鉀鹽礦用梭車的研制

中國煤炭科工集團太原研究院有限公司 山西太原 030006

鉀 是農作物生長所必須的營養元素之一，而95% 的鉀鹽用來生產鉀肥，因此，鉀鹽的開采和利用直接關系到國家糧食安全。受鉀鹽成礦地質條件影響，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，其中全球總儲量的 70% 被白俄羅斯、俄羅斯和加拿大這 3 個國家所占據，資源分布的不均勻性決定了鉀鹽的生產也被少數企業壟斷。我國鉀肥產量自給率只有一半，因此保障境外鉀鹽安全穩定的供應是我們面臨的首要任務。中國在合理開發利用國外鉀鹽資源方面，不僅需要綜合分析礦產資源的開發條件，同時還要考慮該國的政治經濟等因素。老撾的萬象盆地特大型鉀礦勘測 KCL 資源儲量高達 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，屬于優質資源，是迄今發現的大型光鹵石鉀鹽礦。中撾友誼源遠流長，在老撾鉀鹽資源勘查開發上，中國具有經濟和地緣政治的優勢；因此研制適應于鉀鹽礦開采的相關裝備，合理開發利用鉀鹽資源，可以更好地為國家的糧食生產和安全提供保障[1-2]。

梭車作為連續采煤機的后配套裝備，由于其運行靈活和裝卸速度快等特點，目前被廣泛應用在神東榆林等礦區的邊角煤開采或巷道掘進中。但是其使用僅限于煤礦中，而老撾鉀鹽礦的環境特點是溫度高，濕度大，腐蝕性強，因此需要設計一款鉀鹽礦用梭車，以適應其復雜的外界環境。

1 鉀鹽礦的開采環境及開采工藝

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。在鉀鹽生產過程中，存在的腐蝕性物質主要為鹽霧，含有 CL-和 H2O。隨著環境溫度的升高，腐蝕性物質產生汽化并對設備進行腐蝕[3]，而且井工開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 ℃，而且環境濕度較大，這就更加劇了設備的腐蝕。

鉀鹽礦的典型開采工藝通常有兩種：一種是連續型運輸開采，所采用的設備配套形式為連續采鉀機+連續運輸系統；另一種是間斷式運輸開采，所采用的設備是連續采鉀機+梭車[4]。間斷式運輸開采工藝系統以其設備配套簡單、適應性強、投資成本較低等優點，成為鉀鹽開采企業的首選，其開采工藝如圖 1 所示。由圖 1 可知，連續采鉀機將鉀鹽截割下來后，將其裝入梭車，由梭車運送至輸送帶上再運到井外。梭車穿梭于采鉀鹽機和輸送帶之間，實現物料的運輸。

圖1 鉀鹽礦開采工藝Fig.1 Mining process of potassium salt

2 鉀鹽礦用梭車的結構特點

中國煤炭科工集團太原研究院有限公司是國內最早研制梭車的單位，在梭車研制方面積累了豐富的經驗，在國內梭車市場保有率上也占據絕對優勢。榆林神東等煤礦開采中大量使用其所生產的梭車，梭車運行穩定，性能可靠，故障率低，得到用戶的一致好評。

鉀鹽礦用梭車結構如圖 2 所示，主要由分體機架、行走轉向機構、電控系統、循環水冷系統、液壓系統、卷攬機構和輸送機構等組成[5]。

圖2 鉀鹽礦用梭車結構Fig.2 Structure of shuttle car used in potassium salt mine

為了適應不同礦井下井尺寸的需要，鉀鹽礦用梭車的分體機架進行分解后下井再進行組裝，而目前國外同類產品均是整體式機架，適應礦井范圍較窄；行走轉向機構采用空間連桿機構實現四輪全轉向，該結構在輪胎轉向時轉向受力好，行走時則由兩側 2 個交流電動機分別驅動 2 個輪邊減速器；電控系統是對電動機等電氣件的統稱；循環水冷系統對變頻器進行冷卻；液壓系統為液壓缸等提供液壓油源；卷纜機構實現電纜高速收放，最大行程可達 150 m；輸送機構將車輛中的煤卸到輸送帶上，采用交流變頻技術，特點是啟動轉矩大，對運輸系統沖擊性小。

