礦用電動(dòng)輪自卸卡車技術(shù)現(xiàn)狀及展望

呂高飛

【摘 ?要】礦用自卸卡車廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、水利水電等行業(yè)，承擔(dān)著礦物、土石方等運(yùn)輸任務(wù)，它是專業(yè)設(shè)備，屬于非公路車輛。礦用自卸卡車按動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式不同，可分為礦用機(jī)械式自卸卡車和礦用電動(dòng)輪自卸卡車兩種，早期礦用自卸卡車，噸位小，均為機(jī)械傳動(dòng)，自20世紀(jì)70年代美國(guó)Cater-pillar生產(chǎn)出第一臺(tái)礦用電傳動(dòng)自卸卡車至今，礦用電動(dòng)輪自卸卡車已被用戶廣泛接受與應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】大型礦用自卸車;電動(dòng)輪;發(fā)展

礦用大型卡車運(yùn)輸機(jī)動(dòng)靈活能適應(yīng)多樣化作業(yè)環(huán)境，利于選擇性開(kāi)采工藝流程的完善。在國(guó)內(nèi)外露天礦山開(kāi)采工藝中，大型卡車運(yùn)輸應(yīng)用十分普及，隨著時(shí)代的不斷推進(jìn)和礦山挖掘設(shè)備的大型化，與之配套使用的礦用自卸卡車也得到了迅速發(fā)展。礦用自卸卡車已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外的大型露天礦山中得到普遍使用。

一、礦用電動(dòng)輪卡車技術(shù)現(xiàn)狀

1.礦用電動(dòng)輪卡車主要生產(chǎn)商仍為歐美日等少數(shù)國(guó)家，國(guó)產(chǎn)礦卡需加快追趕。大型礦用電動(dòng)輪卡車關(guān)鍵核心技術(shù)包括：大功率變流調(diào)速技術(shù)、大馬力柴油機(jī)技術(shù)、大功率發(fā)電機(jī)技術(shù)、大功率牽引電機(jī)技術(shù)、大型機(jī)構(gòu)件分析及制造、控制技術(shù)、系統(tǒng)集成優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)等。礦用電動(dòng)輪卡車的技術(shù)含量高、要發(fā)周期長(zhǎng)、試制試驗(yàn)費(fèi)用高、資金占用量大、配套體系要求高。目前在全球礦用電動(dòng)輪卡車主要生產(chǎn)企業(yè)有美國(guó)的Caterpillar/Terex，德國(guó)的Liebherr，日本的Komatus、hitachi和白俄羅斯的Belaz，這些公司大型礦用電動(dòng)輪卡車總共占全球礦用電動(dòng)輪卡車市場(chǎng)份額的90%以上。我國(guó)大噸位礦用電動(dòng)輪卡車主要生產(chǎn)企業(yè)有北方重型汽車股份有限公司、北京首鋼重型汽車制造股份有限公司、湖南湘電集團(tuán)湘電重型裝備股份有限公司等，其中北方重型汽車股份有限公司是2006年由北方Terex共同投資成立專業(yè)生產(chǎn)超大型電驅(qū)動(dòng)礦用車的企業(yè);湘電重型裝備股份有限公司2008年研制的220噸交流傳動(dòng)電動(dòng)輪自卸車，是目前國(guó)內(nèi)研制最大噸位的礦用電動(dòng)輪卡車;北京首鋼重型汽車制造股份有限責(zé)任公司主要生產(chǎn)170噸交直傳動(dòng)礦用電動(dòng)輪自卸車。

