國外大型礦用汽車最新發(fā)展和未來趨勢
□ 劉廷安
新興經(jīng)濟體經(jīng)過多年連續(xù)高速增值，現(xiàn)已開始放緩，因而，對礦產(chǎn)品的需求在下降，礦山生產(chǎn)和礦用汽車大型化的趨勢也隨之有所放緩。然而，依靠新技術(shù)進步，礦用汽車制造商和其配套的發(fā)動機公司并沒有停止腳步，不斷推出新的礦用汽車，對礦用汽車現(xiàn)存的各種問題還在進行不斷的改進與完善，從而更好地滿足礦山用戶的要求。本文分析了國外主要大型礦用汽車制造商及其配套的發(fā)動機公司近幾年的研發(fā)動向，對國外大型礦用汽車的新發(fā)展和未來的趨勢進行了論述。
大型礦用汽車的最新發(fā)展
國外主要有5家大型礦用汽車制造商：卡特彼勒、小松、利勃海爾、日立建機和別拉斯。為適應市場需求，這些制造商廣泛吸納以微電子技術(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，在美國的拉斯維加斯 Minexpo2012展會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)。
卡特彼勒推出了cat777G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(美國環(huán)保局)Tier4最終排放要求的發(fā)動機(比生效日期提前2年)，它將Cat Nox減少系統(tǒng)和柴油機氧化催化劑(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)動機油。777G還裝備有卡特 F一代變速器控制技術(shù)：先進生產(chǎn)率電子控制策略(APECS)。
此外，卡特彼勒還為從比塞洛斯收購的Unit Rig礦用汽車進行整合，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、液壓、電氣系統(tǒng)和懸掛，結(jié)合卡特彼勒的cat C175-16型發(fā)動機、cat 360 t AC電傳動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)動機和cat 240 t AC電傳動改造原有的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基地進行試驗，取得成果后，將成批生產(chǎn)。
日立建機推出最新的EH5000AC-3型礦用汽車，特別是采用了新的先進日立AC電傳動系統(tǒng)，其核心是先進的牽引技術(shù)，能使礦用汽車作業(yè)能力提高到新水平，將縱搖和制動控制加到原有礦用汽車打滑和滑動控制之中。它應用了康明斯 QSKTTA60-CE型柴油機，功率2 125 kW（2 850 hp）、轉(zhuǎn)速1 900 r/min，排放可達到EPA Tier2標準。全部制動都采用液壓動作。利用新的日立系統(tǒng)監(jiān)測器，提供全部機載系統(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，這可對現(xiàn)有的730E DC傳動礦用汽車增加一種AC傳動的選擇。設計的目的是為了在邊遠地區(qū)礦山作業(yè)，這是因為730E(AC)有一種bolt-together(螺釘協(xié)調(diào)配合在一起)的特點，可使這種礦用汽車在現(xiàn)場安裝與拆卸簡單方便，減少邊遠地區(qū)礦山對熟練技術(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，然后按要求運到現(xiàn)場。這種礦用汽車也方便維護，采用可拆卸的動力系統(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。對維護工培訓容易，使他們很快就能掌握正常維護工作。裝備有小松 XPLUS裝置，它以無線方式發(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))基礎設施，例如作業(yè)小時數(shù)、機體趨勢、空閑時間、燃油消耗以及生產(chǎn)作業(yè)信息都可在線存取，方便對機械問題進行分析和遠程診斷。AC傳動的730E(AC)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傳動系統(tǒng)，這種系統(tǒng)以最佳方式從柴油機接收動力，可使礦用汽車有足夠動力加速運行和爬坡。T264可將Litronic plus AC傳動和功率2 013 kW(2 700 hp)的發(fā)動機以及帶有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行時，使牽引力最大。T284可選擇最大功率高達3 000kW(4 023 hp)的發(fā)動機，礦山用戶可根據(jù)自己具體情況選擇最合適的發(fā)動機。
