王飞
[摘 要]随着山东能源集团“一提双优”建设的实施，对煤矿辅助运输装备升级提出要求。解决噪音大、尾气污染、续航里程短等問题成为发展克服的目标，因此锂电池的选用成为当前最好的方式。文章主要对锂电池单轨吊机车技术进行研究。
[关键词]煤矿;锂电池;防爆锂电池单轨吊机车研究及应用
[中图分类号]TD684;U469.6 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）05–0–03
Research on Technology of Explosion Proof Lithium
Battery Monorail Crane in Coal Mine
Wang Fei
[Abstract]With the implementation of "one improvement and double excellence" construction of Shandong energy group， it puts forward requirements for the upgrading of coal mine auxiliary transportation equipment. To solve the problems of noise， exhaust pollution and short driving range has become the goal of development. Therefore， the selection of lithium battery has become the best way at present. Based on this， this paper mainly studies the technology of lithium battery monorail crane locomotive.
[Keywords]coal mine; lithium battery; research and application of explosion proof lithium battery monorail crane locomotive
1 任务来源
随着国内煤矿大型采掘设备智能控制及机械化开采，采煤及掘进需要设备的重量、结构、形式以及运输距离等都有不同程度的增加，传统的地轨运输方式，技术相对滞后，已经不能满足现代化矿井的运输需要。据统计，目前我国大多数煤矿采用小绞车、卡轨车等传统运输方式，占用人员多，运输环节多，运输效率低，易造成断绳、跑车、掉道等安全隐患。单轨吊机车具有能够在多弯道、多起伏的巷道中进行高难度作业，爬坡能力强，且属于上部空间作业设备，并不占用巷道底板空间，加之悬挂式布局，更有利于巷道空间的充分利用。推广应用单轨吊，减少运输环节，提高工作效率，已成为近年来煤矿井下辅助运输的首选运输设备。
煤矿井下单轨吊机车按牵引动力不同，分为柴油机、蓄电池、钢丝绳牵引和气动等几种形式。柴油机单轨吊，功率强劲，技术成熟，爬坡能力大，应用最广泛，但噪音大、对尾气排放标准有严格要求;传统的蓄电池单轨吊存在充电慢、放电率低、对环境有污染、动力限制等缺陷，适用于短途及小坡度现场运输;钢丝绳牵引单轨吊由于使用牵引绞车，在多道岔、长距离、多变坡、多拐弯等复杂情况下，其灵活性得不到体现，使其应用受到一定程度的限制;气动单轨吊受气源管路长度及气压大小限制，适应于短距离、较轻负载的灵活转运。针对目前各种类型单轨吊机车的特点及存在的问题，需要开发一种环保、高效的新能源电机直驱的新型单轨吊机车——锂电池单轨吊机车。
2 研究内容和目标
2.1 研究内容
2.1.1 驾驶室
整体结构采用减震系统，配备操作手柄及机车运行数据显示，可实时操作机车运行及监测机车运行状态。具备机车视频监控和照明灯。
2.1.2 驱动部
研制特殊三相异步交流变频电机，采用行星减速机结构，电机直接驱动减速机，大幅减轻了驱动部的自重。具有结构紧凑，高效率，高可靠性，低维护等特点。
