高温环境下无轨设备适应性及可靠性研究
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[摘 要]随着矿业技术的发展，采矿规模越来越大，地表及浅部资源变得越来越少，深部采矿是未来矿业开采的必然，由于深井环境下温度越来越高，传统的铲运机、卡车等无轨设备频繁出现高温停机、动力性不足、重载熄火、自燃易燃等缺陷，严重影响了无轨设备在深部开采时推广及应用，并带来一系列安全隐患；因此提高无轨设备在高温环境中适应性和可靠性具有巨大的现实意义。本文围绕提高无轨设备在高温环境下适应性及可靠性开展了研究。（1）基于无轨设备在高温环境中发动机、变矩器、变速箱、液压系统散热研究。研究表明风冷发动机比水冷发动机在高温环境中具有更强的适应性和可靠性，并依据空气热动力学对风冷发动机进排气系统和冷却系统进行改进，对冷却风气流进行模拟分析和热动力分析，根据分析结构优化对无轨设备底盘、车架进行结构，对各部件位置进行了重新布置，提高其在深井高温环境中的适应性和可靠性；（2）基于高温环境中无轨设备抗自然、抗燃烧的研究，高温环境中无轨设备更容易自然、燃烧，主要通过加强高温零部件散热、使用耐热液压油管、航空线及增加无轨设备自动灭火系统等措施保障无轨设备不自然、抗燃、不引发火灾。（3）基于智能设计制造技术在耐高温无轨设备研发中的研究。在研制耐高温无轨设备的过程中使用了计算机辅助设计、优化设计、有限元设计、仿真设计、CFD软件Fluent仿真模拟系统等先进设计方法，先设计动力系统，再设计前后机、操作系统、电气系统，最后设计工作系统和附属系统，研究周期只有14个月；整车具有耐高温、动力性能强、可靠性高、安全性大等优点。成果研制的耐高温无轨设备完成了深部采矿中的铲装运输工作，极大地推进了深部采矿进展，保证了矿山可持续发展和安全高效开采，社会效益十分显著。
[关键词] 高温环境、无轨设备、适应性、可靠性、研究
中图分类号：TD525 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）44-0147-01
随着矿业开采深度的不断加大，传统的无轨设备在高温、高湿度频繁出现高温停机、动力性不足、重载熄火、自燃易燃等缺陷，围绕提高无轨设备在高温环境下适应性及可靠性开展了研究。通过扎实全面的计算机辅助设计、计算机工程分析、仿真模拟、辅助制造的基础上，通过优化设计车辆底盘、车架、散热系统、各零部件位置结构；使用耐温航空线、耐温高压油管、气体快速自动灭火系统等多种措施设计出具有耐高温、高动力性、抗燃、安全可靠的新型耐高温无轨设备，完全能够完成深井环境中铲装运输任务，极大地推进了深部采矿工作，为矿山的安全高效采矿和可持续发展作出突出贡献。取得的创新性研究成果如下：
（一）基于深井高温环境下无轨设备发动机、变矩器、变速箱、液压系统散热研究。深井环境由于地热影响温度较大，大部分深井矿山温度在40摄氏度以上，无轨设备在弯曲、泥泞、大坡度井下道路重载矿石时，发动机、变矩器、变速箱、液压系统高负荷运转，产生了较多的余热，若无法及时散发，将导致发动机高温停机、液压油粘度降低、传动系统失效、液压系统失效等多种问题，就发动机选型、各系统散热系统进行改造进行了研究。
1、发动机选型研究
由于水冷发动机在高温环境中很容易开锅导致停机，因此选择风冷发动机；由于电控系统在高温、高湿度环境中故障率高，选用普通机械喷油柴油机；由于无轨设备是重载设备，且道路泥泞、弯曲、坡度大，选用大功率、大扭矩高速柴油机。
2、散热系统改造
散热系统改造首先是根据运用CFD软件Fluent仿真模拟无轨设备在深井环境中的散热的气流状况，其次是测算出发动机、变矩器、变速箱、液压系统在深井恶劣环境下冷却用风量，再次是优化无轨设备底盘、车架、各零部件结构，最大限度地提高散热风的散热效果，最后是通过改善冷却气流的状态、风扇角度、冷却油泵流量等方法加强提高冷却效果。
3、发动机进气系统改造
进气系统改造首先是对运用专业软件Fluent建立发动机进气系统的三维模型，合理布置进气系统位置，避开无轨设备高温区，降低进气温度，并对进气系统进行仿真模拟；其次是找出主要的气流损失点，进而对进气管路进行重新设计，减少转弯次数，将少弯头曲率，根据动力分析结果反复改造进气系统，减少发动机进气气体的温升，从而提高其在高温、高湿度情况下的动力输出性能。
4、发动机排气系统改造
排气系统改造首先是对运用专业软件Fluent建立发动机排气系统的三维模型，合理优化排气管道位置，对排气系统进行仿真模拟分析，其次是找出主要的气流损失点，进而对排气管路进行优化设计，减少转弯次数，将少弯头曲率，并设计高效的尾气净化系统和消音灭火系统，一方面减少尾气的排放阻力，另一方面提高尾气的净化效果，减少对空气的污染，保障了作业区域内人员的身体健康。
通过上述措施极大地增强了发动机、变矩器、变速箱、液压系统的散热效果，发动机、传动系统、液压系统耐温性大大增强，能够适应高温的深井环境。
（二）基于高温环境中无轨设备抗自然、抗燃烧的研究。
高温环境中无轨设备更容易自然、燃烧，主要通过加强高温零部件散热、使用耐热液压油管、无缝油管、航空线及设计无轨设备自动灭火系统等措施保障无轨设备不自然、抗燃、不引发火灾。合理布置无轨设备各零部件位置结构，使得柴油箱、电气控制箱、柴油管道、机油箱、液压油管远离无轨设备排气管道、散热器等高温区，并采取措施隔离高温区域；使用耐热高压橡胶油管、钢管替代普通液压油管，并在液压油管上增设保护套，减少漏油情况；使用航空线做电气线路，杜绝高温自然情况；为保证本质安全，增设气体快速自动灭火系统，设有七氟丙烷气瓶、管路、传感器，当发生无轨设备自然、燃烧时，能自动启动，迅速喷出大量灭火气体，0.1秒内完成灭火，且不复燃，不仅保证了无轨设备的安全，也保证了司机及周围作业人员的生命安全，具有巨大的经济效益和社会效益。
（三）基于智能设计制造技术在耐高温无轨设备研发中的研究。
在研制耐高温无轨设备的过程中使用了计算机辅助设计、优化设计、有限元设计、仿真设计、CFD软件Fluent仿真模拟系统等先进设计方法，先设计动力系统，再设计前后机、操作系统、电气系统，最后设计车厢、车棚等附属系统，设计周期只有14个月；整车具有耐高温、动力性能强、可靠性高、安全性大等优点。
“高温环境下无轨设备适应性及可靠性研究”研究成果“耐高温无轨设备”具有耐高温、高动力性、安全性高、效率高等优点，能够在高温、高湿、道路泥泞弯曲、坡度大的恶劣深井环境中承担矿石铲装、运输工作，未出现传统的无轨设备频繁高温停机、动力性不足、重载熄火、自燃易燃等缺陷，耐高温无轨设备作业效率高，极大地推进了深井采矿进展，创造了巨大的经济效益，为矿山可持续发展和安全高效采矿作出突出贡献。