常 凱

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

防爆無軌膠輪車的出現(xiàn)，顛覆性地提高了礦井生產(chǎn)準(zhǔn)備效率，促進(jìn)了煤炭的安全高效生產(chǎn)，現(xiàn)有國內(nèi)千萬噸級礦井大都采取了無軌輔助運(yùn)輸方式[1]。目前，我國煤礦在用的無軌膠輪車在 15 000 臺以上，作為一種在井下封閉狹小空間內(nèi)長距離、長時間運(yùn)行的設(shè)備，其動力源帶來的污染程度和持久性成為最被關(guān)注的話題。筆者針對近年來井下防爆無軌膠輪車輛所使用的或待使用的新興動力源的技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行說明，并對其各自發(fā)展前景進(jìn)行分析。

1 防爆柴油機(jī)

1.1 技術(shù)現(xiàn)狀

1.1.1 普通防爆柴油機(jī)

礦用防爆柴油機(jī)是在工程機(jī)械用柴油機(jī)的基礎(chǔ)上對柴油機(jī)的原機(jī)、進(jìn)排氣系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)進(jìn)行防爆改造而來。

國外防爆柴油機(jī)研究生產(chǎn)起步較早，20 世紀(jì) 30年代就作為輔助運(yùn)輸?shù)膭恿ρb置用于煤礦井下，20世紀(jì) 50 — 60 年代，一些主要采煤國家就建立了具有自己特色的煤礦輔助運(yùn)輸系統(tǒng)及裝備，20 世紀(jì) 80 年代使用的防爆柴油機(jī)輔助運(yùn)輸設(shè)備已達(dá) 400 臺左右，有一系列的以防爆柴油機(jī)為動力的定型產(chǎn)品。到目前為止，煤礦用防爆柴油機(jī)已經(jīng)形成了完備的產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)制造、質(zhì)量控制和售后服務(wù)體系。國外從事防爆柴油機(jī)的制造商主要有美國卡特彼勒公司、德國莫哈姆公司及英國珀金斯公司等，設(shè)計(jì)生產(chǎn)的防爆柴油機(jī)品種多，型號全，覆蓋范圍廣，功率大 (防爆后最大功率可達(dá) 300 kW 以上)，應(yīng)用了最新的柴油機(jī)技術(shù)以及機(jī)、電、液一體化技術(shù)。在產(chǎn)業(yè)化過程中，英國、法國、德國和澳大利亞都制定了相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)，歐盟也制定了歐洲標(biāo)準(zhǔn)，用于指導(dǎo)和規(guī)范防爆柴油機(jī)的開發(fā)和應(yīng)用。

國內(nèi)煤礦用防爆柴油機(jī)研究機(jī)構(gòu)少，起步較晚。20 世紀(jì) 90 年代末，無軌輔助運(yùn)輸這種高效運(yùn)輸方式開始得到普及和推廣，國內(nèi)煤礦對于無軌膠輪車的市場需求激增，防爆柴油機(jī)作為車輛的動力裝置得到了快速發(fā)展。到目前為止，國內(nèi)防爆柴油機(jī)的制造商數(shù)量超過 40 家，已經(jīng)形成了 30～ 300 kW 功率段的全線系列產(chǎn)品，滿足了裝備需求。

1.1.2 防爆電噴柴油機(jī)

由于以柴油為燃料，柴油機(jī)排放的廢氣使得狹窄封閉巷道中空氣質(zhì)量變差，柴油燃燒不充分，功率下降，造成燃油浪費(fèi)，加劇環(huán)境污染；同時，駕駛員和其他井下工作人員長期呼吸排放的廢氣，嚴(yán)重影響身體健康。為了提高防爆柴油機(jī)排放水平，滿足中小型柴油機(jī)排放、動力性、經(jīng)濟(jì)性等方面的需求,開始研究防爆柴油機(jī)燃油電動噴射控制技術(shù)。

其實(shí)早在 2009 年前后，我國從國外引進(jìn)的LWC-55T 支架搬運(yùn)車就應(yīng)用了卡特的電噴柴油機(jī)C9，它體積小，功率大。當(dāng)時國內(nèi)煤炭生產(chǎn)需求增加，工作重心全部轉(zhuǎn)移到裝備研發(fā)上，防爆柴油機(jī)的污染還沒有引起足夠的關(guān)注。2019 年 3 月，安標(biāo)國家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志中心 (以下簡稱“安標(biāo)國家中心”)要求，所有擬發(fā)放安全標(biāo)志的、以柴油機(jī)為動力的車輛和其他產(chǎn)品，必須選用符合 GB 20891—2014 國Ⅲ及以上排放限值要求的防爆柴油機(jī)，自此開始了防爆柴油機(jī)由國Ⅱ升級國Ⅲ的征程，推動了國內(nèi)電噴柴油機(jī)的發(fā)展。

