国外大型矿用汽车研制与发展.pdf

赵 昱 东 马鞍 山矿 山研 究 院 ． 安徽 马鞍 山 2 4 3 0 0 4 [ 关键词】露天矿山； 矿用汽车 ； 结构； 发展 5 一 厂 [ 摘要】本文论述 了露天矿用汽车发展概况、 结构特点 、 传动方式 、 配套设备、 自动化水平和 无人驾驶技术的研制与发展。 [ 中图分类号]T D 5 7 2 ． 1 [ 文献标识码]B [ 文章编号]1 U 0 2 - 8 9 5 1 2 0 0 0 0 2 - 0 0 3 3 0 4 Re s e a r c h a n d d e v e l o p me n t o f h e a v y d u t y t r u c k s a b r o a d ZHAO Yu d o n g Ma a nsh a n Re s e a r c h I n s t i t u t e o fMi n e s ， Ma a n s h a n 2 4 3 0 0 4。 C i n a Ke y wo r d s o p e n p i t m i n e ； mi n e t r u c k s ； s t r u c t u r e ； d e v e l o p me n t Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ， t h e d e v el o p me n t s i t u a t i o n，s t r u c t u r a l b e h a v i o u r 。 mo d e t r a n s mi s s i o n。 a s s o c i a t e d e q u i p me n t ． a u t o ma t i o n l e v e l a n d ma n hs s d r i v i n g t e c h ni q u e s d o pe n p i t m i n e t r u c k s a r e e x p o u n d e d． 1 前言 矿用汽车是嚣天矿 山运输的重要设备 。 随着露天矿开采规模的扩大， 开采深度的增 加， 运输道路坡度 的变陡 ， 铁路运输效率降 低， 曲率半径受到限制 ， 爬坡能力低 ， 很难适 应深部开采的要求 ， 此为大型矿用汽车的发 展提供了机遇。随着大功率柴油机和大规模 轮胎相继研制成功 。 传 动方式的发展 。 微电子 技术的进一步扩大应用 ， 为矿用汽车大型化 发展创造了条件。目前露天矿运输 中， 国外 汽车运输 占 8 0 ％～9 0 ％以上。随着工业技 术发展 ， 矿用汽车广泛采用新材料、 新技术和 新工艺 。 其结构性能发生深刻的变化． 取得了 迅猛发展。据不完全统计 ， 全世界拥有载重 量 l l 0 t以上 的大型矿用汽车 7 4 3 0多辆 ， 其 中载重量 2 1 8 t 的汽车 占 3 0 ％。 载重量 2 8 0 t 以上的汽车 占 2 ％。1 9 9 8年， 大型汽车出厂 [ 作者简介】 赵昱东 。 男 。 教授级高级工程师。 量达 6 0 0 辆， 其中载重量 2 1 8 t 汽车 占出厂量 的 5 0 ％。这些大型汽车在全世界 4 2 5座露 天矿山使用。 其中在煤矿使用最多， 占汽车总 量的 4 2 ％。 铜矿 占 2 6 ％。 铁矿 占 1 3 ％。近 6 0 ％集中在美国、 加拿大、 澳大利亚和智利等 国。生产使用表明 大型矿用汽车具有燃油 消耗少、 生产效率高、 运营成本低 的特点 。 可 以大幅度提高矿山生产率和经济效益。 2 新产品不断推 出 电动轮汽车从 1 9 6 3 年到现在， 国外已有 主要生产厂家 8 个 。 先后 推出 3 O多种型号 ， 新 产 品 不 断 推 出。生 产 数 量 最 多 的 厂 家 当 属 尤 尼特 里格设备公 司。其 生产的 MT一4 0 0 0型载重量 2 1 8 t 电 动 轮 汽 车 于 1 9 8 8年 投 放 市 场。在 9 0年 代 又 推 出 MT 一4 加 0 、 MT 一4 8 0 0 、 MT 一5 2 0 0 ， 最 近 又 推出 MT一5 5 0 0型载重量 3 0 7 t 的大型电动 轮汽车。