2.1.3 变频与自动化控制系统
采用变频器与PLC自动化控制系统，实现对直流电变交流电，同时经PLC控制系统检测各保护点工作状况，通过控制系统的检测后实现动力平均输送到驱动部，同时在线实现监测各运行部件的使用状况，在驾驶室显示屏实现机车运行的电压、速度、电量、运行状态等详细参数，从而实时掌握单轨吊的运行状态和故障信息，确保机车运行时的安全。同时增加了远程遥控功能，司机可在地面手持遥控器实现机车的运行。
2.2 控制车原理
2.2.1 电气原理
锂电池电源装置提供直流电，通过电控箱里的驱动电机变频器和液压站电机变频器，将直流电逆变成三相交流电，通过沿途的矿用电缆提供给驱动电机和液压站电机;当锂电池单轨吊机车往下坡运行时，驱动电机将锂电池单轨吊机车重力势能转变成电能，向锂电池电源装置反充电。锂电池单轨吊控制箱是机车控制、检测、显示、手动操作和无线遥控操作的集中控制中心，机车的各种保护接入控制中心。
2.2.2 液压原理
锂电池单轨吊机车液压控制系统，主要为驱动轮与轨道之间的夹紧油缸提供压力，为驱动部的制动油缸提供压力，保护压力能够打开压缩弹簧，当出现紧急情况时，实现压力快速自卸，压缩弹簧迅速制动。同时，为起吊梁的液压马达提供压力，液压马达带动减速机，减速机的输出端连接起吊链条，通过链条的升降实现货物的起吊。
当单轨吊机车准备运行时，由操作人员按起动信号，由控制中心发出指令启动油泵电机，同时通过液压系统的电磁阀控制，建立系统工作压力，当液压系统压力达到设定最低值（9 MPa）时，同时满足制动压力达到设定值时，发出系统压力正常信号，单轨吊机车正常运行;当系统压力达到最高设定压力值（15 MPa）时，控制中心发出信号停止液压站油泵工作，通过蓄能器实现系统保压。当系统压力内泄后降到补压设定值时，系统自动控制启动液压站油泵电机，进行补压;当系统压力升到设定值时，液压站油泵电机停止工作，完成蓄能器补压。
如果液压系统发生故障，系统压力下降到设定最低值时，不能正常起动液压油泵电机进行补压，控制中心发出警报并使单轨吊机车停止运行。
正常运行时，单轨吊机车控制中心接到加速（或减速）操作命令后，控制中心首先检测到液压系统工作压力达到起动要求后，才能控制驱动变频器工作。
液压系统有供起吊使用的电磁阀，如果单轨吊车处于行走状态，控制中心将控制起吊的电磁阀油路切断，此时起吊液压马达不会转动;只有当锂电池单轨吊车处于停车状态，在驾驶室内把旋钮转到起吊模式，控制中心控制起吊电磁阀供电，此时给起吊梁马达供油，液压马达带动起吊减速机工作，实现货物的升降。
2.3 锂电池组
锂电池组由4组100 Ah电池箱并联组成，每组100 Ah电池箱由100块100 Ah（3.2 V）单体串联。4组电池箱采用电池吊挂梁连接在一起，电池吊挂梁通过链条与电池起吊梁连接，可实现电池组的升降，同时随电池起吊梁与机车一起行驶。
采用锂电池组的优点如下：
（1）相比柴油机避免大量尾气排放，改善了作业环境。
（2）动力输出没有噪音。
（3）充电快（最快2.5 h完成400 Ah电池充电）。
（4）锂电池组没有记忆效应，现场人员可随时充电，检修的时间也可插上插头直接充电（记忆效应指经常处于充满不放完的条件下工作，容量会迅速低于额定容量值）。
2.4 智能型充电机
充电机由三相隔离变压器，将1140 V（660 V）变成380 VAC，供给直流单元，输出有电抗器。把充电机的插销连接器插头与锂电池电源装置上的插销连接器连接上，同时把通讯插头连接上，按下充电机上的充电按钮，充电机智能监测锂电池的相关参数，充电完成后，智能断电。
2.5 研究目标
（1）采用防爆锂电池单轨吊机车代替煤矿井下传统运输方式。
（2）清洁环保性：以新能源磷酸铁锂电池为动力的单轨吊辅助运输机车无污染、无噪音。
（3）可靠适用性：防爆锂电池单轨吊机车满足煤矿井下多变
坡、多转弯的混合巷道。
（4）安全性：提高防爆锂电池单轨吊使用安全性，首先考虑锂电池组的使用安全，选用矿用电芯，锂电池BMS智能管理系统，增加电池包。