電噴防爆柴油機(jī)的電控燃油噴射系統(tǒng)主要有兩種形式，一種是單體泵，一種是共軌式[2]，現(xiàn)階段產(chǎn)品以單體泵形式為主。與共軌系統(tǒng)相比，單體泵電控系統(tǒng)具有成本低、性能可靠、壽命長、故障率低及維修方便等優(yōu)點(diǎn)。

單體泵電噴防爆柴油機(jī)的電控燃油噴射系統(tǒng)由ECU (電子控制單元)、電控單體泵組、隔爆兼本安型電控箱、礦用澆封型電磁閥、礦用轉(zhuǎn)速傳感器、礦用位置傳感器、礦用溫度傳感器及礦用壓力傳感器等組成，如圖 1 所示。

圖1 單體泵電控燃油噴射系統(tǒng)組成Fig.1 Constitution of single pump electronic-controlled injection system

單體泵電控燃油噴射系統(tǒng)工作原理如下：防爆柴油機(jī)工作時，ECU 對收集到的柴油機(jī)各類傳感器信息進(jìn)行處理，根據(jù)算法開啟噴油指令，給電磁閥通電，單體泵建立高壓，高壓燃油通過高壓油管進(jìn)入噴油器后噴入氣缸內(nèi)燃燒，推動活塞運(yùn)動做功。當(dāng)電磁閥失電時，單體泵開通泄油油路，高壓燃油迅速泄壓回柴油箱，噴油器停止噴油。單體泵電控燃油噴射技術(shù)采用時間控制式，ECU 通過控制電磁閥的通斷時間，實(shí)現(xiàn)噴油時刻和噴油量的精確控制，最大噴油壓力可達(dá)到 150 MPa 左右。

1.2 應(yīng)用及前景

從 2020 年 12 月起，按要求我國煤礦必須全面停止使用配備國Ⅱ發(fā)動機(jī)的防爆無軌膠輪車。截止目前，國內(nèi)防爆柴油機(jī)制造商開發(fā)了多款防爆電噴增壓中冷柴油機(jī)，最大功率達(dá) 300 kW，下線并投入使用的配備單體泵電控國Ⅲ柴油機(jī)的膠輪車已經(jīng)近萬臺。相比普通機(jī)械泵防爆柴油機(jī)車輛，排放指標(biāo)降低 50% 以上，顯著改善了防爆柴油機(jī)車輛的井下作業(yè)環(huán)境[3-4]。

隨著國家對環(huán)保意識的不斷增強(qiáng)，后續(xù)還會出臺更嚴(yán)格的排放要求，已有制造商在研發(fā)更低排放的高壓共軌柴油機(jī)[5]。高壓共軌電控燃油噴射系統(tǒng)由 5 個部分組成，即高壓油泵、共軌腔及高壓油管、噴油器、電控單元以及各類傳感器，如圖 2 所示。

圖2 高壓共軌電控燃油噴射系統(tǒng)組成Fig.2 Constitution of high-pressure common rail electronic-controlled injection system

高壓共軌電控燃油噴射系統(tǒng)的工作原理如下：供油泵從油箱將燃油泵入高壓油泵的進(jìn)油口，高壓油泵將燃油增壓后送入共軌腔 (高壓燃油蓄能器) 內(nèi)，再由電磁閥控制各缸噴油器在相應(yīng)時刻噴油，噴油壓力在120 MPa 以上。該系統(tǒng)將噴射壓力的產(chǎn)生和噴射過程完全分開，使高壓油管壓力與發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速不相關(guān)，大大減小了發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速對供油壓力的影響。

高壓共軌的柴油機(jī)排放指標(biāo)相比單體泵更優(yōu)，但共軌系統(tǒng)對燃油品質(zhì)的要求較高，要求燃油的過濾精度達(dá)到 5 μm，因?yàn)槿加拖到y(tǒng)的雜質(zhì)容易導(dǎo)致共軌系統(tǒng)失靈，而高壓共軌系統(tǒng)的關(guān)鍵部件包括高壓泵、共軌管、電控噴油器和 ECU 都依靠進(jìn)口，成本較高。后續(xù)防爆柴油機(jī)技術(shù)能否得到進(jìn)一步發(fā)展，一方面取決于技術(shù)研發(fā)的成本和技術(shù)突破的速度，另一方面取決于雙碳政策的落地，后者有可能導(dǎo)致防爆柴油機(jī)直接被新能源替代。

2 煤礦用特殊型鉛酸蓄電池

2.1 技術(shù)現(xiàn)狀

煤礦用防爆特殊型鉛酸蓄電池電源裝置適用于有甲烷或煤塵爆炸危險的煤礦井下。其優(yōu)點(diǎn)是電壓穩(wěn)定，價格便宜，可靠性高，高低溫性能良好，可以在 -40～60 ℃ 條件下工作；缺點(diǎn)是單位能量低，質(zhì)量和體積大，充電時間長，一次充電可行駛的里程比較短，使用成本高，存在重金屬污染，日常維護(hù)頻繁[6]。