2.工程機(jī)械巨頭Caterpillar技術(shù)實(shí)力雄厚，其產(chǎn)品從柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、交流發(fā)電機(jī)、牽引電動(dòng)機(jī)、變流調(diào)速控制系統(tǒng)軟件到整車其他系統(tǒng)，均采用自己的技術(shù)，所有關(guān)鍵部件有自己研制生產(chǎn)，其最大載重為313噸的795F礦用電動(dòng)輪卡車已在MINExpo2008的會(huì)展上亮相;日本的Komatus公司860E-1K交流電傳動(dòng)系統(tǒng)采用的是與德國(guó)Siemens公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)技術(shù)，Komatus 的960E及高馬力版的930E等則使用GE的交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng);德國(guó)的Liebherr公司額定載重為363噸的T282電動(dòng)輪礦卡采用德國(guó)的MTU公司的20V2000發(fā)動(dòng)機(jī)及由公司內(nèi)部開(kāi)發(fā)的Liebherr-Litronic交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng);日本的Hitachi額定載重為254噸的EH4500-2，所裝備是16缸排量65升的DetroitDiesel16V-400柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用了Seimens控制技術(shù)的Hitachi交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng);白俄羅斯的Belaz的75600所裝備為Cmmins柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、Siemens公司的控制技術(shù)及交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。我國(guó)內(nèi)蒙古北方重型汽車股份有限公司主要技術(shù)來(lái)源是Terex技術(shù)。北京首鋼重型汽車制造股份有限公司主要生產(chǎn)170噸交—直傳動(dòng)電動(dòng)輪自車市與北科大聯(lián)合研制，使用Cummins發(fā)動(dòng)機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)、直流控制系統(tǒng)等均由國(guó)內(nèi)配套。湘電重型裝備股份有限公司2008年研制的第一臺(tái)220噸級(jí)交流傳動(dòng)電動(dòng)輪自卸車，它借鑒了Komatus和Belaz的技術(shù)，使用CumminsQSK-60發(fā)動(dòng)機(jī)，GE的傳動(dòng)系統(tǒng)，整車集成優(yōu)化、變頻調(diào)速控制系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)均由自主研發(fā)。

二、電傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展

1.電傳動(dòng)分類。電傳動(dòng)自卸車制動(dòng)和停車準(zhǔn)確，能自動(dòng)調(diào)速，電傳動(dòng)系統(tǒng)代替了機(jī)械傳動(dòng)的離合器、變速器、液力變矩器、萬(wàn)向連軸節(jié)、傳動(dòng)軸和后橋差速器等部件，因而維修量小。此外，電傳動(dòng)牽引性能好，爬坡能力強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，運(yùn)行平穩(wěn)，發(fā)動(dòng)機(jī)可以穩(wěn)定在經(jīng)濟(jì)工況下運(yùn)轉(zhuǎn)，操作簡(jiǎn)單，行車安全可靠，經(jīng)濟(jì)效果也比較好。根據(jù)發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的型式不同，電傳動(dòng)可以分為4種：（1）直流發(fā)電機(jī)-直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直流發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能直接供給直流電動(dòng)機(jī)。這種傳動(dòng)裝置的優(yōu)點(diǎn)就是不通過(guò)任何轉(zhuǎn)換裝置，因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但缺點(diǎn)是直流電動(dòng)機(jī)體積大、重量大和成本高，轉(zhuǎn)數(shù)有時(shí)也很高，所以，這種傳動(dòng)系統(tǒng)很少應(yīng)用。（2）交流發(fā)電機(jī)-直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)交流發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電，經(jīng)過(guò)大功率硅整流器整流成直流電，再供給驅(qū)動(dòng)位于后輪的直流輪轂電動(dòng)機(jī)。（3）交流發(fā)電機(jī)-整流逆變裝置-交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)交流發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)出的交流電經(jīng)過(guò)可控硅整流、濾波單元轉(zhuǎn)變成直流電，再經(jīng)過(guò)逆變裝置，變成電壓幅值、頻率可調(diào)的交流電，然后驅(qū)動(dòng)位于后輪的輪轂電動(dòng)機(jī)，從而使交流電動(dòng)機(jī)在交流驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。逆變后的三相交流電的頻率是根據(jù)調(diào)速需要控制的。這種傳動(dòng)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電動(dòng)機(jī)外形尺寸小，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便。目前國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)電動(dòng)輪自卸車都是采用這種交流-直流-交流的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。（4）交流發(fā)電機(jī)-交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)同步交流發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能送給變頻器，變頻器再向交流電動(dòng)機(jī)輸送頻率可控的交流電。這種傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)變頻技術(shù)和電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)都有較高的要求，目前尚未推廣使用。

