國(guó)外大型礦用汽車最新發(fā)展和未來(lái)趨勢(shì)

1、國(guó)外大型礦用汽車最新發(fā)展和未來(lái)趨勢(shì) 劉廷安新興經(jīng)濟(jì)體經(jīng)過(guò)多年連續(xù)高速增值，現(xiàn)已開(kāi)始放緩，因而，對(duì)礦產(chǎn)品的需求在下降，礦山生產(chǎn)和礦用汽車大型化的趨勢(shì)也隨之有所放緩。然而，依靠新技術(shù)進(jìn)步，礦用汽車制造商和其配套的發(fā)動(dòng)機(jī)公司并沒(méi)有停止腳步，不斷推出新的礦用汽車，對(duì)礦用汽車現(xiàn)存的各種問(wèn)題還在進(jìn)行不斷的改進(jìn)與完善，從而更好地滿足礦山用戶的要求。本文分析了國(guó)外主要大型礦用汽車制造商及其配套的發(fā)動(dòng)機(jī)公司近幾年的研發(fā)動(dòng)向，對(duì)國(guó)外大型礦用汽車的新發(fā)展和未來(lái)的趨勢(shì)進(jìn)行了論述。大型礦用汽車的最新發(fā)展國(guó)外主要有5家大型礦用汽車制造商：卡特彼勒、小松、利勃海爾、日立建機(jī)和別拉斯。為適應(yīng)市場(chǎng)需求，這些制造商廣泛吸納以微電

2、子技術(shù)為核心的高科技成果，發(fā)展和完善各種類型的大型礦用汽車。2012年，在美國(guó)的拉斯維加斯 Minexpo2012展會(huì)上上述制造商都推出了各自的新產(chǎn)品，這些新產(chǎn)品就是大型礦用汽車新發(fā)展的體現(xiàn)?？ㄌ乇死胀瞥隽薱at777G型礦用汽車(有效載重91 t)，取代777F型礦用汽車。777G裝備有能滿足EPA(美國(guó)環(huán)保局)Tier4最終排放要求的發(fā)動(dòng)機(jī)(比生效日期提前2年)，它將Cat Nox減少系統(tǒng)和柴油機(jī)氧化催化劑(DOC)技術(shù)結(jié)合在一起。并且要求利用超低硫柴油和低碳發(fā)動(dòng)機(jī)油。777G還裝備有卡特 F一代變速器控制技術(shù)：先進(jìn)生產(chǎn)率電子控制策略(APECS)。此外，卡特彼勒還為從比塞洛斯收購(gòu)的Uni

3、t Rig礦用汽車進(jìn)行整合，將MT5300D AC型礦用汽車(有效載重290 t)配置在793F和795FAC之間，利用原有的Unit Rig MT系列的底盤(pán)、液壓、電氣系統(tǒng)和懸掛，結(jié)合卡特彼勒的cat C175-16型發(fā)動(dòng)機(jī)、cat 360 t AC電傳動(dòng)以及車輛信息管理系統(tǒng)，形成新的MT5300D AC型礦用汽車。用 3516 C HD型發(fā)動(dòng)機(jī)和cat 240 t AC電傳動(dòng)改造原有的Unit Rig MT4400型礦用汽車，形成新的MT4400D AC型礦用汽車，有效載重218 t。這兩種新改造的礦用汽車現(xiàn)在正在卡特彼勒位于亞利桑那州的試驗(yàn)基地進(jìn)行試驗(yàn)，取得成果后，將成批生產(chǎn)。日立建機(jī)推

4、出最新的EH5000 AC-3型礦用汽車，特別是采用了新的先進(jìn)日立AC電傳動(dòng)系統(tǒng)，其核心是先進(jìn)的牽引技術(shù)，能使礦用汽車作業(yè)能力提高到新水平，將縱搖和制動(dòng)控制加到原有礦用汽車打滑和滑動(dòng)控制之中。它應(yīng)用了康明斯 QSKTTA60-CE型柴油機(jī)，功率2 125 kW（2 850 hp）、轉(zhuǎn)速1 900 r/min，排放可達(dá)到EPA Tier2標(biāo)準(zhǔn)。全部制動(dòng)都采用液壓動(dòng)作。利用新的日立系統(tǒng)監(jiān)測(cè)器，提供全部機(jī)載系統(tǒng)和控制裝置的信息顯示和診斷。小松推出了730E(AC)型新礦用汽車，這可對(duì)現(xiàn)有的730E DC傳動(dòng)礦用汽車增加一種AC傳動(dòng)的選擇。設(shè)計(jì)的目的是為了在邊遠(yuǎn)地區(qū)礦山作業(yè)，這是因?yàn)?30E(AC)有

