任志勇，石 琴

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引 言

國家對清潔能源、綠色發(fā)展的重視程度與日俱增，“十一五”期間，我國無軌輔助運輸裝備通過引進、消化、吸收、再創(chuàng)新等措施，研制出了一系列能夠滿足大中型礦井使用的無軌輔助運輸裝備，攻克了中小型防爆柴油機、安全濕式制動系統(tǒng)等相關(guān)技術(shù)?！笆濉逼陂g，以防爆柴油機為動力的無軌輔助運輸裝備得到了長足的發(fā)展，應(yīng)用的礦井?dāng)?shù)達到1 000余處，使用總量超過20 000臺套，在煤礦生產(chǎn)減員增效、降低事故發(fā)生率等方面取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益[1-2]?！笆濉逼陂g，隨著無軌輔助運輸裝備的廣泛使用，以柴油機為動力的輔助運輸裝備暴露出了諸多弊端。一方面，能源消耗量大、高噪聲、高排放問題亟待解決；另一方面，煤礦井下巷道狹隘、通風(fēng)有限，“二次污染”問題日益凸顯，嚴重危害井下人員的職業(yè)健康，某些礦區(qū)輔助運輸司機甚至出現(xiàn)了“油肺病”現(xiàn)象。

文獻[2]基于防爆鋰電池運人車的研究現(xiàn)狀，在總結(jié)國內(nèi)外礦用電動無軌運輸車輛發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,介紹了輕型車和重型車2種發(fā)展方向，但未對其關(guān)鍵技術(shù)進行介紹。文獻[3]對礦用純電動防爆車輛現(xiàn)狀進行了闡述，詳細介紹了純電動防爆車輛的現(xiàn)狀，但未對其下一步關(guān)鍵技術(shù)進行闡述。文獻[4-9]分別對礦用蓄電池車輛的安全性能技術(shù)、傳動系統(tǒng)技術(shù)、整車控制技術(shù)、電池管理系統(tǒng)技術(shù)、車身輕量化技術(shù)和輕型系列人車設(shè)計等方面進行了詳細闡述，為純電動無軌輔助運輸裝備的研發(fā)提供了某一方面的理論支撐。任志勇[1]研究了整車參數(shù)、防爆動力電池、防爆驅(qū)動電動機控制系統(tǒng)以及傳動型式等因素對續(xù)駛里程的影響,提出能夠使純電動防爆車輛在當(dāng)前防爆動力電池比能量較低的情況下,最大限度地提升續(xù)駛里程的措施和方法。王國法院士[9]介紹下井應(yīng)用5G技術(shù)的總體架構(gòu)，簡要展望了基于5G技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)在煤礦智能化中的融合應(yīng)用，為礦用電動無軌輔助運輸裝備搭建礦用智能互聯(lián)電動無軌輔助運輸系統(tǒng)平臺提供了技術(shù)路線。

近年來，我國在礦用電動無軌輔助運輸裝備上取得了可觀的成果，研制出一系列純電動輔助運輸裝備,并在特定區(qū)域礦井上進行了一系列工業(yè)性試驗。同時對礦用防爆驅(qū)動電機、礦用防爆動力電池及電控系統(tǒng)等技術(shù)進行了全面研究，取得了諸多關(guān)鍵技術(shù)的改進與突破。國家層面和行業(yè)專家一致認為礦用電動無軌輔助運輸裝備已經(jīng)成為未來煤礦井下無軌輔助運輸技術(shù)與裝備領(lǐng)域的發(fā)展方向，礦用純電動無軌輔助運輸裝備技術(shù)正處于由科研向產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)變階段，產(chǎn)業(yè)化過程中還面臨著諸多關(guān)鍵技術(shù)的問題和挑戰(zhàn)，有待進一步解決。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)前采用礦用電動無軌輔助運輸裝備的礦井?dāng)?shù)量約有20處，使用總數(shù)在300臺左右，按照動力源可以劃分為防爆鋰離子蓄電池類裝備、防爆鉛酸電池類裝備和防爆雙動力架線類裝備,如圖1—圖3所示。

