常 凱

(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)

千萬噸級高產高效礦井的主要特征之一就是一井一面、一井兩面的集約化高度集中生產，近年來我國單個綜采工作面設備總重已經(jīng)超過10000t，其中液壓支架占綜采工作面設備總重的70%以上。最具代表性的是2018年投入生產的國家能源集團神東上灣礦的8.8m超大采高工作面，單面年產量超1600萬t，支架數(shù)量128臺，中心距2.4m，單臺主掩護液壓支架重量超過90t(支護范圍4.0～8.8m)[1]。如此多數(shù)量大噸位設備的開機率直接影響著礦井的年產量和經(jīng)濟效益，這就要求礦井進行安裝和回撤作業(yè)時，必須實現(xiàn)液壓支架的快速搬遷，最大限度地減少綜采工作面的生產準備時間。

框架式支架搬運車是在煤礦井下搬運液壓支架和一些重型設備的特種車輛，使用時將液壓支架插入“U”型框架內，由車載液壓系統(tǒng)來實現(xiàn)支架的起升和下降，以拖車形式完成長距離運輸作業(yè)。支架搬運車是實現(xiàn)工作面液壓支架快速搬家的有效設備，具有載重能力大、運行速度快、裝卸方便快捷、機動靈活、爬坡能力強等優(yōu)點[2，3]。自20世紀70年代在煤礦井下使用以來，已經(jīng)在世界各主要產煤國得到了廣泛的應用，我國在2000年前后由神華集團神東礦區(qū)率先引進使用支架搬運車。由于支架搬運車的使用，實現(xiàn)了液壓支架“面到面”快速搬遷，我國綜采工作面設備搬家倒面時間也由過去的6周以上縮短為1周以內，工作面年產量因此提升15%以上，給煤礦帶來了可觀的經(jīng)濟效益。

我國的框架式支架搬運車經(jīng)歷了引進國外先進裝備、消化國外先進技術、裝備國產化、相關配套系統(tǒng)技術升級、關鍵技術創(chuàng)新等歷程，已經(jīng)實現(xiàn)了裝備的完全自主研發(fā)和產品系列化。經(jīng)過近20年的發(fā)展和完善，我國現(xiàn)有支架搬運車的噸位覆蓋了25～100t范圍，其功能和可靠性都得到了本質地提升，滿足了國內高產高效礦井設備的搬家需求，得到市場和用戶的普遍認可。

1 框架式支架搬運車發(fā)展

1.1 裝備引進消化

1959年，英國率先在煤礦井下使用防爆柴油機無軌膠輪車。到20世紀70年代，美國的煤礦也開始使用它作為井下回采工作面煤炭、材料和人員的運輸設備。90年代以后我國各大礦務局和煤炭生產企業(yè)開始引進和使用無軌輔助運輸車輛。其中我國引進的支架搬運車主要有鏟板式、平板拖車式和“U”型框架式支架搬運車三種類型。鏟板式支架搬運車有原英國EIMCO公司的912、913HLC，動力為防爆柴油機；原朗艾道DBT公司的VT636-2、VT630、610、605、602A，動力為防爆特殊型鉛酸蓄電池。平板拖車式支架搬運車以DBT公司的FBL15+CH50為代表，動力為防爆柴油機?！癠”型框架式支架搬運車有澳大利亞約翰芬蕾工程有限公司(BOAT LONGYEAR)生產的LSC-350P支架搬運車，LWC-40T、LWC-50T、LWC-80T支架搬運車等車型，動力為防爆柴油機。主要進口框架式支架搬運車參數(shù)見表1。

表1 主要進口框架式支架搬運車主要參數(shù)

其中，我國神東礦區(qū)21世紀初引進澳大利亞BOAT LONGYEAR公司先進的框架式支架搬運車尤其突出，實際使用中取得了非常明顯的效果，使我國煤礦液壓支架快速搬遷技術實現(xiàn)了飛躍式發(fā)展。在神東煤炭公司的輻射帶動下，國內其它煤礦企業(yè)也紛紛上馬，以支架搬運車為主的新型液壓支架搬運技術呈現(xiàn)出無比強勁的發(fā)展勢頭。