3 設計要點

3.1 防腐措施

通過對鉀鹽礦井下開采現場的觀察與分析可知，鉀鹽礦物元素對車輛的腐蝕屬于電化學腐蝕。鉀鹽礦與煤礦的地質結構不同，煤礦開采中的片幫和垮落現象在鉀鹽礦不會出現。在鉀鹽礦中，鉀鹽截割過程中產生的鉀鹽顆粒很小，同時也會產生大量的粉塵，常用的除塵方式是噴灑飽和鹽水。這些粉塵吸水性特別強，吸水后鉀鹽粉塵和設備表面會構成微電池對設備造成腐蝕[6-7]。此外，鉀鹽礦埋藏深度一般達數百米，有的甚至上千米，井下溫度較高，這就加快了鉀鹽對設備的腐蝕速度。

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

在單一鹽和復合鹽的環境下，腐蝕會變得非常快，主要原因是金屬表面的氧化膜與鹽中的氯離子發生反應溶解到鹽中，化學反應方程式如下：

溶解物和氧氣發生反應形成沉淀物，使氧化層進一步增厚，加速了腐蝕，化學反應方程式如下：

針對鉀鹽開采強腐蝕性的環境，鉀鹽礦用梭車分別從 3 個方面對設備進行防腐處理。第一是機架，鉀鹽梭車機架先酸洗進行化學防腐，然后再進行噴漆作業，底漆選用 H06-4 環氧富鋅底漆，厚度為 230～270 μm，中間漆選用云鐵環氧防銹漆，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，一旦銹蝕嚴重，無法進行拆卸。銷軸表面熱處理工藝采用新型復合鹽浴高防腐處理技術，即在氮化鹽浴和氧化鹽浴兩種鹽浴中處理工件。這種技術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，實現了滲氮和氧化工序的復合以及熱處理技術和防腐技術的復合。第三是標準件，設備中會大量使用了需要頻繁拆卸的標準件及液壓接頭。鉀鹽礦現場勘查發現，經過發黑處理的螺栓等標準件容易發生“銹死”現象，這就給設備維護帶來困難，為此本設計采用不銹鋼標準件和接頭。

3.2 降溫措施

梭車行走系統采用變頻調速電動機，變頻器發熱量很大，在梭車中有專門的水冷系統，用來給變頻器箱散熱。水冷系統如圖 3 所示，水冷系統的工作原理[9]是：水循環泵將冷水從水箱Ⅰ中抽出，經過變頻器箱后，將變頻器箱中的熱量帶走，然后進入水箱Ⅱ，熱水在水箱Ⅱ和水箱Ⅰ中充分散熱后再進入循環系統。因為水的熱量是靠水箱發散的，因此設置了2 個水箱增加散熱面積。現有梭車使用的煤礦井下環境溫度一般在 10～25 ℃ 之間，而老撾鉀鹽礦井下溫度達到 38 ℃，現有的水冷系統顯然不能滿足散熱要求，因此在鉀鹽礦用梭車的水冷系統中串聯了 1 個散熱器，水箱不能及時散走的熱量通過散熱器發散。

圖3 水冷系統Fig.3 Cooling system

3.3 制動系統的改進

由于鉀鹽礦與煤礦不同，車輛與路面的摩擦因數也有所不同，原有的制動力矩不能滿足鉀鹽礦的制動要求，因此必須對梭車的制動參數重新進行調整。

梭車傳動系統的布置簡圖如圖 4 所示。由圖 4 可知，梭車傳動系統的順序是，行走電動機與行走減速器相連，行走減速器與前輪邊減速器通過短傳動軸相連，前輪邊減速器再通過長傳動軸與后輪邊減速器相連。其中輪邊減速器與輪胎相連，實現車輛的動力傳動，制動器則與行走減速器相連。由于梭車傳動系統對稱布置在車體的兩側，此處只給出傳動系統的一側。

圖4 梭車傳動系統布置簡圖Fig.4 Layout sketch of drive system of shuttle car

制動距離

則

式中：t1為駕駛員反應時間，s；t2為液壓制動系統響應時間，s；v為滿載行車速度，m/s；a為制動加速度，m/s2。

制動器所需的制動力矩

式中：J為整車滿載時的轉動慣量，kg·m2；m為滿載質量，kg；f為滾動摩擦因數；i為傳動系統的傳動比。

由式 (3)可知，除了滾動摩擦因數f，其余變量是系統固有的，由于車輛與鉀鹽的滾動摩擦因數比車輛與煤礦的滾動摩擦因數小，所需的制動力矩就要增大。因此本設計通過增大制動器的制動力矩來滿足鉀鹽礦用梭車的制動要求[9]。

鉀鹽礦用梭車的實物如圖 5 所示。

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

4 結論

針對老撾鉀鹽礦溫度高，濕度大，腐蝕性強的特有開采特點，開發了耐腐蝕耐高溫的鉀鹽礦用梭車，使其能滿足鉀鹽礦開采的要求。