圖1 典型防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌輔助運輸裝備Fig.1 Typical explosion proof lithium-ion battery auxiliary transportation equipment

防爆鋰離子蓄電池裝備受行業(yè)標(biāo)準防爆單體電池容量不超過100 A·h以及禁止在高瓦斯和瓦斯突出礦井應(yīng)用等約束，目前該類裝備主要有2～19人的運人裝備和5 t以下的運料裝備，國內(nèi)主要生產(chǎn)廠家有：石家莊煤礦機械有限公司、航天重型裝備有限公司、常州科試公司、深圳德塔公司和山西天地煤機裝備有限公司，國外該類裝備尚未見到，用戶主要集中在國家能源集團神東煤炭有限公司，應(yīng)用數(shù)量約200臺[10]。

圖2 典型防爆鉛酸蓄電池類無軌輔助運輸裝備Fig.2 Typical explosion lead acid battery auxiliary transportation equipment

圖3 典型防爆雙動力架線無軌輔助運輸裝備Fig.3 Typical explosion double power stringing auxiliary transportation equipment

防爆鉛酸蓄電池類裝備主要集中在綜采工作面搬家工藝裝備上，國產(chǎn)裝備主要為山西天地煤機裝備有限公司生產(chǎn)的CLX3、WJX-7FB、WJX-10FB、WX35J、WX45J、WX80J多功能鏟運機和鏟板式搬運車，應(yīng)用數(shù)量在30臺左右。進口裝備主要為比塞洛斯生產(chǎn)的VTC636、VTC650、VTC680、488鏟車4種車型，應(yīng)用數(shù)量分別為16、24、5和28臺[4]，基本都逐步淘汰，在用數(shù)量僅為總數(shù)的20%，主要集中在國家能源集團和山東能源集團應(yīng)用。

防爆雙動力架線類無軌輔助運輸裝備，國外在瑞典、加拿大、俄羅斯、美國、南非等地的金屬礦山有相關(guān)的應(yīng)用案例。國內(nèi)主要是由山西天地煤機與國家源集團合作開發(fā)了基于架線網(wǎng)供電的3大類、18種防爆雙動力電動輔助運輸裝備，并在神東的補連塔煤礦完成了工業(yè)性試驗，解決了常規(guī)無軌輔助運輸裝備長距離、大坡度斜井巷道運輸存在的上坡動力不足、下坡機械制動磨損過快等問題，實現(xiàn)了高效、安全、點對點一次性運輸。

1.2 標(biāo)準現(xiàn)狀

礦用電動無軌輔助運輸裝備標(biāo)準歸口單位及發(fā)證單位為安標(biāo)國家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志中心有限公司，鑒于相關(guān)設(shè)備均屬于新產(chǎn)品，更多以借鑒國外標(biāo)準和非礦用產(chǎn)品標(biāo)準為主，基于煤礦環(huán)境進行了一系列的制修訂。

防爆鋰離子蓄電池類無軌輔助運輸裝備主要參照地面鋰離子蓄電池車輛制定的《煤礦用防爆鋰離子蓄電池?zé)o軌車輛安全技術(shù)要求》(試行)。礦用防爆鋰離子單體電池參照QC/T 743—2006《電動汽車用鋰離子蓄電池》，結(jié)合煤礦防爆要求制定的《礦用鋰離子蓄電池安全技術(shù)要求》(暫行)標(biāo)準和《礦用隔爆(兼本安)型鋰離子蓄電池電源安全技術(shù)要求》(暫行)標(biāo)準。

防爆鉛酸電池類無軌輔助運輸裝備主要依據(jù)標(biāo)準為MT/T 989《防爆柴油機通用技術(shù)條件》和JB/T 5500《地下鏟運機》，防爆鉛酸蓄電池參照MT 658—2011《煤礦用特殊型鉛酸蓄電池》執(zhí)行，防爆驅(qū)動電機按照類型不同參照不同的標(biāo)準，如：礦用隔爆型變頻調(diào)速三相異步電動機參照MT/T 1040—2007《采煤機變頻調(diào)速裝置用YBVF系列行走電動機技術(shù)條件》。