使用進口支架搬運車的優(yōu)點是性能可靠、故障率低，系統(tǒng)簡潔、管路布置清晰、便于維修。缺點是價格比較高，當時一臺LWC-40T支架搬運車的價格就在800余萬元人民幣，不僅加大了企業(yè)的采購成本，而且不可避免地存在著維修人員技術水平低、配件提供不及時、售后服務不到位等問題。一方面享受著使用支架搬運車實現(xiàn)工作面液壓支架快速搬遷帶來的經(jīng)濟和效益紅利，另一方面我們的技術、駕駛員、維修人員也逐漸熟悉了設備工作方式和各方面性能，在這個過程中積累了寶貴的現(xiàn)場應用經(jīng)驗。

1.2 裝備國產化

鑒于進口支架搬運車使用過程中出現(xiàn)的上述問題，煤炭企業(yè)意識到不能長期受制和依賴進口設備，否則“卡脖子”問題會越發(fā)突出，國內市場規(guī)模的加大對設備國產化研究的渴望也越來越迫切。

2003年神華集團神東公司聯(lián)合煤炭科學研究總院太原分院開始率先著手進口支架搬運車的國產化技術攻關，通過設備的大修、使用和維護、技術適應性探討等方式，逐步消化吸收引進的支架搬運車技術。在2005 年研制出了WC40Y 框架式支架搬運車[4]，如圖1所示。其性能水平與進口同類機型相當，并在防爆柴油機進排氣系統(tǒng)、濕式制動、輪邊液壓驅動、拖車結構和搬運工藝等方面有了自己的創(chuàng)新[5-8]。WC40Y 框架式支架搬運車的研制成功，推出了首臺具有我國自主知識產權的快速搬家產品，結束了多年來該類產品全部依賴進口的局面。并對改善煤礦工作面搬家的安全狀況，提高搬家倒面速度，促進煤炭工業(yè)技術進步，都起到了積極的作用。

圖1 WC40Y框架式支架搬運車

出于設備可靠性方面考慮，WC40Y支架搬運車整機主要的關鍵零部件依舊選用了進口產品，但是整機的綜合可靠性還是較低、故障率居高不下。主要出現(xiàn)的問題及原因有：①國內鋼材工藝和質量與國外有差距，整機結構設計安全系數(shù)較大，致使車輛自重偏大；②關鍵結構件加工受工藝和制造水平受限，替代方案有待磨合，出現(xiàn)故障較多；③國內高壓液壓膠管和接頭質量差，導致經(jīng)常出現(xiàn)液壓油跑、冒、滴、漏現(xiàn)象；④設計人員現(xiàn)場經(jīng)驗不足，設計的產品可維護性稍差，用戶體驗不好；⑤設計的保護系統(tǒng)較為復雜，增加了故障幾率；⑥用戶使用國產設備時不像使用進口設備那樣精細，維護保養(yǎng)不及時。

隨著市場對產品的逐步認可，越來越多的煤機制造商都加入到了支架搬運車研發(fā)的行列中，代表性的有中煤科工太原研究院有限公司、連云港天明裝備有限公司、航天重型工程裝備有限公司(簡稱航天重工)、萊州亞通重型裝備有限公司、三一重型裝備有限公司等。

1.3 裝備系列化

眾多框架式支架搬運車廠家中太原研究院所占市場份額較大，其在總結WC40Y框架式支架搬運車基礎上，又相繼研制成功了WC50Y 、WC55Y 、WC60Y 、WC80Y 、WC100Y等不同載重量的系列框架式支架搬運車型，參數(shù)見表2，截至2020年底已累計銷售280余臺，創(chuàng)造直接經(jīng)濟效益近15億元。國內其他廠家也同步跟進研發(fā)，目前國產設備的性能和可靠性已經(jīng)得到了質的提升，且部分功能根據(jù)我國煤礦使用條件和搬家工藝進行了本地化創(chuàng)新設計，完全滿足了不同采高工作面液壓支架的搬運需求，保障了礦井的高產高效生產。

