煤礦井下無軌膠輪車爬坡能力的提高途徑

姚志功

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

0 引言

煤礦井下無軌膠輪車，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備一次裝載后從井口至工作面或工作面至井口的直達(dá)運(yùn)輸，憑借其“點(diǎn)對點(diǎn)”的作業(yè)優(yōu)勢，越來越多地被應(yīng)用于煤礦井下輔助運(yùn)輸作業(yè)中，成為了國內(nèi)大中型礦井不可或缺的設(shè)備[1]。近年來，隨著煤礦開采力度的加大，井下工作面距離井口的距離越來越遠(yuǎn)，巷道不斷延伸，同時一個礦井同一水平近距離煤層逐步開采，大傾角工作面不斷建立，井下長距離大坡度斜巷數(shù)量也隨之漸漸增加，這種情況進(jìn)一步惡化了無軌膠輪車的礦井運(yùn)行條件，使得井下車輛載重爬坡時，頻繁出現(xiàn)爬坡困難等問題，嚴(yán)重影響了煤礦井下無軌輔助運(yùn)輸車輛的作業(yè)效率，因而急需解決此問題。

1 井下無軌膠輪車的動力性

車輛的動力性指標(biāo)主要通過最高車速、加速時間及最大爬坡度來評定，對于井下無軌膠輪車來說，由于煤礦井下巷道光線昏暗、道路坑洼濕滑、坡長坡大彎多，車輛的行駛速度較慢，加速能力要求相對較低，車輛的動力性主要依靠爬坡能力來評判，爬坡能力是決定無軌膠輪車對井下長坡、大坡等復(fù)雜礦井運(yùn)行條件適應(yīng)性的關(guān)鍵因素。一般情況下，井下無軌膠輪車的最大設(shè)計(jì)爬坡能力為25%，即14°左右，但該最大爬坡能力是在試驗(yàn)坡道路面干硬、平坦、坡道較短的條件下完成檢驗(yàn)的，在路況較好、坡度較小的井下環(huán)境中，無軌膠輪車的運(yùn)行狀況相對可靠，然而在井下路面濕滑、坑洼、坡道較長、坡度較大的路況條件下，車輛的爬坡能力往往會下降，隨著爬坡時間的延長，車輛的柴油機(jī)系統(tǒng)發(fā)熱嚴(yán)重，車輛的動力性不斷下降，直接影響了其爬坡效果[2]。

在路面附著條件理想的條件下，井下無軌膠輪車的爬坡能力取決于車輛在坡道路況的驅(qū)動力以及輪胎與路面的附著力，這些因素與車輛的自身設(shè)計(jì)相關(guān)，車輛的動力裝置設(shè)計(jì)(防爆柴油機(jī)系統(tǒng)與傳動系統(tǒng))影響了其驅(qū)動力，車輛的總體結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)影響了其輪胎與地面的附著力[3]，因此，首先從車輛自身設(shè)計(jì)方面開辟途徑，同時對車輛的礦井運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行分析，總結(jié)能夠提高無軌膠輪車爬坡能力的措施。

2 爬坡能力提高途徑

2.1 車輛動力裝置設(shè)計(jì)

2.1.1 防爆柴油機(jī)系統(tǒng)

井下無軌膠輪車的動力源以防爆柴油機(jī)為主，柴油機(jī)的防爆改造是在對柴油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)進(jìn)行隔爆處理的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，這種措施使得防爆改造后的柴油機(jī)在初始階段就增加了致使其動力發(fā)揮欠佳的機(jī)會，若日常維護(hù)保養(yǎng)不當(dāng)，很容易出現(xiàn)車輛動力不足的狀況。

若要在此基礎(chǔ)上改善車輛的爬坡能力，首先要配備凈輸出功率相對較大的柴油機(jī)，以提高車輛的后備功率，滿足爬坡需要。但是受無軌膠輪車允許的柴油機(jī)安裝尺寸空間以及可選擇柴油機(jī)功率范圍的限制，無軌膠輪車柴油機(jī)不可隨意更改，只能通過在原機(jī)上升級，比如采用柴油機(jī)電子控制技術(shù)、優(yōu)化柴油機(jī)外圍附屬裝置功率消耗等措施，來獲取較大的凈功率。此外，井下無軌膠輪車較為厚重，可利用先進(jìn)的輕量化設(shè)計(jì)手段，對無軌膠輪車的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到最優(yōu)的整備質(zhì)量[4]，從而有效降低車輛的日常功率消耗，提高其爬坡功率儲備，達(dá)到改善車輛爬坡能力的目的。

2.1.2 傳動系統(tǒng)

井下無軌膠輪車傳動系統(tǒng)的作用是將防爆柴油機(jī)功率傳遞至驅(qū)動輪，驅(qū)動車輛行駛作業(yè)。無軌膠輪車二種傳動系統(tǒng)主要組成如表1所示，由于傳動系統(tǒng)元部件的摩擦損耗、泄漏損耗、溢流損耗等緣故，傳動系統(tǒng)在傳遞柴油機(jī)功率的過程中存在功率損失，因此在傳動系統(tǒng)環(huán)節(jié)改善車輛的驅(qū)動力，首要措施是盡可能地簡化車輛的傳動線路，減少傳動系統(tǒng)元部件的數(shù)量，降低傳動過程中的機(jī)械功率損失和液力/液壓功率損失，獲得最優(yōu)的驅(qū)動功率。

