煤矿井下特种车辆节能方法研究

煤矿井下特种车辆节能方法研究

刘富文、路雄、尚东生、苏占飞

国电建投内蒙古能源有限公司 017209

摘要：基于科技的持续发展，在达到产量的基础上，企业与社会对煤矿企业开采中的能耗以及环保问题提出了更高的标准。针对井下特种车辆大量使用产生巨大的能源消耗，导致严重的尾气排放，污染煤矿井下环境，影响工人身心健康的问题，根据井下特种车辆的特点，从车辆动力系统、传动系统及车辆结构方面，分析了车辆的节能途径，提出了降低能耗的方法。通过该节能降耗方法，可在很大程度上改善我国煤矿井下特种车辆燃油消耗大、尾气排放严重等问题。

关键词:煤矿特种车辆;燃油消耗;尾气排放;节能途径

煤矿特种车辆是用于井下综采工作面液压支架等设备搬家倒面的无轨辅助运输设备。近年来，随着国内煤矿采掘机械化水平的不断提高，在车辆安全性、可靠性、舒适性以及自动化程度等方面均得到大幅度提高。但目前，煤矿井下特种车辆使用任务有增无减，严重污染了井下环境，危害井下工作人员的身心健康。现阶段，国家针对不可再生资源逐渐匮乏陆续推出节能策略，各大煤炭集团及煤矿设备制造商在响应政府号召的同时，坚定改善煤矿工人工作环境的决心，大力推进节能环保型煤矿设备的开发力度。具体到特种车辆，优化整车能耗状况，使车辆各系统达到节能增效水准，开发节能型井下特种车辆，是解决现存问题的唯一途径。

1井下特种车辆特点

与地面工程车辆类似，煤矿井下特种车辆主要由动力系统、传动系统、制动系统、液压系统、电气系统、前后车架以及工作机构等组成。按工作装置的不同，井下特种车辆可分为铲运型和拖运型两大类;铲运型车辆属于前端承载式车辆，其主要功能是实现设备的铲取、装卸以及运输，拖运型车辆通过设置U型框架式自卸拖车实现设备的装卸及运输。按传动形式区分，目前井下特种车辆主要包含液力机械传动及全液压传动两大类;液力机械传动类车辆动力由防爆柴油机输出后，经液力变矩器、动力换挡变速箱变扭变速，通过传动轴分配给前后驱动桥，最后传递至车辆轮边，实现车辆的行走运输功能;而全液压传动类车辆则通过双向变量泵－双向变量马达闭式调速回路实现车辆的行走运输功能;另外，两类车型均配备车辆工作变量泵，通过各种工作油缸、马达，控制车辆工作机构的升、降、铲、装、卸等作业，这些特点与地面工程车辆较为相似。

2井下特种车辆节能方法

合理控制车辆的燃油消耗是煤矿井下特种车辆能源节约的最主要手段。井下特种车辆柴油机的燃油消耗一方面取决于柴油机的种类、设计制造水平;另一方面则与车辆行驶或作业时柴油机的负荷率有关;除此以外，还与车辆附件消耗、车辆制动能量损耗、车辆的行驶阻力以及车辆的传动效率有关;这些因素涉及到了特种车辆的动力系统、传动系统及车辆结构等方面，因此，需从这些方面入手，总结提高车辆燃油经济性的一些途径。

2.1动力系统方面

煤矿井下特种车辆铲、装、运等复杂作业工况、井下恶劣路面条件以及车辆的防爆改造等因素共同决定了井下特种车辆需配备较大功率的柴油机;由于煤矿井下通风条件较差，车辆行驶时，柴油机不具备足够的新鲜空气提供量，这样，车辆柴油机燃油往往燃烧不充分，必然出现大冒黑烟现象，浪费燃油的同时，排放超标，严重污染了井下作业环境。为此，国家对地下矿山柴油机的排放要求越来越严格。所以应在研究降低燃油燃烧排放技术的同时，开发传统柴油的替代品生物柴油，是应对目前不可再生能源日益紧缺现状的有效途径之一。生物柴油是可再生新能源，排放较低，闪点较高，非常适合于煤矿井下工作环境。如欲彻底消除特种车辆柴油机的燃油浪费以及柴油机排放对井下环境的影响，唯一理想途径是开发使用清洁能源，替代传统能源。目前，蓄电池动力特种车辆已经应用于煤矿井下，但由于车辆安全系数低、车辆续航里程小以及蓄电池寿命短等因素，该种车辆未普遍应用于我国煤矿。为了解决这些问题，国家重大专项课题正在研究开发无废气排放、无噪声、效率高的新能源－燃料电池，有望在未来几年内，将此新能源应用于煤矿井下特种车辆。

