钾盐矿用梭车的研制

2020-03-27

矿山机械 2020年1期

中国煤炭科工集团太原研究院有限公司山西太原 030006

钾是农作物生长所必须的营养元素之一，而95% 的钾盐用来生产钾肥，因此，钾盐的开采和利用直接关系到国家粮食安全。受钾盐成矿地质条件影响，全球钾盐资源的分布高度集中，主要分布在欧洲和北美等地区，其中全球总储量的 70% 被白俄罗斯、俄罗斯和加拿大这 3 个国家所占据，资源分布的不均匀性决定了钾盐的生产也被少数企业垄断。我国钾肥产量自给率只有一半，因此保障境外钾盐安全稳定的供应是我们面临的首要任务。中国在合理开发利用国外钾盐资源方面，不仅需要综合分析矿产资源的开发条件，同时还要考虑该国的政治经济等因素。老挝的万象盆地特大型钾矿勘测 KCL 资源储量高达 130 亿 t，为钾石盐-光卤石型矿床，矿体厚度较大，矿石品位较高，属于优质资源，是迄今发现的大型光卤石钾盐矿。中挝友谊源远流长，在老挝钾盐资源勘查开发上，中国具有经济和地缘政治的优势；因此研制适应于钾盐矿开采的相关装备，合理开发利用钾盐资源，可以更好地为国家的粮食生产和安全提供保障[1-2]。

梭车作为连续采煤机的后配套装备，由于其运行灵活和装卸速度快等特点，目前被广泛应用在神东榆林等矿区的边角煤开采或巷道掘进中。但是其使用仅限于煤矿中，而老挝钾盐矿的环境特点是温度高，湿度大，腐蚀性强，因此需要设计一款钾盐矿用梭车，以适应其复杂的外界环境。

1 钾盐矿的开采环境及开采工艺

老挝钾盐矿矿石资源十分丰富，钾盐含量极高，而且矿物类型比较简单。其中主要是光卤石钾盐矿，成分以光卤石 (KCL·MgCL2·6H2O)和氯化钾 (KCL)的形式存在。在钾盐生产过程中，存在的腐蚀性物质主要为盐雾，含有 CL-和 H2O。随着环境温度的升高，腐蚀性物质产生汽化并对设备进行腐蚀[3]，而且井工开采的钾盐矿一般埋藏较深 (某投资公司在老挝投资的钾盐矿井深约 1 000 m)，井下温度一直都不低于 38 ℃，而且环境湿度较大，这就更加剧了设备的腐蚀。

钾盐矿的典型开采工艺通常有两种：一种是连续型运输开采，所采用的设备配套形式为连续采钾机+连续运输系统；另一种是间断式运输开采，所采用的设备是连续采钾机+梭车[4]。间断式运输开采工艺系统以其设备配套简单、适应性强、投资成本较低等优点，成为钾盐开采企业的首选，其开采工艺如图 1 所示。由图 1 可知，连续采钾机将钾盐截割下来后，将其装入梭车，由梭车运送至输送带上再运到井外。梭车穿梭于采钾盐机和输送带之间，实现物料的运输。

图1 钾盐矿开采工艺Fig.1 Mining process of potassium salt

2 钾盐矿用梭车的结构特点

中国煤炭科工集团太原研究院有限公司是国内最早研制梭车的单位，在梭车研制方面积累了丰富的经验，在国内梭车市场保有率上也占据绝对优势。榆林神东等煤矿开采中大量使用其所生产的梭车，梭车运行稳定，性能可靠，故障率低，得到用户的一致好评。

钾盐矿用梭车结构如图 2 所示，主要由分体机架、行走转向机构、电控系统、循环水冷系统、液压系统、卷揽机构和输送机构等组成[5]。

图2 钾盐矿用梭车结构Fig.2 Structure of shuttle car used in potassium salt mine

为了适应不同矿井下井尺寸的需要，钾盐矿用梭车的分体机架进行分解后下井再进行组装，而目前国外同类产品均是整体式机架，适应矿井范围较窄；行走转向机构采用空间连杆机构实现四轮全转向，该结构在轮胎转向时转向受力好，行走时则由两侧 2 个交流电动机分别驱动 2 个轮边减速器；电控系统是对电动机等电气件的统称；循环水冷系统对变频器进行冷却；液压系统为液压缸等提供液压油源；卷缆机构实现电缆高速收放，最大行程可达 150 m；输送机构将车辆中的煤卸到输送带上，采用交流变频技术，特点是启动转矩大，对运输系统冲击性小。

