關于召開 2024 山西省煤炭學會煤礦智能化委員會年會暨千人智庫科創(chuàng)服務站工作會的通知

一、現(xiàn)有技術

1、背景：

在煤炭開采過程中，需使用大量的輔助運輸車輛，傳統(tǒng)的輔助運輸手段為軌道運輸，在礦井大巷中利用架線電機車牽引礦車，在采區(qū)及工作面巷道中使用絞車或蓄電池機車牽引。這樣傳統(tǒng)的輔助運輸手段中間環(huán)節(jié)多，效率低下，不適應高產(chǎn)高效礦井的需要。

近些年來，隨著煤礦開采現(xiàn)代化水平的提高，越來越多的煤礦輔助運輸采用柴油內(nèi)燃機為動力的無軌膠輪車。由于煤礦井下使用的設備為防爆設備，需取得煤安認證，這就需要由輔助運輸車輛生產(chǎn)廠家對車輛進行防爆設計。煤礦井下輔助運輸車輛防爆的核心內(nèi)容是發(fā)動機防爆，發(fā)動機防爆的主要內(nèi)容是對發(fā)動機進排氣口進行防爆設計，即進氣口防口火設計和排氣口防高溫尾氣設計。

2、現(xiàn)有技術：

煤礦井下防爆柴油車發(fā)動機防爆的一般做法是在進、排氣口加裝阻火器，以防止氣體中火焰穿過。還需外加循環(huán)水冷系統(tǒng)，水冷裝置設置在排氣側(cè)的發(fā)動機與阻火器之間，以防止排氣溫度超過70℃。防爆發(fā)動機還有許多防爆要求，如防止外殼溫度超過150℃，電氣系統(tǒng)防爆等，由于對發(fā)動機的效率影響很小，在此不一一列舉。

（1）阻火器一般分欄柵型阻火器和珠型阻火器：

欄柵型阻火器必須使用耐高溫﹑防腐蝕﹑耐磨損材料制造。欄柵板的厚度不小于1mm，平面度不大于0.15mm，氣流方向的寬度不小于50mm，相鄰兩欄柵板之間的間隙不大于0.5mm。

珠型阻火器的框架及擋板﹑球型體，應使用耐高溫﹑耐腐蝕材料制造。裝配完整后的珠型阻火器，內(nèi)部球形體不得有松動。采用直徑為5mm的球形體時，氣流方向的填充厚度不小于60mm，采用直徑為6mm的球形體時，氣流方向的填充厚度不小于90mm。

（2）柴油機任一部分位表面溫度不得超過150℃，廢氣出口溫度不得超過70℃。

目前多采用強化水冷卻循環(huán)，可使除排氣管外的其它零部件溫度低于150℃。排氣系統(tǒng)溫度一般為600℃左右，因此必須對排氣管進行強制冷卻才能達到以上要求，一般采用水夾層排氣管來實現(xiàn)。

（3）為防止阻火器持續(xù)受熱升溫，水冷系統(tǒng)一般還對阻火器進行淋水降溫，并增加了阻火器的阻火性能。

發(fā)動機進出氣口防爆示意圖

圖中：1為發(fā)動機，2為發(fā)動機進氣管，3為阻火器，4為水夾層排氣管，5為阻火器，6為排氣管，7為變速箱，8為車輪。

二、目前技術存在的問題

1、發(fā)動機效率低：防爆柴油車發(fā)動機進、排氣口的阻火器增大了進排氣阻力，這就相當于在進、排氣口加裝了口罩，還有少量水分進入發(fā)動機，對發(fā)動機的性能影響很大，柴油也不容易充分燃燒；

2、由于煤礦井巷道狹窄，視線條件很差，車輛行駛?cè)菀装l(fā)生安全事故，所以規(guī)定車輛行駛速度上限速度，絕大部分礦井井下車輛的上限行駛速度為35km/h左右，車輛長期處于低速行駛狀態(tài)，發(fā)動機的效率低下。

3、對井下空氣污染嚴重。從已有的某煤炭集團井下正在使用的防爆車情況來看，裝載量為4噸的礦用防爆柴油車油耗在85~100升/百公里之間，油耗相當驚人，已對企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營成本產(chǎn)生顯著影響，而且柴油車在行駛時，由于燃燒不充分，對井下污染很大。