雙動力架線類無軌輔助運輸裝備主要參照MT/T 661—2011《煤礦井下用電器設(shè)備通用技術(shù)條件》、CJJ/T 72—2015《無軌電車牽引供電網(wǎng)工程技術(shù)規(guī)范》等，整機主要參照MT/T 989—2006《礦用防爆柴油機無軌膠輪車通用技術(shù)條件》和JB/T5500《地下鏟運機》。

1.3 技術(shù)現(xiàn)狀

1.3.1 整機現(xiàn)狀

結(jié)合煤礦無軌輔助運輸工藝，礦用防爆鋰離子蓄電池類裝備主要以運輸人員、物料和小型裝備為主，通常以地面輕型卡車底盤為基礎(chǔ)車型進行改裝，最大載人數(shù)量19人，最大載質(zhì)量5 t，運人車最高車速25 km/h,運料車最高車速40 km/h，最大爬坡度10°～14°，續(xù)航里程50～80 km，無電池快換機構(gòu)，充電時間一般在2～4 h。

結(jié)合綜采工作面搬家工藝，防爆鉛酸蓄電池類無軌輔助運輸裝備主要用于綜采工作面各種設(shè)備的搬運，以中央鉸接式整機為主，分為2段中央鉸接式整機和3段回轉(zhuǎn)鉸接式整機，額定載質(zhì)量3～100 t，整車運行最高速度為10 km/h，整機爬坡度10°～14°，續(xù)航里程超過25 km，配套電池快換機構(gòu)，單組電池容量應(yīng)滿足整機作業(yè)時間超過8 h的需求，整機通常配備3組防爆電源裝置，行業(yè)稱為“一充一備一用”。

雙動力架線類無軌輔助運輸裝備整機主要參照以柴油機為動力機型，加裝架線供電裝備和電驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)柴油機動力驅(qū)動與電機驅(qū)動切換，在綜采工作面區(qū)域采用柴油機驅(qū)動，在輔助運輸大巷連續(xù)大坡度區(qū)域采用電機驅(qū)動，上坡利用電機過載特性提升車輛的動力性能，下坡利用電機反制動特性，將坡度的勢能轉(zhuǎn)化為電能回饋電網(wǎng)，進而實現(xiàn)輔助制動，提升制動安全性能。

1.3.2 動力驅(qū)動系統(tǒng)現(xiàn)狀

當(dāng)前防爆電動無軌輔助運輸裝備動力驅(qū)動系統(tǒng)傳動方式主要為：兩驅(qū)類運輸裝備通過防爆驅(qū)動電機取代原來的防爆柴油機，動力通過變速箱、傳動軸、驅(qū)動橋傳遞至車輪，有前驅(qū)和后驅(qū)2種配置；四驅(qū)類車輛主要有：單電機+分動箱+前后驅(qū)動橋系統(tǒng)、雙電機+變速箱+前后驅(qū)動橋系統(tǒng)、雙電機+前后驅(qū)動橋系統(tǒng)、四電機+輪邊減速器驅(qū)動系統(tǒng)4類。上述各種動力驅(qū)動系統(tǒng)均在礦用電動無軌輔助運輸裝備上得到了應(yīng)用，但普遍暴露出傳動效率低、作業(yè)時間短和可靠性差等問題，究其原因主要是該類裝備的動力驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)鍵元部件選型困難，未與使用工況進行準確的動力性和經(jīng)濟性匹配，普遍出現(xiàn)“大馬拉小車”現(xiàn)象[11]。

