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现存几种地下矿山设备的动力解决方案及其发展分析

发布时间:2021-07-06 08:41:12 浏览数:

摘 要:介绍了几种地下采矿设备的动力解决方案:柴油动力、电缆传输动力和电池动力。阐述采用各种动力解决方案的采矿设备的应用条件,比较几种动力的优劣和局限性,并探讨了国内外地下采矿车辆今后的发展。

关键词:地下采矿设备;风冷柴油机;水冷发动机;电缆;电池动力

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.15.253

0 引言

在我国的矿山开采生产中,地下矿山产出的矿石占相当大比重。随着露天生产转入地下生产以及深部资源的发现,今后金属矿势必将以地下开采为主。我国地下矿山机械工程获得了很大发展,从人工打眼放炮、耙子出矿、肩扛运矿到用现代化机械设备装备矿山,走过了矿山机械化的发展历程。

在现代化地下采矿设备中,动力系统的采用是关系整个地下设备工作性能和产出效率的关键环节。目前国内外地下无轨设备主要采用的动力解决方案主要有以下几种:

1 风冷柴油机驱动

风冷柴油机因其紧凑的结构,较高的可靠性和稳定性,以及在恶劣工况下工作的耐久性,使其广泛应用在环境恶劣和水资源难以供应的地下矿井中。由于风冷柴油机不需要水冷却,进凭借自身的曲轴带动风扇冷却柴油机气缸上的风冷散热片或油冷散热片,摆脱了地下巷道水源紧缺的限制,所以目前大部分采矿设备配备风冷柴油机作为动力。风冷柴油机是以其不受水冷却而限制的,根据冷却方式的不同,还可以细分为直接风冷式和油冷散热式。直接风冷式柴油机是曲轴带动风扇冷却柴油机气缸上的风冷散热片,不需要其他散热箱;油冷散热式柴油机是曲轴带动风扇冷却柴油机气缸上的风冷散热片,同时需要一个提供冷却油的散热箱。风冷柴油机无需设置水冷却系统,因而具有结构简单、制造成本低、经济性好,环境适应性强、暖机快及起动性能好等优点。机体温度可达135℃而不会出现水冷发动机易发生的开锅问题,发动机各部件实现良好工作的理想温度易实现。但因发动机靠风进行强制冷却,若使用维护不当,容易造成发动机温度过高的现象,从而导致动力性能下降,甚至发生拉缸、烧瓦等事故。

2 水冷柴油机驱动

随着排放法规的日趋严格,大部分风冷柴油机已经很难满足国三的排放要求。高污染的排气劣势使风冷柴油机逐渐淡出地下采矿设备的应用。发动机厂商的柴油机生产也是往水冷却发展,为水冷柴油机取代风冷柴油机提供了条件。地下通风、供水等基础设施越来越完善,水对柴油机的限制因素越来越少,也使水冷柴油机在地下采矿设备中广泛应用。水冷柴油机需要外接一个包括散热器的水冷却系统,冷却的能力和效果比较高,能够使发动机在更加稳定的温度和良好的工况下运行,减少了发动机过热磨损。散热器可以集成液压油冷却,EGR冷却和涡轮增压的进气冷却,有利于排气的进一步优化。目前地下采矿设备厂商生产的新机型都采用水冷柴油机,为了满足新的排放要求,老设备机型的升级也在用排放等级高的水冷柴油机逐步代替风冷柴油机。

3 电缆驱动

在更加严格的通风要求或地下通风设备不良的情况下,电驱动是一个较好的零排放的选择。电机的重量和外观尺寸与同等功率的柴油机相当,能量转化率比柴油机高,需要的散热量比柴油机低很多,附带的冷却系统比柴油机简单,体积小,维护和保养成本低,摆脱了对水的依赖。同时电动机驱动比柴油机减少了燃油供油系统,进排气系统和复杂的润滑系统,无论在设计选型还是维修保养上都省去了很多人力和成本。

电缆电机采矿设备的使用,对矿山电力基础设施要求较高;同时,电缆卷筒随着设备移动的来回收放电缆对作业的进行和安全至关重要,电缆卷筒需要有灵活的反应和适当的电缆张紧力来保证电缆的缠绕整齐和设备运动自如;电缆磨损较大需要定期检查更换,井下的相应的触电风险较高,需要更加完善的安全规章和设备措施;由于供电设施,电缆长度及卷筒绕线能力有限等因素,电缆驱动的采矿设备在行走距离和作业范围受较大限制。

4 电池驱动

随着电池技术的发展,蓄电池和燃料电池的电量可以使路面车辆的加速性和续航里程有了突破性进步,汽车正在向电动车的方向发展。地下采矿设备也随着这个趋势开始研发电池驱动方案。电池相对于其他驱动的优势非常明显,它比柴油机环保无污染,又减少了供油,进排气,复杂的冷却润滑系统的开发,保养和维修。 相比电缆驱动的设备摆脱了电缆的约束,机动性好,行走运输范围更大。

受技术限制,电池设备在安全性,比能量,比功率,寿命,循环价格,能量转化率,充电时间和换电池便捷性等功能和经济指标上有待持续改进。一台电池驱动采矿设备,比同功率的柴油机驱动设备的重量大10%以上,价格也会比同功率的柴油机设备高出很多。主要是由于电池比能量和比功率的限制,其重量大约在1 . 2 吨以上,这样的电池重量体积和体积在车辆布置上有一定难度,在空间狭窄的井下更换电池也不便捷。长达数小时的充电时间远比柴油机几分钟的加油时间长,因此电池驱动在地下采矿的广泛应用有赖于快速充电技术的发展。

5 结束语

技术的进步与人们对健康环保的要求,共同促进了采矿设备向着低能耗,无污染,高效智能的方向发展。柴油机会因相对较低的能量转化率和空气污染终将让位给电机驱动,但是在较长的时间内,排放等级较高的柴油机还是有电池电缆不可比拟的优势。电池电机驱动的广泛使用取决于电池技术及相关领域的进一步成熟和发展。我们需要关注能源,法规和市场需求的发展动向,掌握相关技术领域的知识技能并运用到井下采矿产品的研发和生产,使其他领域的新技术及时渗透到采矿行业并为其带来高产能和高效率。

参考文献:

[1]石博强,饶绮麟主编.地下辅助车辆.北京:冶金工业出版社,2006.

[2]刘震,王芳.电动汽车用锂离子动力蓄电池标准解析[J].电源技术,2013(08):1467-1469.

[3] Scooptram ST2D Technical Specification Atlas Copco 网站.

作者简介:杨超(1988-),男,山东青岛人,本科,初级工程师,研究方向:采矿设备。

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