柏艷茹， 苑 昆， 馮茂林

(北京安期生技術(shù)有限公司， 北京 100083)

1 國內(nèi)外地下鏟運(yùn)機(jī)的混合動力技術(shù)現(xiàn)狀

世界范圍來看，能源問題會在可預(yù)見的時間內(nèi)出現(xiàn)枯竭，石油危機(jī)顯得更加劇烈、緊迫?！坝透碾姟弊匀皇羌冸妱痈鼜氐?，而現(xiàn)實(shí)的、短期的問題是純電動續(xù)航里程不足，無法滿足消費(fèi)者需求。從需求驅(qū)動的角度來看，混合動力是為了解決常規(guī)動力車燃油經(jīng)濟(jì)性較差而出現(xiàn)的一種技術(shù)革新。限于現(xiàn)實(shí)的、短期的問題，目前的情況是混合動力成為主流產(chǎn)品。由于地下鏟運(yùn)機(jī)的環(huán)境更加惡劣與復(fù)雜的工況，目前國外在此領(lǐng)域也還處于研發(fā)階段，沒有相應(yīng)的混合動力鏟運(yùn)機(jī)樣機(jī)?；旌蟿恿κ峭ㄍ磥淼姆浅Ｖ匾募夹g(shù)。

2 國內(nèi)地下鏟運(yùn)機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

綠色礦山理念是對傳統(tǒng)礦業(yè)的沖擊，在過去，大家對綠色礦山不像現(xiàn)在這樣關(guān)注和重視，隨著時間的發(fā)展，綠水青山就是金山銀山是指發(fā)展經(jīng)濟(jì)不能以我們的生存環(huán)境為代價。在城市環(huán)境污染日益嚴(yán)重的當(dāng)下，全球呼吁節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)的聲音越來越強(qiáng)烈，以至環(huán)保已經(jīng)上升為國家戰(zhàn)略。這就要求全民族樹立起環(huán)保意識，資源意識，生存意識。發(fā)展綠色礦業(yè)，建設(shè)綠色礦山，是一項(xiàng)戰(zhàn)略任務(wù)，需要全社會的關(guān)注與支持，更需要各方面的協(xié)調(diào)與共同努力。

地下鏟運(yùn)機(jī)在井下生產(chǎn)施工中，工況變化復(fù)雜惡劣，負(fù)載波動頻繁，采用柴油機(jī)驅(qū)動方式污染嚴(yán)重，要求井下通風(fēng)設(shè)施好；采用蓄電池驅(qū)動方式因蓄電池的特性不適合尖峰放電、目前蓄電池的續(xù)航時間不夠等因素而沒有在現(xiàn)今的地下鏟運(yùn)機(jī)上被采用。采用混合動力技術(shù)因用電傳動技術(shù)可以用較小功率的柴油機(jī)代替原來較大功率柴油機(jī)，既能達(dá)到節(jié)油的目的又避免總成件國際壟斷的困擾。而且在采掘區(qū)域可以減小通風(fēng)風(fēng)機(jī)的功率達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的?；旌蟿恿κ侵竿ㄟ^多種動力源的配合工作，在不同負(fù)載和工況下，對動力源進(jìn)行控制，使發(fā)動機(jī)、電動機(jī)充分發(fā)揮自己的特點(diǎn)已達(dá)到節(jié)能減排的功效。通過合理的動力匹配控制，柴油機(jī)可以長期工作在節(jié)能高效區(qū)，使燃油燃燒更充分，提高燃油利用率，減少尾氣污染物排放量。

3 混合動力鏟運(yùn)機(jī)的技術(shù)基礎(chǔ)

北京安期生技術(shù)有限公司與北京科技大學(xué)共同承擔(dān)國家項(xiàng)目，從2013年起開始進(jìn)行混合動力鏟運(yùn)機(jī)的研究與開發(fā)，在理論研究和樣機(jī)開發(fā)上取得了突破進(jìn)展，試制出世界首臺14噸級AHCY514型混合動力鏟運(yùn)機(jī)。目前已申請2項(xiàng)發(fā)明專利和2項(xiàng)實(shí)用新型專利獲得授權(quán)。