1.3.3 防爆驅(qū)動電機及控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

煤礦無軌輔助運輸裝備通常需求最高車速40 km/h，最大爬坡能力為14°，使得防爆驅(qū)動電機必須具備低速大轉(zhuǎn)矩和高速小轉(zhuǎn)矩特性，對電機本身性能提出了較為苛刻的要求。當(dāng)前應(yīng)用的防爆驅(qū)動電機主要有：交流感應(yīng)電機、開關(guān)磁阻電機和永磁電機，功率范圍覆蓋15～100 kW。對于交流感應(yīng)電機主要以矢量控制為主，通過調(diào)節(jié)三相電壓的幅值和頻率改變電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。對于開關(guān)磁阻電機和永磁電機，主要通過調(diào)節(jié)電壓和切換繞組的導(dǎo)通關(guān)斷的時序，實現(xiàn)電機調(diào)速。當(dāng)前該類裝備應(yīng)用的防爆電機及控制系統(tǒng)基本都是地面非防爆電機進行了防爆處理，未真正結(jié)合裝備運行工況需求開發(fā)，使得整個防爆驅(qū)動系統(tǒng)高效區(qū)覆蓋整機運行工況的區(qū)域較小，85%以上的系統(tǒng)效率覆蓋裝備運行工況區(qū)域不足60%，使得裝備常用工況下對應(yīng)的驅(qū)動系統(tǒng)綜合效率未完全工作在高效區(qū)，整個驅(qū)動效率比較低。

1.3.4 防爆動力電池現(xiàn)狀

礦用防爆鋰離子蓄電池行業(yè)標(biāo)準只允許使用磷酸鐵鋰電池，其他類型鋰離子蓄電池禁止使用，單體電池容量不允許超過100 A·h，電源裝置PACK成組數(shù)量不允許超過100塊，且單體電池需要進行過放電、過充電、短路、跌落、加熱、擠壓和針刺等試驗，并需要在國家安全標(biāo)志中心進行備案，整個電源裝置主要基于《礦用隔爆(兼本安)型鋰離子蓄電池電源安全技術(shù)要求》標(biāo)準，典型裝置如圖4所示。

圖4 典型防爆鋰離子蓄電池電源裝置Fig.4 Typical explosion proof lithium ion battery power supply device

目前國內(nèi)使用的防爆鉛酸電池單體主要參照煤礦相關(guān)標(biāo)準在地面鉛酸電池的基礎(chǔ)上進行防爆處理，并將各個單體電池按照煤礦標(biāo)準安裝在一個金屬制殼體內(nèi)組成電源裝置，防爆鉛酸電池單體容量有530、900、1 200、2 000 A·h等規(guī)格。防爆鉛酸蓄電池執(zhí)行煤礦“特殊型”防爆標(biāo)準，煤礦用特殊型鉛酸蓄電池主要基于MT 658—2011《煤礦用特殊型鉛酸蓄電池》標(biāo)準執(zhí)行，典型裝置如圖5所示。

圖5 典型防爆鉛酸蓄電池電源裝置Fig.5 Typical explosion proof lead acid battery power supply device

防爆雙動力架線類無軌輔助運輸裝備供電主要采用接觸網(wǎng)進行供電，礦井接觸網(wǎng)采用三軌形式，結(jié)構(gòu)主要由化學(xué)錨栓、C型槽鋼、T型調(diào)節(jié)螺栓、橫梁、絕緣子、載流軌、接地軌等組成，布置于煤礦輔助運輸平硐頂部，將供電系統(tǒng)輸出的電能傳輸?shù)诫p動力車輛，驅(qū)動車輛電驅(qū)方式運行，如圖6所示。

圖6 典型礦用雙動力類裝備供電接觸網(wǎng)Fig.6 Typical power supply catenary of mining dual power equipment

2 關(guān)鍵技術(shù)

“十一五”“十二五”期間，隨著國家科技部“863計劃”電動汽車關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)集成重大項目、礦用防爆高比能量蓄電池動力技術(shù)的研究以及國家科研院所技術(shù)開發(fā)研究專項資金等項目的實施和資助，使得礦用電動無軌輔助運輸裝備某些關(guān)鍵技術(shù)得到突破，并向產(chǎn)業(yè)化過渡。

