中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司 山西太原 030006

鉀 是農(nóng)作物生長(zhǎng)所必須的營(yíng)養(yǎng)元素之一，而95% 的鉀鹽用來(lái)生產(chǎn)鉀肥，因此，鉀鹽的開(kāi)采和利用直接關(guān)系到國(guó)家糧食安全。受鉀鹽成礦地質(zhì)條件影響，全球鉀鹽資源的分布高度集中，主要分布在歐洲和北美等地區(qū)，其中全球總儲(chǔ)量的 70% 被白俄羅斯、俄羅斯和加拿大這 3 個(gè)國(guó)家所占據(jù)，資源分布的不均勻性決定了鉀鹽的生產(chǎn)也被少數(shù)企業(yè)壟斷。我國(guó)鉀肥產(chǎn)量自給率只有一半，因此保障境外鉀鹽安全穩(wěn)定的供應(yīng)是我們面臨的首要任務(wù)。中國(guó)在合理開(kāi)發(fā)利用國(guó)外鉀鹽資源方面，不僅需要綜合分析礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)條件，同時(shí)還要考慮該國(guó)的政治經(jīng)濟(jì)等因素。老撾的萬(wàn)象盆地特大型鉀礦勘測(cè) KCL 資源儲(chǔ)量高達(dá) 130 億 t，為鉀石鹽-光鹵石型礦床，礦體厚度較大，礦石品位較高，屬于優(yōu)質(zhì)資源，是迄今發(fā)現(xiàn)的大型光鹵石鉀鹽礦。中撾友誼源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，在老撾鉀鹽資源勘查開(kāi)發(fā)上，中國(guó)具有經(jīng)濟(jì)和地緣政治的優(yōu)勢(shì)；因此研制適應(yīng)于鉀鹽礦開(kāi)采的相關(guān)裝備，合理開(kāi)發(fā)利用鉀鹽資源，可以更好地為國(guó)家的糧食生產(chǎn)和安全提供保障[1-2]。

梭車作為連續(xù)采煤機(jī)的后配套裝備，由于其運(yùn)行靈活和裝卸速度快等特點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用在神東榆林等礦區(qū)的邊角煤開(kāi)采或巷道掘進(jìn)中。但是其使用僅限于煤礦中，而老撾鉀鹽礦的環(huán)境特點(diǎn)是溫度高，濕度大，腐蝕性強(qiáng)，因此需要設(shè)計(jì)一款鉀鹽礦用梭車，以適應(yīng)其復(fù)雜的外界環(huán)境。

1 鉀鹽礦的開(kāi)采環(huán)境及開(kāi)采工藝

老撾鉀鹽礦礦石資源十分豐富，鉀鹽含量極高，而且礦物類型比較簡(jiǎn)單。其中主要是光鹵石鉀鹽礦，成分以光鹵石 (KCL·MgCL2·6H2O)和氯化鉀 (KCL)的形式存在。在鉀鹽生產(chǎn)過(guò)程中，存在的腐蝕性物質(zhì)主要為鹽霧，含有 CL-和 H2O。隨著環(huán)境溫度的升高，腐蝕性物質(zhì)產(chǎn)生汽化并對(duì)設(shè)備進(jìn)行腐蝕[3]，而且井工開(kāi)采的鉀鹽礦一般埋藏較深 (某投資公司在老撾投資的鉀鹽礦井深約 1 000 m)，井下溫度一直都不低于 38 ℃，而且環(huán)境濕度較大，這就更加劇了設(shè)備的腐蝕。

鉀鹽礦的典型開(kāi)采工藝通常有兩種：一種是連續(xù)型運(yùn)輸開(kāi)采，所采用的設(shè)備配套形式為連續(xù)采鉀機(jī)+連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)；另一種是間斷式運(yùn)輸開(kāi)采，所采用的設(shè)備是連續(xù)采鉀機(jī)+梭車[4]。間斷式運(yùn)輸開(kāi)采工藝系統(tǒng)以其設(shè)備配套簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、投資成本較低等優(yōu)點(diǎn)，成為鉀鹽開(kāi)采企業(yè)的首選，其開(kāi)采工藝如圖 1 所示。由圖 1 可知，連續(xù)采鉀機(jī)將鉀鹽截割下來(lái)后，將其裝入梭車，由梭車運(yùn)送至輸送帶上再運(yùn)到井外。梭車穿梭于采鉀鹽機(jī)和輸送帶之間，實(shí)現(xiàn)物料的運(yùn)輸。

