低污染矿用40 t铲板式支架搬运车的设计

李卫东

(晋能控股煤业集团 王庄煤业有限公司,山西 长治 047100)

0 引言

目前在辅运方面很多煤矿在大巷中使用电池机车和架线电机车进行牵引运输，运输方式相较于国外煤矿非常落后，这与目前煤矿高效、高产、快速、智能、绿色的综采理念很不匹配，影响了整个煤矿的出煤效率。我国很多煤矿主要依赖进口铲板式支架搬运车等设备来满足煤矿井下的运输，尽管目前多种铲板式搬运车型已经成功自主研发并应用，在一定程度上满足了国内煤矿井下的各种辅助搬运和安装工作需要[1-4]，但随着煤矿综采工作面生产技术的快速发展，辅助搬运和安装设备也必须通过提升其运载能力来适应采煤设备的运输、安装需要。

在国家双碳目标的带动下，对煤矿井下各种辅运车辆的排放要求日趋严格，2020年国家生态环境部对非道路移动机械及动力装置的非道路国四排放标准进行了相关内容的补充和完善。标准中严格的尾气排放规定，必然要求煤矿井下使用的防爆柴油机车辆的排放需大幅度降低[5-7]，因此研究一款使用频率高、排放低、搬运效率高的防爆车辆对于煤矿井下辅运设备的升级换代、技术提升具有非常重要的意义。

1 铲板式搬运车设计准则

(1) 以可靠性为出发点，关键元部件选用国内外知名厂家产品。

(2) 整车及元部件选型符合防爆和各项性能指标的要求。

(3) 考虑国内煤矿企业煤层分布及地质条件，增强产品适应性。

(4) 整车采取人性化设计理念，提高驾驶操纵舒适性，降低产品日常维护和保养工作量。

2 铲板式搬运车总体方案设计

通过对我国主要矿区井下工况条件进行深入解，某型低排放40 t铲板式搬运车整体车架结构采用铰接式液压油缸转向，相对于整体式机架车辆更加机动灵活，能够较好地适应井下狭窄受限的车辆通过空间。该铲板式支架搬运车主要由低污染柴油机动力系统、液压操控系统、前后机架、工作机构系统、电气系统、气动及安保系统和机械传动系统等组成，整车布置如图1所示。

图1 某型低污染40 t铲板式搬运车三维模型

3 低污染动力系统防爆柴油机设计

某型低排放40 t铲板式搬运车结构紧凑、承载能力大，且动力系统结构尺寸小、功率大。为满足非道路国三标准的要求，防爆柴油机采用了防爆电控燃油系统和后处理氧化催化转换器。

3.1 进气防爆系统的设计

从结构上进气系统可分为双层水冷低温增压装置、铁质组合空气滤清装置、片式进气栅栏、进气关闭装置、水空中冷装置及不锈钢管路等。安装进气关闭装置的目的是停车时完全切断进气系统空气的供给以保证防爆柴油机迅速熄火。

3.2 排气防爆系统的设计

排气系统包括水冷却排气歧管、增压器、水冷却排气弯管、废气处理箱和排气栅栏。排气歧管、增压器、排气弯管均设计为带水冷却的双层结构，各部件表面最高温度不超过150 ℃。其中废气处理箱处于末端，采用圆桶形结构，水位控制阀和缺水保护阀置于箱体内部，结构紧凑、控制可靠。

3.3 后处理氧化催化转换器的设计

为了降低防爆柴油机CO的排放，对氧化催化转化装置进行防爆结构设计优化，且尽量少影响DOC(氧化催化转换器)的转化效率。在保证转化效率的前提下降低氧化催化转化器对防爆柴油机性能和可靠性的影响，达到DOC在低排气温度下能够起燃反应，降低CO排放污染物。符合防爆要求的氧化催化转换器结构示意简图如图2所示。

图2 符合防爆要求的氧化催化转换器结构示意图

4 铲板式搬运车前后机架结构设计

由于煤矿井下工况复杂，矿用40 t铲板式搬运车行驶过程中受到的作用力方向和大小是实时变化的，为了准确地反映该车的结构动态特性，采用有限元软件对其前后机架进行模拟分析计算。前、后机架结构如图3所示，销轴和轴套的材料分别采用40Cr和27SiMn并进行调质处理，铲板、立板等部件材料选用WH70，而其他剩余部件材料均选用16Mn。

在进行有限元分析时，模拟40 t铲板式搬运车的实际作业工况，在前机架铲板的中心处加载最大载荷40 t。分析得到的40 t铲板式搬运车整车结构应力分布云图如图4所示，铰接轴及轴套结构应力分布云图如图5所示。

图3 前、后机架结构示意图

图4 整车结构应力分布云图

由图4中可以发现：40 t铲板式车辆载荷主要集中在车辆前端，受力最大处为前机架铰接部分；后机架在连接后桥的摆架处应力最大，但相较前车架应力要小很多。

由图5中可以发现：上、下轴销最大应力均低于其材料本身的许用应力值210 MPa，符合强度要求;上销轴轴套最大应力值为513 MPa，下销轴轴套最大应力值为453 MPa，这两值均未超过许用限值980 MPa，符合设计要求。

图5 铰接轴及轴套结构应力分布云图

5 液压操控系统设计

根据整车设计参数，对液压操控系统中的工作、冷却、解锁手泵、蓄能器卸荷等回路做了大量性能匹配研究，确定各分系统的设计和部件选型。液压系统由转向系统、制动系统和液压控制回路组成。

防爆柴油机工作时，液压油从液压油箱进入转向泵，转向泵输出的压力油进入液压助力转向器，液压助力转向器的回油通过回油过滤器回到油箱。

同时液压油从液压油箱进入齿轮油泵，齿轮油泵输出的压力油通过充液阀给安装的蓄能器进行充液，当每个蓄能器内的油压都达到规定的压力后，液压油直接从充液阀通过过滤器流入油箱，当任何一个蓄能器内的油压低于规定的压力后，液压油重新通过充液阀进入这个蓄能器，直至这个蓄能器内的油压达到规定的压力。

6 气动及安全保护系统的设计

气动系统采用了压缩空气启动方式，并在启动前系统进行自检，自检正常后启动发动机。气动系统由气马达、空压机、安全阀、控制阀、气罐、拨动阀、单向阀、机油先导阀、单气控阀、梭阀、截止阀、气缸、气喇叭及仪表等组成。

安全保护系统由隔爆型发电机调节器、隔爆型永磁发电机、矿用隔爆型照明灯、矿用隔爆型电气控制箱、矿用隔爆型信号灯、柴油机车用隔爆兼本质安全型安全保护装置、煤矿车辆用隔爆型雨刷电动机、矿用语音灯光告警装置、矿用隔爆型运输机械照明灯、连接电缆和矿用隔爆型电源箱组成。

7 结论

该低排放矿用40 t铲板式搬运车设计完成后在煤矿井下进行了大量的工业性试验，试验表明该车满足非道路国三排放标准，且具有如下优势：

(1) 防爆柴油机满足非道路国三排放，排放低且功率大，解决了铲板式搬运车普遍功率不足的问题。

(2) 液压操控系统工作回路采用负载反馈液压操控系统，发热量更小，液压元件使用寿命更长。

(3) 采用人机工程学和人性化设计，整车外形美观、检查保养更方便。