表1 井下無軌膠輪車傳動系統(tǒng)主要組成

另一方面，對于采用液力機(jī)械傳動方式的車輛，要盡可能多地設(shè)置車輛的擋位數(shù)，增加柴油機(jī)發(fā)揮最大功率附近高功率的機(jī)會，同時需合理增大最低檔速度的傳動比，以獲取較大的加速與爬坡能力；對于采用液壓傳動方式的車輛，需將驅(qū)動馬達(dá)的排量最大化，優(yōu)化車輛傳統(tǒng)系統(tǒng)的調(diào)速范圍，以獲得較大的驅(qū)動力[5]。

此外，可通過增加輔助驅(qū)動裝置來提高車輛的爬坡能力。目前，井下無軌膠輪車分為兩軸線、三軸線及多軸線車輛，可在車輛非驅(qū)動軸線處增加輔助驅(qū)動裝置，待車輛爬坡困難時，切換車輛的驅(qū)動方式，充分利用非驅(qū)動軸線的附著力，提高車輛的坡道驅(qū)動力。

2.2 車輛總體布置設(shè)計(jì)

井下無軌膠輪車重載爬坡時，車輛各軸線的軸重將隨路面坡度的變化而變化，井下無軌膠輪車爬坡受力圖如圖1所示，爬坡時車輛的前軸線受力F1和后軸線受力F2分別為：

(1)

式中：F1為車輛前軸線受力；F2為車輛后軸線受力；G為車輛重力(含外載)；L為車輛前后軸距；h為車輛質(zhì)心高度；a、b為車輛質(zhì)心至前后軸線距離。

圖1 井下無軌膠輪車爬坡受力圖

由公式(1)可知，隨著爬坡路面坡度的逐漸變大，車輛前軸線軸重越來越輕，后軸線軸重越來越重，這樣車輛前驅(qū)動輪將會發(fā)生滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象，從而不能充分發(fā)揮車輛動力，影響了車輛的爬坡效果。因此，在設(shè)計(jì)整車結(jié)構(gòu)時，要針對車輛運(yùn)行的礦井坡道路況條件，詳細(xì)計(jì)算重載情況下車輛的重心分布情況，在合理控制整車重量的前提下，利用增加配重等手段，優(yōu)化各驅(qū)動軸線的軸重分配，滿足車輛重載爬坡時能夠充分發(fā)揮其動力所需要的附著力要求，從而改善車輛的爬坡能力[6]。

在上述基礎(chǔ)上，還需在車輛不同驅(qū)動軸線之間設(shè)置橫向擺動機(jī)構(gòu)，并在同軸線驅(qū)動輪之間設(shè)計(jì)差速功能，從而能夠充分發(fā)揮每個驅(qū)動輪的驅(qū)動力，滿足車輛爬坡時由于路面不平整導(dǎo)致的爬坡無力現(xiàn)象。

2.3 車輛礦井運(yùn)行環(huán)境維護(hù)

在通過優(yōu)化自身設(shè)計(jì)提高車輛的驅(qū)動力后，還需對井下無軌膠輪車所運(yùn)行的礦井路況條件進(jìn)行升級，以提供良好的路面附著條件，充分發(fā)揮車輛的驅(qū)動力。由上述可知，井下無軌膠輪車的運(yùn)行坡道路面具有坑洼、濕滑、松軟等特點(diǎn)，因此，車輛重載作業(yè)時，需加強(qiáng)對車輛坡道運(yùn)行路線的維護(hù)保養(yǎng)，具體措施為：

1)對于頂板淋水路面要進(jìn)行排水控制處理。

2)對于松軟底板路面要進(jìn)行排渣清理，并鋪墊干拌料石或采用砼底板對路面進(jìn)行硬化處理。

3)對于坡度較大的路面，還需人工設(shè)置搓衣板式路障，以此提高車輛在坡道路面的附著能力，改善其爬坡效果。

4)對于具備條件的礦井，可以在坡道上端設(shè)置輔助牽引絞車，或在重載車輛后端配備獨(dú)立的助力車輛，以解決車輛爬坡困難的問題[7]。

3 結(jié)論

井下無軌膠輪車是服務(wù)于煤礦生產(chǎn)的重要設(shè)備，隨著煤礦更深層次的開拓發(fā)展，煤礦井下上山下上巷道不斷增加，對車輛的動力性提出了更高的要求。分析了目前無軌膠輪車的動力性及井巷坡道適應(yīng)性，基于車輛驅(qū)動力因素及路面附著條件因素，從車輛自身設(shè)計(jì)方面及礦井運(yùn)行環(huán)境方面總結(jié)了系列能夠提高車輛驅(qū)動力、改善車輛爬坡效果的措施方法，為改善井下無軌膠輪車對長坡大坡路況的適應(yīng)性提供了一些參考。