（5）自动化、智能化：防爆锂电池单轨吊机车具备无人操作自动化运输，同时实现远程智能化控制。
（6）标准化、系列化：随着国家标准、行业标准在以后的推
广。防爆锂电池单轨吊机车的使用及控制会更加标准化，因现场使用的多元化，会推进锂电池单轨吊的系列化。
3 技术特征
3.1 技术研究方案
经过研究，决定采用如下技术路线：调研、消化国内外单轨吊机车设备技术及工艺→总结我国单轨吊机车等设备研制经验→研究提出适合枣矿集团地质条件的配套方案和关键装备设计方案→先进行方案论证→再进行方案设计→产品设计制造→相关性能试验→方案优化→工业性试验→鉴定推广。
3.2 关键技术
（1）电源装置：主要由单体磷酸铁锂电池、BMS电池管理系统、防爆箱、连接导线和矿用隔爆插销连接器组成。
（2）变频与自动化控制系统：实现对直流电变交流电，同时经PLC控制系统检测各保护点工作状况，通过控制系统的检测后实现动力平均输送到驱动部，同时在线实现监测各运行部件的使用状况，在驾驶室显示屏实现机车运行的电压、速度、电量、运行状态等详细参数，从而实时掌握单轨吊的运行状态和故障信息，确保机车运行时的安全。同时增加了远程遥控功能，司机可在地面手持遥控器实现机车的运行。
4 具体研究任务
（1）调查研究国内外同类地质条件下单轨吊机车设备及工艺的现状、存在问题及发展趋势。
（2）分析目前国内外单轨吊机车的特点及技术装备情况，结合矿区的特点，确定项目实施地点及设备选型原则。
（3）根据国内单轨吊机车设备的发展现状，确定能满足使用的配套设备。
（4）研究设计防爆锂电池单轨吊机车的初步方案，然后进行论证，确定单轨吊机车的最终方案及其主要参数。
（5）完成防爆锂电池单轨吊机车的总体配套设计。
（6）调查研究单轨吊机车的现状及性能，确定能满足要求的控制系统。
（7）完成锂電池组与控制系统的配套设计。
（8）优化防爆锂电池单轨吊机车相关配套件及辅助件的设计。
（9）样机试制、现场检验、现场评审及试验，完善设计。
（10）防爆锂电池单轨吊机车进行地面联合试运转并验收。
（11）井下做工业性安全试验。
（11）完成项目科技技术成果鉴定。
（12）开始技术推广应用工作。
5 推广应用的条件及前景
5.1 推广应用的条件
当前，煤矿单轨吊辅助运输设备种类繁多，柴油机单轨吊、蓄电池单轨吊、钢丝绳牵引单轨吊和气动单轨吊等;国内外单轨吊辅助运输设备产品的质量也各不相同，每种不同的设备适应的条件也不一样，煤矿地质条件不同决定单轨吊辅助运输设备的性能也有很大差距。煤矿单轨吊辅助运输系统的可靠性和先进性直接影响煤矿的生产效率，对煤矿的安全生产也有重大影响。随着各种高新技术在煤矿井下的广泛应用，安全、高效、智能化现代化矿井建设和辅助运输的现代化程度成为衡量煤矿现代化生产能力和水平的重要指标，因此发展高效、快捷、环保的单轨吊辅助运输方式是我国煤矿辅助运输系统建设的一项重要任务。
5.2 推广应用的前景
在煤矿辅助运输中，锂电池单轨吊运输作为一种新的辅助运输方式，适用于煤矿井下材料、设备、人员和液压支架等的辅助运输，主要用于大巷采区上、下山及采掘工作面的运输。防爆锂电池单轨吊机车解决了无极绳绞车、钢丝绳牵引齿轨车运输条件限制，实现井下多条巷道连通使用，可以在多弯道、多变坡的巷道中应用，特别是巷道底板条件较差，容易地鼓的巷道，锂电池单轨吊的应用解决了使用维护量大，人员技能要求高，使用成本高等难点，为辅助运输增加了安全性和节能性。
6 结语
本项目的成功研制与现场使用，为枣矿集团煤矿机电运输设备提供了可靠的理论依据和实践经验，通过对该锂电池单轨吊机车的不断优化和完善，能更好地满足矿井高产高效要求，获得良好的经济效益和社会效益。
参考文献
[1] 袁美蓉，赵世玺，郭双桃.低温锂电池的研究应用现状[J].化工管理，2016（30）：86.
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