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)動機和西門子 MMT400AC傳動系統(tǒng)，能滿足EPA Tier2排放要求。它裝備許多新裝置，包括由攝像機、雷達和熱成像組成的視頻檢測系統(tǒng)，林肯(Lincoln)集中自動潤滑系統(tǒng)，輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)和燃油，發(fā)動機油及液壓油快速填加系統(tǒng)。該公司想開發(fā)有效載重高達450 t的超大型礦用汽車，采用3430 kW(4 600 Hp)發(fā)動機和西門子MMT400 AC傳動系統(tǒng)。
礦用汽車未來發(fā)展趨勢
隨著新興經(jīng)濟體經(jīng)濟的快速發(fā)展，對礦石原料的需求不斷加大，礦業(yè)為了適應這種加大的要求，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需要，另一方面能提高規(guī)模效益。特別是受經(jīng)濟危機影響，造成了價格沖擊，礦山走向大型化更為迫切。大型礦山發(fā)展推動了礦用汽車大型化：2004年在德國Bauma展覽會上，利勃海爾推出了有效載達327 t的T282B型礦用汽車，4年后在美國拉斯維加斯 MINEXPO 2008展覽會上卡特彼勒, 特雷克斯 Unit Rig(現(xiàn)由卡特彼勒收購了)和小松都推出和T282B同級別的礦用汽車分別為：797F(機械傳動)，MT6300AC和960E AC。在2012年美國拉斯維加斯 MINEXPO 2012展覽會上，利勃海爾推出有效載重高達363t的T284型礦用汽車。各種超大型礦用汽車競爭礦業(yè)市場。
新興經(jīng)濟體經(jīng)過多年高速發(fā)展后，現(xiàn)在開始放緩，因而影響了礦山大型化以致礦用汽車大型化的發(fā)展，也就說礦用汽車大型化也會放緩。
在談到礦用汽車的發(fā)展時，不得不簡單談談AC電傳動和機械傳動的對比問題，這個問題已經(jīng)爭論多年了，現(xiàn)可以得出結(jié)論了，AC電傳動礦用汽車要優(yōu)于機械傳動的礦用汽車。理由有三：一是運行速度快，爬坡能力強，縮短了作業(yè)循環(huán)，提高了生產(chǎn)效率；二是較少的機件，故障率低、維護費用低，作業(yè)率高；三是由于能實現(xiàn)再生發(fā)電制動，減少了工作制動器的磨損，特別是可實現(xiàn)再生發(fā)電制動和機械制動共同作用，可在重載下坡作業(yè)中發(fā)揮優(yōu)勢。
礦用汽車除了上述大型化放緩，AC電傳動的發(fā)展前景外，在下述5個方面也有發(fā)展趨勢。
無人操作自動化有了新進展
礦用汽車實現(xiàn)無人操作自動化有很多好處：徹底解決了司機的安全問題，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)工人問題(特別是礦山處于邊遠地區(qū))，可為礦山帶來顯著經(jīng)濟效益。然而自動化所創(chuàng)造的經(jīng)濟、社會價值和應用地區(qū)特定的條件有關(guān)。若自動化礦用汽車在一些地區(qū)比另外一些地區(qū)所創(chuàng)造的價值更高，則這些地區(qū)就會更早應用自動化技術(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年礦山未來發(fā)展計劃的一部分，對小松無人操作運輸系統(tǒng)(AHS)進行了試驗。取得了初步成果后，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150臺無人操作自動化礦用汽車，2012年開始交貨，到2015年全部交完。這種礦用汽車由遠離礦區(qū)1 500 km的Perth 力拓操作中心控制(這個中心管理這個地區(qū)14個礦，3個港口和3條鐵路)。已于2012年把在West Angela礦作業(yè)的5臺小松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)。