2.電傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。電傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展至今，技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。目前所說(shuō)的電傳動(dòng)技術(shù)一般是指電動(dòng)輪技術(shù)。在電動(dòng)輪技術(shù)發(fā)展初期一般采用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有低轉(zhuǎn)速高扭矩的特性，傳動(dòng)效率也比較高。但隨著技術(shù)的發(fā)展，與交流電動(dòng)機(jī)相比，直流電動(dòng)機(jī)體積和重量都較大，噪聲大，電磁干擾嚴(yán)重，機(jī)械特性較軟。交流電動(dòng)機(jī)具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低和維修工作量小等優(yōu)點(diǎn)，這些都是直流電動(dòng)機(jī)無(wú)法做到的。電傳動(dòng)系統(tǒng)由直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)到交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)是必然的發(fā)展趨勢(shì)。針對(duì)露天礦運(yùn)輸距離小，線路坡度大，行車速度低以及運(yùn)輸環(huán)境多粉塵等特點(diǎn)，高效節(jié)能而且防護(hù)等級(jí)高的交流電動(dòng)機(jī)是最佳選擇。交流電動(dòng)機(jī)有異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)2種。異步電動(dòng)機(jī)是通過(guò)電磁感應(yīng)原理工作的，價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固并且維護(hù)簡(jiǎn)單，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)電動(dòng)輪自卸車都是采用異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng);同步電動(dòng)機(jī)根據(jù)電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)建立方式的不同，又分為電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)。電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上有勵(lì)磁繞組，在勵(lì)磁繞組中通入直流電，轉(zhuǎn)子繞組形成1個(gè)相當(dāng)于有固定磁極的磁鐵，在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同樣的轉(zhuǎn)速。因此，電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)是一種恒速驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與電源頻率保持恒定的比例關(guān)系，被廣泛應(yīng)用于電子儀器儀表、現(xiàn)代辦公設(shè)備和紡織機(jī)械等領(lǐng)域;永磁同步電動(dòng)機(jī)是永磁電動(dòng)機(jī)的一種，永磁電動(dòng)機(jī)是隨著鋁鎳鈷、釤鈷和釹鐵硼等永磁材料的出現(xiàn)以及性能的不斷提高而發(fā)展起來(lái)的一種高性能電動(dòng)機(jī)。與電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)相比永磁同步電動(dòng)機(jī)取消了勵(lì)磁電源和勵(lì)磁繞組，取而代之的是能夠產(chǎn)生穩(wěn)定磁場(chǎng)的永磁體，這就使得永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊，重量減輕，體積減小，又由于同時(shí)也取消了勵(lì)磁系統(tǒng)的損耗，永磁同步電動(dòng)機(jī)的效率也得到了提高。除此之外，永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)具有一定的穩(wěn)定性，隨著工作溫度和環(huán)境的變化，其磁性能在允許的范圍內(nèi)變化，永磁體還具有較好的耐腐蝕、耐高壓和耐力性。以永磁同步電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的交流傳動(dòng)系統(tǒng)完全能夠滿足大型露天礦山惡劣、復(fù)雜環(huán)境的需求，研究、開(kāi)發(fā)這樣的交流傳動(dòng)系統(tǒng)具有重要的價(jià)值和意義。

三、國(guó)內(nèi)存在問(wèn)題和差距

我國(guó)經(jīng)過(guò)科研攻關(guān)至今已形成了載重220 t及以下噸位電動(dòng)輪自卸車自主開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的能力，特別是電傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)品已形成一定的實(shí)力和規(guī)模，技術(shù)水平已達(dá)到國(guó)際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。但與國(guó)外著名廠商相比，國(guó)內(nèi)在大型化和交流化方面落后于發(fā)達(dá)國(guó)家先進(jìn)水平，產(chǎn)品沒(méi)有形成系列化。目前國(guó)內(nèi)170 t及以上級(jí)別礦用自卸車仍沒(méi)有實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，主要依靠進(jìn)口滿足礦山生產(chǎn)的需要。載重量220 t的湘電集團(tuán)SF33900型電動(dòng)輪自卸車代表了國(guó)內(nèi)最高水平，而國(guó)外早在1999年就推出了載重量327 t的電動(dòng)輪自卸車，如前面提到的Liebherr T282等車型，國(guó)內(nèi)電動(dòng)輪技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)外。國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)礦用自卸車采用機(jī)械傳動(dòng)，電動(dòng)輪自卸車的數(shù)量還比較少。機(jī)械傳動(dòng)效率較低，拉桿操縱，故障率高;直流電動(dòng)機(jī)體積較大，占用車內(nèi)較大空間，質(zhì)量大，成本也很高。國(guó)外交流傳動(dòng)技術(shù)已非常成熟，國(guó)內(nèi)的交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還處于發(fā)展階段，技術(shù)還不夠完善，主要依靠進(jìn)口產(chǎn)品。

