CN111231643A - 一种煤矿井下运输气动车辆动力系统和驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种煤矿井下运输气动车辆动力系统和驱动方法，包括：车载高压空气储罐，车载高压空气储罐与高压可调流量阀管路连接，高压可调流量阀与涡轮机空气输入端管路连接，涡轮机排气端与稳压罐管路连接，涡轮机的轴输出端与压气机的轴输入端连接，压气机的空气输入端与大气输入端管路连接，压气机的空气输出端与所述的稳压罐管路连接，稳压罐与低压可调流量阀连接，空气可调流量阀与驱动车辆运行的机械输出动力源管路连接。本发明通过使用空气涡轮机带动压缩机的能量转换，压缩机产生的低压压缩空气是由机械能通过抽取大气中的空气并压缩产生的，空气量与高压空气储罐中的空气存储量无关，相当于增加了车载储气量，提高了运输效率，降低成本。

Description

一种煤矿井下运输气动车辆动力系统和驱动方法

技术领域

本发明涉及一种煤矿井下运输气动车辆动力系统和驱动方法，是一种机械设备的动力系统和驱动方法，是一种自带能源供给的车辆动力系统和驱动方法。

背景技术

节能减排和清洁环保已成为煤矿井下运输车辆的重要发展趋势，气动车辆是其中的一种比较有应用前景的技术开发方向。气动车辆是以高压空气的压力能作为动力源，以空气作为做功介质，将高压空气携带的能量转化为车辆行驶的动能，以液化空气或者其他种类的高压气体、液化气体膨胀做功为动力的车辆也属于气动车辆的范畴。

空气动力车辆的一个关键性问题是能源的来源，这一点与电动车有些相仿。能源的来源如果通过有线的方式，电动车采用沿行进路线架设供电电缆，空气动力车则采用拖长管的方式，如中国专利CN201821406689（公告日2019年5月21日）《一种煤矿井下运输车辆》。该技术方案是动力装置为气动马达，车辆尾部拖着一条又粗又长的管路，提供压缩空气，该技术方案的缺点是，运输距离短，在车辆前进和倒退时，需要使用卷筒放出或收回压缩空气管路。

能源来源如果采用车载存储能源的方式，则电动车多采用蓄电池等方式，而空气动力车则采用压缩空气罐。不论是电动车还是空气动力车，这种车载储存能源的方式都面临着能源存储量有限的问题。

空气作为动力的输出特点是，在压力恒定的前提下，以大流量驱动能量转换装置（将空气携带的能量转换为机械能，如气动马达、压缩空气发动机），形成机械动力。压力不需要太大，但流量一定要足够。问题在于空气这种介质的特点是压缩弹性较大，要形成足够的流量，储存时就需要较大的压力，将足够大体积的空气压缩到足够小，以适应车载，换句话说就是要得到足够的流量就需要较大的存储压力。在实际使用中，能量转换装置不需要太高的空气压力，这就需要使用阀门调节压力，以达到要求，如上述中国专利CN201210038634（公告日2012年7月4日）《以压缩空气作为动力的井下装甲车》。该技术方案的动力装置为压缩空气发动机，车辆自带高压空气储罐，该技术方案的缺点是，为了调节气体的流量和压力，在气体管道上装有阀门，靠改变阀门的开度来达到调节的目的，产生很大的能量损失。这个方案的能量损失较大，使本来存储有限的车载空气能源更显得捉襟见肘。

为减少这类损失，中国专利CN201210531569（公告日2013年3月20日）《采用气体引射器的气动汽车动力系统》提出了一个引流的技术方案。该技术方案的动力装置为压缩空气发动机，车辆自带高压空气储罐，通过增加气体引射器装置，起到增大流量，降低压力，减小能量损失的目的。然而该技术方案的缺点是，气体引射器效率不高，没有真正解决有效利用有限的车载能源的问题。

由此可见，提高车载存储空气的利用率，增加巡航里程是现有空气动力车辆所面临的重大问题。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种煤矿井下运输气动车辆动力系统和驱动方法。所述的系统和驱动方法采用涡轮机转换的方式，提供大流量恒压的空气源，将损失降到最低，有效利用了车载存储的能源。