表2 系列框架式支架搬運車主要參數(shù)表

除了研制出不同噸位的系列化車型外，還根據(jù)用戶的使用需求研發(fā)了U型封底式四輪驅動拖車、U型封底式不帶驅動兩輪拖車和整體U型六輪驅動拖車。其中U型封底式四輪驅動拖車是在原有框架拖車的基礎上增加了簸箕式的裝載機構，四輪驅動帶制動，如圖2(a)所示。U型封底式不帶驅動兩輪拖車是在拖車尾部兩側各布置一個從動行走輪，依靠拖車尾部的升降裝置實現(xiàn)拖車的升降，兩輪不驅動帶制動，如圖2(b)所示。前兩種拖車除了搬家到面搬運液壓支架外，還可以當作運輸車運送一些大型物料，一機多用。整體U型六輪驅動拖車一改傳統(tǒng)的鉸接車型，將動力部分和承載部分全部集中到拖車框架中，載重達100t，4軸線8輪設計，驅動帶制動，多連桿液壓聯(lián)動實現(xiàn)前后輪八字轉向、轉彎半徑小，如圖2(c)所示[9-11]。綜合來講，經(jīng)過十多年的技術沉淀和使用經(jīng)驗積累，框架式支架搬運車的動力、傳動、制動、保護等各項核心技術已趨于穩(wěn)定和成熟。

圖2 框架式支架搬運車

2 支架搬運車關鍵技術

2.1 大功率防爆柴油機技術

2.1.1 普通防爆柴油機技術

防爆柴油機是支架搬運車的動力系統(tǒng)，進口支架搬運車使用的是CAT3126防爆柴油機，功率為170kW。21世紀初由于進口受限，且當時國內防爆柴油機最大功率為110kW，不能滿足支架搬運車對于功率的要求。在該項技術方面，國內設備制造商進行了大量研究工作。中國煤炭科工集團太原研究院對上海柴油機廠6121柴油機(200kW)、華北柴油機廠6132柴油機(260kW)進行了防爆設計和改造，連云港天明裝備有限公司和航天重工對康明思6114(180～240kW)進行了防爆設計和改造，開發(fā)設計了符合國內防爆規(guī)程的廢氣渦輪增壓中冷大功率防爆柴油發(fā)動機系統(tǒng)，排污指標符合《煤礦安全規(guī)程》要求。

主要研究和解決的問題包括：

1)防爆增壓器的研究。大功率防爆柴油機為了不影響發(fā)動機體積和降低排放指標雙重目的，必須采用渦輪增壓方式，而渦輪增壓必須解決的難題是表面高溫問題。為此研制了水套渦輪增壓器，使工作面最高溫度能夠控制在150℃之下。

2)水套排氣管的改造研究。給予上述同樣理由考慮，排氣管溫度也很高，必須采用水套排氣管進行排氣的冷卻，并且考慮與增壓器的配套。

3)進氣中冷方式的改造研究。為了達到增大功率和降低排放的要求，發(fā)動機必須進行進氣中冷，采用了水-空中冷進氣方式。

4)防爆進排氣系統(tǒng)、水洗箱研究。進氣系統(tǒng)包括空氣濾清器、壓力機(增壓器)、進氣阻火器、空氣關斷閥、中冷器及其管路組成。排氣系統(tǒng)包括水套排氣管、增壓器、雙層水套排氣彎管、雙層波紋管、排氣阻火器、水洗箱。其中增壓器、排氣管、排氣彎管都為水套外殼，保證其最高表面溫度不高于防爆要求。

5)獨立循環(huán)強制水冷卻方式的研究。采用外圍防爆元部件冷卻與發(fā)動機機體冷卻系統(tǒng)完全分離的方式，避免了互相干擾，改善了冷卻效果。使排氣管和增壓器的表面溫度由超過600℃降至121℃(標準<150℃)，解決了發(fā)動機排氣管和增壓器表面溫度過高難題。

6)水浴式廢氣處理裝置的研究。通過結構和方法創(chuàng)新，發(fā)明了雙重水浴式恒壓低阻力廢氣處理裝置，采用圓筒形迷宮結構和強制壓力補水方法降低了排氣中的顆粒物含量和排氣溫度。相比普通處理裝置，碳煙顆粒物減少20%，并確保了排氣溫度低于70℃的要求。

