括車架體、貨物、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、氣電液系統(tǒng)等的裝配體模型,再導(dǎo)入ADAMS中。修改各部件的質(zhì)量參數(shù),并添加運(yùn)動(dòng)副和約束。
2)板簧處理方法:在Solid Works中將每個(gè)板簧簡化成1片,并離散為10部分,在ADAMS中利用無質(zhì)量梁將10部分連接起來。板簧與驅(qū)動(dòng)橋?yàn)楣潭ㄟB接,與車架體一端為轉(zhuǎn)動(dòng)副,另一端為滑動(dòng)副連接。
3)輪胎處理方法:建立新的輪胎模型,輪胎垂向剛度為3500 N/mm。整車模型如圖7所示。
圖7 整車剛-彈耦合動(dòng)力學(xué)模型
2.4.2 設(shè)計(jì)優(yōu)化
選取車輛滿載、一側(cè)輪胎通過矩形坑路面的工況進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析,應(yīng)力和應(yīng)變分析結(jié)果如圖8、圖9和圖10所示,車架應(yīng)力最大值在板簧末端銷軸孔處為158MPa;前車架主框架側(cè)板與板簧末端連接部位、鉸接耳板和轉(zhuǎn)向油缸座耳板處為應(yīng)力較大區(qū)域。鉸接回轉(zhuǎn)裝置應(yīng)力最大值在轉(zhuǎn)盤軸肩處為170MPa;轉(zhuǎn)盤軸根部、轉(zhuǎn)向油缸座耳板處為應(yīng)力較大區(qū)域。后車架應(yīng)力最大值在后鋼板彈簧座銷軸連接處為235.3MPa;主梁側(cè)板與板簧連接處、鉸接部位上方為應(yīng)力較大區(qū)域。各部位應(yīng)變均處于允許范圍之內(nèi)。將應(yīng)力較大部位進(jìn)行了板材厚度增加、筋板加強(qiáng)和結(jié)構(gòu)改進(jìn)等設(shè)計(jì)和再分析,保證車架能滿足煤礦井下最惡劣運(yùn)行路況及車輛在半坡工況的加速和制動(dòng)等設(shè)計(jì)壽命要求
圖8 前車架應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D
圖9 鉸接回轉(zhuǎn)裝置應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D
圖10 后車架應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D
為了最大限度利用整車貨廂的內(nèi)部空間,同時(shí)保證快速卸載性能,貨廂結(jié)構(gòu)型式及自卸舉升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)直接影響整車的運(yùn)輸效率。貨廂布置在后驅(qū)動(dòng)橋及后輪胎的正上方,方便整車運(yùn)輸設(shè)備而且可以快速卸載,貨廂為薄板焊接結(jié)構(gòu),在側(cè)圍板和底板位置設(shè)計(jì)有很多加強(qiáng)槽鋼,保證其強(qiáng)度和剛度;后擋板設(shè)計(jì)為具備自動(dòng)打開和閉合的雙鉸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)型式,具有開口大、舉升自卸速度快的突出優(yōu)點(diǎn)。貨廂距地面的高度(裝載高度)由車輪的直徑及其跳動(dòng)時(shí)所需的間隙決定。整車有時(shí)需在井下用鏟運(yùn)機(jī)裝載污泥或矸石等材料,故在保證車廂容積足夠和貨物易裝卸的條件下,盡量降低車廂距地面的高度。
經(jīng)過比較分析幾種常用的舉升機(jī)構(gòu),最終確定方案如圖11所示。舉升機(jī)構(gòu)采用雙缸直推、腹舉式舉升方式,布置在貨廂的下方,最大自卸角度設(shè)計(jì)為45°,一方面保證舉升油缸閉合長度最小且發(fā)揮最大的效率,另一方面舉升油缸在動(dòng)作的過程中不能與驅(qū)動(dòng)橋干涉。