本发明的目的是这样实现的：一种煤矿井下运输气动车辆动力系统，包括：车载高压空气储罐，所述的车载高压空气储罐与高压可调流量阀管路连接，所述的高压可调流量阀与涡轮机空气输入端管路连接，所述的涡轮机排气端与稳压罐管路连接，所述的涡轮机的轴输出端与压气机的轴输入端连接，所述的压气机的空气输入端与大气输入端管路连接，所述的压气机的空气输出端与所述的稳压罐管路连接，所述的稳压罐与低压可调流量阀连接，所述的空气可调流量阀与驱动车辆运行的机械输出动力源管路连接。

进一步的，所述的机械输出动力源是空气发动机或气动马达。

进一步的，所述的气动马达是径向柱塞式气动马达。

进一步的，所述的涡轮机是轴流式涡轮机或离心式涡轮机。

进一步的，所述的压气机是轴流式压气机或离心式压气机。

进一步的，所述的涡轮机轴输出端与压气机轴输入端设有变速器。

进一步的，所述的变速器是固定变速器、有级变速器、无级变速器中的一种。

进一步的，所述的高压空气储罐与高压可调流量阀的连接管路上设有安全阀；所述的压气机空气输入端与大气连接的管路上设有空气滤清器。

进一步的，所述的涡轮机排气端与所述的稳压罐的连接管路上设有逆止阀；所述的压气机的空气输出端与所述的稳压罐的连接管路上设有逆止阀。

一种使用上述系统的煤矿井下运输气动车辆动力驱动方法，所述方法的步骤如下：

步骤1，驱动涡轮机：高压空气储罐中的高压空气通过高压可调流量阀的流量调节后进入涡轮机的空气输入端，驱动涡轮机转子旋转做功；

步骤2，涡轮机乏空气排出：高压空气通过涡轮机转子后形成做功后的乏空气，乏空气输出至稳压罐；

步骤3，轴动力输出：涡轮机的涡轮在高压空气的驱动下高速旋转，形成轴输出，带动压气机转子旋转，本步骤与步骤2同时进行；

步骤4，产生低压压缩空气：在涡轮机轴的带动下，压缩机吸收大气中的空气并压缩产生低压压缩空气，将低压压缩空气输出至稳压气罐；

步骤5，空气混合：涡轮机输出的乏空气与压缩机输出的低压压缩空气在稳压罐中混合，形成动力空气；

步骤6，产生机械输出：稳压气罐输出的低压压缩空气经过低压可调流量阀的调节输出至机械输出动力源转换为机械轴旋转输出，带动车轮旋转。

本发明产生的有益效果是：本发明通过使用空气涡轮机带动压缩机的能量转换，压缩机产生的低压压缩空气是由机械能通过抽取大气中的空气并压缩产生的，空气量与高压空气储罐中的空气存储量无关，相当于增加了车载储气量。利用这种空气—机械—空气转换的方式，充分利用了高压压缩空气所携带的能量，解决了车载压缩空气罐输出为高压小流量压缩空气，而机械输出动力源需要低压大流量空气输入的问题，使自带压缩空气罐的运输车的巡航里程倍增，提高了运输效率，降低成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述系统的结构原理图；

图2是本发明的实施例六、八、九所述系统的结构示意图；

图3是本发明的实施例十所述方法的流程图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种煤矿井下运输气动车辆动力系统，如图1所示。本实施例包括：车载高压空气储罐1，所述的车载高压空气储罐与高压可调流量阀2管路连接，所述的高压可调流量阀与涡轮机空气输入端301管路连接，所述的涡轮机排气端302与稳压罐4管路连接，所述的涡轮机的轴输出端303与压气机5的轴输入端501连接，所述的压气机的空气输入端502与大气输入端6管路连接，所述的压气机的空气输出端503与所述的稳压罐管路连接，所述的稳压罐与低压可调流量阀7连接，所述的空气可调流量阀与驱动车辆运行的机械输出动力源8管路连接。