5、一種bolt-together(螺釘協(xié)調(diào)配合在一起)的特點(diǎn)，可使這種礦用汽車在現(xiàn)場(chǎng)安裝與拆卸簡(jiǎn)單方便，減少邊遠(yuǎn)地區(qū)礦山對(duì)熟練技術(shù)工人的需求。這意味著新礦用汽車可快速布置給施工困難的工程，然后按要求運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)。這種礦用汽車也方便維護(hù)，采用可拆卸的動(dòng)力系統(tǒng)模塊，利用比其它礦用汽車更少的軟管、軸承、泵以及抗磨損件。對(duì)維護(hù)工培訓(xùn)容易，使他們很快就能掌握正常維護(hù)工作。裝備有小松 XPLUS裝置，它以無(wú)線方式發(fā)送礦用汽車作業(yè)信息到安全網(wǎng)站，不需要增加IT(信息技術(shù))基礎(chǔ)設(shè)施，例如作業(yè)小時(shí)數(shù)、機(jī)體趨勢(shì)、空閑時(shí)間、燃油消耗以及生產(chǎn)作業(yè)信息都可在線存取，方便對(duì)機(jī)械問(wèn)題進(jìn)行分析和遠(yuǎn)程診斷。AC傳動(dòng)的730E(AC)

6、型礦用汽車在2013年有限量的生產(chǎn)，2014年全面生產(chǎn)。利勃海爾推出兩種新的礦用汽車：T264型和T284型。T264的有效載重為240 t，T284是一種新的真正超級(jí)大型礦用汽車，有效載重為363 t。這兩種礦用汽車都裝備有Litromic Plus AC傳動(dòng)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)以最佳方式從柴油機(jī)接收動(dòng)力，可使礦用汽車有足夠動(dòng)力加速運(yùn)行和爬坡。T264可將Litronic plus AC傳動(dòng)和功率2 013 kW(2 700 hp)的發(fā)動(dòng)機(jī)以及帶有4輪傳感器的牽引控制系統(tǒng)結(jié)合在一起，能自動(dòng)調(diào)節(jié)后輪扭矩，從而在轉(zhuǎn)彎，或從靜止加速，或在濕滑和冰雪路面運(yùn)行時(shí)，使?fàn)恳ψ畲?。T284可選擇最大功率高達(dá)3

7、000kW(4 023 hp)的發(fā)動(dòng)機(jī)，礦山用戶可根據(jù)自己具體情況選擇最合適的發(fā)動(dòng)機(jī)。白俄羅斯別拉斯推出Belaz-75603型礦用汽車，有效載重為327 t，利用康明斯QSK78-C型發(fā)動(dòng)機(jī)和西門(mén)子 MMT400AC傳動(dòng)系統(tǒng)，能滿足EPA Tier2排放要求。它裝備許多新裝置，包括由攝像機(jī)、雷達(dá)和熱成像組成的視頻檢測(cè)系統(tǒng)，林肯(Lincoln)集中自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)，輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和燃油，發(fā)動(dòng)機(jī)油及液壓油快速填加系統(tǒng)。該公司想開(kāi)發(fā)有效載重高達(dá)450 t的超大型礦用汽車，采用3430 kW(4 600 Hp)發(fā)動(dòng)機(jī)和西門(mén)子MMT400 AC傳動(dòng)系統(tǒng)。礦用汽車未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)隨著新興經(jīng)濟(jì)體經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展

8、，對(duì)礦石原料的需求不斷加大，礦業(yè)為了適應(yīng)這種加大的要求，礦山生產(chǎn)有向大型化發(fā)展的傾向，大型化一方面能滿足市場(chǎng)需要，另一方面能提高規(guī)模效益。特別是受經(jīng)濟(jì)危機(jī)影響，造成了價(jià)格沖擊，礦山走向大型化更為迫切。大型礦山發(fā)展推動(dòng)了礦用汽車大型化：2004年在德國(guó)Bauma展覽會(huì)上，利勃海爾推出了有效載達(dá)327 t的T282B型礦用汽車，4年后在美國(guó)拉斯維加斯 MINEXPO 2008展覽會(huì)上卡特彼勒, 特雷克斯 Unit Rig(現(xiàn)由卡特彼勒收購(gòu)了)和小松都推出和T282B同級(jí)別的礦用汽車分別為：797F(機(jī)械傳動(dòng))，MT6300AC和960E AC。在2012年美國(guó)拉斯維加斯 MINEXPO 2012展

