煤矿井下特种车辆节能方法探究

煤矿井下特种车辆节能方法探究

刘喜军

国家能源集团神东煤炭集团神东生产服务中心--内蒙古鄂尔多斯   017200

摘要：煤矿井下作业的危险性、复杂性决定了在煤矿井下施工时需要多种设备和配备各种特种车辆以供作业施工。目前国家提倡节能环保，但是，煤矿井下作业特种车辆的频繁使用，消耗巨大的能耗，对环境、施工人员造成很大的伤害。因此在煤矿井下作业多种因素的综合考虑下如何降低特种车辆的能耗是当今煤矿井下作业的重要解决问题。本文针对特种车辆节能环保方面展开讨论。

关键词：煤矿；井下特种车辆；节能方法；探究

一、引言

伴随我国对能源需求的增大，煤矿井下作业的施工频率和工作范围及深度也在加大，各种设备投入以及车辆投入也出现上升趋势。井下特种车辆在舒适性、安全性方面有了很大的改善，但是在能源消耗方面却停步不前。其产生的尾气对井下工作人员的身体造成伤害，对大气环境造成污染。因此，在煤矿井下作业正常开展的情况下如何降低特种车辆对能源的消耗是急需解决的问题。而且我国不可再生能源渐渐匮乏，需要全国人民和各行各业做到节能环保，利用新能源解决各种生产问题。因此，煤矿企业要从长远角度分析，针对目前特种车辆的能源消耗情况采取改进措施，降低能耗，节约资源。

二、改进车辆结构

煤矿井下特种车辆的结构以中央铰接式为主，为稳定车架的强度和保持车辆运输途中的稳定性，通常采用传统设计理念设计车辆结构，这样在遇到水洼、坑洼不平路面和潮湿路面时能稳定车身运输性能，保证车轮与路面的完美契合，维持稳定的运输状态[1]。所以，一般井下特种车辆比较重，特别是承载部位位于前端的车辆结构，为保持对重量级设备运输性能，车辆本身的重量一般大于额定承载量。如果遇到特殊情况，还需要增加配重单元。车辆总量的加大会造成阻力增大，这样对能源的消耗也会随之提升，需要消耗更多的能源才能维持稳定的运输速度。根据官方数据显示，汽车的总重量每减少10%对能源的消耗就会减少3%到4%，车辆总重减少15%，对能源的消耗就降低5%到8%.

因此，降低井下特种车辆对能源消耗的关键方法之一就是降低车辆本身的重量，这样就能降低对能源的消耗[2]。在国内已经使用solid Thinking Inspire设计平台对车辆进行结构设计，在车辆自身结构CAD设计之前，对车辆进行拓扑优化，在指定体积范围内设计出最佳的材料分布图，对车辆结构重量进行减轻处理，但是其强度、刚度需要得道最大化配置。在完这些设计后利用CAD模型进行车辆总体重建，同时利用CAE方式对车辆结构进行强度验证。截止目前为止，我国的航天、航空、汽车及工程机械都在采用该技术方法。对井下特种车辆的结构设计使用该技术方法将在很大程度上降低车辆本身自重，同时降低对能源的消耗和尾气排放，提高井下车辆作业的环境质量和施工人员的身心健康程度。

三、新能源配备改变动力系统

煤矿井下作业中特种车辆需要进行铲、装、运等重量级工作内容，同时井下环境复杂、恶劣及车辆防爆改装等原因，共同导致特种车辆正常工作需要功率较大的柴油机进行动力支持；同时由于井下作业深入性强、通风性能差，导致柴油机没有足够的氧气供应，造成燃烧不充分出现冒黑烟的情况[3]。这样浪费能源的同时对井下环境造成污染。针对这种情况国家对井下特种车辆的排放指标要求越来越严格，美国和欧洲已经进入第四阶段的排放标准。我国对此也开始将路面工程车的技术应用于井下特种车，例如增压中冷技术、冷却EGR术、废气涡轮增压技术、高压共轨技术、电喷控制技术等，这些技术的应用将有效改善柴油燃烧排放状态。但是由于技术原因和经济成本问题一些先进技术还不能完全应用到井下车辆作业中，需要进一步研究和技术升级。

既然技术关需要进一步突破，那么对能源供应就可以进行改进，将传统的柴油改变成生物柴油。该油质是可再生新能源，具备排放率低、闪点高，对井下特种车辆运行能够良好适应。因此，要改变目前井下车辆的能源消耗和排放情况使用新能源是比较可取的方法。采用清洁新能源代替传统柴油，能有效改善尾气排放问题和能源消耗问题。国内另一种新能源--蓄电池已经广泛应用于汽车行业，同样也可以将蓄电池技术应用于井下车辆作业。但是目前蓄电池续航里程短、电池寿命不长等原因对井下车辆的广泛应用还有一段距离。针对这种局面，国家斥巨资、安排专家对无废气排放、无噪声、效率高的新一代能源--燃料电池正在加紧研究。一旦研究好成功将改变目前特种车辆运行的所有问题。

在国家紧锣密鼓的筹备燃料电池的过程中，国内外合作特种车辆制造商正在研究混合动力系统。利用蓄电池为车辆提供动力支持，当车辆承载低时，利用发电机将电能存储在蓄能装置中，同时可以将车辆液压系统的节流损失能、工作装置的回转动能、重力势能等进行回收；在车辆承载较大时将电能释放与燃油机的能量一起供应车辆需要的动能。这样车辆只需要配备小功率的柴油机即可满足工作需要。

四、动力分流技术改变传动系统

井下特种车辆的传动系统是通过提升传动功率、增大传动高效的范围实践传动系统性能提升。传统的车辆采用液压和液力复合传动的形式，通过行星差速器以液压和机械两种功率形式将柴油功率输出，最后实现无极调速特性，这主要依靠液压功率的可控性实现。这样能扩大传动系统的高效区域覆盖面，提高传动效率，从而降低能源消耗。对该技术应用最先进的是德纳力士乐变速器系统公司开发的Ｒ2液力机械无极变速器(HVT)。该技术结合动力分流技术对系统的牵引性和无极调速特性进行完善，和之前的变矩器变速箱比，空间体积未变化，但是其性能的变化能促使车辆配备小型柴油机，这样就降低对能源的消耗和排放。经过实践验证，Ｒ2液力机械无极变速器(HVT)提高燃油的经济价值和应用价值，燃油效率提高25%，降低能源消耗的同时，降低尾气排放。一旦该技术成功广泛应用，将改变目前井下特种车辆的运行缺点，提高车辆工作效率，改善井下作业环境。

总结

    煤矿井下作业中对特种车辆的使用对煤矿设备、物料的搬运问题进行妥善解决，但同时产生能源消耗大的实际问题，这种问题如果不及时解决将对我国能源消耗产生巨大的影响。我国一致提倡节能环保，但是在井下作业对能源的消耗却没有可行性有效办法。因此，对车辆的动力系统、传动系统和车辆结构的重新定义和解决就能改善目前的能耗问题。对此，我国科学家和研究学者需要针对目前存在的问题进行深入和实践研究，切实发挥新能源的优势，为煤矿井下作业提供安全、卫生、舒适的工作环境。

参考文献：

[1]卫红波.煤矿井下无轨防爆特种车辆液压系统研究[J].煤矿机械,2016,37(05):21-23.

[2]刘玉荣.煤矿井下特种车辆的工业设计[J].煤矿机械,2015,36(01):29-31.DOI:10.13436/j.mkjx.201501013.

[3]石涛.对混合动力技术在煤矿井下无轨特种车辆使用可能性的探讨[J].煤矿机械,2012,33(09):224-225.