一、現(xiàn)有技術(shù)
1、背景：
在煤炭開采過程中，需使用大量的輔助運(yùn)輸車輛，傳統(tǒng)的輔助運(yùn)輸手段為軌道運(yùn)輸，在礦井大巷中利用架線電機(jī)車牽引礦車，在采區(qū)及工作面巷道中使用絞車或蓄電池機(jī)車牽引。這樣傳統(tǒng)的輔助運(yùn)輸手段中間環(huán)節(jié)多，效率低下，不適應(yīng)高產(chǎn)高效礦井的需要。
近些年來，隨著煤礦開采現(xiàn)代化水平的提高，越來越多的煤礦輔助運(yùn)輸采用柴油內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的無軌膠輪車。由于煤礦井下使用的設(shè)備為防爆設(shè)備，需取得煤安認(rèn)證，這就需要由輔助運(yùn)輸車輛生產(chǎn)廠家對(duì)車輛進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)。煤礦井下輔助運(yùn)輸車輛防爆的核心內(nèi)容是發(fā)動(dòng)機(jī)防爆，發(fā)動(dòng)機(jī)防爆的主要內(nèi)容是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣口進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)，即進(jìn)氣口防口火設(shè)計(jì)和排氣口防高溫尾氣設(shè)計(jì)。
2、現(xiàn)有技術(shù)：
煤礦井下防爆柴油車發(fā)動(dòng)機(jī)防爆的一般做法是在進(jìn)、排氣口加裝阻火器，以防止氣體中火焰穿過。還需外加循環(huán)水冷系統(tǒng)，水冷裝置設(shè)置在排氣側(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)與阻火器之間，以防止排氣溫度超過70℃。防爆發(fā)動(dòng)機(jī)還有許多防爆要求，如防止外殼溫度超過150℃，電氣系統(tǒng)防爆等，由于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的效率影響很小，在此不一一列舉。
（1）阻火器一般分欄柵型阻火器和珠型阻火器：
欄柵型阻火器必須使用耐高溫﹑防腐蝕﹑耐磨損材料制造。欄柵板的厚度不小于1mm，平面度不大于0.15mm，氣流方向的寬度不小于50mm，相鄰兩欄柵板之間的間隙不大于0.5mm。
珠型阻火器的框架及擋板﹑球型體，應(yīng)使用耐高溫﹑耐腐蝕材料制造。裝配完整后的珠型阻火器，內(nèi)部球形體不得有松動(dòng)。采用直徑為5mm的球形體時(shí)，氣流方向的填充厚度不小于60mm，采用直徑為6mm的球形體時(shí)，氣流方向的填充厚度不小于90mm。
（2）柴油機(jī)任一部分位表面溫度不得超過150℃，廢氣出口溫度不得超過70℃。
目前多采用強(qiáng)化水冷卻循環(huán)，可使除排氣管外的其它零部件溫度低于150℃。排氣系統(tǒng)溫度一般為600℃左右，因此必須對(duì)排氣管進(jìn)行強(qiáng)制冷卻才能達(dá)到以上要求，一般采用水夾層排氣管來實(shí)現(xiàn)。
（3）為防止阻火器持續(xù)受熱升溫，水冷系統(tǒng)一般還對(duì)阻火器進(jìn)行淋水降溫，并增加了阻火器的阻火性能。
發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出氣口防爆示意圖
圖中：1為發(fā)動(dòng)機(jī)，2為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管，3為阻火器，4為水夾層排氣管，5為阻火器，6為排氣管，7為變速箱，8為車輪。
二、目前技術(shù)存在的問題
1、發(fā)動(dòng)機(jī)效率低：防爆柴油車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣口的阻火器增大了進(jìn)排氣阻力，這就相當(dāng)于在進(jìn)、排氣口加裝了口罩，還有少量水分進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能影響很大，柴油也不容易充分燃燒；
2、由于煤礦井巷道狹窄，視線條件很差，車輛行駛?cè)菀装l(fā)生安全事故，所以規(guī)定車輛行駛速度上限速度，絕大部分礦井井下車輛的上限行駛速度為35km/h左右，車輛長(zhǎng)期處于低速行駛狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)的效率低下。
3、對(duì)井下空氣污染嚴(yán)重。從已有的某煤炭集團(tuán)井下正在使用的防爆車情況來看，裝載量為4噸的礦用防爆柴油車油耗在85~100升/百公里之間，油耗相當(dāng)驚人，已對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)成本產(chǎn)生顯著影響，而且柴油車在行駛時(shí)，由于燃燒不充分，對(duì)井下污染很大。
4、車輛維護(hù)成本高。從維護(hù)成本上看，由于發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜，在進(jìn)行防爆改造后，防爆系統(tǒng)也相應(yīng)復(fù)雜，維護(hù)成本很高且易發(fā)生失爆問題。
綜上分析，有必要研發(fā)一種效率高、污染低，較易維護(hù)的礦用防爆車。
三、改進(jìn)方案
