礦用電動輪自卸卡車技術現狀及展望

呂高飛

【摘 ?要】礦用自卸卡車廣泛應用于冶金、礦山、水利水電等行業，承擔著礦物、土石方等運輸任務，它是專業設備，屬于非公路車輛。礦用自卸卡車按動力驅動方式不同，可分為礦用機械式自卸卡車和礦用電動輪自卸卡車兩種，早期礦用自卸卡車，噸位小，均為機械傳動，自20世紀70年代美國Cater-pillar生產出第一臺礦用電傳動自卸卡車至今，礦用電動輪自卸卡車已被用戶廣泛接受與應用。

【關鍵詞】大型礦用自卸車;電動輪;發展

礦用大型卡車運輸機動靈活能適應多樣化作業環境，利于選擇性開采工藝流程的完善。在國內外露天礦山開采工藝中，大型卡車運輸應用十分普及，隨著時代的不斷推進和礦山挖掘設備的大型化，與之配套使用的礦用自卸卡車也得到了迅速發展。礦用自卸卡車已經在國內外的大型露天礦山中得到普遍使用。

一、礦用電動輪卡車技術現狀

1.礦用電動輪卡車主要生產商仍為歐美日等少數國家，國產礦卡需加快追趕。大型礦用電動輪卡車關鍵核心技術包括：大功率變流調速技術、大馬力柴油機技術、大功率發電機技術、大功率牽引電機技術、大型機構件分析及制造、控制技術、系統集成優化設計技術等。礦用電動輪卡車的技術含量高、要發周期長、試制試驗費用高、資金占用量大、配套體系要求高。目前在全球礦用電動輪卡車主要生產企業有美國的Caterpillar/Terex，德國的Liebherr，日本的Komatus、hitachi和白俄羅斯的Belaz，這些公司大型礦用電動輪卡車總共占全球礦用電動輪卡車市場份額的90%以上。我國大噸位礦用電動輪卡車主要生產企業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共同投資成立專業生產超大型電驅動礦用車的企業;湘電重型裝備股份有限公司2008年研制的220噸交流傳動電動輪自卸車，是目前國內研制最大噸位的礦用電動輪卡車;北京首鋼重型汽車制造股份有限責任公司主要生產170噸交直傳動礦用電動輪自卸車。

2.工程機械巨頭Caterpillar技術實力雄厚，其產品從柴油發動機、交流發電機、牽引電動機、變流調速控制系統軟件到整車其他系統，均采用自己的技術，所有關鍵部件有自己研制生產，其最大載重為313噸的795F礦用電動輪卡車已在MINExpo2008的會展上亮相;日本的Komatus公司860E-1K交流電傳動系統采用的是與德國Siemens公司聯合開發技術，Komatus 的960E及高馬力版的930E等則使用GE的交流驅動系統;德國的Liebherr公司額定載重為363噸的T282電動輪礦卡采用德國的MTU公司的20V2000發動機及由公司內部開發的Liebherr-Litronic交流驅動系統;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柴油發動機，驅動系統采用了Seimens控制技術的Hitachi交流驅動系統;白俄羅斯的Belaz的75600所裝備為Cmmins柴油發動機、Siemens公司的控制技術及交流驅動系統。我國內蒙古北方重型汽車股份有限公司主要技術來源是Terex技術。北京首鋼重型汽車制造股份有限公司主要生產170噸交—直傳動電動輪自車市與北科大聯合研制，使用Cummins發動機，傳動系統、直流控制系統等均由國內配套。湘電重型裝備股份有限公司2008年研制的第一臺220噸級交流傳動電動輪自卸車，它借鑒了Komatus和Belaz的技術，使用CumminsQSK-60發動機，GE的傳動系統，整車集成優化、變頻調速控制系統及液壓系統均由自主研發。

