煤礦無軌膠輪車動力源發展方向研究

張福祥

（ 1.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司， 山西太原 030006； 2.山西天地煤機裝備有限公司， 山西太原 030006）

0 引言

無軌膠輪車由于效率高的特點已經在國內各大煤炭集團全面推廣[1]，經過20 年的快速趕超和推廣，目前國產品牌已經全面代替進口。 當前無軌膠輪車主流動力源主要包括防爆柴油機、鉛酸蓄電池和鋰離子蓄電池三類。防爆柴油機作為主力動力源， 在煤礦相對封閉狹小的空間內，排放污染問題日益突出。 2019 年，防爆柴油機按規定升級換代為排放性能更好的的電控防爆柴油機， 同時也正在逐步被電池動力取代。

1 無軌膠輪車分類

目前無軌膠輪車輛按照用途主要分為輕型車輛、工程車輛和特種車輛三大類。

1.1 輕型車輛

輕型車輛主要用于煤礦人員和輕型物料的運輸，該類車型目前主要的動力源為防爆柴油機和鋰離子蓄電池，是目前保有量最大的一類車型。 該類車型外形類似于地面的客車和貨車，主要車型詳見表1。

表1 主要輕型車輛

1.2 工程車輛

工程車輛主要用于煤礦物料的運輸，主要包括輔材、砂石和水泥等， 該類車型目前主要的動力源為防爆柴油機。 該類車型類似于港口車輛。 目前主要車型詳見表2。

表2 主要工程車輛

1.3 特種車輛

特種車輛主要用于煤礦特殊作業、 重型裝備的運輸等， 該類車型目前主要的動力源為防爆柴油機和鉛酸蓄電池。該類車型一般為煤礦專門設計，與其它行業車輛相對區別較大，目前主要車型詳見表3。

表3 主要特種車輛

2 目前主要動力源的技術特點

目前煤礦無軌膠輪車主要的動力源為防爆柴油機、鉛酸蓄電池和鋰離子蓄電池三大類。

2.1 防爆柴油機

防爆柴油機是當前煤礦無軌膠輪車主要動力源。 自上世紀90 年代，國產化防爆柴油機全面鋪開，開發了適用于無軌膠輪車使用的多款防爆柴油機， 功率段主要集中在45～300kW。

原型機基本都為國Ⅲ排放以下機型。 在原型機的基礎上按照MT990 《礦用防爆柴油機通用技術條件》[5]和MT220《煤礦用防爆柴油機械排氣中一氧化碳、氮氧化物檢驗規范》進行防爆技術改造和排放性能測試[6]。 隨著煤礦防爆柴油機車輛的不斷普及，使用數量急劇增加，其污染弊端也愈加明顯。因此，2018 年12 月28 日國家煤礦安全監察局的煤安監技裝〔2018〕39 號文《國家煤礦安監局關于發布禁止井工煤礦使用的設備及工藝目錄（第四批）的通知》 中要求使用排放標準達到國Ⅲ及以上標準的防爆柴油機，2 年后禁止使用國Ⅱ及以下防爆柴油機。 本次禁用理由為技術落后，環保性差，尾氣中有害氣體嚴重超標，對井下環境造成嚴重污染。

為了應對防爆柴油機排放標準達到國Ⅲ及以上標準的要求，目前主流的方法是采用電控防爆柴油機，從原型機根本上提高排放水平，以彌補防爆改造帶來的排放性能惡化。

2.2 鉛酸蓄電池和鋰離子蓄電池

國內煤礦鉛酸蓄電池的主要依據MT 658《煤礦用特殊性鉛酸蓄電池》和MT/T 334 《煤礦鉛酸蓄電池防爆特殊性電源裝置》兩個標準生產改造[7-8]。由于鉛酸蓄電池改造后，本身重量增加較大，受標準和整車重量限制，電池續航能力一般只有30kM 左右， 車輛速度一般不超過8kM/h，且充電時間一般需要6h 以上[2]。因此，目前鉛酸蓄電池在煤礦主要應用于大噸位鏟板車， 在煤礦安撤工作面進行輔助搬運工作， 偶爾用于采煤機等大噸位設備的的長距離運輸[3]。

國內煤礦鋰離子蓄電池僅允許使用磷酸鐵鋰電池，按照安標國家中心發布的 《礦用鋰離子蓄電池安全技術要求》和《礦用隔爆（ 兼本安） 型鋰離子蓄電池電源安全技術要求》進行生產和改造。鋰離子電池能量密度高[4]，但是起火甚至爆炸隱患較大， 這對在煤礦環境是很大的風險，目前鋰離子電池必須限定額定容量。 因此，鋰離子電池在煤礦主要應用于輕型運人車和檢修車， 續航里程一般達100kM 左右，但相比防爆柴油機車仍然差距較大。

3 各動力源發展方向

3.1 防爆柴油機

防爆柴油機的應用最大的問題就是排放問題。 煤礦防爆柴油機也將必然和地面柴油機的發展歷程趨于一致，就是不斷提高排放標準，不斷開發尾氣凈化技術。 目前煤礦防爆柴油機和地面農業機械柴油機、 工程機械柴油機等還是有較大差距，有很大的進步空間。防爆柴油機作為無軌膠輪車的主要動力源還將持續較長的時間。 后續可以從原型機、 防爆改造技術和尾氣凈化技術等作為抓手，不斷優化。

原型機將不斷更新。 目前的防爆電控柴油機開發還主要依靠對原型機的防爆改造實現。因此，原型機的選用非常重要，可以選擇農業機械柴油機、工程機械柴油機、卡車柴油機等，保證防爆柴油機的高起步。

防爆技術將不斷提高。不斷試驗新型的隔熱技術，取代雙層水套隔熱技術。 研究新型阻火器和新型的廢氣處理技術，降低背壓。

尾氣凈化技術將不斷應用。 尾氣凈化技術主要分為機內凈化和機外凈化技術。 在原型機改造過程中優化燃燒室、噴油器、單體泵、共軌等技術匹配。 應用SCR（選擇性催化還原技術）、DOC（氧化型催化轉化器）和EGR（廢氣再循環系統）等技術。

3.2 鉛酸蓄電池和鋰離子蓄電池

鉛酸蓄電池目前應用推廣的主要問題是解決續航里程。雖然目前鉛酸蓄電池車一般配置3 塊電池，以解決續航里程問題，但電池的充電安全隱患大、維護成本很高，還是要從電池本身去提高續航里程。

鋰離子蓄電池目前應用推廣的主要問題是解決安全問題。 需要不斷研究鋰電池安全技術，如：如何避免發生燃燒事故技術， 發生事故后如何快速冷卻避免造成更大事故技術，開發更加完善高效的電池管理系統等。

4 結束語

煤礦無軌膠輪車正在經歷一個大變革的時期， 應用防爆柴油機、鉛酸蓄電池和鋰離子蓄電池的車輛都將不斷革新技術。 防爆柴油機車輛和蓄電池車輛將長期共存， 但是占比會不斷變化。 防爆柴油機車輛在很長一段時期仍將是主力動力配置，地面柴油機的先進技術會不斷應用，最大限度的減少排放。 鉛酸蓄電池技術在特種車輛和工程車輛的應用將逐步增大范圍， 也必然反向促進蓄電池續航能力技術的不斷革新。隨著續航和安全技術的不斷提高，鋰離子蓄電池技術在輕型車和工程車的應用也將逐步增大， 特別是運人車的應用比例會相對較高。