矿用卡车技术现状及展望

矿用电动轮自卸卡车技术现状及展望胡传正孟庆勇（江苏徐州工程机械研究院）摘要：文章分析了目前国内外主要矿用电动轮卡车产品技术现状、主机系统配置及技术发展趋势，提出发展我国大型矿用电动轮卡车、增强国际竞争力的对策及建议。关键词：电动轮矿用卡车现状趋势对策目前矿用自卸卡车是大型露天煤矿、冶金、矿山、水利水电的主要运输工具，承担着矿物、土石方等运输任务，它是适用于露天矿山生产的专业设备，矿用卡车为露天矿山的工作需要而设计，属于非公路车辆。矿用卡车按动力驱动方式不同，可分为机械式矿用卡车和电动轮矿用卡车二种，早期矿用卡车，吨位小，均为机械传动，自20世纪70年代CAT生产出了第一台电传动矿用卡车开始至今，电动轮矿用卡车已被用户广泛接受与应用，因此本文主要讨论矿用电动轮自卸卡车。1矿用电动轮卡车技术现状1.1矿用电动轮卡车主要生产商仍为欧美日等少数国家，国产矿卡需加快追赶大型矿用电动轮卡车关键核心技术包括：大功率变流调速技术、大马力柴油机技术、大功率发电机技术、大功率牵引电机技术、大型结构件分析及制造、控制技术、系统集成优化设计技术等。矿用电动轮卡车的技术含量高、研发周期长、试制试验费用高、资金占用量大、配套体系要求高。关键技术的存在决定了矿用电动轮卡车的研发与生产必须有足够技术实力及制造工艺水平，所以世界上能够研发和生产矿用电动轮卡车的企业数量不多。目前在全球矿用电动轮卡车主要生产企业有美国的Caterpillar、Terex，德国的Liebherr，日本的Komatus、Hitachi和白俄罗斯的Belaz，这些公司大型矿用电动轮卡车总共占全球矿用电动轮卡车市场份额的90%以上。我国大吨位矿用电动轮卡车主要生产企业有北方重型汽车股份有限公司、北京首钢重型汽车制造股份有限公司、湖南湘电集团湘电重型装备股份有限公司等，其中北方重型汽车股份有限公司是2006年由北方股份与Terex共同投资成立专业生产超大型电驱动矿用车的企业；湘电重型装备股份有限公司2008年研制的220吨交流传动电动轮自卸车，是目前国内研制最大吨位的矿用电动轮卡车；北京首钢重型汽车制造股份有限公司主要生产170吨交直传动矿用电动轮自卸车。目前国外最大吨位矿用电动轮卡车已达400吨级，我国矿用电动轮卡车仅为220吨级，因此国产电动轮矿卡特别是大吨位的，无论是技术还是规模与国外相比，还存在较大差距，需要加快追赶。1.2矿用电动轮卡车采用的技术及主要配置工程机械巨头Caterpillar技术实力雄厚，其产品从柴油发动机、交流发电机、牵引电动机、变流调速控制系统软硬件到整车其他系统，均采用自己的技术，所有关键部件由自己研制生产，其最大载重为313吨的795F矿用电动轮卡车已在MINExpo2008的展会上亮相；日本的Komatsu公司860E-1K交流电传动系统采用的是与德国Siemens公司联合开发的技术，Komatus的960E及高马力版的930E等则使用GE的交流驱动系统；德国的Liebherr公司额定载重为363吨的T282C电动轮矿卡采用德国的MTU公司的20V2000发动机及由公司内部开发的Liebherr-Litronic交流驱动系统；日本的Hitachi额定载重为254吨的的EH4500-2，所装备是16缸排量65升的DetroitDiesel16V-4000柴油发动机，驱动系统为采用了Seimens控制技术的Hitachi交流驱动系统；白俄罗斯的Belaz的75600所装备为Cummins柴油发动机、Siemens公司的控制技术及交流驱动系统。我国内蒙古北方重型汽车股份有限公司主要技术来源是Terex技术。北京首钢重型汽车制造股份有限公司主要生产170吨交—直传动电动轮自卸车是与北科大联合研制，使用Cummins发动机，传动系统、直流控制系统等均由国内配套。湘电重型装备股份有限公司2008年研制的第一台220吨级交流传动电动轮自卸车，它借鉴了Komatus和Belaz的技术，使用CumminsQSK-60发动机，GE的传动系统，整车集成优化、变频调速控制系统及液压系统均由自主研制。