2.1.2 防爆電噴柴油機技術

2018年12月28日，國家煤礦安全監(jiān)察局發(fā)布了《關于發(fā)布禁止井工煤礦使用的設備及工藝目錄(第四批)的通知》(煤安監(jiān)技裝[2018]39號)，明確要求：對排氣標準在國II及以下的防爆柴油機“自發(fā)布之日起禁止新選用、采購，在用設備自發(fā)布之日起2年后禁止使用”。國內的防爆柴油機廠商便開始了防爆電噴柴油機的技術攻關，攻克了防爆電控燃油噴射、尾氣凈化處理、高靈敏高精度防爆傳感器等技術，其核心電控ECU根據(jù)實際工況，如發(fā)動機溫度、運行狀態(tài)、空燃比、油門狀態(tài)、轉速、負荷、曲軸位置信息等分析計算，自動調節(jié)噴油正時和噴油量[12，13]。目前已開發(fā)了多款防爆電噴增壓中冷柴油機，功率覆蓋范圍45～300kW，相比普通機械泵防爆柴油機車輛，排放指標降低50%以上，顯著改善了應用防爆柴油機車輛的井下作業(yè)環(huán)境。

2.2 帶濕式制動的輪邊減速器技術

國產支架搬運車在設計時首次采用了“高速馬達+行走輪轂減速器”驅動方式，發(fā)明了大扭矩行星齒輪安全濕式制動減速器，把制動器設計在了低速端。普通行走減速器通常在高速端制動，如在高速端制動由于馬達轉速高(達3000r/min)且受控件限制，其額定輸出扭矩及制動扭矩有限，摩擦片徑向尺寸小，磨損嚴重，影響其壽命且不利于散熱。于是減速器設計時通過結構創(chuàng)新，將制動移植到低速端，減速器額定輸出扭矩高達110000N·m，制動扭矩大于80000N·m，新設計的輪邊減速器如圖3所示。在低速端實施制動的優(yōu)點是：摩擦片徑向尺寸可以做大，散熱面積變大，利于散熱，提高制動器壽命，進而提升了惡劣工況下的車輛長距離制動的安全可靠性[14-16]。

圖3 輪邊減速器結構

使用過程中也暴露出來制動器高溫以及浮動油封處漏油問題，經(jīng)過改進和試驗均得到了解決。在摩擦材料創(chuàng)新方面，與摩擦片廠家聯(lián)合攻關，在摩擦片合金中添加其他金屬，提高摩擦片剛度及耐磨性且不易產生火花。在浮動油封選擇上，從最初選用進口油封換成國產油封，浮封環(huán)密封面表面硬度在HRC58～HRC72之間，表面粗糙度控制在Ra0.2μm以內。并對浮封環(huán)進行了整體淬火處理或密封面表面硬化處理，提高其耐磨性能[17]。

經(jīng)過現(xiàn)場運行驗證，該制動器可以滿足14°連續(xù)5km下坡需要，緊急制動距離小于5m，大大提高了適應性和可靠性。現(xiàn)有的系列支架搬運車單個輪邊減速器的最大制動扭矩已經(jīng)達到了180000N·m，保障了無軌輔助運輸裝備的安全運行。

2.3 鏈輪+圓環(huán)鏈敞開式載荷提升技術

支架搬運車搬運支架時，支架的提升動作由U型拖車框架兩側支腿上的四個提升機構來實現(xiàn)。早先的提升裝置采用的是“提升臂+圓環(huán)鏈+起吊鉤”方式，液壓支架進入U性框架拖車后，提升機構降下提升臂，人工操作將四個起吊鉤掛入液壓支架底座的起吊孔，提升機構升起提升臂，液壓支架底座逐步脫離地面，完成支架的裝運過程。由于不同噸位大小液壓支架底座的起吊孔位置不同，使用U型卸扣和圓環(huán)鏈配合，雖可調節(jié)提升鏈長度但調節(jié)能力十分有限，有些時候即便調節(jié)后仍難以滿足液壓支架的搬運需求。

