高原隧道專用型電動挖掘機研發及應用

摘要：挖掘機作為隧道及地下空間施工的挖裝運重要施工設備，可用于隧道斷面開挖及洞內廢渣清理。在面臨高原隧道缺氧、低壓、高溫、潮濕、巖爆等惡劣工況，重點推進攻克電池動力匹配控制技術、遠程遙控技術、熱管理技術等多項技術，研發高原隧道專用型電動挖掘機，對高原隧道施工安全、環保和高效具有重要的意義。

關鍵詞：高原隧道；工況；新能源；電池；電動挖掘機

0" "引言

在平均海拔3800m的高原地區，高海拔的環境使得常規燃油挖掘機功率大幅衰減，啟動和加速時會產生大量黑煙，對高原的生態環境造成破壞。研發具有高原環境適應性，可在海拔4500m、-35℃～45℃環境、高濕度多粉塵的工況下零排放、零污染，低噪聲工作的電動挖掘機，對實現高原鐵路綠色施工、國家節能減排、碳中和目標有著十分重要的戰略意義。

1" 高原工況對傳統設備的影響及對新能源設備的需求

1.1" " 對傳統設備的影響

1.1.1" "高海拔的影響

空氣稀薄，氧氣含量低，發動機中燃油燃燒不充分，能源利用率低，既加大了能源的浪費，又使得設備功率衰減；發動機活塞頂部、燃燒室和排氣門處積碳嚴重，機油失效快，磨損加劇，發動機冒黑煙，發動機故障率提高，對環境的污染更加嚴重。同時空氣稀薄導致風扇的冷卻功效下降，進而導致挖掘機的冷卻系統的散熱能力下降。低氣壓下冷卻液沸點下降，發動機在發熱加劇的情況下更容易使冷卻液“開鍋”[1-2]。

1.1.2" "低溫的影響

低溫使機油粘度變差，啟動阻力變大，使發動機啟動困難，部分負荷時燃油消耗增加；極端低溫使得冷卻液結冰，損壞冷卻系統零部件：低溫使得蓄電池充電放電時化學反應變慢，從而使充電困難，放電容量減小。

1.1.3" "強輻射與濕度大粉塵多的影響

強輻射會加快施工設備橡膠件的老化過程，加速相關器件的維修更換周期。濕度大，多粉塵主要對電器元件造成影響，易造成電器元件腐蝕短路。

1.1.4" "高地熱的影響

傳統工程機械設備如挖掘機，一般設計在環境溫度在45℃以下使用，當環境溫度超過45℃時，機器的散熱能力大幅下降，空氣進行冷卻后溫度下降較少，無法對發動機和液壓系統進行有效散熱，機器無法正常使用。

1.1.5" "巖爆、有毒有害氣體的影響

施工人員操作機器時，因缺乏必要的專用型防護措施，巖爆、有毒氣體對施工人員和設備產生巨大危害。

1.2" " 對新能源設備需求

高原隧道對設備的需求可總結為“多電少油”綠色工程、復雜極端工況安全性、惡劣自然環境適應性、可靠高效成套化，見圖1。

2" "高原隧道施工電動挖掘機技術研究

2.1" 柴油與電動挖掘機共性技術要求

挖掘機在高原隧道施工中主要承擔開挖和巖渣清理的功能，針對高原隧道，要開展高原裝備通用適應性改進技術提升、隧道極限環境關鍵技術研究和新產品新技術研發工作。高原隧道挖掘機環境適應性共性技術研究模塊化配置見表1。

2.1.1" "防護型駕駛室設計

通過防爆駕駛室設計，實現中等巖爆，不侵入DLV；強烈巖爆，不造成人員嚴重傷害。

2.1.2" "高地熱環境裝備復合冷卻設計

針對高地熱環境開展裝備復合冷卻設計，實現在隧道超高地熱50℃以上環境下，設備許用溫度達到設計要求。

2.1.3" "遠程遙控設計

針對危險復雜環境開展裝備遠程遙感操作設計，需要開展基于深度視覺的遠程遙控系統，集多源信息采集、通訊傳輸、遠程遙控人機交互于一體，提供空間立體視覺、聲音再現，解決遠程遙控景深問題，實現精細化遠程操控作業。

2.2" " 電動挖掘機專用技術要求

目前，國內純電動挖掘機的技術研究處于起步階段，主要借鑒電動汽車技術，整車動力電池和電池管理技術基本與汽車一致，在挖掘機上的應用主要是圍繞電機與液壓泵之間的匹配技術，以及特殊工況下的專用技術。

電動挖掘機在高原隧道施工，面臨續航能力、電池安全性和施工可靠性等問題。為保障產品的工況適應性和施工安全性，需要針對性解決電動產品關鍵技術難題。以研究電動挖掘機產品為例，主要開展核心技術研究如下。