9、覽會(huì)上，利勃海爾推出有效載重高達(dá)363t的T284型礦用汽車。各種超大型礦用汽車競(jìng)爭(zhēng)礦業(yè)市場(chǎng)。新興經(jīng)濟(jì)體經(jīng)過(guò)多年高速發(fā)展后，現(xiàn)在開(kāi)始放緩，因而影響了礦山大型化以致礦用汽車大型化的發(fā)展，也就說(shuō)礦用汽車大型化也會(huì)放緩。在談到礦用汽車的發(fā)展時(shí)，不得不簡(jiǎn)單談?wù)凙C電傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)的對(duì)比問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)爭(zhēng)論多年了，現(xiàn)可以得出結(jié)論了，AC電傳動(dòng)礦用汽車要優(yōu)于機(jī)械傳動(dòng)的礦用汽車。理由有三：一是運(yùn)行速度快，爬坡能力強(qiáng)，縮短了作業(yè)循環(huán)，提高了生產(chǎn)效率；二是較少的機(jī)件，故障率低、維護(hù)費(fèi)用低，作業(yè)率高；三是由于能實(shí)現(xiàn)再生發(fā)電制動(dòng)，減少了工作制動(dòng)器的磨損，特別是可實(shí)現(xiàn)再生發(fā)電制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)共同作用，可在重載下坡作業(yè)

10、中發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。礦用汽車除了上述大型化放緩，AC電傳動(dòng)的發(fā)展前景外，在下述5個(gè)方面也有發(fā)展趨勢(shì)。無(wú)人操作自動(dòng)化有了新進(jìn)展礦用汽車實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作自動(dòng)化有很多好處：徹底解決了司機(jī)的安全問(wèn)題，能提高生產(chǎn)率和作業(yè)率，降低作業(yè)成本，解決了缺少技術(shù)工人問(wèn)題(特別是礦山處于邊遠(yuǎn)地區(qū))，可為礦山帶來(lái)顯著經(jīng)濟(jì)效益。然而自動(dòng)化所創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)價(jià)值和應(yīng)用地區(qū)特定的條件有關(guān)。若自動(dòng)化礦用汽車在一些地區(qū)比另外一些地區(qū)所創(chuàng)造的價(jià)值更高，則這些地區(qū)就會(huì)更早應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)。力拓在該公司所屬的西澳大利亞West Angela鐵礦，作為2008年到2020年礦山未來(lái)發(fā)展計(jì)劃的一部分，對(duì)小松無(wú)人操作運(yùn)輸系統(tǒng)(AHS)進(jìn)行了試驗(yàn)。取得了

11、初步成果后，力拓于2011年決定，為其所屬Pilbara地區(qū)最大的Yandi-coogina鐵礦，從小松訂購(gòu)150臺(tái)無(wú)人操作自動(dòng)化礦用汽車，2012年開(kāi)始交貨，到2015年全部交完。這種礦用汽車由遠(yuǎn)離礦區(qū)1 500 km的Perth 力拓操作中心控制(這個(gè)中心管理這個(gè)地區(qū)14個(gè)礦，3個(gè)港口和3條鐵路)。已于2012年把在West Angela礦作業(yè)的5臺(tái)小松 930E型礦用汽車也調(diào)到了Yandi-coogina礦和新訂的礦用汽車一起作業(yè)?？ㄌ乇死帐窃诎踩吞岣呱a(chǎn)率兩個(gè)關(guān)鍵推動(dòng)力作用下開(kāi)展礦用汽車自動(dòng)化研發(fā)的。2008年卡特彼勒和Carnegie Mellon大學(xué)機(jī)械人研究所合作，開(kāi)發(fā)研究大型

12、礦用汽車自動(dòng)化技術(shù)，使有效載重240 t的礦用汽車實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作自動(dòng)化。Carnegic Mellon大學(xué)研究人員將為美軍所開(kāi)發(fā)的感知、計(jì)劃和無(wú)人操作自動(dòng)化軟件結(jié)構(gòu)應(yīng)用到礦用汽車上?？ㄌ乇死諞Q定在由必和必拓開(kāi)發(fā)的無(wú)人操作自動(dòng)化礦山運(yùn)輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究?？ㄌ乇死蘸陀脩裘芮泻献鲗⑦^(guò)去56年所進(jìn)行的小規(guī)模試驗(yàn)擴(kuò)大到礦山實(shí)際生產(chǎn)中去?？ㄌ乇死找矊⑵溟_(kāi)發(fā)的Minestar車隊(duì)管理系結(jié)合到自動(dòng)化運(yùn)輸指令模塊中，可以全面管理自動(dòng)化礦用汽車隊(duì)?？ㄌ乇死赵诿绹?guó)新墨西哥州Navajo煤礦，對(duì)3臺(tái)無(wú)人操作自動(dòng)化793F型礦用汽車進(jìn)行了試驗(yàn)，將在2013稍晚時(shí)候，在必和必拓所屬的西澳洲Jimblebar礦山現(xiàn)場(chǎng)