鉛酸蓄電池的工作原理如下：充放電時，正負(fù)極活性物質(zhì)與電解液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，充電時正、負(fù)極活性物質(zhì)分別恢復(fù)為二氧化鉛 (PbO2) 和海綿狀金屬鉛 (Pb)，放電時正負(fù)極活性物質(zhì)分別與電解液發(fā)生反應(yīng)，轉(zhuǎn)變成硫酸鉛 (PbSO4)。由于充電末期正極產(chǎn)生氧氣，負(fù)極產(chǎn)生氫氣，所以在充電時須選擇通風(fēng)良好的環(huán)境。另外，作為電解液的蒸餾水在充放電時被大量消耗，需要經(jīng)常查看水量并及時補(bǔ)水。正確地給蓄電池充電，不僅可以恢復(fù)蓄電池容量，使其處于良好的狀態(tài)，還可以有效防止故障的發(fā)生和延長蓄電池的使用壽命[7-10]。

根據(jù) MT 658—2011《煤礦用特殊型鉛酸蓄電池》和 MT/T 334—2008《煤礦鉛酸蓄電池防爆特殊型電源裝置》的規(guī)定，其單體電池容量可達(dá)到 1 200 A·h。

2.2 應(yīng)用及前景

國內(nèi)外煤礦使用鉛酸蓄電池作為動力的設(shè)備較少，技術(shù)成熟度相當(dāng)，制造商也很少，沒有形成規(guī)模應(yīng)用。目前井下使用動力防爆特殊型鉛酸蓄電池電源裝置的設(shè)備主要包括防爆特殊型電機(jī)車、煤礦防爆特殊型蓄電池式膠套輪電機(jī)車、防爆特殊型蓄電池單軌吊車以及防爆鉛酸蓄電池膠輪車等。在無軌輔助運(yùn)輸系統(tǒng)中，主要應(yīng)用于防爆蓄電池鏟車、蓄電池鏟板車類重型設(shè)備，具有動力清潔、低排放、低噪聲、易維護(hù)及運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于井下固定區(qū)域、運(yùn)輸距離不長的作業(yè)場景。目前礦井在用的鉛酸蓄電池車輛涵蓋了 10、35、45、80 和 100 t 的重型作業(yè)車[11]。

我國現(xiàn)有鉛酸蓄電池車輛的數(shù)量占礦用膠輪車總數(shù)量的比例不足 1%，主要分布在神華神東礦區(qū)和兗礦內(nèi)蒙礦區(qū)，應(yīng)用客戶較集中，有一定的小規(guī)模應(yīng)用基礎(chǔ)。在一定的續(xù)駛里程范圍內(nèi)，受鉛酸蓄電池體積和質(zhì)量限制，后續(xù)鉛酸蓄電池預(yù)計(jì)也只適配于礦用重型搬運(yùn)車類裝備，市場需求有限。

3 防爆鋰離子蓄電池電源裝置

3.1 技術(shù)現(xiàn)狀

因?yàn)榱姿徼F鋰電池相對鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料而言，具有循環(huán)壽命相對較長、發(fā)熱量較低、熱穩(wěn)定性好以及良好的環(huán)境安全性等不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，安全性較高。自 2012 年起，鋰離子蓄電池開始逐漸在煤礦井下應(yīng)用，主要包括井下備用電源、電機(jī)車和電動無軌車輛用大容量動力電源裝置等。

安標(biāo)國家中心于 2014 年 5 月發(fā)布的《礦用隔爆(兼本安) 型鋰離子蓄電池電源安全技術(shù)要求 (試行)》、《礦用隔爆 (兼本安) 型鋰離子蓄電池電源安全標(biāo)志管理方案 (暫行)》規(guī)定，考慮到鋰離子電池活性強(qiáng)，有燃燒爆炸的危險，煤礦井下鋰離子電池目前僅限磷酸鐵鋰電池，并且超過 20 A·h 的鋰離子電池用于井下必須采用三腔隔爆結(jié)構(gòu)，單個電源箱總?cè)萘坎怀^ 100 A·h，總能量不超過 32 kW·h，因此以下僅針對磷酸鐵鋰電池特性進(jìn)行分析和闡述。目前該種電池還未形成正式行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，仍處于煤礦試用階段，且只能用于低瓦斯礦井。

