礦山工礦電機車研究與發(fā)展

楊錦濤

（長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 湘潭 411101）

井下工礦電機車是重要的運輸設備，廣泛應用于煤礦、金屬非金屬礦山及橋梁、隧道等工程施工現(xiàn)場，在煤礦、金屬非金屬礦山應用尤其廣泛。近年來，隨著大型露天礦山開采數(shù)量增多，規(guī)模不斷增大，井下礦山也逐漸向超深井超大規(guī)模方向發(fā)展，對電機車提出了新的發(fā)展要求，未來的井下工礦電機車將向大型化、智能化、高效可靠、節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展。

1 電機車發(fā)展方向

（1）電機車向大型化方向發(fā)展。目前礦山使用的大噸位架線式牽引機車有100t、150t、200t等不同噸位等級的準軌工礦電機車，最大噸位電機車已達到224t。國外已有粘重為350噸的重聯(lián)車組用于深部開采運輸。由于受井下巷道的限制，目前地下礦山使用的電機車基本為窄軌機車，且已小噸位機車為主，常用機型集中在20t以下。但隨著井下礦山逐漸向超深井超大規(guī)模方向發(fā)展，對電機車運輸能力要求也隨之增強，井下電機車也逐漸向大型化方向發(fā)展。

（2）電機車向智能化方向發(fā)展。隨著采礦業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展和礦產(chǎn)資源需求的擴大，采礦規(guī)模越來越大，年開采量上千萬噸級特大礦山不斷出現(xiàn)。一些特殊礦山處于高海拔、超深度，存在大量涌水或其他危險，礦山對礦石運輸能力、效率和安全性提出了越來越高的要求[1]。

無人駕駛的電機車不僅能使礦山的礦石運輸自動化程度大大提高，運輸能力得到更大發(fā)揮，與此同時也減少了礦山運輸?shù)氖鹿实陌l(fā)生。在無人駕駛狀態(tài)下，電機車按集中控制室的指令啟動后，可一直按照預先設定的程序周而復始地運行，運行中如出現(xiàn)故障，機車可自我診斷，診斷信息將集中反饋到控制室顯示屏上，提示工作人員進行必要的人工干預。

目前世界上歐洲發(fā)達國家少數(shù)幾家大型礦山使用了此技術(shù)，我國近幾年自主研發(fā)了地下礦山無人駕駛電機車運輸技術(shù)，中國恩菲工程技術(shù)有限公司在國內(nèi)冬瓜山銅礦和中非贊比亞希主西礦都簽訂了無人駕駛電機車項目，目前運行效果良好。智能化的電機車具有如下優(yōu)點：①無人駕駛機車按照設定好的程序運行，可以在彎道、道岔、或者裝載、卸載時設定不同的速度模式，同時可以在設定的位置自動升降集電弓、自動鳴笛、自動停車等待等，極大提高了運輸效率；②無人駕駛電機車在運行過程中，可以自動識別前方運行車輛，當前方運行車輛距離小于設定值時，可以自動減速停車；③無人駕駛電機車具有遙控方式、自動方式、人工方式、檢修方式等不同工作模式。

（3）電機車向高效可靠方向發(fā)展。采用變頻調(diào)速后機械壽命的提高表現(xiàn)在：①由于平均轉(zhuǎn)速下降而使設備壽命延長。機械設備全速運行時，由于阻轉(zhuǎn)矩較大，各部分的磨損以及主要部件所受的應力都很大，采用變頻調(diào)速，由于平均轉(zhuǎn)速的降低，將減小應力和磨損，使機器的壽命得到延長；②由于起動和停機過程得到改善而使設備壽命延長。機械設備在直接起動和停機時，將因收到較大沖擊而影響其使用壽命，設備中的液壓元件在直接起動和停機時因內(nèi)部壓力變化過大而影響使用壽命[2]。使用變頻調(diào)速可平滑緩慢的進行啟停控制，使整機受到的沖擊小。因此，交流變頻控制系統(tǒng)的應用使裝運設備具有故障率低、壽命長、可靠性強、效率高和維護費用低等優(yōu)點。

