吕高飞

【摘  要】矿用自卸卡车广泛应用于冶金、矿山、水利水电等行业，承担着矿物、土石方等运输任务，它是专业设备，属于非公路车辆。矿用自卸卡车按动力驱动方式不同，可分为矿用机械式自卸卡车和矿用电动轮自卸卡车两种，早期矿用自卸卡车，吨位小，均为机械传动，自20世纪70年代美国Cater-pillar生产出第一台矿用电传动自卸卡车至今，矿用电动轮自卸卡车已被用户广泛接受与应用。

【关键词】大型矿用自卸车;电动轮;发展

矿用大型卡车运输機动灵活能适应多样化作业环境，利于选择性开采工艺流程的完善。在国内外露天矿山开采工艺中，大型卡车运输应用十分普及，随着时代的不断推进和矿山挖掘设备的大型化，与之配套使用的矿用自卸卡车也得到了迅速发展。矿用自卸卡车已经在国内外的大型露天矿山中得到普遍使用。

一、矿用电动轮卡车技术现状

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、大型机构件分析及制造、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、要发周期长、试制试验费用高、资金占用量大、配套体系要求高。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责任公司主要生产170吨交直传动矿用电动轮自卸车。

2.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件到整车其他系统，均采用自己的技术，所有关键部件有自己研制生产，其最大载重为313吨的795F矿用电动轮卡车已在MINExpo2008的会展上亮相;日本的Komatus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T282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EH4500-2，所装备是16缸排量65升的DetroitDiesel16V-400柴油发动机，驱动系统采用了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Cmmins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—直传动电动轮自车市与北科大联合研制，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发。

二、电传动技术的发展

1.电传动分类。电传动自卸车制动和停车准确，能自动调速，电传动系统代替了机械传动的离合器、变速器、液力变矩器、万向连轴节、传动轴和后桥差速器等部件，因而维修量小。此外，电传动牵引性能好，爬坡能力强，可以实现无级调速，运行平稳，发动机可以稳定在经济工况下运转，操作简单，行车安全可靠，经济效果也比较好。根据发电机和电动机的型式不同，电传动可以分为4种：（1）直流发电机-直流电动机驱动系统直流发电机发出的电能直接供给直流电动机。这种传动装置的优点就是不通过任何转换装置，因此系统结构简单。但缺点是直流电动机体积大、重量大和成本高，转数有时也很高，所以，这种传动系统很少应用。（2）交流发电机-直流电动机驱动系统交流发电机发出的三相交流电，经过大功率硅整流器整流成直流电，再供给驱动位于后轮的直流轮毂电动机。（3）交流发电机-整流逆变装置-交流电动机驱动系统发动机带动交流发电机发电，发出的交流电经过可控硅整流、滤波单元转变成直流电，再经过逆变装置，变成电压幅值、频率可调的交流电，然后驱动位于后轮的轮毂电动机，从而使交流电动机在交流驱动下实现变频调速。逆变后的三相交流电的频率是根据调速需要控制的。这种传动的特点是结构简单，电动机外形尺寸小，运行可靠，维护方便。目前国内外绝大多数电动轮自卸车都是采用这种交流-直流-交流的驱动系统。（4）交流发电机-交流电动机驱动系统同步交流发电机发出的电能送给变频器，变频器再向交流电动机输送频率可控的交流电。这种传动系统对变频技术和电动机结构都有较高的要求，目前尚未推广使用。

2.电传动驱动系统。电传动系统发展至今，技术已经相当成熟。目前所说的电传动技术一般是指电动轮技术。在电动轮技术发展初期一般采用直流电动机驱动系统，该系统具有低转速高扭矩的特性，传动效率也比较高。但随着技术的发展，与交流电动机相比，直流电动机体积和重量都较大，噪声大，电磁干扰严重，机械特性较软。交流电动机具有体积小、重量轻、结构简单、成本低和维修工作量小等优点，这些都是直流电动机无法做到的。电传动系统由直流电动机驱动到交流电动机驱动是必然的发展趋势。针对露天矿运输距离小，线路坡度大，行车速度低以及运输环境多粉尘等特点，高效节能而且防护等级高的交流电动机是最佳选择。交流电动机有异步电动机和同步电动机2种。异步电动机是通过电磁感应原理工作的，价格低廉、结构坚固并且维护简单，在工农业生产中得到广泛应用。目前，国内外绝大多数电动轮自卸车都是采用异步电动机驱动;同步电动机根据电动机磁场建立方式的不同，又分为电励磁同步电动机和永磁同步电动机。电励磁同步电动机转子上有励磁绕组，在励磁绕组中通入直流电，转子绕组形成1个相当于有固定磁极的磁铁，在旋转磁场的作用下，转子产生与旋转磁场同样的转速。因此，电励磁同步电动机是一种恒速驱动电动机，其转子转速与电源频率保持恒定的比例关系，被广泛应用于电子仪器仪表、现代办公设备和纺织机械等领域;永磁同步电动机是永磁电动机的一种，永磁电动机是随着铝镍钴、钐钴和钕铁硼等永磁材料的出现以及性能的不断提高而发展起来的一种高性能电动机。与电励磁同步电动机相比永磁同步电动机取消了励磁电源和励磁绕组，取而代之的是能够产生稳定磁场的永磁体，这就使得永磁同步电动机结构更加紧凑，重量减轻，体积减小，又由于同时也取消了励磁系统的损耗，永磁同步电动机的效率也得到了提高。除此之外，永磁体产生的磁场具有一定的稳定性，随着工作温度和环境的变化，其磁性能在允许的范围内变化，永磁体还具有较好的耐腐蚀、耐高压和耐力性。以永磁同步电动机作为驱动电动机的交流传动系统完全能够满足大型露天矿山恶劣、复杂环境的需求，研究、开发这样的交流传动系统具有重要的价值和意义。