四、礦用電動(dòng)輪自卸卡車發(fā)展趨勢(shì)

1.縱觀礦用電動(dòng)輪自卸卡車幾十年來(lái)的發(fā)展，可以說(shuō)，沒(méi)有電力電子器件的發(fā)展就沒(méi)有礦用電動(dòng)輪自卸卡車的發(fā)展。電力電子器件的發(fā)展日新月異，電力電子器件的未來(lái)充滿生機(jī)，新一代大電流、高結(jié)溫、高頻率、耐高壓的復(fù)合型、模塊化、高動(dòng)態(tài)參數(shù)電力電子器件的問(wèn)世，將推動(dòng)交流變頻調(diào)速技術(shù)及礦用電動(dòng)輪自卸卡車技術(shù)的發(fā)展。

2.隨著先進(jìn)設(shè)計(jì)方法和軟件技術(shù)的發(fā)展，大量先進(jìn)設(shè)計(jì)方法和成熟的分析軟件將應(yīng)用于礦用電動(dòng)輪自卸卡車的前后橋懸架系統(tǒng)、車架、后橋殼、輪輞、電動(dòng)輪總成等關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)力分析中，礦用電動(dòng)輪自卸卡車整車的操縱穩(wěn)定性、行駛平順性、工作可靠性及使用壽命將得到較大提高。

3.國(guó)外排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，將進(jìn)一步促進(jìn)礦用電動(dòng)輪自卸卡車技術(shù)的提高。混合動(dòng)力礦用電動(dòng)輪自卸卡車將是一個(gè)重要發(fā)展方向，歐盟雙能源礦用電動(dòng)輪自卸卡車已研制出來(lái)，今后將會(huì)取得更大發(fā)展。雙能源礦用電動(dòng)輪自卸卡車既解決了車輛重載上坡時(shí)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力不足，車速慢等問(wèn)題，又節(jié)約了能源，降低了柴油機(jī)的廢氣排放，有利于環(huán)境保護(hù)。

4.電傳動(dòng)系統(tǒng)由直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)到交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)是必然的發(fā)展趨勢(shì)，永磁同步電動(dòng)機(jī)作為交流電動(dòng)機(jī)的一種，有著很重大的研究?jī)r(jià)值和發(fā)展意義。目前，國(guó)內(nèi)大噸位礦用電動(dòng)輪自卸車除SGA 170 t采用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)型式以外，其余全是采用異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，國(guó)外電動(dòng)輪自卸車則全部采用異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。Terex公司生產(chǎn)的載重363t的M T6300A C機(jī)型交流傳動(dòng)系統(tǒng)由無(wú)刷發(fā)電機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)和高傳動(dòng)比齒輪系組成。Liebherr公司最新推出的T282C機(jī)型也是采用Litronic公司的異步電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)輪自卸車工作環(huán)境特殊，如運(yùn)輸距離小、行車速度低及工作環(huán)境多粉塵等特點(diǎn)，這就對(duì)交流驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能和防護(hù)等級(jí)有很高的要求。

結(jié)束語(yǔ)

研制載重280 t及以上噸級(jí)的大型礦用電動(dòng)輪自卸車，發(fā)展載重170 t及以上噸級(jí)的交流電動(dòng)輪傳動(dòng)技術(shù)是礦用電動(dòng)輪自卸卡車發(fā)展的必然趨勢(shì)。這樣才能打破國(guó)外技術(shù)壟斷和封鎖，使我國(guó)大型礦用電動(dòng)輪自卸車的技術(shù)水平達(dá)到國(guó)際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，從而為我國(guó)大型露天礦山提供性能優(yōu)良的裝備，為我國(guó)重大裝備的國(guó)產(chǎn)化作出重大貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]湯彪.電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究.2017.

[2]王萍.淺談礦用電動(dòng)輪自卸卡車技術(shù)現(xiàn)狀及展望.2017.

（作者單位：國(guó)家能源集團(tuán)準(zhǔn)能集團(tuán)公司設(shè)備維修中心）