2.2传动系统方面

恶劣的作业条件以及复杂的作业工况决定了煤矿井下特种车辆应具有高要求的传动系统。车辆在实施铲取作业时，需具备低速大驱动力特性，在井下行驶时，需满足车辆高速行驶特性，这种工作特点要求特种车辆能够提供较大的驱动力和速度变化范围。液力机械传动以其接近于双曲线的扭矩—转速输出特性，能够配合动力换挡变速箱自动匹配载荷，满足井下特种车辆铲、装、运复杂工况的需要，被大多数井下车辆采用，尤其以前端承载式车辆为主;但这种传动方式传动效率低、高效区域窄、燃油消耗高、低速稳定性差，尤其是遇到重负荷工况需要车辆输出较大功率时，液力变矩器的传动效率大幅下降，作业效率降低的同时，造成能源浪费;全液压传动以其较高的功率重量比、紧凑的空间布置特点、较宽的调速范围以及良好的低速特性，越来越被广泛应用。车辆传动系统的节能途径主要通过提高系统的传动效率、扩大传动的高效区域来实现。一些工程车辆制造商普遍采用液压与液力复合传动的方式，具体方法是，利用多自由度的行星差速器将柴油机输出的功率分为液压和机械两股功率流，然后通过液压功率流的可控性实现输出转速的无极调速特性，同时改善车辆传动系统的高效区域，提高传动效率，降低能耗。

2.3车辆结构方面

煤矿井下特种车辆以中央铰接式车辆为主，采用传统方法设计车辆结构时，为保证车架的结构强度，同时为了适应井下水洼、泥坑等湿滑路面环境，给车辆提供正常行驶的附着条件，特种车辆车体通常较重，尤其是前端承载式特种车辆，为满足车辆对重型设备或矿岩的铲取及运输要求，车辆自身重量多数大于车辆额定载荷重量，特殊情况下，还需额外增加配重单元。随着车辆重量的加大，车辆行驶时滚动阻力、空气阻力、坡度阻力和加速阻力均会大幅度增加，直接增加了车辆的燃油消耗;欧洲官方数据说明，路面汽车的质量减少10%时，车辆油耗可降低3%～4%，质量减少15%时，油耗可降低5%～8%。由此可见，车辆的自重对燃油消耗影响较大，合理减轻车辆自重是降低车辆燃油消耗的最有效途径。优化车辆结构重量离不开结构轻量化设计方法，目前，比较先进的方法是，利用solidThinkingInspire优化设计平台，在产品结构CAD设计前期，对其进行快速的拓扑优化，在规定的体积内得到最佳的材料分布，减轻结构重量，并使其强度、刚度最大化，得到结构的最佳配置，优化结束后，对产品结构CAD模型进行重建，同时使用CAE手段，完成产品结构的强度验证，目前，这种方法已成熟应用于我国航空、航天、汽车以及工程机械等领域。井下特种车辆产品结构设计时采用这种方法，会很大程度上改善我国煤矿井下特种车辆燃油消耗大、尾气排放严重等问题。

3结语

煤矿井下特种车辆的大量应用，解决了煤矿综合采掘设备的快速搬运问题。但面对不可再生能源逐渐匮乏的局面，井下特种车辆的巨大能源消耗，已然成为目前亟需解决的问题，而节能增效是唯一途径。文章对比分析井下特种车辆的特殊性，从车辆的系统组成着手，提出了针对性的方法，对节能型井下特种车辆的发展有一定的促进作用。

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