經(jīng)過 5～ 6 年鋰離子蓄電池車在煤礦的工業(yè)化試用，已經(jīng)在電池充放電管理、電池使用和維護(hù)、電池防爆安全、鋰電池車輛的研發(fā)和應(yīng)用等方面積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。為了進(jìn)一步推動防爆鋰電池車輛在煤礦井下的應(yīng)用，2021 年 4 月下旬，安標(biāo)國家中心在國家能源集團(tuán)神東煤炭公司組織來自清華大學(xué)、北京理工大學(xué)、國家能源集團(tuán)和中國煤炭科工集團(tuán)等單位的專家，對煤礦防爆鋰電池車輛涉及的安全技術(shù)及管理問題進(jìn)行專題研討。2021 年 10 月 21 日，安標(biāo)國家中心同時發(fā)布了《礦用鋰離子蓄電池安全技術(shù)要求 (試行)》、《礦用防爆鋰離子蓄電池電源安全技術(shù)要求 (試行)》和《礦用防爆鋰離子蓄電池電源充電機(jī)安全技術(shù)要求 (試行)》，繼續(xù)支持鼓勵防爆鋰電池車輛的研發(fā)和在煤礦井下的使用，加強(qiáng)相關(guān)安全技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建設(shè)，全面推動礦用輔助車輛和煤礦機(jī)器人電動化，助推行業(yè)科技進(jìn)步。

3.2 應(yīng)用及前景

由于存在安全風(fēng)險，之前礦用鋰離子動力蓄電池的使用受到諸多限制，導(dǎo)致市場上投放的鋰離子蓄電池車輛數(shù)量較少。國內(nèi)煤礦現(xiàn)有使用的鋰離子蓄電池車主要車型有 WLR-5、WLR-7、WLR-8、WLR-10、WLR-19 型運(yùn)人車，以及 WLL-5 型運(yùn)料車等，約占膠輪車總數(shù)量的 6%～7%[12]，1 000 臺左右。經(jīng)現(xiàn)場實(shí)地調(diào)查，雖然鋰離子蓄電池膠輪車輛具有低污染、低噪聲的特點(diǎn)，更有利于工人身體健康，但是在煤礦日常生產(chǎn)中的開機(jī)率并不高，這主要還是受制于一次充電續(xù)駛里程短，投入數(shù)量有限沒有形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模應(yīng)用，維修技術(shù)門檻高導(dǎo)致售后不及時，維護(hù)成本高等系列問題。

隨著政策的進(jìn)一步推動和鋰離子蓄電池自身技術(shù)的進(jìn)步，礦用輔運(yùn)車輛的全面電動化已不是遙不可及。筆者認(rèn)為鋰離子蓄電池車輛全面開花的前提是一定得有規(guī)模應(yīng)用，煤礦使用的鋰離子蓄電池車輛的數(shù)量多了，技術(shù)服務(wù)到位了，維護(hù)費(fèi)用就降低了，開機(jī)率也就提高了。隨著政策容許的鋰離子蓄電池的單體容量提高，電源的最大能量提高等措施的落地，鋰離子蓄電池車必將迎來巨大發(fā)展。屆時輕型車采取閑時充電模式即可滿足每日使用需求，重型車可采取快換電池的方式實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行。

4 結(jié)語

我國井下防爆無軌膠輪車經(jīng)過了 20 余年的發(fā)展和應(yīng)用，技術(shù)體系已經(jīng)比較完善，裝備質(zhì)量和水平已經(jīng)全面替代進(jìn)口，個別機(jī)型已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。無軌膠輪車輛的一些新興動力源技術(shù)也在與時俱進(jìn)地發(fā)生著變化。

(1) 從最初的普通防爆柴油機(jī)，發(fā)展到單體泵電控燃油噴射防爆柴油機(jī)，帶來了防爆柴油機(jī)技術(shù)由國Ⅱ到國Ⅲ的一次飛躍，實(shí)現(xiàn)了排放指標(biāo)的成倍改善。高壓共軌技術(shù)的進(jìn)一步研究和突破，將會帶來防爆柴油機(jī)技術(shù)的又一次提升。

(2) 防爆鉛酸蓄電池受其電壓穩(wěn)定、價格便宜、質(zhì)量穩(wěn)定、高低溫性能良好及安全性高等優(yōu)點(diǎn)，多應(yīng)用于礦用重型車上，在綜采工作面搬家倒面作業(yè)中進(jìn)行短距離運(yùn)輸和定點(diǎn)輔助作業(yè)，未來市場應(yīng)用規(guī)模比較固定。

(3) 隨著雙碳目標(biāo)的逐步實(shí)施、國家對礦井環(huán)境保護(hù)的重視、政策對防爆鋰離子蓄電池的單體容量和電源最大容量的進(jìn)一步放開等系列舉措的推出，防爆鋰離子蓄電池技術(shù)在煤礦輔助運(yùn)輸裝備上的應(yīng)用會得到較大發(fā)展，鋰離子蓄電池車輛也必將在煤礦得到大范圍應(yīng)用。