圖1 鉀鹽礦開(kāi)采工藝Fig.1 Mining process of potassium salt

2 鉀鹽礦用梭車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司是國(guó)內(nèi)最早研制梭車的單位，在梭車研制方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，在國(guó)內(nèi)梭車市場(chǎng)保有率上也占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。榆林神東等煤礦開(kāi)采中大量使用其所生產(chǎn)的梭車，梭車運(yùn)行穩(wěn)定，性能可靠，故障率低，得到用戶的一致好評(píng)。

鉀鹽礦用梭車結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，主要由分體機(jī)架、行走轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、電控系統(tǒng)、循環(huán)水冷系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、卷攬機(jī)構(gòu)和輸送機(jī)構(gòu)等組成[5]。

圖2 鉀鹽礦用梭車結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of shuttle car used in potassium salt mine

為了適應(yīng)不同礦井下井尺寸的需要，鉀鹽礦用梭車的分體機(jī)架進(jìn)行分解后下井再進(jìn)行組裝，而目前國(guó)外同類產(chǎn)品均是整體式機(jī)架，適應(yīng)礦井范圍較窄；行走轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用空間連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)四輪全轉(zhuǎn)向，該結(jié)構(gòu)在輪胎轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向受力好，行走時(shí)則由兩側(cè) 2 個(gè)交流電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng) 2 個(gè)輪邊減速器；電控系統(tǒng)是對(duì)電動(dòng)機(jī)等電氣件的統(tǒng)稱；循環(huán)水冷系統(tǒng)對(duì)變頻器進(jìn)行冷卻；液壓系統(tǒng)為液壓缸等提供液壓油源；卷纜機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電纜高速收放，最大行程可達(dá) 150 m；輸送機(jī)構(gòu)將車輛中的煤卸到輸送帶上，采用交流變頻技術(shù)，特點(diǎn)是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，對(duì)運(yùn)輸系統(tǒng)沖擊性小。

3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 防腐措施

通過(guò)對(duì)鉀鹽礦井下開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)的觀察與分析可知，鉀鹽礦物元素對(duì)車輛的腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕。鉀鹽礦與煤礦的地質(zhì)結(jié)構(gòu)不同，煤礦開(kāi)采中的片幫和垮落現(xiàn)象在鉀鹽礦不會(huì)出現(xiàn)。在鉀鹽礦中，鉀鹽截割過(guò)程中產(chǎn)生的鉀鹽顆粒很小，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，常用的除塵方式是噴灑飽和鹽水。這些粉塵吸水性特別強(qiáng)，吸水后鉀鹽粉塵和設(shè)備表面會(huì)構(gòu)成微電池對(duì)設(shè)備造成腐蝕[6-7]。此外，鉀鹽礦埋藏深度一般達(dá)數(shù)百米，有的甚至上千米，井下溫度較高，這就加快了鉀鹽對(duì)設(shè)備的腐蝕速度。

碳鋼在空氣中的腐蝕主要包括電化學(xué)腐蝕和氧化腐蝕，腐蝕速度不高，在空氣中的腐蝕反應(yīng)方程式如下：

在單一鹽和復(fù)合鹽的環(huán)境下，腐蝕會(huì)變得非?？?，主要原因是金屬表面的氧化膜與鹽中的氯離子發(fā)生反應(yīng)溶解到鹽中，化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

溶解物和氧氣發(fā)生反應(yīng)形成沉淀物，使氧化層進(jìn)一步增厚，加速了腐蝕，化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

針對(duì)鉀鹽開(kāi)采強(qiáng)腐蝕性的環(huán)境，鉀鹽礦用梭車分別從 3 個(gè)方面對(duì)設(shè)備進(jìn)行防腐處理。第一是機(jī)架，鉀鹽梭車機(jī)架先酸洗進(jìn)行化學(xué)防腐，然后再進(jìn)行噴漆作業(yè)，底漆選用 H06-4 環(huán)氧富鋅底漆，厚度為 230～270 μm，中間漆選用云鐵環(huán)氧防銹漆，厚度為 60～100 μm，面漆選用氯化橡膠鋁粉防銹漆，厚度為 250～300 μm[8]。第二是銷軸，由于銷軸涉及拆裝和更換，一旦銹蝕嚴(yán)重，無(wú)法進(jìn)行拆卸。銷軸表面熱處理工藝采用新型復(fù)合鹽浴高防腐處理技術(shù)，即在氮化鹽浴和氧化鹽浴兩種鹽浴中處理工件。這種技術(shù)在工件不變形的情況下，既能提高工件表面的抗腐蝕性，又能提高工件的耐磨性，實(shí)現(xiàn)了滲氮和氧化工序的復(fù)合以及熱處理技術(shù)和防腐技術(shù)的復(fù)合。第三是標(biāo)準(zhǔn)件，設(shè)備中會(huì)大量使用了需要頻繁拆卸的標(biāo)準(zhǔn)件及液壓接頭。鉀鹽礦現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)發(fā)黑處理的螺栓等標(biāo)準(zhǔn)件容易發(fā)生“銹死”現(xiàn)象，這就給設(shè)備維護(hù)帶來(lái)困難，為此本設(shè)計(jì)采用不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)件和接頭。