13、進(jìn)行無(wú)人操作自動(dòng)化礦用汽車實(shí)際生產(chǎn)試驗(yàn)。此外，卡特彼勒還和Fortescue金屬集團(tuán)(FMG)的solomon鐵礦合作，進(jìn)行無(wú)人操作自動(dòng)化礦用汽車試驗(yàn)，爭(zhēng)取在3年期間實(shí)現(xiàn)該礦45臺(tái)卡特彼勒自動(dòng)化礦用汽車的目標(biāo)。日立建機(jī)和車隊(duì)管理系統(tǒng)供應(yīng)商Wenco公司合作，首先開(kāi)發(fā)研究并且結(jié)合Wenco公司的多項(xiàng)技術(shù)，然后對(duì)自動(dòng)化產(chǎn)品再進(jìn)一步精制，使產(chǎn)品成功實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作自動(dòng)化作業(yè)，增加用戶的經(jīng)濟(jì)效益。利勃海爾也將進(jìn)行礦用汽車自動(dòng)化方面的開(kāi)發(fā)研究，主要為將來(lái)打基礎(chǔ)。目前正在觀察了解市場(chǎng)接受情況和無(wú)人操作自動(dòng)化礦用汽車的潛力。另外，從2000年起就從事農(nóng)業(yè)和軍用車輛自動(dòng)化的ASI公司，也于2006年進(jìn)入了礦業(yè)市場(chǎng)

14、，先后使礦用汽車和推土機(jī)實(shí)現(xiàn)了無(wú)人操作自動(dòng)化。解決越來(lái)越嚴(yán)格的排氣要求問(wèn)題過(guò)去幾年礦用汽車制造商及其配套的發(fā)動(dòng)機(jī)公司都在研究改進(jìn)排放技術(shù)，爭(zhēng)取滿足在2011年生效的EPA Tier4i(Tier4過(guò)渡標(biāo)準(zhǔn))和歐盟stageB標(biāo)準(zhǔn)要求：功率在560 kW(761 hp)以上的礦用汽車尾氣排放顆粒(PM)和氮氧化物(NOX)減少，并要調(diào)節(jié)碳?xì)浠衔?HC)和一氧化碳(CO)排放。緊接著要滿足20142015年生效的EPA Tier4最終標(biāo)準(zhǔn)和歐盟Stage A標(biāo)準(zhǔn)：要求NOX和PM比Tier3和Stage水平減少90%。EPA Tier4和StageA不能互換。5家大型礦用汽車制造商由3家發(fā)動(dòng)機(jī)公

15、司提供柴油機(jī)，其中卡特彼勒既是大型礦用汽車制造商又是發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司，自己制造的大型礦用汽車使用自己生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)。這樣卡特彼勒可從發(fā)動(dòng)機(jī)和礦用汽車兩方面考慮解決排放問(wèn)題?？ㄌ乇死赵?012年推出的777G型礦用汽車，采用了發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和柴油機(jī)氧化催化劑(DOC)相結(jié)合的方法，提前2年達(dá)到了EPA Tier4最終排放標(biāo)準(zhǔn)要求。給另外4家礦用汽車制造商配套的發(fā)動(dòng)機(jī)公司主要有兩家：康明斯和MTU?？得魉拐J(rèn)真研究了各種可能的技術(shù)方案后，決定采用選擇性催化還原技術(shù)(SCR)。這項(xiàng)技術(shù)是將尿素和水制成混合物，在排氣高溫作用下，生成氨，用氨作還原劑，在催化劑作用下，氨和NOX發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成氮?dú)夂退＿@不但減

16、少了NOX和PM排放而且還能降低燃油消耗，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)故障作業(yè)時(shí)間，提高可靠性。MTU不采用后處理技術(shù)，主要利用冷卻排氣再循環(huán)(EGR)和高壓共軌燃油噴射技術(shù)(第三代燃油噴射)。冷卻排氣再循環(huán)，能降低燃燒溫度，導(dǎo)致NOX減少，而高壓共軌燃油噴射能合理利用高壓噴射時(shí)燃燒持續(xù)期短的特點(diǎn)，同時(shí)又利用EGR，可使PM和NOX 減少。此外，采用先進(jìn)的渦輪增壓技術(shù)也有利于PM減少。雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)有發(fā)展?jié)摿υ诼短斓V年生產(chǎn)預(yù)算中，柴油和潤(rùn)滑油年費(fèi)用大約占40%左右，而其中柴油費(fèi)用占比重較大，很顯然柴油費(fèi)用很高。液化天然氣(LNG)的價(jià)格比柴油低得多，LNG是柴油最佳替代品。據(jù)曾應(yīng)用過(guò)大功率天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的人稱，利