二、電傳動技術的發展

1.電傳動分類。電傳動自卸車制動和停車準確，能自動調速，電傳動系統代替了機械傳動的離合器、變速器、液力變矩器、萬向連軸節、傳動軸和后橋差速器等部件，因而維修量小。此外，電傳動牽引性能好，爬坡能力強，可以實現無級調速，運行平穩，發動機可以穩定在經濟工況下運轉，操作簡單，行車安全可靠，經濟效果也比較好。根據發電機和電動機的型式不同，電傳動可以分為4種：（1）直流發電機-直流電動機驅動系統直流發電機發出的電能直接供給直流電動機。這種傳動裝置的優點就是不通過任何轉換裝置，因此系統結構簡單。但缺點是直流電動機體積大、重量大和成本高，轉數有時也很高，所以，這種傳動系統很少應用。（2）交流發電機-直流電動機驅動系統交流發電機發出的三相交流電，經過大功率硅整流器整流成直流電，再供給驅動位于后輪的直流輪轂電動機。（3）交流發電機-整流逆變裝置-交流電動機驅動系統發動機帶動交流發電機發電，發出的交流電經過可控硅整流、濾波單元轉變成直流電，再經過逆變裝置，變成電壓幅值、頻率可調的交流電，然后驅動位于后輪的輪轂電動機，從而使交流電動機在交流驅動下實現變頻調速。逆變后的三相交流電的頻率是根據調速需要控制的。這種傳動的特點是結構簡單，電動機外形尺寸小，運行可靠，維護方便。目前國內外絕大多數電動輪自卸車都是采用這種交流-直流-交流的驅動系統。（4）交流發電機-交流電動機驅動系統同步交流發電機發出的電能送給變頻器，變頻器再向交流電動機輸送頻率可控的交流電。這種傳動系統對變頻技術和電動機結構都有較高的要求，目前尚未推廣使用。

2.電傳動驅動系統。電傳動系統發展至今，技術已經相當成熟。目前所說的電傳動技術一般是指電動輪技術。在電動輪技術發展初期一般采用直流電動機驅動系統，該系統具有低轉速高扭矩的特性，傳動效率也比較高。但隨著技術的發展，與交流電動機相比，直流電動機體積和重量都較大，噪聲大，電磁干擾嚴重，機械特性較軟。交流電動機具有體積小、重量輕、結構簡單、成本低和維修工作量小等優點，這些都是直流電動機無法做到的。電傳動系統由直流電動機驅動到交流電動機驅動是必然的發展趨勢。針對露天礦運輸距離小，線路坡度大，行車速度低以及運輸環境多粉塵等特點，高效節能而且防護等級高的交流電動機是最佳選擇。交流電動機有異步電動機和同步電動機2種。異步電動機是通過電磁感應原理工作的，價格低廉、結構堅固并且維護簡單，在工農業生產中得到廣泛應用。目前，國內外絕大多數電動輪自卸車都是采用異步電動機驅動;同步電動機根據電動機磁場建立方式的不同，又分為電勵磁同步電動機和永磁同步電動機。電勵磁同步電動機轉子上有勵磁繞組，在勵磁繞組中通入直流電，轉子繞組形成1個相當于有固定磁極的磁鐵，在旋轉磁場的作用下，轉子產生與旋轉磁場同樣的轉速。因此，電勵磁同步電動機是一種恒速驅動電動機，其轉子轉速與電源頻率保持恒定的比例關系，被廣泛應用于電子儀器儀表、現代辦公設備和紡織機械等領域;永磁同步電動機是永磁電動機的一種，永磁電動機是隨著鋁鎳鈷、釤鈷和釹鐵硼等永磁材料的出現以及性能的不斷提高而發展起來的一種高性能電動機。與電勵磁同步電動機相比永磁同步電動機取消了勵磁電源和勵磁繞組，取而代之的是能夠產生穩定磁場的永磁體，這就使得永磁同步電動機結構更加緊湊，重量減輕，體積減小，又由于同時也取消了勵磁系統的損耗，永磁同步電動機的效率也得到了提高。除此之外，永磁體產生的磁場具有一定的穩定性，隨著工作溫度和環境的變化，其磁性能在允許的范圍內變化，永磁體還具有較好的耐腐蝕、耐高壓和耐力性。以永磁同步電動機作為驅動電動機的交流傳動系統完全能夠滿足大型露天礦山惡劣、復雜環境的需求，研究、開發這樣的交流傳動系統具有重要的價值和意義。