其主要特点是载重与 自重 比高 ． 先 进的前 轴粱 设计、 太直 径 前端 锥 形 轴承 、 维普资讯 有色矿山 2 0 0 0拒 T R I RS 型称重 和工况监测系统及全景挡风 玻璃的整体 R O P S ／ F O R S驾驶室等 ， 从而提 高了运输效率， 增加 了可靠性 ， 使大修间隔期 提高到 4 0 0 0小时 ， 延 长了轮胎寿命， 提供 良 好的视野 ， 改善了司机的安全性能。 小松德莱赛公司豪帕克分公司在载重量 为 2 1 8 t的 8 3 0 E 型 电动 轮 汽车 基 础上 于 1 9 9 5 年推 出 9 3 0 E型载重量为 2 8 0 t 的电动 轮汽车。采用 3 2位微机控制和可靠的交流 感 应 电 动 机 的 驱 动 系统。 日本桥 石公 司 4 8 ／ 9 5 R 5 2 型轮胎 ， 一般前轮轮胎工作温度高 于后轮， 将该车重心后移 1 ％， 仍趋 向于车厢 前部装载以防矿岩撒落在路面上刺破轮胎。 制动系统用整圈湿式盘式制动器 ， 在汽车两 侧后轮各有 1 0个主动制动盘。为减少主车 架和车身向应力区内部和周围焊缝数量 ， 使 用铸件达 5 0 ％， 使车身后 枢轴寿命达 5 0 0 0 0 小时。三相鼠笼式感应 电动机坚固可靠 ， 维 修费用低。双罐液压转向系统由蓄能器协助 操作。车速可达 6 4 k n g h ， 最大限度提高生产 率 ， 驱动效率高 ， 无需更换轴承、 维修量少 ， 维 修费用低。司机室具有视野 良好和空调 、 隔 音防震性能 。 美国利勃海尔采矿设备公司最近推出载 重量 3 2 7 t 的 T 2 8 2型 电动轮汽车， 是两轴式 柴油电力交流传动系统的矿用汽车。其交流 传动系设计成用少量配件就能配置成架线辅 助系统。该车采用底特律 MT U1 6 V 4 0 0 0型 柴油机 ， 额定功率 2 MW。配用酉 门子交流 驱动系统 ， 可 提 供 附 加制动备用能 力 ， 总 的 动 力 缓 行 能 力高 ， 达到 4 7 MW， 速度可 降至 0 ． 8 k r n ] h 。牵引电机具有成套配置的特 点， 使其组台式 电机安在机 内， 两行星齿轮装 置安在机外 ， 可提供 6 4 k h速度和 良好变 速性能。总成结构布置合理 ， 可靠性高。该 车节省燃油消耗、 辅助作业时间少 、 维护工作 量和费用低 、 生产效率高。 在电动轮汽车 向大型化发展的同时 ， 液 力机械传动汽车也得到了迅猛 的发展 。9 0 年代以来 ， 大型机械传动汽车市场 占有率 已 超过 5 2 ％。 卡特被勒公司生产大型液力机械传动汽 车 ， 产品质量和技术性 能在 国内享有盛誉 。 该公 司 1 9 9 1年推出载重量 2 1 8 t的 C A T～ 7 9 3型机械传动汽车后 ， 最近又将推出重量 3 2 7 t 的 C A T 7 9 7型机械传动汽车 ， 采用两轴 机械传动结构提高传动性能和效率。装有两 台 C A T 3 5 1 2型柴油机 ， 总功率 为 2 5 3 5 k W ， 采用电子控制喷油系统、 涡轮增压、 独立双冷 却回路。可增太冷却能力、 减少燃油消耗、 降 低排除烟气的温度。传动系统带有锁紧离合 器的液力变矩器、 微机控制的七速行星轮动 力换档变速箱以及大型双减速终传动和差速 器。换档过程中用变矩器驱动 ， 以缓冲齿轮 啮合的冲击。当汽车卸载时传动装置能 自动 断开后退档以防意外倒车。在驾驶室内设有 电子监控系统可实现工况监测和故 障诊断， 并能及时显示和报警。装有 自行开发的电子 称重装 置。 此外 ， 日本小松公司 ， 美 国德雷塞公司、 Ⅵ 公司、 尤尼特 里格设备公 司 ， 英 国的 T e r e x 公司， 瑞典 V o lv o 公司等均生产各 自特 点的不同规格系列液力机械传动大型矿用汽 车 ， 在世界各 国大型露天矿山应用。 3 传动方式不断创新 传动效率不断 提高 9 0年代以来， 随着汽车载重量 的增加． 新技术、 新结构和新材料的应用， 两种传动方 式的矿用大型汽车 ， 不断改造各 自产品， 提高 技术性能 ， 发挥各自特长， 在竞争中发展。 