圖11 自卸貨廂及舉升裝置
立井距地面深度約420m,罐籠尺寸:長4.9m,寬2.3m,高3m;載荷較大的車輛不能直接進(jìn)出罐籠。為此,從地面將物料裝載到可直接進(jìn)出罐籠的礦車內(nèi),每個(gè)礦車的容積為3m3,通過提升能力9.2t的罐籠將物料運(yùn)輸?shù)骄氯莘e約100m3的大料倉。趙莊煤業(yè)公司井下礦建任務(wù)重,一般情況需要混凝土、石子等散料105m3/d;特殊情況需要210m3/d。為了滿足需求,每天正常運(yùn)行30輛5~8t級(jí)防爆柴油機(jī)無軌膠輪車,單車運(yùn)輸貨物3.5m3,平均載荷7t;存在排放污染嚴(yán)重、安全隱患大和綜合運(yùn)營費(fèi)用高等問題。
整車從副斜井采用牽引絞車與平板車配合運(yùn)輸下井。該車每次運(yùn)輸貨物6m3,平均載荷12t。從井底換裝場(chǎng)地開始沿輔運(yùn)大巷單程運(yùn)行約20km到達(dá)目的地,平均坡度為6°,最大坡度11°,路面起伏不平、顛簸幅度大。使用表明:整車承載能力大,運(yùn)行速度快;每天運(yùn)行車輛數(shù)量及駕駛員減少30%;車輛排放污染低;得到礦方的一致好評(píng)。
主立井距地面深度約980m,罐籠尺寸:長5.2m,寬2.1m,高2.8m;井下所需的物料由汽車底盤改裝的后雙輪驅(qū)動(dòng)防爆車輛或者軌道礦車直接進(jìn)出罐籠運(yùn)輸,防爆車輛的最大容積為2.5m3,每個(gè)礦車的容積為3m3。車輛在大巷單程輔運(yùn)距離約7km,其中輔助運(yùn)輸大巷最大坡度為7°、長度900m。新巨龍公司井下采用“地軌+無軌+天軌”的接力運(yùn)輸方式,物料運(yùn)輸仍以單軌吊為主,無軌膠輪車為輔。存在轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)多,運(yùn)行效率低和防爆柴油機(jī)排放污染嚴(yán)重的突出問題。
整車從中央鉸接部位拆解為兩部分,管路或線纜均設(shè)計(jì)為快插式或布置有接線盒,將貨廂與后車架分解,通過罐籠入井后進(jìn)行組裝使用。在井下料場(chǎng),采用裝載機(jī)將物料裝載到車輛上,完成點(diǎn)到點(diǎn)的運(yùn)輸。使用表明:車輛承載能力大,爬坡速度快,下坡運(yùn)行安全可靠。礦井全部無軌膠輪化的新型運(yùn)輸方式降低了運(yùn)行費(fèi)用和巷道污染,提高了效率,減少了輔助運(yùn)輸?shù)陌踩[患。
1)新型防爆柴油機(jī)無軌膠輪車的成功研制及使用表明整車可大力推廣應(yīng)用到豎井煤礦。通過重新設(shè)計(jì)貨廂的結(jié)構(gòu)型式及自卸方式,改變整車外形尺寸;或增加隨車起吊裝置;或?qū)⒄嚫臑榍拜嗱?qū)動(dòng)方式,降低工作裝置的裝卸高度可使其適用于更多的煤礦,應(yīng)用范圍更廣泛。
2)豎井用無軌膠輪車也可設(shè)計(jì)為類似公路牽引掛車的結(jié)構(gòu)型式,井上由牽引車將拖車運(yùn)送到罐籠內(nèi)部,調(diào)整好拖車的姿態(tài),快速分離牽引車;拖車入井后,井下防爆牽引車和拖車快速、便捷連接,將物料或設(shè)備運(yùn)輸?shù)街付ǖ牡攸c(diǎn)。
3)提升豎井輔助運(yùn)輸效率不僅要從設(shè)備的研發(fā)設(shè)計(jì)著手,而且還需從礦井生產(chǎn)的全局考慮,改變?cè)擃惖V井的輔助運(yùn)輸工藝,在井底建設(shè)有換裝站,通過罐籠用礦車將物料運(yùn)輸?shù)骄麓笮土蟼},然后再次裝載到無軌膠輪車上運(yùn)送到指定地點(diǎn)。