1-水冷发动机在ST3.5铲运机上的应用

水冷发动机在ST3.5铲运机上的应用

一、研发背景

1、矿山井下环境与车辆设计的自身局限性

三山岛金矿西山分矿的深部采场由于受地理条件的影响，作业环境的自然温度相对较高，通风条件相对较弱。生产作业时所使用的铲装设备是阿特拉斯公司的ST3.5铲运机，该设备配备的是道依茨F8L413FW风冷发动机。因深部作业现场受开采深度及通风条件的影响，作业环境的自然温度相对较高，通风条件相对较弱，影响了风冷发动机的正常散热冷却，加剧了发动机的高温运行状态，发动机的各部密封及机件老化磨损加快，最终导致发动的使用寿命缩短，发动机总成及备件消耗量大幅度增加。同时发动机的散热和尾气排放也是造成作业现场环境温度升高的因素之一，尾气排放同时还造成作业现场空气质量下降，更加恶化现场作业环境。发动机长期处于高温状态下运行，造成机件各处频繁漏油，是引发设备火灾的原因之一，导致设备出现火灾的几率增加，随着西山分矿的生产不断地向深部推进，风冷发动机已经无法满足ST3.5铲运机在深部作业环境下的运行要求。

二、成果内容

1、实施方案

根据目前国际上发动机的发展趋势，水冷发动机被越来越多地应用在矿业方面的无轨设备上，是矿业设备发动机技术换代的趋势。结合ST3.5铲运机的车身空间结构及传动系统的配置，尝试选择合适的水冷发动机对风冷发动机进行替代。具体实施方案如下：

（1）根据道依茨F8L413FW风冷发动机相关的各项参数，查阅资料，在保证设备动力性能不降低的前提下，确定选用道依茨BF6M1013EC涡轮增压水冷发动机替代原有的风冷发动机，该型发动机的额定转速为2300rpm，最大输出功率为165KW，比原发动机高29KW。

（2）道依茨BF6M1013EC涡轮增压水冷发动机的调速方式有电控调速和机械调速两种形式，为了适应井下现场潮湿的作业环境，发动机的调速方式选择机械调速，依然使用油门脚踏阀+油门推拉油缸系统控制发动机的机械调速装置，最终实现发动机的油门操控。

（3）根据道依茨BF6M1013EC涡轮增压水冷发动机运行时的散热要求，并充分考虑井下作业现场空气中氯离子含量高的特殊工况，选择满足散热要求且坚固耐腐蚀的散热装置。

（4）根据道依茨BF6M1013EC涡轮增压水冷发动机的外形尺寸及在设备上增加与发动机配套的冷却液散热装置、储备装置、输送管路等附件的体积，对ST3.5铲运机的后机架的结构尺寸进行局部调整改变，对所有机件进行重新设计布局，其它传动部分的配置仍然使用原来的，只对发动机部分进行更换改造。

（5）对设备的操作控制部分进行局部改造，确保水冷发动机的各项故障保护信息在操控仪表盘上能够实时显示。

（6）制定出改造方案后，最后进行设备到井下作业现场运行试验。

2、技术创新点

（1）为了阿特拉斯ST3.5铲运机能够更好地满足在矿井下温度高、通风条件差等恶劣工况环境下的使用需求，探索出一条切实可行的技术升级改造路径。

（2）水冷发动机在运行过程中的温度比风冷发动机低50%左右，降低了设备因发动机高温引发火灾的概率，提高了设备安全运行的可靠性。

（3）尾气排放指标相对较低，降低了对作业环境温度及空气质量的影响，使作业环境得到一定改善，降低了局部作业区域通风的压力，同时也提高了人员和设备的生产效益。

（4）设备在铲矿作业过程中，发动机全速运行时水冷发动机的噪声比风冷发动机的噪声降低了10db，从而降低了对操作人员身心健康的危害。

（5）由于该型发动机属于废气涡轮增压机型，发动机高速运行时燃油燃烧更加充分，动力性显著提高，发动机的燃油经济性好于F8L413FW风冷发动机。

（6）水冷发动机的工作温度不超过100℃，杜绝了发动机长期处于高温状态下运行，降低了发动机的故障率，节省了发动机的备件及人工维修费用，并提高了设备的利用率。

三、实际应用情况

水冷发动机替代风冷发动机的ST3.5铲运机（AA12-35）整机大修结束后，于2017年11月正式在三山岛金矿西山分矿投入使用。通过在西山分矿井下深部作业现场运行试验，没有出现因发动机替代引起的设备故障，效果非常理想。至2018年8月底，10个月已经累计运行了5300多小时，月平均运行时间达到500小时以上，设备的完好率与可利用率非常高，该设备是西山分矿主力生产设备之一。在设备运行过程中，由于整机故障率低、性能稳定、发动机噪声与温度比风冷发动机低、动力性高、燃油经济性好等优点，深受机组操作人员的欢迎，得到了使用单位各级人员的认可。达到了节能降耗、降本增效的工作目标，经济效益、社会效益显著。

四、效益分析

1、ST3.5铲运机在一个大修周期（14000小时）内需要耗用2台道依茨F8L413FW风冷发动机，直接费用为46万元左右。使用道依茨BF6M1013EC涡轮增压水冷发动机后，由于发动机工作温度的降低，一个大修周期内需要耗用1.2台发动机，直接费用为12万元左右。设备在一个大修周期内，直接节约发动机总成费用为46-12=34万元。ST3.5铲运机的大修周期基本为2.5年，平均年节约发动机总成费用34÷2.5=13.6万元。

2、由于杜绝了发动机长期处于高温状态下运行，降低了发动机的故障率，节省了发动机的备件及人工维修费用, ST3.5铲运机使用水冷发动机后，相对于使用风冷发动机平均年节约发动机备件费和人工维修费10万元左右。

3、根据统计的设备运行时间及成本消耗数据，分别计算了同型号的1台配置水冷发动机与两台配置风冷发动机的ST3.5铲运机的每小时耗油量数据，通过数据比较发现配置水冷发动机比配置风冷发动机的ST3.5铲运机的每小时耗油量平均少3.5升左右。按照设备年运行时间6000小时计算，可节省燃油成本费用3.5×6000×0.85×6.14=10.96万元。

以上各项的年直接综合经济效益为：13.6+10+10.96=34.56万元/台。

由于水冷发动机的工作温度相对较低的特性，备件使用方面比风冷发动机的备件容易采购且价格便宜，发动机备件费用也将大幅度下降。水冷发动机具备在运行过程中的温度比风冷发动机低50%左右，同时尾气排放指标相对较低的优点，降低了设备作业时对作业环境造成的影响，使采场的作业环境得到一定的改善，一定程度缓解了局部通风的压力。