1.3载重为100吨以下的矿用自卸卡车为机械式驱动方式，100吨以上的大型矿用自卸卡车均广泛采用电动轮驱动方式矿用自卸卡车的按驱动方式区分，有机械式驱动和电动轮驱动二种方式：机械式驱动：发动机→液力变矩器→变速箱→传动轴→驱动桥→轮胎。电动轮驱动：发动机→发电机→功率电子装置/控制系统→牵引电动机→轮胎。因技术、材料、工艺水平的诸多限制，特别是大功率液力变矩器、变速箱及驱动桥的设计及制造技术不过关，研制100t级以上机械式驱动的矿用车存在较大困难，因此载重量100吨以下的矿用自卸卡车多为机械式驱动方式。随着美国GE公司和RCA公司IGBT等电力电子器件研制成功，经过几代改进，这些高功率密度、高效率的电力电子器件实现技术突破，并正式系列化生产，高性能电力电子器件的出现推动了大型矿用电动轮卡车的发展，矿用电动轮卡车与机械式相比既不需要复杂的机械变速机构和传递扭矩的传动轴，也不需要后轴伞齿轮、半轴和差速器的驱动桥总成，只要用电缆连接即可，矿用电动轮卡车结构大大简化，电传动系统替代了机械传动系统中的许多零部件，中间环节少，传动链短、机械磨损少，传动效率高、结构简单，提高了传动效率和工作的可靠性，此外电传动系统还可以改善柴油机的工作状况，使其功率能与牵引发电机相匹配而得到充分的利用，从而提高了车辆的牵引性能，并可无级变速、无摩擦电制动和自动电动差速等，因此电动轮驱动与机械传动相比有不少优势，所以应用越来越多，目前载重100t级以上的矿用卡车市场几乎全部为电动轮驱动方式。1.4以IGBT作为控件的功率驱动元件被广泛应用从1958年美国通用电气(GE)公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管SCR开始，到现在已发展到第三、第四代。由于普通晶闸管SCR不能自关断，属于半控型器件，因而被称作第一代电力电子器件。在实际需要的推动下，随着理论研究和工艺水平的不断提高，电力电子器件在容量和类型等方面得到了很大发展，先后出现了GTR、GTO、功率MOSFET等自关断、全控型器件，被称为第二代电力电子器件。近年来，电力电子器件正朝着复合化、模块化等方向发展，如IGBT、MCT等被称为第三代电力电子器件。IGBT为绝缘栅双极晶体管，它集功率晶体管GTR和功率场效应管MOSFET的优点于一身，具有导通电流密度大、耐浪涌能力强、门极驱动功率小等特点，因此IGBT电流容量大、自关断、开关频率高、易于驱动，目前矿用电动轮卡车变流系统广泛应用的功率驱动元件是IGBT绝缘栅双极晶体管器件。1.5交—直—交变流系统是电动轮矿卡的主流驱动型式上世纪八、九十年代矿用电动轮卡车交—直驱动系统占主导地位，交—直电传动系统即由交流发电机发出三相交流电，经过硅整流器整流变成直流电以后，供直流驱动电机，该驱动电机为具有换向器结构的直流牵引电机，缺点是结构复杂、体积大、重量大、高压大功率时换向困难、成本高、制造难度大和维修麻烦等。随着交流变频调速技术的发展和大功率电力电子器件的同世，交—直—交电传动系统获得较快发展，交－直－交电传动系统即由交流发电机发出三相交流电，经过硅整流器整流变成直流电以后，再经过逆变，将直流电变成预定可变频率的三相电，以供给各个牵引电机使用，逆变后的三相交流电的频率根据需要是可控制的。交流牵引电动机与直流牵引电动机相比，由于没有换向器，结构简单，体积小，所以同样体积可以设计和制造出功率更大、转速更高的电动机，交流电机运行可靠，维护方便。目前除白俄罗斯的Belaz公司部分产品采用交—直型系统外，其它多数产品均采用交—直—交电传动系统，交—直型系统已基本被交—直—交电传动系统所取代。著名的美国的GE公司、德国的Siemens公司目前推出的矿卡电传动系统，均为交流传动系统。