針對提升鏈長度調節(jié)能力有限的問題，研究了“鏈輪+圓環(huán)鏈敞開式”載荷提升技術，創(chuàng)新研制了“鏈輪+圓環(huán)鏈+起吊鉤”方式的提升裝置[18]。該裝置的優(yōu)點是，圓環(huán)鏈長度較長，可根據(jù)支架底座起吊孔的位置確定圓環(huán)鏈與鏈輪的相對位置，還可以通過圓環(huán)鏈的正、反掛，實現(xiàn)多種組合的起吊方式，適應性更強。目前市場上新生產的支架搬運車的提升裝置全部采用的是這種新方式。

2.4 礦用重載實心輪胎壓力釋放技術

支架搬運車是一種搬運物料的裝備，受載重和空間限制，輪邊沒有采取任何減震措施。工作時輪胎接地比壓較大，一般在1MPa以上。輪胎偏軟車輛阻力加大，膠圈容易損壞，轉彎時輪胎磨損嚴重，經(jīng)常出現(xiàn)膠圈與輪轂脫離分層現(xiàn)象；輪胎偏硬造成韌度不夠，容易掉塊。輪胎成為了支架搬運車的一個易損件，且成本較高，不同載重量的單個輪胎價格在7～10萬元。

針對上述問題和現(xiàn)場客觀條件，研制了含有中部緩沖層和徑向橢圓形卸載孔結構的礦用重載橡膠實心輪胎。通過對材料及結構的研究，在吸震性、散熱性等特性指標達到了最佳匹配，抗劃傷、抗撕裂性能進一步提升，保證了井下惡劣工況下車輛運行的平穩(wěn)性和可靠性。該輪胎與充氣輪胎，以及普通實心胎的負荷下沉量對比曲線如圖4所示。曲線顯示，在單胎負載15t時，下沉量比普通實心胎增加了50%左右。

圖4 不同輪胎性能對比

3 展 望

1)純電動車型?？蚣苁街Ъ馨徇\車受載重大、需要長距離運輸?shù)墓逃刑攸c，短時間內估計會仍然以柴油機動力為主，無需擔心續(xù)駛里程問題。隨著低碳開采和碳中和戰(zhàn)略的逐步落地和實施，后續(xù)根據(jù)高比能量、小體積大容量電池研究的進展和突破，電池快換技術和礦井快速換電站的建設，噪音小、零排放的純電動框架式支架搬運車必將取代污染嚴重的柴油機車輛[19，20]。

2)薄煤層車型。我國薄煤層保有儲量占全國保有儲量的20%左右，2019年5月上旬召開的全國煤礦薄煤層智能開采現(xiàn)場推進會鼓勵企業(yè)推廣使用薄煤層智能開采的新裝備、新技術、新工藝[21]。2020年國家能源集團神東煤炭榆家梁煤礦、石圪臺煤礦等礦井已經(jīng)實現(xiàn)了薄煤層工作面無人自動化開采，隨著國內礦井薄煤層綜采工作面的陸續(xù)投入運行，薄煤層框架式支架搬運車將會迎來大的發(fā)展，為煤礦企業(yè)解決薄煤層綜采支架的搬運難題。

4 結 語

框架式支架搬運車憑借獨特的U型拖車結構，以較低的運輸高度完成了液壓支架的遠距離運輸，機動靈活、速度快、效率高，作為一種搬家倒面的核心裝備，大大減輕了工人勞動強度，提高了搬家效率，為我國煤礦的高效生產做出了巨大貢獻。通過對大功率防爆柴油機技術、帶濕式制動的輪邊減速器技術、“鏈輪+圓環(huán)鏈敞”開式載荷提升技術、礦用重載實心輪胎壓力釋放技術等多項關鍵技術攻關和相關工藝適應性研究，我國的框架式支架搬運車技術先進，性能穩(wěn)定，其系列化車型已經(jīng)實現(xiàn)了30～100t載重范圍支架搬運的全覆蓋，完全滿足了國內煤炭生產企業(yè)的使用需求。