混合動力地下鏟運機的環(huán)保技術(shù)與發(fā)展

柏艷茹， 苑 昆， 馮茂林

(北京安期生技術(shù)有限公司， 北京 100083)

1 國內(nèi)外地下鏟運機的混合動力技術(shù)現(xiàn)狀

世界范圍來看，能源問題會在可預(yù)見的時間內(nèi)出現(xiàn)枯竭，石油危機顯得更加劇烈、緊迫?！坝透碾姟弊匀皇羌冸妱痈鼜氐?，而現(xiàn)實的、短期的問題是純電動續(xù)航里程不足，無法滿足消費者需求。從需求驅(qū)動的角度來看，混合動力是為了解決常規(guī)動力車燃油經(jīng)濟性較差而出現(xiàn)的一種技術(shù)革新。限于現(xiàn)實的、短期的問題，目前的情況是混合動力成為主流產(chǎn)品。由于地下鏟運機的環(huán)境更加惡劣與復(fù)雜的工況，目前國外在此領(lǐng)域也還處于研發(fā)階段，沒有相應(yīng)的混合動力鏟運機樣機?；旌蟿恿κ峭ㄍ磥淼姆浅Ｖ匾募夹g(shù)。

2 國內(nèi)地下鏟運機發(fā)展現(xiàn)狀

綠色礦山理念是對傳統(tǒng)礦業(yè)的沖擊，在過去，大家對綠色礦山不像現(xiàn)在這樣關(guān)注和重視，隨著時間的發(fā)展，綠水青山就是金山銀山是指發(fā)展經(jīng)濟不能以我們的生存環(huán)境為代價。在城市環(huán)境污染日益嚴重的當下，全球呼吁節(jié)能減排、環(huán)境保護的聲音越來越強烈，以至環(huán)保已經(jīng)上升為國家戰(zhàn)略。這就要求全民族樹立起環(huán)保意識，資源意識，生存意識。發(fā)展綠色礦業(yè)，建設(shè)綠色礦山，是一項戰(zhàn)略任務(wù)，需要全社會的關(guān)注與支持，更需要各方面的協(xié)調(diào)與共同努力。

地下鏟運機在井下生產(chǎn)施工中，工況變化復(fù)雜惡劣，負載波動頻繁，采用柴油機驅(qū)動方式污染嚴重，要求井下通風設(shè)施好；采用蓄電池驅(qū)動方式因蓄電池的特性不適合尖峰放電、目前蓄電池的續(xù)航時間不夠等因素而沒有在現(xiàn)今的地下鏟運機上被采用。采用混合動力技術(shù)因用電傳動技術(shù)可以用較小功率的柴油機代替原來較大功率柴油機，既能達到節(jié)油的目的又避免總成件國際壟斷的困擾。而且在采掘區(qū)域可以減小通風風機的功率達到節(jié)能環(huán)保的目的。混合動力是指通過多種動力源的配合工作，在不同負載和工況下，對動力源進行控制，使發(fā)動機、電動機充分發(fā)揮自己的特點已達到節(jié)能減排的功效。通過合理的動力匹配控制，柴油機可以長期工作在節(jié)能高效區(qū)，使燃油燃燒更充分，提高燃油利用率，減少尾氣污染物排放量。

3 混合動力鏟運機的技術(shù)基礎(chǔ)

北京安期生技術(shù)有限公司與北京科技大學共同承擔國家項目，從2013年起開始進行混合動力鏟運機的研究與開發(fā)，在理論研究和樣機開發(fā)上取得了突破進展，試制出世界首臺14噸級AHCY514型混合動力鏟運機。目前已申請2項發(fā)明專利和2項實用新型專利獲得授權(quán)。

圖1 AHCY514型混合動力鏟運機俯視圖

圖2 AHCY514型混合動力鏟運機側(cè)視圖

經(jīng)過近5年的研發(fā)與技術(shù)積累，在大噸位混合動力鏟運機設(shè)計理論、動力混合系統(tǒng)匹配技術(shù)、超級電容應(yīng)用與電源控制技術(shù)、大型地下鏟運機結(jié)構(gòu)設(shè)計、大型混合動力鏟運機主要部件及整機制造技術(shù)研究上積累了豐富的經(jīng)驗。解決了混合動力匹配、電源控制及液壓控制等設(shè)計與制造中的關(guān)鍵技術(shù)難題，研制出大型混合動力井下鏟運機樣機，樣機經(jīng)過了型式試驗和在礦山生產(chǎn)中工業(yè)運行實驗應(yīng)用。從基礎(chǔ)的設(shè)計方法開始，構(gòu)建針對大型混合動力井下設(shè)備的現(xiàn)代設(shè)計理論與方法；根據(jù)使用條件、動力互補、經(jīng)濟性等要求，以動力性能高、節(jié)能效果好、輕量化和經(jīng)濟性合理為目標，對混合動力鏟運機的合理匹配及動力模型進行了深入地研究，實現(xiàn)了混合動力鏟運機動力的合理分配。

工況分析是車輛總體設(shè)計的重要依據(jù)，運用ADAMS和Automation studio軟件建立鏟運機虛擬樣機模型并進行仿真，得到了以功率為特征變量的鏟運機循環(huán)工況。通過分析可知14噸級地下鏟運機峰值功率為248.6 kW，占總時間的13.7%，循環(huán)工況的平均功率僅為峰值功率33%。研究結(jié)果為動力系統(tǒng)的匹配設(shè)計提供依據(jù)[1]。