卡特彼勒是在安全和提高生產(chǎn)率兩個關(guān)鍵推動力作用下開展礦用汽車自動化研發(fā)的。2008年卡特彼勒和Carnegie Mellon大學機械人研究所合作，開發(fā)研究大型礦用汽車自動化技術(shù)，使有效載重240 t的礦用汽車實現(xiàn)無人操作自動化。Carnegic Mellon大學研究人員將為美軍所開發(fā)的感知、計劃和無人操作自動化軟件結(jié)構(gòu)應用到礦用汽車上?？ㄌ乇死諞Q定在由必和必拓開發(fā)的無人操作自動化礦山運輸系統(tǒng)的基礎上進行開發(fā)研究。卡特彼勒和用戶密切合作將過去5?6年所進行的小規(guī)模試驗擴大到礦山實際生產(chǎn)中去。卡特彼勒也將其開發(fā)的Minestar車隊管理系結(jié)合到自動化運輸指令模塊中，可以全面管理自動化礦用汽車隊?？ㄌ乇死赵诿绹履鞲缰?span lang="EN-US">Navajo煤礦，對3臺無人操作自動化793F型礦用汽車進行了試驗，將在2013稍晚時候，在必和必拓所屬的西澳洲Jimblebar礦山現(xiàn)場進行無人操作自動化礦用汽車實際生產(chǎn)試驗。此外，卡特彼勒還和Fortescue金屬集團(FMG)的solomon鐵礦合作，進行無人操作自動化礦用汽車試驗，爭取在3年期間實現(xiàn)該礦45臺卡特彼勒自動化礦用汽車的目標。
日立建機和車隊管理系統(tǒng)供應商Wenco公司合作，首先開發(fā)研究并且結(jié)合Wenco公司的多項技術(shù)，然后對自動化產(chǎn)品再進一步精制，使產(chǎn)品成功實現(xiàn)無人操作自動化作業(yè)，增加用戶的經(jīng)濟效益。
利勃海爾也將進行礦用汽車自動化方面的開發(fā)研究，主要為將來打基礎。目前正在觀察了解市場接受情況和無人操作自動化礦用汽車的潛力。
另外，從2000年起就從事農(nóng)業(yè)和軍用車輛自動化的ASI公司，也于2006年進入了礦業(yè)市場，先后使礦用汽車和推土機實現(xiàn)了無人操作自動化。
解決越來越嚴格的排氣要求問題
過去幾年礦用汽車制造商及其配套的發(fā)動機公司都在研究改進排放技術(shù)，爭取滿足在2011年生效的EPA Tier4i(Tier4過渡標準)和歐盟stageⅢB標準要求：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)碳氫化合物(HC)和一氧化碳(CO)排放。緊接著要滿足2014?2015年生效的EPA Tier4最終標準和歐盟Stage ⅢA標準：要求NOX和PM比Tier3和StageⅢ水平減少90%。EPA Tier4和StageⅢA不能互換。5家大型礦用汽車制造商由3家發(fā)動機公司提供柴油機，其中卡特彼勒既是大型礦用汽車制造商又是發(fā)動機制造公司，自己制造的大型礦用汽車使用自己生產(chǎn)的發(fā)動機。這樣卡特彼勒可從發(fā)動機和礦用汽車兩方面考慮解決排放問題。卡特彼勒在2012年推出的777G型礦用汽車，采用了發(fā)動機技術(shù)和柴油機氧化催化劑(DOC)相結(jié)合的方法，提前2年達到了EPATier4最終排放標準要求。給另外4家礦用汽車制造商配套的發(fā)動機公司主要有兩家：康明斯和MTU?？得魉拐J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)生化學反應，生成氮氣和水。這不但減少了NOX和PM排放而且還能降低燃油消耗，延長發(fā)動機無故障作業(yè)時間，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，導致NOX減少，而高壓共軌燃油噴射能合理利用高壓噴射時燃燒持續(xù)期短的特點，同時又利用EGR，可使PM和NOX 減少。此外，采用先進的渦輪增壓技術(shù)也有利于PM減少。
雙燃料發(fā)動機有發(fā)展?jié)摿?span lang="EN-US">
在露天礦年生產(chǎn)預算中，柴油和潤滑油年費用大約占40%左右，而其中柴油費用占比重較大，很顯然柴油費用很高。液化天然氣(LNG)的價格比柴油低得多，LNG是柴油最佳替代品。據(jù)曾應用過大功率天然氣發(fā)動機的人稱，利用天然氣燃油費用可節(jié)省30%?50%。但是天然氣也有缺點：點火時要求溫度較高。為解決這個問題，可用柴油點火引導天然氣點火，這樣就出現(xiàn)了開發(fā)研究雙燃料發(fā)動機的課題。