17、用天然氣燃油費(fèi)用可節(jié)省30%50%。但是天然氣也有缺點(diǎn)：點(diǎn)火時(shí)要求溫度較高。為解決這個(gè)問(wèn)題，可用柴油點(diǎn)火引導(dǎo)天然氣點(diǎn)火，這樣就出現(xiàn)了開(kāi)發(fā)研究雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的課題。卡特彼勒已和專門(mén)從事天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)研究的Westport公司合作，簽訂了合作協(xié)議：共同開(kāi)發(fā)雙燃料大功率礦用發(fā)動(dòng)機(jī)。雙方將Westport的高壓直噴技術(shù)(HPD)和卡特礦用發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)天然氣燃料系統(tǒng)。HPD是以專利噴嘴為基礎(chǔ)，在高壓下嚴(yán)格控制柴油數(shù)量和大量天然氣進(jìn)入燃燒室。天然氣是在壓縮行程末端噴入，先由少量柴油噴入氣缸后，緊接著大量天然氣噴入汽缸，柴油點(diǎn)火可作為先導(dǎo)火花引燃天然氣燃燒。HPD可用天然氣取代95%的柴油(按能量計(jì)算

18、)，保持功率不變，CO2排放減少大約22%。這種發(fā)動(dòng)機(jī)可100%使用柴油作業(yè)，不能100%使用天然氣作業(yè)?？ㄌ乇死沼?jì)劃先開(kāi)發(fā)研究用于卡特793，卡特795AC，卡特797這三種礦用汽車的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，預(yù)計(jì)5年內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化?？得魉挂残紴榈V用汽車開(kāi)發(fā)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)劃，首先用QSK60型發(fā)動(dòng)機(jī)作為第一臺(tái)使用雙燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)，然后使QSK系列全部應(yīng)用雙燃料。QSK60有兩個(gè)類型：標(biāo)準(zhǔn)的和高山配置的。利用雙燃料技術(shù)，可從根本上降低燃油消耗成本?？得魉箤⒉捎镁C合控制技術(shù)，根據(jù)作業(yè)條件，以最佳天然氣替代比例無(wú)縫且自動(dòng)在柴油和天然氣模式之間解決，最大替代比例為70%。如果沒(méi)有天然氣，可100%利用柴油。MTU

19、也注意到了天然氣在礦用汽車上的應(yīng)用，但在這方面還沒(méi)有具體行動(dòng)。混合動(dòng)力(Hybrid)有發(fā)展前途2003年時(shí)任美國(guó)總統(tǒng)的布什宣布一個(gè)稱作氫燃料倡議(HFi)計(jì)劃：開(kāi)發(fā)研究氫燃料電池和相應(yīng)技術(shù)，爭(zhēng)取在2020年，使燃料電池汽車投入應(yīng)用。聯(lián)合國(guó)提供10億美元專用資金，用于燃料電池的開(kāi)發(fā)研究。以固態(tài)氧化物燃料電池為例，簡(jiǎn)單介紹一下其作用原理：利用金屬(鈣、鋯一類金屬)氧化物和陶瓷的混合材料(較硬)作為電解質(zhì)。當(dāng)氫進(jìn)入燃電池陽(yáng)極時(shí)，在此發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，氫的電子和氫的原子分離，帶負(fù)電的電子通過(guò)導(dǎo)線進(jìn)入燃料電池的陰極，氧氣進(jìn)入燃料電池的陰極，它拾起來(lái)自導(dǎo)線的電子并帶著電子通過(guò)電解質(zhì)進(jìn)入陽(yáng)極，在此和脫離電子帶正電的氫原子相結(jié)合成生水。這樣通過(guò)導(dǎo)線形成電路，構(gòu)成了燃料電池。燃料電池種類很多，這是其中一種。將燃料電池(或帶有電動(dòng)機(jī))與柴油機(jī)結(jié)合起來(lái)就構(gòu)成一種混合動(dòng)力系統(tǒng)。這在公路汽車上已有成功的實(shí)例，但是在大型礦用汽車上是否可行？卡特彼勒、小松、