三、國內存在問題和差距

我國經過科研攻關至今已形成了載重220 t及以下噸位電動輪自卸車自主開發和生產的能力，特別是電傳動系統產品已形成一定的實力和規模，技術水平已達到國際同類產品的先進水平。但與國外著名廠商相比，國內在大型化和交流化方面落后于發達國家先進水平，產品沒有形成系列化。目前國內170 t及以上級別礦用自卸車仍沒有實現產業化，主要依靠進口滿足礦山生產的需要。載重量220 t的湘電集團SF33900型電動輪自卸車代表了國內最高水平，而國外早在1999年就推出了載重量327 t的電動輪自卸車，如前面提到的Liebherr T282等車型，國內電動輪技術遠遠落后于國外。國內絕大多數礦用自卸車采用機械傳動，電動輪自卸車的數量還比較少。機械傳動效率較低，拉桿操縱，故障率高;直流電動機體積較大，占用車內較大空間，質量大，成本也很高。國外交流傳動技術已非常成熟，國內的交流驅動系統還處于發展階段，技術還不夠完善，主要依靠進口產品。

四、礦用電動輪自卸卡車發展趨勢

1.縱觀礦用電動輪自卸卡車幾十年來的發展，可以說，沒有電力電子器件的發展就沒有礦用電動輪自卸卡車的發展。電力電子器件的發展日新月異，電力電子器件的未來充滿生機，新一代大電流、高結溫、高頻率、耐高壓的復合型、模塊化、高動態參數電力電子器件的問世，將推動交流變頻調速技術及礦用電動輪自卸卡車技術的發展。

2.隨著先進設計方法和軟件技術的發展，大量先進設計方法和成熟的分析軟件將應用于礦用電動輪自卸卡車的前后橋懸架系統、車架、后橋殼、輪輞、電動輪總成等關鍵零部件的結構設計及應力分析中，礦用電動輪自卸卡車整車的操縱穩定性、行駛平順性、工作可靠性及使用壽命將得到較大提高。

3.國外排放標準的不斷提高，將進一步促進礦用電動輪自卸卡車技術的提高?；旌蟿恿ΦV用電動輪自卸卡車將是一個重要發展方向，歐盟雙能源礦用電動輪自卸卡車已研制出來，今后將會取得更大發展。雙能源礦用電動輪自卸卡車既解決了車輛重載上坡時柴油發動機動力不足，車速慢等問題，又節約了能源，降低了柴油機的廢氣排放，有利于環境保護。

4.電傳動系統由直流電動機驅動到交流電動機驅動是必然的發展趨勢，永磁同步電動機作為交流電動機的一種，有著很重大的研究價值和發展意義。目前，國內大噸位礦用電動輪自卸車除SGA 170 t采用直流電動機驅動型式以外，其余全是采用異步電動機驅動，國外電動輪自卸車則全部采用異步電動機驅動。Terex公司生產的載重363t的M T6300A C機型交流傳動系統由無刷發電機、鼓風機、異步電動機和高傳動比齒輪系組成。Liebherr公司最新推出的T282C機型也是采用Litronic公司的異步電動機作為驅動電動機。電動輪自卸車工作環境特殊，如運輸距離小、行車速度低及工作環境多粉塵等特點，這就對交流驅動電動機的調速性能和防護等級有很高的要求。

結束語

研制載重280 t及以上噸級的大型礦用電動輪自卸車，發展載重170 t及以上噸級的交流電動輪傳動技術是礦用電動輪自卸卡車發展的必然趨勢。這樣才能打破國外技術壟斷和封鎖，使我國大型礦用電動輪自卸車的技術水平達到國際同類產品的先進水平，從而為我國大型露天礦山提供性能優良的裝備，為我國重大裝備的國產化作出重大貢獻。

參考文獻：

[1]湯彪.電動輪驅動技術研究.2017.

[2]王萍.淺談礦用電動輪自卸卡車技術現狀及展望.2017.

（作者單位：國家能源集團準能集團公司設備維修中心）