3 设计要点

3.1 防腐措施

通过对钾盐矿井下开采现场的观察与分析可知，钾盐矿物元素对车辆的腐蚀属于电化学腐蚀。钾盐矿与煤矿的地质结构不同，煤矿开采中的片帮和垮落现象在钾盐矿不会出现。在钾盐矿中，钾盐截割过程中产生的钾盐颗粒很小，同时也会产生大量的粉尘，常用的除尘方式是喷洒饱和盐水。这些粉尘吸水性特别强，吸水后钾盐粉尘和设备表面会构成微电池对设备造成腐蚀[6-7]。此外，钾盐矿埋藏深度一般达数百米，有的甚至上千米，井下温度较高，这就加快了钾盐对设备的腐蚀速度。

碳钢在空气中的腐蚀主要包括电化学腐蚀和氧化腐蚀，腐蚀速度不高，在空气中的腐蚀反应方程式如下：

在单一盐和复合盐的环境下，腐蚀会变得非常快，主要原因是金属表面的氧化膜与盐中的氯离子发生反应溶解到盐中，化学反应方程式如下：

溶解物和氧气发生反应形成沉淀物，使氧化层进一步增厚，加速了腐蚀，化学反应方程式如下：

针对钾盐开采强腐蚀性的环境，钾盐矿用梭车分别从 3 个方面对设备进行防腐处理。第一是机架，钾盐梭车机架先酸洗进行化学防腐，然后再进行喷漆作业，底漆选用 H06-4 环氧富锌底漆，厚度为 230～270 µm，中间漆选用云铁环氧防锈漆，厚度为 60～100 µm，面漆选用氯化橡胶铝粉防锈漆，厚度为 250～300 µm[8]。第二是销轴，由于销轴涉及拆装和更换，一旦锈蚀严重，无法进行拆卸。销轴表面热处理工艺采用新型复合盐浴高防腐处理技术，即在氮化盐浴和氧化盐浴两种盐浴中处理工件。这种技术在工件不变形的情况下，既能提高工件表面的抗腐蚀性，又能提高工件的耐磨性，实现了渗氮和氧化工序的复合以及热处理技术和防腐技术的复合。第三是标准件，设备中会大量使用了需要频繁拆卸的标准件及液压接头。钾盐矿现场勘查发现，经过发黑处理的螺栓等标准件容易发生“锈死”现象，这就给设备维护带来困难，为此本设计采用不锈钢标准件和接头。

3.2 降温措施

梭车行走系统采用变频调速电动机，变频器发热量很大，在梭车中有专门的水冷系统，用来给变频器箱散热。水冷系统如图 3 所示，水冷系统的工作原理[9]是：水循环泵将冷水从水箱Ⅰ中抽出，经过变频器箱后，将变频器箱中的热量带走，然后进入水箱Ⅱ，热水在水箱Ⅱ和水箱Ⅰ中充分散热后再进入循环系统。因为水的热量是靠水箱发散的，因此设置了2 个水箱增加散热面积。现有梭车使用的煤矿井下环境温度一般在 10～25 ℃ 之间，而老挝钾盐矿井下温度达到 38 ℃，现有的水冷系统显然不能满足散热要求，因此在钾盐矿用梭车的水冷系统中串联了 1 个散热器，水箱不能及时散走的热量通过散热器发散。

图3 水冷系统Fig.3 Cooling system

3.3 制动系统的改进

由于钾盐矿与煤矿不同，车辆与路面的摩擦因数也有所不同，原有的制动力矩不能满足钾盐矿的制动要求，因此必须对梭车的制动参数重新进行调整。

梭车传动系统的布置简图如图 4 所示。由图 4 可知，梭车传动系统的顺序是，行走电动机与行走减速器相连，行走减速器与前轮边减速器通过短传动轴相连，前轮边减速器再通过长传动轴与后轮边减速器相连。其中轮边减速器与轮胎相连，实现车辆的动力传动，制动器则与行走减速器相连。由于梭车传动系统对称布置在车体的两侧，此处只给出传动系统的一侧。