（4）電機車向節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展。伴隨社會技術(shù)的發(fā)展，節(jié)能環(huán)保是影響未來電機車的重要因素。變頻調(diào)速可實現(xiàn)啟停過程的軟起軟停功能，整個運行過程與傳統(tǒng)的電阻調(diào)速和斬波調(diào)速比節(jié)能效果明顯。目前蓄電池電機車多采用鉛酸蓄電池作為供電電源，鑒于鉛酸蓄電池存在析氫和電解液泄漏等問題，并且在使用過程中需要添加硫酸和蒸餾水，硫酸和鉛嚴重污染環(huán)境，且鉛酸電池使用壽命短，未來大容量鋰電池將可能逐步使用于蓄電池電機車。

2 未來需研究的內(nèi)容

（1）需制定滿足大型化發(fā)展的電機車產(chǎn)品標準。目前我國現(xiàn)行與電機車有關(guān)的行業(yè)標準主要有JB/T 10772-2007《窄軌架線式工礦電機車通用技術(shù)條件》、JB/T 10100-1999《直流架線式準軌工礦電機車基本技術(shù)條件》、JB/T 4091-2014《煤礦防爆特殊型蓄電池式電機車基本技術(shù)條件》、MT 491-1995《煤礦防爆蓄電池電機車通用技術(shù)條件》和MT/T 1064-2008《礦用窄軌架線式工礦電機車技術(shù)條件》。上述標準只規(guī)定了常規(guī)機型電機車的性能指標參數(shù)，缺少大型化電機車的性能指標要求。大型化電機車在設計、研發(fā)和生產(chǎn)過程中主要參數(shù)性能指標無標準可依，缺少產(chǎn)品質(zhì)量水平的保證和行業(yè)的健康發(fā)展的依據(jù)，因此急需制定大型化電機車的行業(yè)標準。

（2）需建立可滿足大型化電機車檢測的試驗系統(tǒng)。目前對于電機車的性能檢驗主要使用的是常規(guī)檢測手段，使用測速、測力等便攜式試驗設備利用電機車的生產(chǎn)現(xiàn)場或使用現(xiàn)場進行牽引特性、最大牽引力、制動特性等性能進行測試分析。目前所使用的常規(guī)檢測手段已不能滿足大型化電機車檢測的需要。因此急需建立科學、先進、有效的可滿足大型化電機車檢測的試驗系統(tǒng)，為滿足大噸位機車的研發(fā)和整機定型試驗提供科學、有效的測試手段。占比重很大，電機車經(jīng)過卸載站時處于懸空狀態(tài)，上述因素都將造成電機車在運行時整體振動非常大，無人駕駛電機車上監(jiān)測和控制設備需能滿足在此工況下連續(xù)可靠運行的要求；

（2）巷道對無線通訊的影響。巷道的不同尺寸和結(jié)構(gòu)形式給無人駕駛電機車監(jiān)測和控制信號的無線通訊帶來了非常大的影響。除了對通訊距離有很大影響外，地下巷道內(nèi)，在無線電波還沒有衰減時就會沒有規(guī)律地不斷被反射，從而給無線通訊帶來不良影響。因此不同的礦山條件，具體技術(shù)需求和相應的技術(shù)方案也會有差異；

（3）控制的精準度。井下實現(xiàn)智能化運輸系統(tǒng)，為實現(xiàn)井下安全、高效的開采，對于無人駕駛電機車控制運行的精度將有相應的要求。隨著無人駕駛電機車技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)品的推廣，需建立無人駕駛電機車性能檢驗驗收依據(jù)，明確其關(guān)鍵安全技術(shù)指標，為產(chǎn)品性能驗收技術(shù)依據(jù)，為礦山井下安全運行提供技術(shù)支撐。

4 結(jié)語

隨著我國智能化礦山的不斷發(fā)展，智能化的運輸將是未來礦山必然的發(fā)展趨勢，本文從大型化、智能化、高效可靠、節(jié)能環(huán)保等方面闡敘了未來智能化機車的發(fā)展方向，提出了目前工礦電機車的發(fā)展中所要解決的問題，為以后工礦電機車智能化運輸指明了方向。

3 工礦電機車需解決的技術(shù)問題

無人駕駛電機車在使用和推廣中面臨如下問題：

（1）機車運輸過程中的振動問題。電機車本身減震性能差，井下礦軌敷設平整度不高，彎道、岔道在整個運輸線路中