三、国内存在问题和差距

我国经过科研攻关至今已形成了载重220 t及以下吨位电动轮自卸车自主开发和生产的能力，特别是电传动系统产品已形成一定的实力和规模，技术水平已达到国际同类产品的先进水平。但与国外著名厂商相比，国内在大型化和交流化方面落后于发达国家先进水平，产品没有形成系列化。目前国内170 t及以上级别矿用自卸车仍没有实现产业化，主要依靠进口满足矿山生产的需要。载重量220 t的湘电集团SF33900型电动轮自卸车代表了国内最高水平，而国外早在1999年就推出了载重量327 t的电动轮自卸车，如前面提到的Liebherr T282等车型，国内电动轮技术远远落后于国外。国内绝大多数矿用自卸车采用机械传动，电动轮自卸车的数量还比较少。机械传动效率较低，拉杆操纵，故障率高;直流电动机体积较大，占用车内较大空间，质量大，成本也很高。国外交流传动技术已非常成熟，国内的交流驱动系统还处于发展阶段，技术还不够完善，主要依靠进口产品。

四、矿用电动轮自卸卡车发展趋势

1.纵观矿用电动轮自卸卡车几十年来的发展，可以说，没有电力电子器件的发展就没有矿用电动轮自卸卡车的发展。电力电子器件的发展日新月异，电力电子器件的未来充满生机，新一代大电流、高结温、高频率、耐高压的复合型、模块化、高动态参数电力电子器件的问世，将推动交流变频调速技术及矿用电动轮自卸卡车技术的发展。

2.随着先进设计方法和软件技术的发展，大量先进设计方法和成熟的分析软件将应用于矿用电动轮自卸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，矿用电动轮自卸卡车整车的操纵稳定性、行驶平顺性、工作可靠性及使用寿命将得到较大提高。

3.国外排放标准的不断提高，将进一步促进矿用电动轮自卸卡车技术的提高。混合动力矿用电动轮自卸卡车将是一个重要发展方向，欧盟双能源矿用电动轮自卸卡车已研制出来，今后将会取得更大发展。双能源矿用电动轮自卸卡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。

4.电传动系统由直流电动机驱动到交流电动机驱动是必然的发展趋势，永磁同步电动机作为交流电动机的一种，有着很重大的研究价值和发展意义。目前，国内大吨位矿用电动轮自卸车除SGA 170 t采用直流电动机驱动型式以外，其余全是采用异步电动机驱动，国外电动轮自卸车则全部采用异步电动机驱动。Terex公司生产的载重363t的M T6300A C机型交流传动系统由无刷发电机、鼓风机、异步电动机和高传动比齿轮系组成。Liebherr公司最新推出的T282C机型也是采用Litronic公司的异步电动机作为驱动电动机。电动轮自卸车工作环境特殊，如运输距离小、行车速度低及工作环境多粉尘等特点，这就对交流驱动电动机的调速性能和防护等级有很高的要求。

结束语

研制载重280 t及以上吨级的大型矿用电动轮自卸车，发展载重170 t及以上吨级的交流电动轮传动技术是矿用电动轮自卸卡车发展的必然趋势。这样才能打破国外技术垄断和封锁，使我国大型矿用电動轮自卸车的技术水平达到国际同类产品的先进水平，从而为我国大型露天矿山提供性能优良的装备，为我国重大装备的国产化作出重大贡献。

参考文献：

[1]汤彪.电动轮驱动技术研究.2017.

[2]王萍.浅谈矿用电动轮自卸卡车技术现状及展望.2017.

（作者单位：国家能源集团准能集团公司设备维修中心）