本实施例的关键在于使用空气涡轮机和空气压缩机的联动，形成高效率的压力转换，提高车载压缩空气的利用率。空气涡轮机是一种高效能量转换装置，而且工作平稳，振动小，可以在高压下工作，适于高压空气的动能转换。问题在于空气涡轮机在高压下所产生的转速也很高，如果直接用空气涡轮机驱动车轮，就需要较大减速比的减速器，同时空气涡轮机排出的废气（乏空气）中还存在相当大的剩余能量，直接排出十分可惜。为此，本实施例将涡轮机的轴输出带动压气机，利用压气机抽取大气中的空气，产生恒定的低压压缩空气，再利用低压压缩空气带动车轮行走。利用这种空气—机械—空气—机械的传动方式将不太容易控制的高压空气转换为容易控制且稳定有力的低压压缩空气。低压压缩空气取自于大气，并没有消耗车载空气的存储量，同时将涡轮机排出的乏空气（压力已经较低）与低压压缩空气混合，充分利用乏空气中剩余的能量，提高了能量利用率。

涡轮机可以采用轴流式或离心式，两种形式的涡轮机各有优缺点。同样的，压缩机也可以采用轴流式或离心式。涡轮机和压缩机之间的机械传动可以利用联轴器直接连轴，但考虑涡轮机是高速运转，而压缩机则要求较低速度运转，因此在涡轮机和压缩机之间可以设置变速器。变速器可以的定速的，也可以采用调速变速器。采用调速变速器的好处在于能够适应车载压缩空气量的变化，当高压空气罐中的剩余空气不多时压力下降，涡轮机的转速也会受到影响而降低，这时可以减小可调变速器的速比，保持压缩机的转速的均匀恒定。

机械输出动力源是释放压缩空气中的能量转换为机械能的装置，可以采用空气发动机或气动马达。气动马达可以采用叶片马达或柱塞马达等能够产生大扭矩的马达形式。

高压空气罐可以是液化空气罐储存大量压缩空气，可以是球型或圆柱形罐体，以承受内部的空气压力而不遭到破坏。为了便于管理和适应车辆承载空间的需要可以将罐体分为多个，安装在车辆的不同部位。

高压可调流量阀由于压力大，调节精度要求高，可以采用调速阀。低压可调流量阀可以采用随时调节流量的节流阀，由于这个阀门影响车辆的整体性能，可以采用多个阀门并联在不同条件下使用，如车辆启动时用调速阀，行车中可以采用节流阀等。

在管路系统中设置必须附件，以保障正常的运行，如在压缩机空气进口设置过滤器，在高压空气罐出口设置安全阀等。

为避免涡轮机排气干扰压缩机输出，可以在涡轮机排气管上设置逆止阀，以及在压缩机输出上也设置逆止阀。

所有阀门的控制都可以电化，以此实现电传控制。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于机械输出动力源的细化。本实施例所述的机械输出动力源是空气发动机或气动马达。

空气发动机有许多中类型，如：类似往复式内燃机那样的空气发动机等，其类型还在不断涌现，不断出现新的专利。

气动马达则相对比较传统，类似驱动车辆这样的应用，需要使用大扭矩低速气动马达，这类马达一般为叶片式马达和柱塞式马达，根据推动方向不同而分为径向式或轴向式。

实施例三：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于气动马达的细化。本实施例所述的气动马达是径向柱塞式气动马达。

径向柱塞式气动马达有旋转扭矩大，抗过载性能好，对气源的要求较低等特点，完全符合驱动车辆运行的要求，是作为机械输出动力源的首选。

实施例四：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于涡轮机的细化。本实施例所述的涡轮机是轴流式涡轮机或离心式涡轮机。

轴流式涡轮机有机械输出效率高、体积小等优点，十分适宜应用在车辆这种空间有限的场所，但轴流式涡轮机也有排气要求较高，耗气量较大等缺点。

离心式涡轮机与轴流式涡轮机的优缺点正好相反，由于空气在机内做90度折弯，所以效率不如离心式涡轮机，且体积略大，但排气要求低，耗气量较小，而且维护费用较低。两种不同的涡轮机可以应用在不同的车辆中，以适应不同的场合使用。

实施例五：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于压缩机的细化。本实施例所述的压气机是轴流式压气机或离心式压气机。