1)基于礦用電動無軌輔助運輸裝備搭建礦用智能互聯(lián)電動無軌輔助運輸系統(tǒng)平臺。針對當(dāng)前輔助運輸系統(tǒng)嚴重制約安全高效礦井各大系統(tǒng)效能發(fā)揮等問題，開發(fā)礦用智能互聯(lián)電動無軌輔助運輸系統(tǒng)平臺，基于礦井巷道條件，通過防爆車載傳感系統(tǒng)和信息終端實現(xiàn)與人、車、路等的智能信息交換，使裝備具備智能環(huán)境感知能力，自動分析車輛行駛的安全及危險狀態(tài)，使車輛按照人的意愿安全、高效到達目的地，最終實現(xiàn)無人駕駛。同時平臺通過車輛車載終端、無線通信及互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、運營管理平臺(云平臺)，完成對車輛及相關(guān)物料、人員和設(shè)備等的信息采集、處理、分析和統(tǒng)計，滿足煤礦對車輛、人員及物料等的監(jiān)控、管理和調(diào)度[9]。

2)整車技術(shù)方面，結(jié)合煤礦綠色、安全高效無軌輔助運輸裝備的需求，基于煤礦特定工況，建立了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的防爆鋰離子蓄電池裝備、防爆鉛酸蓄電池裝備的整體式通用底盤和鉸接式通用底盤，開發(fā)了單電機驅(qū)動、雙電機驅(qū)動和四電機驅(qū)動動力系統(tǒng)平臺，并掌握了裝備集成技術(shù)，目前陸續(xù)研制出20余種裝備，并在國內(nèi)大中型煤礦完成了工業(yè)性試驗，得到了小范圍的推廣應(yīng)用。在后續(xù)的發(fā)展中，通過改善整車結(jié)構(gòu)、減輕動力電池質(zhì)量，優(yōu)化裝備使用材料及改進智能化、安全化集成技術(shù)等措施，進一步提升礦用電動無軌輔助運輸裝備動力性和經(jīng)濟性指標(biāo)及智能化水平。

3)基于煤礦安全標(biāo)準開發(fā)新型礦用防爆動力電池是礦用電動無軌輔助運輸裝備及技術(shù)發(fā)展的重中之重，直接影響著其推廣應(yīng)用，而高比能量、高安全、長壽命、低成本是礦用防爆動力電池的發(fā)展方向，研制一種新型的防爆動力電池顯得尤為重要。比如：研制礦用特殊型閥控式鉛炭鉛酸蓄電池(又名：石墨烯基水平雙極耳鉛炭電容電池)，與常規(guī)電池相比，具有維護量少、大電流耐受、循環(huán)壽命長、寬溫適應(yīng)性和抗振動能力等特點。防爆全固態(tài)鋰電池也是未來電池的主要發(fā)展方向之一，研發(fā)新型鋰離子電池和新體系電池(鋰硫電池、鋰空氣電池、固態(tài)電池等)，將拓展動力電池技術(shù)邊界，實現(xiàn)動力電池多元應(yīng)用與開發(fā)[6]。

4)防爆驅(qū)動電機控制技術(shù)是礦用電動無軌輔助運輸裝備的關(guān)鍵技術(shù)[13]，需要基于礦用電動無軌輔助運輸裝備低速大轉(zhuǎn)矩、功率需求突變頻繁等特殊需求，研究高安全性動力驅(qū)動系統(tǒng)匹配技術(shù)，較好適應(yīng)頻繁爬坡、制動、加減速等工況，從電機設(shè)計理論出發(fā)優(yōu)化電機運行過程兼顧低速、高速性能，在完善電機控制的基礎(chǔ)上，建立整車各子控制單元之間的聯(lián)系，主要涉及動力總成控制單元、防爆電機驅(qū)動控制子系統(tǒng)、防爆蓄電池管理系統(tǒng)和車輛顯示終端等，并從礦用純電動防爆車輛的工況和整車系統(tǒng)方面優(yōu)化控制結(jié)果，對結(jié)果進行顯示和監(jiān)控，達到優(yōu)化整車性能，提高舒適性、操作性和安全性等目的[7]。

5)目前混合動力技術(shù)主要在乘用車和客車領(lǐng)域，而在礦用無軌輔助運輸裝備上的運用還處于探索研究階段，但是發(fā)展混合動力技術(shù)是節(jié)約能源和降低排放最有效的途徑之一，也是全球公認的中短期發(fā)展方向，研究混合動力礦用無軌輔助運輸裝備具有重要的意義，尤其能量管理技術(shù)是當(dāng)前研究的熱點。

