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MINExpo 2008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Detroit Diesel 16V-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Cummins QSK-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