圖1 AHCY514型混合動力鏟運(yùn)機(jī)俯視圖

圖2 AHCY514型混合動力鏟運(yùn)機(jī)側(cè)視圖

經(jīng)過近5年的研發(fā)與技術(shù)積累，在大噸位混合動力鏟運(yùn)機(jī)設(shè)計(jì)理論、動力混合系統(tǒng)匹配技術(shù)、超級電容應(yīng)用與電源控制技術(shù)、大型地下鏟運(yùn)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、大型混合動力鏟運(yùn)機(jī)主要部件及整機(jī)制造技術(shù)研究上積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。解決了混合動力匹配、電源控制及液壓控制等設(shè)計(jì)與制造中的關(guān)鍵技術(shù)難題，研制出大型混合動力井下鏟運(yùn)機(jī)樣機(jī)，樣機(jī)經(jīng)過了型式試驗(yàn)和在礦山生產(chǎn)中工業(yè)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)應(yīng)用。從基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法開始，構(gòu)建針對大型混合動力井下設(shè)備的現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法；根據(jù)使用條件、動力互補(bǔ)、經(jīng)濟(jì)性等要求，以動力性能高、節(jié)能效果好、輕量化和經(jīng)濟(jì)性合理為目標(biāo)，對混合動力鏟運(yùn)機(jī)的合理匹配及動力模型進(jìn)行了深入地研究，實(shí)現(xiàn)了混合動力鏟運(yùn)機(jī)動力的合理分配。

工況分析是車輛總體設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，運(yùn)用ADAMS和Automation studio軟件建立鏟運(yùn)機(jī)虛擬樣機(jī)模型并進(jìn)行仿真，得到了以功率為特征變量的鏟運(yùn)機(jī)循環(huán)工況。通過分析可知14噸級地下鏟運(yùn)機(jī)峰值功率為248.6 kW，占總時間的13.7%，循環(huán)工況的平均功率僅為峰值功率33%。研究結(jié)果為動力系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)提供依據(jù)[1]。

4 混合動力鏟運(yùn)機(jī)構(gòu)成

混合動力地下鏟運(yùn)機(jī)的構(gòu)成主要是由柴油發(fā)動機(jī)、儲能裝置以及電動機(jī)、逆變器共同組成?；旌蟿恿夹g(shù)的應(yīng)用解決了地下鏟運(yùn)機(jī)的兩大痛點(diǎn)。一是怠速問題，在鏟運(yùn)機(jī)怠速狀態(tài)時，大量的燃油消耗在此階段，發(fā)動機(jī)空轉(zhuǎn)不僅浪費(fèi)能源、還排放污染環(huán)境。二是能量回收，這種利用儲能裝置回收多余量并反饋利用的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改善柴油發(fā)動機(jī)的工作狀況，降低了燃油消耗和環(huán)境污染，同時提高了系統(tǒng)工作效率。

應(yīng)用混合動力作為動力系統(tǒng)，根據(jù)研究目標(biāo)、通過分析比較最終確定混合動力地下鏟運(yùn)機(jī)動力系統(tǒng)布置方案，針對混合動力地下鏟運(yùn)機(jī)的結(jié)構(gòu)、工況、控制策略以及柴油發(fā)動機(jī)、電動機(jī)的工作特性，研究基于混合度匹配動力系統(tǒng)中柴油發(fā)動機(jī)、儲能裝置的參數(shù)。

混合動力地下鏟運(yùn)機(jī)的特點(diǎn)，以柴油發(fā)動機(jī)為動力源，儲能裝置是輔助動力源，利用超級電容作為儲能裝置的串聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)地下鏟運(yùn)機(jī)循環(huán)工況的特點(diǎn)分析動力分配和油耗問題。整車采用顯示屏、控制器和CAN通訊的相結(jié)合的走線方式對混合動力鏟運(yùn)機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