轴流式压缩机和离心式压缩机的优缺点与涡轮机十分类似。在于涡轮机组合应用时可以根据实地要求，选择不同的组合：如采用离心式涡轮机配合轴流式压缩机可以获得较好的效果，结合了离心式涡轮机排气要求低和轴流式压缩机转换效率高的优点。

实施例六：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于涡轮机轴输出端与压气机轴连接的细化。本实施例所述的涡轮机轴输出端与压气机轴输入端设有变速器9，如图2所示。

变速器的应用源于涡轮机的驱动压力变化，而希望压缩机的压缩空气输出不变的要求。当车载车源的空气储量下降时，高压空气罐输出的空气压力和流量就出现下降，涡轮机的转速也会随之下降，为维持压缩机维持空气压力和流量的输出，可以通过变速器降低速比，在压缩机转速不变或变化较小的前提下，降低涡轮机的转速。

实施例七：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于变速器的细化。本实施例所述的变速器是固定变速器、有级变速器、无级变速器中的一种。

所谓固定变速器，就是速比固定的减速器。在正常工作状态下，涡轮机的转速比较高，而压缩机需要的转速比较低，为了满足压缩机的要求，通过减速器将涡轮机的轴输出转速降下来，以符合压缩机的需求。

有级变速器就是有几个固定的速比可以选择，使涡轮机的转速能在几个速度中有选择的带动压缩机。

无级变速器虽然有随意改变速比的优势，能够更好的符合恒定压缩机转速的能力，但价格较高，广泛应用有些困难。

实施例八：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于气路附件的细化。本实施例所述的高压空气储罐与高压可调流量阀的连接管路上设有安全阀10；所述的压气机空气输入端与大气连接的管路上设有空气滤清器11，如图2所示。

气路附件即为一些作为安全、过滤等辅助功能的气路零件。

实施例九：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于气动马达的细化。本实施例所述的涡轮机排气端与所述的稳压罐的连接管路上设有逆止阀12；所述的压气机的空气输出端与所述的稳压罐的连接管路上设有逆止阀13，如图2所示。

这两个逆止阀的作用都是稳定稳压罐中的气压，避免受到涡轮机排气和压缩机输出的影响，使低压空气输出更加稳定可靠。

实施例十：

本实施例是一种使用上述系统的煤矿井下运输气动车辆动力驱动方法，流程如图3所示。本实施例所述方法的具体步骤如下：

步骤1，驱动涡轮机：高压空气储罐中的高压空气通过高压可调流量阀的流量调节后进入涡轮机的空气输入端，驱动涡轮机转子旋转做功。

高压可调流量阀的作用主要是控制高压空气储罐流出的空气流量，用流量调节涡轮机的转速，使涡轮机工作在一种稳定的状态下。为提高储罐的储存量，高压空气储罐中的空气压力很大，在很高的空气压力下，较小的阀门开度就能够满足流量的需求，而较小的开度意味着较高的开度精度要求，因此，利用高压可调流量阀调节涡轮机的转速必须十分小心。

步骤2，涡轮机乏空气排出：高压空气通过涡轮机转子后形成做功后的乏空气，乏空气输出至稳压罐。

在涡轮机中做工后的乏空气并不意味着空气中做携带的能量已经完全失去，实际还有很大一部分能量可以利用。为利用这些剩余的能量将乏空气输出至稳压罐，与压气机输入的动力空气混合，形成驱动车辆运行的低压压缩空气。