3.2 降溫措施

梭車行走系統(tǒng)采用變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)，變頻器發(fā)熱量很大，在梭車中有專門的水冷系統(tǒng)，用來(lái)給變頻器箱散熱。水冷系統(tǒng)如圖 3 所示，水冷系統(tǒng)的工作原理[9]是：水循環(huán)泵將冷水從水箱Ⅰ中抽出，經(jīng)過(guò)變頻器箱后，將變頻器箱中的熱量帶走，然后進(jìn)入水箱Ⅱ，熱水在水箱Ⅱ和水箱Ⅰ中充分散熱后再進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)。因?yàn)樗臒崃渴强克浒l(fā)散的，因此設(shè)置了2 個(gè)水箱增加散熱面積?，F(xiàn)有梭車使用的煤礦井下環(huán)境溫度一般在 10～25 ℃ 之間，而老撾鉀鹽礦井下溫度達(dá)到 38 ℃，現(xiàn)有的水冷系統(tǒng)顯然不能滿足散熱要求，因此在鉀鹽礦用梭車的水冷系統(tǒng)中串聯(lián)了 1 個(gè)散熱器，水箱不能及時(shí)散走的熱量通過(guò)散熱器發(fā)散。

圖3 水冷系統(tǒng)Fig.3 Cooling system

3.3 制動(dòng)系統(tǒng)的改進(jìn)

由于鉀鹽礦與煤礦不同，車輛與路面的摩擦因數(shù)也有所不同，原有的制動(dòng)力矩不能滿足鉀鹽礦的制動(dòng)要求，因此必須對(duì)梭車的制動(dòng)參數(shù)重新進(jìn)行調(diào)整。

梭車傳動(dòng)系統(tǒng)的布置簡(jiǎn)圖如圖 4 所示。由圖 4 可知，梭車傳動(dòng)系統(tǒng)的順序是，行走電動(dòng)機(jī)與行走減速器相連，行走減速器與前輪邊減速器通過(guò)短傳動(dòng)軸相連，前輪邊減速器再通過(guò)長(zhǎng)傳動(dòng)軸與后輪邊減速器相連。其中輪邊減速器與輪胎相連，實(shí)現(xiàn)車輛的動(dòng)力傳動(dòng)，制動(dòng)器則與行走減速器相連。由于梭車傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)稱布置在車體的兩側(cè)，此處只給出傳動(dòng)系統(tǒng)的一側(cè)。

圖4 梭車傳動(dòng)系統(tǒng)布置簡(jiǎn)圖Fig.4 Layout sketch of drive system of shuttle car

制動(dòng)距離

則

式中：t1為駕駛員反應(yīng)時(shí)間，s；t2為液壓制動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，s；v為滿載行車速度，m/s；a為制動(dòng)加速度，m/s2。

制動(dòng)器所需的制動(dòng)力矩

式中：J為整車滿載時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；m為滿載質(zhì)量，kg；f為滾動(dòng)摩擦因數(shù)；i為傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比。

由式 (3)可知，除了滾動(dòng)摩擦因數(shù)f，其余變量是系統(tǒng)固有的，由于車輛與鉀鹽的滾動(dòng)摩擦因數(shù)比車輛與煤礦的滾動(dòng)摩擦因數(shù)小，所需的制動(dòng)力矩就要增大。因此本設(shè)計(jì)通過(guò)增大制動(dòng)器的制動(dòng)力矩來(lái)滿足鉀鹽礦用梭車的制動(dòng)要求[9]。

鉀鹽礦用梭車的實(shí)物如圖 5 所示。

圖5 鉀鹽礦用梭車的實(shí)物Fig.5 Entity of shuttle car used in potassium salt mine

4 結(jié)論

針對(duì)老撾鉀鹽礦溫度高，濕度大，腐蝕性強(qiáng)的特有開(kāi)采特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了耐腐蝕耐高溫的鉀鹽礦用梭車，使其能滿足鉀鹽礦開(kāi)采的要求。