4、車輛維護成本高。從維護成本上看，由于發(fā)動機系統(tǒng)復雜，在進行防爆改造后，防爆系統(tǒng)也相應復雜，維護成本很高且易發(fā)生失爆問題。

綜上分析，有必要研發(fā)一種效率高、污染低，較易維護的礦用防爆車。

三、改進方案

1、車輛動力系統(tǒng)采用油電串聯(lián)混合電動方案，動力系統(tǒng)原理與目前主流的串聞混合系統(tǒng)基本相同，即由柴油發(fā)動機向發(fā)電機輸出動力，發(fā)電機向蓄電池充電，由蓄電池向電動機提供動力。

2、當柴油發(fā)動機不工作時，整車必須達到礦用防爆要求。即柴油發(fā)動機為非防爆設備，電動機、蓄電池及控制、照明系統(tǒng)等電氣設備為礦用防爆型設備。

3、發(fā)電機在采取可靠的放電及與蓄電池隔離等防爆措施后，可采用非防爆設備，但需達到礦用一般型設備要求。

4、控制系統(tǒng)采用三種模式控制車輛行駛，即防爆模式、效率優(yōu)先模式、充電優(yōu)先模式，應在車輛控制臺設置模式轉(zhuǎn)換旋鈕，根據(jù)車輛使用環(huán)境的不同的選擇相應的行駛模式。車輛不能同時在兩種以上模式下工作。

5、防爆模式（純電動模式）。當車輛在采區(qū)及工作面巷道行駛時，在進入之前，由人工切換為防爆模式，即柴油發(fā)動機及發(fā)電機無法工作，由蓄電池給電動機供電。

6、效率優(yōu)先模式（礦用一般型）。當車輛駛離工作面等進入礦井進風大巷或在地面較長時間行駛時，應采用效率優(yōu)先模式行駛，如蓄電池電量低于60%時，柴油發(fā)動機自動啟動并以高效運轉(zhuǎn)方式帶動發(fā)電機向蓄電池充電，充滿后發(fā)動機自動關閉。

7、充電優(yōu)先模式。當車輛從地面等地點計劃駛向工作面時，在地面及礦井進風大巷中行駛時，應選擇充電優(yōu)先模式，即發(fā)動機始終滿負荷運轉(zhuǎn)，保證發(fā)電機以最快速度向蓄電池充電的同時，還直接向電動機提供行駛動力。在蓄電池充滿后，發(fā)動機仍繼續(xù)工作，帶動發(fā)電機向電動機直接供電。這樣就可以保證在車輛進入采區(qū)或工作面前，蓄電池有盡可能多的電量，以滿足在轉(zhuǎn)換為防爆模式后，有足夠的電量維持車輛在采區(qū)及工作面的使用。

在充電優(yōu)先模式下，應有虧電報警功能，如蓄電池電量低于60%時，報警提示駕駛員是否有足夠的充電時間來保證將蓄電池充至足夠的電量來滿足采區(qū)或工作面的純電動使用要求。

8、防爆模式為默認模式，即當車輛要啟動時，只有在防爆模式下，車輛才能啟動，在充電優(yōu)先模式下和在效率優(yōu)先模式下，開啟車輛啟動按鈕或鑰匙時，車輛將沒有反應；在車輛啟動后，再根據(jù)車輛所處的位置和即將要去的區(qū)域選擇相應的工作模式。

9 、蓄電池應設定虧電報警。當車輛在采區(qū)或工作面內(nèi)行駛時，必須純電動的防爆模式，所以應設定虧電報警，如設定值為30%電量，當蓄電池電量低于額定容量的30%時，應提示駕駛員盡快回到非防爆區(qū)域中啟動發(fā)動機充電，也可到附近充電點充電或更換蓄電池。

10、在礦井地面工業(yè)廣場車輛停放場所應設置充電點，以盡可能地利用充電方法獲得能源，減少燃油消耗，降低燃料成本。可考慮在采區(qū)或工作面內(nèi)設置防爆充電點，車輛較長時間在采區(qū)或工作面內(nèi)轉(zhuǎn)運材料時，應可到充電點換電池或充電。

圖中：1為發(fā)動機，2為排氣管，3為進氣管，4為發(fā)電機，5為蓄電池，6為變頻器，7為電動機，8為變速箱，9為車輪，10為模式選擇旋鈕。