2.2.1" "電動挖掘機技術路線

根據高原隧道工況的復雜性、電動挖掘機的續航能力、使用安全性和可靠性，制定圖2電動挖掘機技術路線[3-5]：

2.2.2" "電動挖掘機專用匹配控制要求

電動挖掘機需要實現液壓功率精準工作在電機系統高效區，研發功率自適應技術，通過建立液壓、電機功率加載模型，模擬挖掘機實際工作過程中功率落點控制，計算不同功率下系統可控參數轉速-電流最優解，實現功率、轉速、電流多參數的閉環控制，降低電池耗電功率。

2.2.3" "電池包減振保護

電動挖掘機工況復雜、振源多、振動沖擊激勵大，行業內缺少面向電動挖掘機挖電池包的減振技術研究。技術難點在于既要使各個振源至電池包的振動能量傳遞率最小，又要考慮低頻沖擊激勵對電池包的損害。針對電池包振動大及其造成的振動疲勞故障難題，研制緩沖限位減振的電池包減振保護結構，使電池包的最大綜合振動加速度大幅降低。

2.2.4" "電動挖掘機遠程操控要求

隧道施工存在巖爆、塌方等危險，從前采用的遠程控制技術，操作者無法了解完整的周圍環境，同時遠程數據之間的傳輸異常通常會帶來安全隱患；遙控挖掘機需進行先導系統電控化改制才能實現遙控，電控閥響應延時高，挖掘機動作穩定性差。需要研發遙感操作安全控制技術，解決遠程遙控操作安全問題，同時要解決遠距離遙控響應問題。

2.2.5" "面向極限環境的熱管理

電動挖掘機電機性能在45℃以下最優，傳統冷卻系統無法按需精準調節。同時，高地溫隧道施工環境要求高，整機空間有限，通過原車冷卻系統匹配優化難以滿足散熱要求。傳統的單一風扇直接驅動散熱系統，發動機一直處于大轉速范圍波動，無法按需求調節冷卻介質的流速以及通過散熱器的空氣流速，從而難以使發動機在最佳的溫度下工作，進而導致散熱器系統功耗大，熱負荷也不穩定和發動機效率低。液壓馬達驅動（或離合器控制）的單一風扇系統，在節能控制方面取得了一定的效果，但還不能從根本上解決發動機熱負荷不穩定的問題，難以達到恒溫精確按需智能控制，造成散熱效率低及功率浪費問題。

2.2.6" 研發風扇群多參數精準控制技術，提升高溫工況適應性

開發風扇群多參數精準控制技術，在導風罩上并聯多個電子風扇，建立基于水溫、油溫的自反饋閉環控制算法，實現多個風扇獨立智能精準控制。針對高地溫工況，研制分體式輔助冷卻系統，與整車主冷卻系統串聯，實現兩級冷卻。當油溫高于75℃或水溫高于50℃時，輔助電子風扇開啟，液壓油和冷卻液通過輔助散熱器進行二次冷卻，保證整車在高溫隧道環境下的可靠性。

3" "高原隧道專用型電動挖掘機研發

3.1" " 主機設備選型

高原隧道施工對挖掘機性能和配置要求如下：零排放，節能環保；高原作業，海拔4500m以上施工；電池安全可靠，滿足-35℃以上低溫啟動能力；適應高溫、高地溫等環境，45℃的環境下可連續工作；潮濕、高塵洞內施工，防塵防水性能好；巖爆工況下可正常作業；有毒有害氣體、放射性環境中可作業。

針對以上設備要求，開發高原隧道專用型電動挖掘機，產品適應性方案如下表2所示。

3.2" " 主機設備參數

目前基于隧道的基本尺寸，國內21t和27t級挖掘機平臺較為適用，該噸級的電動挖掘機設備基本參數如表3。

3.3" " 電動設備電池選型要求

施工更注重設備安全性，特別是在電池設備選擇上，經過研究比較，選用最新一代磷酸鐵鋰電池，具備高安全性、長循環壽命、常溫下荷電保持能力更好、成本相對較低的特點，更適用于工程機械。電池對比情況見表4。

3.4" " 電動挖掘機使用經濟性

以表5為例，開展高原鐵路施工的電動挖掘機與柴油動力挖掘機使用成本對比。在能源成本以及能源單價方面，電動挖掘機具有較大優勢，能源補給也更加便利；針對后期維修保養，因電動機取代發動機，發動機所需要的過濾和潤滑等維護保養成本全部取消；同時待電池產業更加成熟后，電動挖掘機的采購成本將進一步減少，全生命周期成本將進一步降低 。

4" "結語

目前研發的兩臺電動挖掘機在國家正在開展的重大高原高寒鐵路項目中試用，分別位于項目工程某隧道主洞、斜井等工地施工，主要承擔隧道內外渣土裝載工作和隧道斷面的開挖工作，作為主力裝備已連續施工6個月。電動挖掘機設備噪聲低、零排放、安全性高，可以滿足高原、低溫條件下隧道開挖作業和土石方挖掘卸料施工，同時在續航能力和洞內作業的旋轉半徑上進行了優化改進，目前已可以逐步替代傳統的柴油動力挖掘機進行隧道施工作業。

參考文獻

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