目 前大型电动轮矿用汽车 载重量 1 1 0 -- 2 1 8 t 采用直流电动机驱动系统 ， 具有低速 度高扭矩特性 ， 对长距离 的稳定坡度运输 比 较有利 ， 传动效率较高 。但在太坡度或坡度 变化较大地段运行时， 因受温度升高使 电机 的持续爬坡能力太大降低 ， 必须减慢汽车的 维普资讯 第 2 期 赵昱 东 国外 大型矿 用 汽车研 制 与发 展 3 5 运行速度。电传动方式是 “ 机械能电能 机械能 ” 。由于经过两次 能量转换 ， 将产 生能量损失 ， 效率降低 。直流电机结构复杂， 有许多运行部件在满负荷运转时 ， 必须降低 运行速度 ， 以防止电动机过热 ， 现已安装了热 报警装置 ， 保护电机 。 最近 开发 的载 重 量 2 8 0 t的大型 电动 轮 汽车 ， 如 “ 1 “ 2 8 0型 、 Ha u l p a k 9 3 0 E等型号 汽车 都改用交流驱动系统。柴油机直接驱动交流 发 电机 ， 发 出交 流 电 ， 将其 整流成控制系统用 的直流电， 然后再用逆变器把直流电换成交 流电以带动三相鼠笼型感应电动机。用安装 在主发 电机一侧的辅助风机产生量大、 力强 空气流， 以冷却 电动机 、 静态激磁器和主整流 器。该系统有一牵引控制器 ， 它可检测 出减 速时打滑和驱动时旋转 ， 以及平稳地引发与 后轮无关地 减少扭 矩 。另 外 开动 汽车 时 ， 使 司机能感到该车处于挂档、 脱档和减速状态。 三相 鼠笼型感 应 电动机坚 固耐用 ， 提高 了 电 机绝缘 等 级 ， 取 消励 磁 机 、 电机 无 整 流 子 限 制 ， 增大 了扭矩 ， 改善 了性 能 ， 在相 同规格 时 ， 能提高传动效率和 车速 ， 可靠性高、 维修量 小， 维修费用低。可提供附加制动备用能力 ， 缓行能力高， 总动力可达到 4 7 MW， 运行速 度可降至 0 ． 8 k r n ／ h ． 通过工作制动的动作实 现最终 停车 。美 国 GE公 司 S t a t e xⅢ微 处 理 机控制系统 的成功应用 ， 大大地减少了机械 式继电器 ， 简化系统 ， 减少故障， 便于维修， 改 善 了发动机特性 曲线 ， 既能提高传动效率 ， 又 能减少燃油 消耗 和运 营费用 。 随着科学技术的发展 ， 合金钢冶炼 与热 处理工艺取得突破性进展， 解决了制造大型 机械传 动汽车所必需 的零件 问题。如高强 度、 小尺寸的液力变矩器和变速箱等的材料、 工艺和可靠性。与此同时， 制动系统 ， 轴承设 计与工艺的改进 ， 以及微电子技术的渗入 ， 实 现了节油控制， 废气排放控制 ， 离台器调节、 换档减速控制 ， 使发动机扭矩匹配更加合理 ， 促进了大型机械传动汽车的发展。 卡特彼勒公 司 的 C AT 7 9 3型矿 用 汽 车 ， 采用行星式 自动动力换档变速箱 ， 用微机控 制离合器并进行个别 调节 ， 可使换档平稳 、 迅 速 。它有 6个前 进档和 1个后退档 。单 手柄 控制的变速箱可在第一档到司机选定的最高 档之间上下 自动换档。后退档和第一档用液 力变矩驱动 ， 第一档设 有锁定装置。第二档 到第六档全部用高效的直接档驱动。在换档 过 程中 ， 可变矩器短 时驱动 ． 以缓 冲齿轮 的啮 合冲击。此外还设有标准换慢速档限速器 ， 当司机 在不适 当地换 入慢 速档 时 ， 柴 油发 动 机不致产生超速 。 在矿山道路坡度一定 的条件下， 就燃油 消耗、 循环时间和部件载荷而言， 传动效率决 定着车辆的性能。一般来说 ， 机械传动则不 存在能量转换问题。因此 ， 其传动效率高 ， 可 达 9 0 ％， 比电传动效率约高 1 0 ％。可降低汽 车燃油消耗。该公司即将推出的 C A 2 “ 7 9 7型 机 械传动型汽车。由于采用微 电子控制 的 自 动动力换档变速箱 ， 在换档过程 中使传动力 矩变化平滑 ． 控制尖锋扭矩 ， 并 可调整离台 器， 从而避免功率损失 ， 防止轮胎打滑。具有 较大的运行速度范围， 较高的传动效率 ， 运行 速度快． 爬坡能力强， 汽车下坡减速制动 的可靠性高， 故障率低 ， 而且机械故 障直观。 