4 混合動力鏟運機構(gòu)成

混合動力地下鏟運機的構(gòu)成主要是由柴油發(fā)動機、儲能裝置以及電動機、逆變器共同組成?；旌蟿恿夹g(shù)的應(yīng)用解決了地下鏟運機的兩大痛點。一是怠速問題，在鏟運機怠速狀態(tài)時，大量的燃油消耗在此階段，發(fā)動機空轉(zhuǎn)不僅浪費能源、還排放污染環(huán)境。二是能量回收，這種利用儲能裝置回收多余量并反饋利用的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改善柴油發(fā)動機的工作狀況，降低了燃油消耗和環(huán)境污染，同時提高了系統(tǒng)工作效率。

應(yīng)用混合動力作為動力系統(tǒng)，根據(jù)研究目標、通過分析比較最終確定混合動力地下鏟運機動力系統(tǒng)布置方案，針對混合動力地下鏟運機的結(jié)構(gòu)、工況、控制策略以及柴油發(fā)動機、電動機的工作特性，研究基于混合度匹配動力系統(tǒng)中柴油發(fā)動機、儲能裝置的參數(shù)。

混合動力地下鏟運機的特點，以柴油發(fā)動機為動力源，儲能裝置是輔助動力源，利用超級電容作為儲能裝置的串聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)地下鏟運機循環(huán)工況的特點分析動力分配和油耗問題。整車采用顯示屏、控制器和CAN通訊的相結(jié)合的走線方式對混合動力鏟運機電控系統(tǒng)進行設(shè)計。

5 環(huán)境適應(yīng)性

對于柴油地下鏟運機在井下工作時，不僅僅是液壓系統(tǒng)工作時，需要發(fā)動機提供足夠的動力，而且在平路或者斜坡道上行走時也要求發(fā)動機提供較大的功率輸出。而對于混合動力地下鏟運機只有在液壓系統(tǒng)工作時和超級電容電量較低時，要求發(fā)動機工作在額定轉(zhuǎn)速。對于其他情況使發(fā)動機工作在萬有特性圖中油耗最低點的轉(zhuǎn)速即可滿足要求，從而節(jié)約油耗提高燃油效率。

為改善地下鏟運機燃油經(jīng)濟性，針對井下各種工況試驗數(shù)據(jù)進行分析，要求發(fā)動機轉(zhuǎn)速工作在某一區(qū)域才能達到最佳油耗?？蓮撵o態(tài)和動態(tài)兩方面考慮，其中靜態(tài)條件是使發(fā)動機工作在特性曲線的最佳油耗點，動態(tài)條件是使發(fā)動機工作在特性曲線的平穩(wěn)區(qū)域不頻繁變化為此提出串聯(lián)混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。針對該系統(tǒng)提出了一種雙層控制結(jié)構(gòu)的功率跟隨控制策略[3]。實現(xiàn)了發(fā)動機動力的合理分配。該策略能有效的控制混合動力地下鏟運機運行，實現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保目的。

另外混合動力地下鏟運機由于采用小功率柴油發(fā)動機和儲能裝置提供動能的方式，可以避免高原地區(qū)柴油發(fā)動機動力不足的問題，適合于高海拔區(qū)域氧氣不充足的環(huán)境。

6 現(xiàn)場使用情況

混合動力地下鏟運機下線調(diào)試后,已經(jīng)過礦山井下實地進行工業(yè)運行驗證。混合動力鏟運機在平巷內(nèi)經(jīng)過約500小時試驗，鏟運機平均單程運距100 m，工作循環(huán)時間如圖3所示。

圖3 工作循環(huán)時間

試驗情況數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表1所示，將混合動力鏟運機運行數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)鏟運機對比如圖4所示?？芍?1)產(chǎn)能與柴油6立方相同；是某4立方鏟運機的1.5倍。(2)小時油耗為柴油6立方鏟運機的61.7%；為4立方鏟運機的78.6%。(3)噸礦油耗為柴油6立方鏟運機的61.7%；為4立方鏟運機的52.3%。

經(jīng)現(xiàn)場運行試驗證明，AHCY514混合動力地下鏟運機性能良好，運行平穩(wěn)，有效的保證了生產(chǎn)任務(wù)，可以滿足礦山井下工作需求。在保證產(chǎn)量的同時有效的降低了能耗及污染，具有較高的使用經(jīng)濟性。

根據(jù)表1的小時油耗數(shù)據(jù)，可以計算出AHCY514混合動力地下鏟運機一年的油耗為：921 823.98元；柴油6立方地下鏟運機的一年油耗為：1 493 650.62元，由此可見混合動力地下鏟運機一年可以節(jié)約油耗571 826.64元。

表1 實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

圖4 油耗對比

7 設(shè)備的發(fā)展前景

能源短缺和環(huán)境污染問題日趨嚴重。全球能源危機和環(huán)境惡化，尤其是井下環(huán)境惡劣、通風效果不好急需發(fā)展清潔地下鏟運機、減少污染物排放量。特別是美國和歐盟明確規(guī)定了非公路機動設(shè)備的排放標準。隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，人們的健康意識越來越重，安全舒適的工作環(huán)境意識越來越強。能源的有限性是資源的基本屬性之一，節(jié)約資源是提高經(jīng)濟效益的關(guān)鍵。因此開發(fā)節(jié)能效率的地下混合動力鏟運機對于綠色礦山開采具有重大現(xiàn)實意義。