2矿用电动卡车发展趋势（1）纵观矿用电动轮卡车几十年的发展，可以说没有电力电子器件的发展就没有电动轮矿卡的发展，电力电子器件的发展将会日新月异，可以预见，电力电子器件的未来将充满生机，新一代的大电流、高结温、高频率、耐高压的复合型、模块化、高动态参数器件的同世，将推动交流变频调速技术及电动轮矿卡的发展。（2）随着先进的设计方法和软件技术的发展，大量的先进设计方法和成熟的分析软件将应用于矿用电动轮卡车的前后桥悬架系统、车架、后桥壳、轮辋、电动轮总成等关键零部件的结构设计及应力分析中，整车的操纵稳定性、行驶平顺性、工作可靠性及整车使用寿命将得到较大提高。（3）矿用卡车具有运距短、转弯半径小和承载量超大的特点。根据用户成本统计分析，矿用卡车的有效载重量越大，单位运输成本就越低，前几年120T、150T、170T级是市场主流产品，现在已是190T、220T、290T级已被广泛应用，至今已发展到400T级，因此矿用卡车未来还将向着更加大型化的方向发展。（4）从2011年1月起，欧盟对非道路车辆实施IIIB阶段排放标准，近期日本也会根据市场变化进行调整，国外排放标准的不断提高，将进一步促进矿卡技术的提高，混合动力矿用卡车将是一个重要发展方向，欧盟双能源矿用电动轮车已研制出来，今后将会取得更大发展。双能源矿用电动轮车既解决了车辆重载上坡时柴油发动机动力不足、车速慢等问题，又节约了能源，降低了柴油机的废气排放，有利于环境保护。（5）车辆下坡运行时，电动轮电机为发电机运行状态，此时车辆运行的惯性能转变成大量电能，通过动力制动电阻栅，以热能的形式耗散在大气中，造成能源严重浪费，如何回收并加以利用这部分能量，将是电动轮矿卡的一个研究方向。（6）随着计算机技术、通信技术、传感器技术及智能控制算法的进一步发展，柴油机、发电机、驱动电机及变流系统等将趋于集成化、一体化集中控制，系统融合程度会越来越深、运行更加协调，实时数据监控、数据分析、故障诊断与自保护等技术将普遍应用，整车智能化水平将越来越高。3提升对策与发展建议2011年中央一号文件提出未来10年中国将投入4万亿大兴水利工程，水利工程今后将会大规模建设、新疆多个1000万吨大型露天煤矿即将开采、因钢铁及有色金属需求猛增而导致大型金属露天矿的规模进一步扩大等等，这些重点工程将对大型矿用电驱动卡车有较多需求，2010年国内大型矿用电传动卡车约1200台，据国家有关部门统计及预测，到2015年，国内大型矿用电传动卡车需求将达到2500台左右，中国国内市场将是国际电驱动矿用汽车的主要市场之一。目前国产电传动矿卡产品基本上限于国内销售，且大吨位车型远远不能满足国内露天矿山的需求，主要依赖进口，尽管国内电传动矿卡近年有一定发展，但与国内、国际市场要求相差甚远，因此必须采取必要措施，尽快提高我国矿用卡车市场竞争力。3.1加大政策扶持力度，培育企业自主开发能力大型矿用电动轮卡车已列入国家《重大技术装备自主创新指导目录》并按相应通知精神可享受国家一系列政策支持，大型矿用电动轮卡车的发展将迎来新机遇，国内矿卡制造商应牢牢抓住这一历史机遇。大吨位矿用电动轮卡车需要投入的资金多、交叉技术多、技术含量高，需要政府给予持续不断的政策扶持，建议有重点、有力度地扶持几家大型骨干企业，提高他们科研开发能力，增强大型骨干企业国际竞争力。3.2大力发展关键零部件工业，实现主要零部件国内配套大吨位矿用电动轮卡车涉及大马力柴油机、大功率发电机、大功率牵引电机、大功率变流调速系统、大型结构件制造、控制系统、液压系统等关键零部件，国内矿用电动轮卡车关键零部件主要来源于与国外。零部件工业是机械制造行业基础，没有自己的零部件，就难以形成自主的核心技术，没有自主的核心技术，就难以形成产品的竞争力，因此要加大对核心零部件的投入，要优先发展关键零部件工业，选定一批具有一定规模、一定基础、技术水平较高、质量较好的零部件企业，给予重点扶持，以提高主要零部件竞争力，实现国内配套。3.3主机制造企业应加强与高校、科研院所等跨行业合作，攻克整车关键及集成优化技术，提高国际竞争力国内矿用电动轮卡车企业应主动出击，与高校、科研院所等建立产学研合作关系，攻克整车技术难点，我国矿用电动轮