容易判断、 维护和检修。在快速、 加速及多变 的运输道路适应能力强， 显示 了比电传动方 式的优越 性 。 4 自动化水平不断提高 无人驾驶汽 车进入实用阶段 微电子技术 的发展， 使微 电子机械系统 ME MS 把信息获取 、 处理和执行 集成在一 起形成系统 ； 信息化技术已走 向多媒体、 网络 化 以及智能化。都 为汽车 自动化和无人 驾驶 技术的进步创造了条件。对现有发动机喷油 系统 自动控制 ， 传动系统 自动控制 ， 如变速箱 自动换档等进一步改进性能的基础上 ， 走向 维普资讯 有色矿山 2 0 O 0年 智能化控制， 能按照汽车运行条件 的变化 自 动选择最佳参数 ， 实现增加生产能力 ， 降低燃 油消耗 ， 创造更 大的经济效益 。 美 国 GE公司 S t a t e xI H型微机 控 制系统 仅用 5块插件就能完成励磁控制 逻辑控制、 系统保护、 故障显示和信息存储等全部功能。 实现对电动轮汽车运行、 参数和实际数据的 监测 ， 并进行记录和统计报表。维修人员可 查阅历史数据、 分析故障发生原因。并能及 时发现故障征兆 ， 及时修理 ， 防止形成大故 障。 卡特彼 勒 公 司 电子 监 控 系统 E MS 可 对机械传动汽车各主要系统故障或潜在问题 提供三级显示 当仪表盘上的二级管发亮时， 提醒司机注意 ， 交流发电机、 燃油滤清器存在 问题 ； 当主警告灯发亮时， 表明冷却温度 、 液 压油温度、 变矩器／ 变速箱油温、 变速箱滤清 器等有问题 ， 应立 即处理 ； 当闪光灯和喇叭发 出警告 ， 表明冷却剂油量 、 机油压力、 制动器 汽压和转向机构等出现问题 ， 必须立即停车 进行修理， 否则会引起机件损坏 。 微机的突破性进展 ， 全球卫星定位系统 G P S 的扩大应用 ， 将 使无人驾驶汽车进入 实用阶段。这不仅 大幅度 降低汽车运 营费 用 ， 而且再也不用担心司机的安全性。对边 远旷野地区、 高海拔地区的矿山解决了雇用 司机 的困难 。 日 本小松公司从 9 O 年代以来 ， 开始 了无 人驾驶汽车技术的研究工作 ． 到 1 9 9 2 年第一 台载重 7 7 t 的汽车在 日本某水泥公司一个采 石场 进 行 无 人 驾 驶 汽 车试 验， 运 行 速 度 3 6 k r d h ， 用 雷达作 为 检测 障碍物 的手 段。 1 9 9 5年 ， 在 昆士兰矿投入使用 。1 9 9 6年在澳 大利亚有 5辆无人驾驶汽车投入使用。它采 用架线供电方式， 用每秒工作 1 O次的耦合脉 冲激光校准制导系统和全球卫星定位系统 ， 可连续准确地复制线路 ， 以厘米级精度 在道 路上行驶。使用表明 节省人工费用 ， 一人可 控制 3台汽车 ， 完全不存在司机操作失误问 题。载重量 8 5 t 的汽车每吨运费可降低 1 5 ％ ～ 1 8 ％。 目前该公 司正 在 对载 重量 2 8 0 t的 汽车运用无人驾驶技术进行开发工作。相继 又有一套改型架线辅助系统的无人驾驶 的汽 车 ， 运往美 国 B a r r i c k G o l d s t r i k e 矿 。 卡特 彼勒 公 司 在 9 O年 代 曾用 cA 1 _ 7 8 5 型汽车研 究无人驾驶 技术， 1 9 9 3年将 G P S 全球卫星定位系统应用到无人驾驶汽车技术 中去， 并用扫描雷达系统检测 1 0 0 m 以内道 路上的障碍物 ， 就有足够时间使汽车减速和 停车。汽车后部和侧 面装有短距离 雷达 ， 使 汽车驶入装载设备附近时 ， 汽车停下来。 前已在美国矿山试用。 [ 参考文献】 [ 1 ]左立标． 露天矿大型运输汽 车 的应用[ J ]世界 采 矿快 报 ， 1 9 9 7 ， 7 1 6一墙 ． [ 2 ]周叔 良译 ． 9 3 0 E新型电动轮汽车[ J ] ． 世界采矿 快报， 1 9 9 6 ， 1 5 2 1 2 2 ． [ 3 ]赵治字 刺勃海尔采矿设备公 司研制出 3 2 7 t 矿 用汽车[ J ] ． 国外金属矿山 ， 1 9 9 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