6)隨著礦用電動無軌輔助運輸裝備及技術(shù)的發(fā)展，防爆電池需求量急劇增大，防爆電池生產(chǎn)和廢舊電池回收處理過程中的污染問題不容忽視，完善各類防爆動力電池回收體系，解決重金屬、電解質(zhì)溶液污染迫在眉睫，要邊發(fā)展邊治理，讓礦用電動無軌輔助運輸裝備真正成為真正綠色無污染的無軌輔助運輸準備[12-13]。

3 結(jié) 語

1)目前，礦用電動無軌輔助運輸裝備的設(shè)計多停留基于地面裝備參考應(yīng)用上，針對煤礦特定工況、特定設(shè)備需求的研究尚未見到。迫切需要擁有獨立自主研發(fā)性能良好的礦用電動無軌輔助運輸裝備。

2)亟待完善行業(yè)標(biāo)準，當(dāng)前制定的礦用電動無軌輔助運輸裝備相關(guān)標(biāo)準，基本都是基于地面非防爆標(biāo)準和煤礦防爆標(biāo)準的堆砌，其政策、法規(guī)未能及時跟上，而政策、法規(guī)的不健全將直接影響決策者的理念和管理能力。因此，政策、法規(guī)有待進一步的完善，新標(biāo)準的制修訂迫在眉睫。

3)礦用防爆動力電池技術(shù)是制約礦用電動無軌輔助運輸裝備發(fā)展的關(guān)鍵因素，是影響續(xù)航里程和進一步大面積推廣的主要制約因素，在提升礦用防爆動力電池性能的基礎(chǔ)上，如何保障電池系統(tǒng)的使用安全和循環(huán)壽命，是當(dāng)前研究的熱點和突破的重點。

4)研究攻克礦用電動無軌輔助運輸裝備“大腦”的整車控制系統(tǒng)等重大共性關(guān)鍵技術(shù)，對提高裝備安全性、經(jīng)濟性、可靠性、舒適性、功能性尤為重要，能夠?qū)崿F(xiàn)整車能耗的降低和續(xù)駛里程的提升，未來需要結(jié)合智能化和網(wǎng)聯(lián)化手段，基于各類電動無軌輔助運輸裝備運行工況，開發(fā)動力系統(tǒng)工作效率最佳且工況適應(yīng)性最強的智能化整車控制策略及軟件、智能互聯(lián)平臺控制架構(gòu)，實現(xiàn)高效的裝備能量管理、智能的驅(qū)動控制和可靠的安全監(jiān)控，而電動無軌輔助運輸裝備各系統(tǒng)標(biāo)定與匹配技術(shù)、大型設(shè)計軟件與仿真技術(shù)、車控操作系統(tǒng)等是后續(xù)突破重點。

5)圍繞礦用電動無軌輔助運輸裝備高效節(jié)能、安全舒適的目標(biāo)，以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)科學(xué)量化裝備運行工況場景和充放電規(guī)律、裝備和電池、電機等關(guān)鍵部件性能變化與故障演化規(guī)律，在裝備安全故障診斷與預(yù)警、駕駛行為與能耗管理、充電設(shè)施規(guī)劃、裝備綜合性能評價、動力電池性能和殘余價值評估等方面持續(xù)開展技術(shù)應(yīng)用實踐，將成為礦用電動無軌輔助運輸裝備技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展熱點和重點。

6)隨著國家政策的不斷出臺，礦用電動無軌輔助運輸裝備一系列“卡脖子”技術(shù)不斷突破、關(guān)鍵元部件成功開發(fā)，并在各類裝備上成果應(yīng)用推廣，能夠高效地實現(xiàn)礦井生產(chǎn)人員、設(shè)備和物料等的綠色運輸，極大改善井下工作環(huán)境，是未來煤礦井下無軌輔助運輸技術(shù)與裝備領(lǐng)域的發(fā)展方向，后期具有良好的市場前景。