步骤3，轴动力输出：涡轮机的涡轮在高压空气的驱动下高速旋转，形成轴输出，带动压气机转子旋转，本步骤与步骤2同时进行。

轴动力输出是涡轮机的主要输出方式，将空气中的能量转换为机械轴动力输出，但涡轮机输出的轴动力并不直接传给车轮行走，而是带动压气机，产生相对恒定的低压压缩空气。

步骤4，产生低压压缩空气：在涡轮机轴的带动下，压缩机吸收大气中的空气并压缩产生低压压缩空气，将低压压缩空气输出至稳压气罐。

涡轮机轴可以在减速后带动压缩机，使压缩机工作在大扭矩和相对低速的状态下，产生的压缩空气量较大，同时使空气压力更加稳定。

压缩机产生的低压压缩空气是由机械能通过抽取大气中的空气并压缩产生的，空气量与高压空气储罐中的空气存储量无关，这相当于增加了车载储气量。利用这种空气—机械—空气转换的方式，充分利用了高压压缩空气所携带的能量，解决了车载压缩空气罐输出为高压小流量压缩空气，而机械输出动力源需要低压大流量空气输入的问题。空气—机械—空气转换的过程由于机械设施有一定的惯性，在惯性的作用下，高压系统出现一些突发的变故，如压力突然增加或降低，在低压输出端都会相对较弱，这就保证了低压空气端的运行稳定。

步骤5，空气混合：涡轮机输出的乏空气与压缩机输出的低压压缩空气在稳压罐中混合，形成动力空气。

由于涡轮机排出的乏空气和压缩机输出的压缩空气都存在不稳定性，如：当涡轮机高速运转时，输出的乏空气中压力较小，反之，压力较大，然而，压缩机在涡轮机高速带动下，输出的压力却较大，反之较小，两者并不能完全互补，而是存在一定的压差，为此使用稳压罐平衡这一压差，形成压力稳定的输出压缩空气。

步骤6，产生机械输出：稳压气罐输出的低压压缩空气经过低压可调流量阀的调节输出至机械输出动力源转换为机械轴旋转输出，带动车轮旋转。

低压可调流量阀可以用于机械输出动力源的轴输出转速调节，形成车辆的或启动或停止，以及控制车速的效果，相当于内燃机的油门。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如车辆的应用场所、各种要素之间的连接关系、步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种煤矿井下运输气动车辆动力系统，包括：车载高压空气储罐，所述的车载高压空气储罐与高压可调流量阀管路连接，其特征在于，所述的高压可调流量阀与涡轮机空气输入端管路连接，所述的涡轮机排气端与稳压罐管路连接，所述的涡轮机的轴输出端与压气机的轴输入端连接，所述的压气机的空气输入端与大气输入端管路连接，所述的压气机的空气输出端与所述的稳压罐管路连接，所述的稳压罐与低压可调流量阀连接，所述的空气可调流量阀与驱动车辆运行的机械输出动力源管路连接。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的机械输出动力源是空气发动机或气动马达。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述的气动马达是径向柱塞式气动马达。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述的涡轮机是轴流式涡轮机或离心式涡轮机。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述的压气机是轴流式压气机或离心式压气机。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述的涡轮机轴输出端与压气机轴输入端设有变速器。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述的变速器是固定变速器、有级变速器、无级变速器中的一种。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述的高压空气储罐与高压可调流量阀的连接管路上设有安全阀；所述的压气机空气输入端与大气连接的管路上设有空气滤清器。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述的涡轮机排气端与所述的稳压罐的连接管路上设有逆止阀；所述的压气机的空气输出端与所述的稳压罐的连接管路上设有逆止阀。

10.一种使用权利要求9所述系统的煤矿井下运输气动车辆动力驱动方法，其特征在于，所述方法的步骤如下：

步骤1，驱动涡轮机：高压空气储罐中的高压空气通过高压可调流量阀的流量调节后进入涡轮机的空气输入端，驱动涡轮机转子旋转做功；

步骤2，涡轮机乏空气排出：高压空气通过涡轮机转子后形成做功后的乏空气，乏空气输出至稳压罐；

步骤3，轴动力输出：涡轮机的涡轮在高压空气的驱动下高速旋转，形成轴输出，带动压气机转子旋转，本步骤与步骤2同时进行；

步骤4，产生低压压缩空气：在涡轮机轴的带动下，压缩机吸收大气中的空气并压缩产生低压压缩空气，将低压压缩空气输出至稳压气罐；

步骤5，空气混合：涡轮机输出的乏空气与压缩机输出的低压压缩空气在稳压罐中混合，形成动力空气；

步骤6，产生机械输出：稳压气罐输出的低压压缩空气经过低压可调流量阀的调节输出至机械输出动力源转换为机械轴旋转输出，带动车轮旋转。

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