1、車輛動(dòng)力系統(tǒng)采用油電串聯(lián)混合電動(dòng)方案，動(dòng)力系統(tǒng)原理與目前主流的串聞混合系統(tǒng)基本相同，即由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)向發(fā)電機(jī)輸出動(dòng)力，發(fā)電機(jī)向蓄電池充電，由蓄電池向電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。
2、當(dāng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)不工作時(shí)，整車必須達(dá)到礦用防爆要求。即柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為非防爆設(shè)備，電動(dòng)機(jī)、蓄電池及控制、照明系統(tǒng)等電氣設(shè)備為礦用防爆型設(shè)備。
3、發(fā)電機(jī)在采取可靠的放電及與蓄電池隔離等防爆措施后，可采用非防爆設(shè)備，但需達(dá)到礦用一般型設(shè)備要求。
4、控制系統(tǒng)采用三種模式控制車輛行駛，即防爆模式、效率優(yōu)先模式、充電優(yōu)先模式，應(yīng)在車輛控制臺(tái)設(shè)置模式轉(zhuǎn)換旋鈕，根據(jù)車輛使用環(huán)境的不同的選擇相應(yīng)的行駛模式。車輛不能同時(shí)在兩種以上模式下工作。
5、防爆模式（純電動(dòng)模式）。當(dāng)車輛在采區(qū)及工作面巷道行駛時(shí)，在進(jìn)入之前，由人工切換為防爆模式，即柴油發(fā)動(dòng)機(jī)及發(fā)電機(jī)無法工作，由蓄電池給電動(dòng)機(jī)供電。
6、效率優(yōu)先模式（礦用一般型）。當(dāng)車輛駛離工作面等進(jìn)入礦井進(jìn)風(fēng)大巷或在地面較長(zhǎng)時(shí)間行駛時(shí)，應(yīng)采用效率優(yōu)先模式行駛，如蓄電池電量低于60%時(shí)，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)并以高效運(yùn)轉(zhuǎn)方式帶動(dòng)發(fā)電機(jī)向蓄電池充電，充滿后發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)關(guān)閉。
7、充電優(yōu)先模式。當(dāng)車輛從地面等地點(diǎn)計(jì)劃駛向工作面時(shí)，在地面及礦井進(jìn)風(fēng)大巷中行駛時(shí)，應(yīng)選擇充電優(yōu)先模式，即發(fā)動(dòng)機(jī)始終滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，保證發(fā)電機(jī)以最快速度向蓄電池充電的同時(shí)，還直接向電動(dòng)機(jī)提供行駛動(dòng)力。在蓄電池充滿后，發(fā)動(dòng)機(jī)仍繼續(xù)工作，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)向電動(dòng)機(jī)直接供電。這樣就可以保證在車輛進(jìn)入采區(qū)或工作面前，蓄電池有盡可能多的電量，以滿足在轉(zhuǎn)換為防爆模式后，有足夠的電量維持車輛在采區(qū)及工作面的使用。
在充電優(yōu)先模式下，應(yīng)有虧電報(bào)警功能，如蓄電池電量低于60%時(shí)，報(bào)警提示駕駛員是否有足夠的充電時(shí)間來保證將蓄電池充至足夠的電量來滿足采區(qū)或工作面的純電動(dòng)使用要求。
8、防爆模式為默認(rèn)模式，即當(dāng)車輛要啟動(dòng)時(shí)，只有在防爆模式下，車輛才能啟動(dòng)，在充電優(yōu)先模式下和在效率優(yōu)先模式下，開啟車輛啟動(dòng)按鈕或鑰匙時(shí)，車輛將沒有反應(yīng)；在車輛啟動(dòng)后，再根據(jù)車輛所處的位置和即將要去的區(qū)域選擇相應(yīng)的工作模式。
9 、蓄電池應(yīng)設(shè)定虧電報(bào)警。當(dāng)車輛在采區(qū)或工作面內(nèi)行駛時(shí)，必須純電動(dòng)的防爆模式，所以應(yīng)設(shè)定虧電報(bào)警，如設(shè)定值為30%電量，當(dāng)蓄電池電量低于額定容量的30%時(shí)，應(yīng)提示駕駛員盡快回到非防爆區(qū)域中啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)充電，也可到附近充電點(diǎn)充電或更換蓄電池。
10、在礦井地面工業(yè)廣場(chǎng)車輛停放場(chǎng)所應(yīng)設(shè)置充電點(diǎn)，以盡可能地利用充電方法獲得能源，減少燃油消耗，降低燃料成本?？煽紤]在采區(qū)或工作面內(nèi)設(shè)置防爆充電點(diǎn)，車輛較長(zhǎng)時(shí)間在采區(qū)或工作面內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)材料時(shí)，應(yīng)可到充電點(diǎn)換電池或充電。
圖中：1為發(fā)動(dòng)機(jī)，2為排氣管，3為進(jìn)氣管，4為發(fā)電機(jī)，5為蓄電池，6為變頻器，7為電動(dòng)機(jī)，8為變速箱，9為車輪，10為模式選擇旋鈕。