卡特彼勒已和專門從事天然氣發(fā)動機研究的Westport公司合作，簽訂了合作協(xié)議：共同開發(fā)雙燃料大功率礦用發(fā)動機。雙方將Westport的高壓直噴技術(shù)(HPDⅠ)和卡特礦用發(fā)動機技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)天然氣燃料系統(tǒng)。HPDⅠ是以專利噴嘴為基礎，在高壓下嚴格控制柴油數(shù)量和大量天然氣進入燃燒室。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，柴油點火可作為先導火花引燃天然氣燃燒。HPDⅠ可用天然氣取代95%的柴油(按能量計算)，保持功率不變，CO2排放減少大約22%。這種發(fā)動機可100%使用柴油作業(yè)，不能100%使用天然氣作業(yè)。卡特彼勒計劃先開發(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)動機，預計5年內(nèi)實現(xiàn)商業(yè)化。
康明斯也宣布為礦用汽車開發(fā)雙燃料發(fā)動機計劃，首先用QSK60型發(fā)動機作為第一臺使用雙燃料的發(fā)動機，然后使QSK系列全部應用雙燃料。QSK60有兩個類型：標準的和高山配置的。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縫且自動在柴油和天然氣模式之間解決，最大替代比例為70%。如果沒有天然氣，可100%利用柴油。
MTU也注意到了天然氣在礦用汽車上的應用，但在這方面還沒有具體行動。
混合動力(Hybrid)有發(fā)展前途
2003年時任美國總統(tǒng)的布什宣布一個稱作氫燃料倡議(HFi)計劃：開發(fā)研究氫燃料電池和相應技術(shù)，爭取在2020年，使燃料電池汽車投入應用。聯(lián)合國提供10億美元專用資金，用于燃料電池的開發(fā)研究。以固態(tài)氧化物燃料電池為例，簡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)。當氫進入燃電池陽極時，在此發(fā)生化學反應，氫的電子和氫的原子分離，帶負電的電子通過導線進入燃料電池的陰極，氧氣進入燃料電池的陰極，它拾起來自導線的電子并帶著電子通過電解質(zhì)進入陽極，在此和脫離電子帶正電的氫原子相結(jié)合成生水。這樣通過導線形成電路，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(或帶有電動機)與柴油機結(jié)合起來就構(gòu)成一種混合動力系統(tǒng)。這在公路汽車上已有成功的實例，但是在大型礦用汽車上是否可行？卡特彼勒、小松、利勃海爾和別拉斯都在研究開發(fā)。特別是美國G、E公司和小松以及美國能源部組成研發(fā)團隊，論證了混合動力系統(tǒng)。該系統(tǒng)能充分利用下坡(特別是重載下坡)緩行時所產(chǎn)生的能量給電池充電，這不但能節(jié)省燃油，從而能提高在坡道上的運行速度。
提高安全性是永恒的主題
對礦用汽車而言，安全是非常重要的因素，它不但會造成人員傷亡和設備損壞，而且還嚴重影響礦山生產(chǎn)。礦用汽車除了一般的安全措施，諸如：落石防護結(jié)構(gòu)(FOPS)、翻車防護結(jié)構(gòu)(ROPS)、防振、隔熱、隔音及防巖塵等等之外，各礦用汽車制造商都在想方設法提高礦用汽車的安全程度，從而滿足礦山用戶的要求。
利勃海爾基于礦山用戶的要求制定了一個計劃，給礦用汽車駕駛員提供更多幫助，開發(fā)研究3個產(chǎn)品：觀看盲區(qū)的攝像系統(tǒng)，檢測礦用汽車周圍物體的雷達和攝像系統(tǒng)以及監(jiān)測駕駛員疲勞或煩躁不安的室內(nèi)攝像系統(tǒng)，計劃在2014年推出。
小松也開展了類似的工作，將在今后12個月將Komvision系統(tǒng)安裝在幾種電傳動礦用汽車上。Komvision利用8個雷達和6個動態(tài)量程壓縮攝像機給駕駛員提供360?。的可見視野。系統(tǒng)自動檢測出小型車輛，以可見的不同類型布告和能聽到聲音方式給駕駛員報警。
日立建機利用Carion公司研發(fā)的Sky Angle系統(tǒng)，這種系統(tǒng)在礦用汽車上安裝多個量程寬的攝像機，將所攝多個圖像進行合成，顯示在駕駛室屏幕上，為駕駛員提供礦用汽車周圍的“鳥瞰圖”。Skyangle安全性極佳，駕駛員可快速了解周圍發(fā)生的情況，駕駛員還可以調(diào)節(jié)到放大模式，了解更寬區(qū)域出現(xiàn)的情況。
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