5 環(huán)境適應(yīng)性

對于柴油地下鏟運(yùn)機(jī)在井下工作時，不僅僅是液壓系統(tǒng)工作時，需要發(fā)動機(jī)提供足夠的動力，而且在平路或者斜坡道上行走時也要求發(fā)動機(jī)提供較大的功率輸出。而對于混合動力地下鏟運(yùn)機(jī)只有在液壓系統(tǒng)工作時和超級電容電量較低時，要求發(fā)動機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速。對于其他情況使發(fā)動機(jī)工作在萬有特性圖中油耗最低點(diǎn)的轉(zhuǎn)速即可滿足要求，從而節(jié)約油耗提高燃油效率。

為改善地下鏟運(yùn)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性，針對井下各種工況試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，要求發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速工作在某一區(qū)域才能達(dá)到最佳油耗?？蓮撵o態(tài)和動態(tài)兩方面考慮，其中靜態(tài)條件是使發(fā)動機(jī)工作在特性曲線的最佳油耗點(diǎn)，動態(tài)條件是使發(fā)動機(jī)工作在特性曲線的平穩(wěn)區(qū)域不頻繁變化為此提出串聯(lián)混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。針對該系統(tǒng)提出了一種雙層控制結(jié)構(gòu)的功率跟隨控制策略[3]。實(shí)現(xiàn)了發(fā)動機(jī)動力的合理分配。該策略能有效的控制混合動力地下鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保目的。

另外混合動力地下鏟運(yùn)機(jī)由于采用小功率柴油發(fā)動機(jī)和儲能裝置提供動能的方式，可以避免高原地區(qū)柴油發(fā)動機(jī)動力不足的問題，適合于高海拔區(qū)域氧氣不充足的環(huán)境。

6 現(xiàn)場使用情況

混合動力地下鏟運(yùn)機(jī)下線調(diào)試后,已經(jīng)過礦山井下實(shí)地進(jìn)行工業(yè)運(yùn)行驗(yàn)證?；旌蟿恿︾P運(yùn)機(jī)在平巷內(nèi)經(jīng)過約500小時試驗(yàn)，鏟運(yùn)機(jī)平均單程運(yùn)距100 m，工作循環(huán)時間如圖3所示。

圖3 工作循環(huán)時間

試驗(yàn)情況數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1所示，將混合動力鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)鏟運(yùn)機(jī)對比如圖4所示?？芍?1)產(chǎn)能與柴油6立方相同；是某4立方鏟運(yùn)機(jī)的1.5倍。(2)小時油耗為柴油6立方鏟運(yùn)機(jī)的61.7%；為4立方鏟運(yùn)機(jī)的78.6%。(3)噸礦油耗為柴油6立方鏟運(yùn)機(jī)的61.7%；為4立方鏟運(yùn)機(jī)的52.3%。

經(jīng)現(xiàn)場運(yùn)行試驗(yàn)證明，AHCY514混合動力地下鏟運(yùn)機(jī)性能良好，運(yùn)行平穩(wěn)，有效的保證了生產(chǎn)任務(wù)，可以滿足礦山井下工作需求。在保證產(chǎn)量的同時有效的降低了能耗及污染，具有較高的使用經(jīng)濟(jì)性。

根據(jù)表1的小時油耗數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出AHCY514混合動力地下鏟運(yùn)機(jī)一年的油耗為：921 823.98元；柴油6立方地下鏟運(yùn)機(jī)的一年油耗為：1 493 650.62元，由此可見混合動力地下鏟運(yùn)機(jī)一年可以節(jié)約油耗571 826.64元。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖4 油耗對比

7 設(shè)備的發(fā)展前景

能源短缺和環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重。全球能源危機(jī)和環(huán)境惡化，尤其是井下環(huán)境惡劣、通風(fēng)效果不好急需發(fā)展清潔地下鏟運(yùn)機(jī)、減少污染物排放量。特別是美國和歐盟明確規(guī)定了非公路機(jī)動設(shè)備的排放標(biāo)準(zhǔn)。隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人們的健康意識越來越重，安全舒適的工作環(huán)境意識越來越強(qiáng)。能源的有限性是資源的基本屬性之一，節(jié)約資源是提高經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵。因此開發(fā)節(jié)能效率的地下混合動力鏟運(yùn)機(jī)對于綠色礦山開采具有重大現(xiàn)實(shí)意義。