大型礦山電動輪汽車發動機自主研發及關鍵技術研究

張偉旗

(江西銅業集團銅材有限公司， 江西 貴溪 335424)

大型礦山電動輪汽車發動機自主研發及關鍵技術研究

張偉旗

(江西銅業集團銅材有限公司， 江西 貴溪 335424)

大型礦山電動輪汽車發動機的安全、高效、低耗、環保和經濟運行問題，一直是國內外重點研究的技術領域。德興銅礦采用二次創新即引進消化吸收再創新的技術路徑，使其核心技術研發能力取得突破性的提升，多項關鍵技術填補了國內外技術空白，推廣應用價值高。

電動輪汽車發動機；自主研發；成本能耗水平

發動機是電動輪汽車和工程機械的“心臟”部件，也是其動力之源。德興銅礦銅廠和富家塢采區日采選礦石產能13萬t/d，其礦石年采剝總量巨大，達1.32億t/a。故采用十幾臺大型電動挖掘機和配套的七十多臺電動輪卡車進行采礦作業[1]。而大型礦山電動輪汽車核心部件發動機運行是否平穩，十分關鍵。特別是，近年來發動機故障頻發且有逐年上升的趨勢，電動輪出勤率低，維修成本高，勢必直接影響礦山的開采率和成本能耗水平，進而影響整個采礦區的有序生產，嚴重阻礙和制約了生產的順行，因而成為該礦生產技術的“瓶頸”。

電動輪汽車是礦山的主要運輸工具，其對發動機的可靠性和耐久性要求比普通汽車要高得多，且隨著該礦產能的不斷攀升，采區凹陷開采的進一步加劇，電動輪皆需長距離重車爬坡，其發動機劣化傾向凸顯，一些新故障、新問題將逐漸暴露出來。而面對電動輪汽車“心臟老化”等技術難題，如何將設備劣化負面影響降至最低，保證大型礦用電動輪的安全順行，大幅提高礦山的技術經濟和環保效益，就必須打破國外的技術封鎖和長期的壟斷，持續地針對大型礦山電動輪汽車發動機進行自主研發和關鍵技術研究，十分必要。

1 主要技術現狀

大型礦用電動輪汽車因技術含量高、研發周期長、試制試驗費用高、資金占用量大、配套體系要求高，目前在世界上僅有美國、德國、日本、中國和白俄羅斯等能夠研發和生產，市場份額>90%。特別是國外最大噸位車目前已達400 t級，而我國僅為220 t級，國產車無論是在技術上或規模上與國外相比，差距較大[2]。其核心部件發動機絕大多數采用Cummins公司K系列柴油機或DDC公司149系列柴油機，少數裝過MTU公司396系列和Caterpillar公司D35系列柴油機，皆采用廢氣渦輪增壓和中冷等法增大輸出功率，大修保證期皆>10000 h。除早期采用的149系列柴油機為二沖程機外，余皆為四沖程。K系列柴油機油耗較低218.4 g/kW·h，80年代占有60%的市場。而DDC公司研發旁路Bypass裝置改善進氣系統后，油耗低，競爭力比Cummins公司更強，Caterpillar公司和MTU公司柴油機也裝用過，耗油量很低且可靠性高，大修保證期>18000 h。但Caterpillar公司柴油機工作容積比同噸位車輛大37%，自重約2 t。MTU公司柴油機與同功率柴油機貴約15%，缺乏競爭力，但功率富余較大，礦用電動輪汽車向更大噸位發展時，極具潛力[3]。

2 使用狀況分析

如表1所示，為目前德興銅礦在線使用的電動輪汽車發動機主要車型及特點對比。其發動機皆選用大功率、空氣廢氣渦輪增壓、強制空氣中冷、往復活塞式柴油機。其可分為四沖程和二沖程兩種，主要由機體組、曲柄連桿機構、配氣機構、進排氣系統、潤滑系統、冷卻系統及其它輔助系統等組成。其中，機體組主要由汽缸體、汽缸蓋、氣缸套、齒輪等部分組成。由于其發動機結構設計復雜，制造精密，使用壽命長、動力性能好、節能環保，與汽油發動機相比，其熱效率高約30%，燃油經濟性好，因而廣泛應用于大型露天礦山電動輪汽車，為其提供燃油動力。

表1 目前德銅電動輪在線使用的電動輪汽車發動機主要機型及特點對比

截止2014年12月止，德銅采礦區在線使用的大型露天礦山電動輪汽車共63臺，其中R-170型電動輪12臺；R- 190Ⅲ型14臺；EH3500型5臺；630型6臺；730E型25臺；830E型12臺，含國產車2臺，另有6臺R- 170型、2臺630E型、2臺R190型電動輪汽車現已改為灑水車使用。其發動機部件均屬易損件，價格昂貴且維修費用高。

3 關鍵技術及設計研發

3.1 設計創建全封閉無塵維修車間

電動輪汽車對環境質量要求很高且特殊，該礦專門對采礦場發動機大修車間進行了技術改進，創建了全封閉無塵維修車間Clean Room，也稱無塵室或清凈室。該車間內設施齊全，配有軟面標準工作臺、發動機翻轉機、清洗機、手動液壓搬動車、工具專用掛車、移動式貨架等。為有效地降低起塵和保持地面潔凈，宜將所有窗戶改進為密封性能好的塑鋼窗，將原車間水泥地面改進為樹脂耐磨地面；配置先進的空氣凈化系統，以排除空氣中的微粒子、有害空氣、細菌等污染物，且將室內之溫度、潔凈度、室內壓力、氣流速度、氣流分布、噪音振動、照明、靜電等控制在規定范圍內，無論外在空氣條件如何變化，室內均能具有維持原先所設定要求的潔凈度、溫度、濕度和壓力等特性。為降低維修過程中的二次污染，有效地提高發動機的維修質量，一些大的總成部件維修均吊裝在特制的托盤上進行，對維修后的備件和部件及時采用塑料包裝膜包裝，且將維修工具擦拭干凈后，再放入專用箱內。

3.2 發動機試壓工藝的改進

該礦通過技術攻關，自行研制了一批堵頭、閥門和連接管路，成功地將發動機試壓工藝改在發動機組裝工序中來完成，可利用組裝翻轉架旋轉360°進行全方位的觀察和監測，基本杜絕了電動輪汽車發動機試運行期的系統泄漏故障，大幅提高了試壓檢測的質量，促使電動輪汽車的故障率大為降低。

3.3 發動機翻轉機的研制

由于大型露天礦山電動輪汽車大都從國外引進，目前維修技術尚不太成熟，一些維修設施及手段也不齊全，甚至完全依賴進口。特別是發動機、大梁及前、后懸掛的維修裝配等，工序復雜，需要進行多次翻轉，不斷地變換維修工作面才能完成，若沒有一種專用的裝夾翻轉器具，僅靠車間里的橋式起重機下墊鋼支架和道木翻轉工件來完成，極為繁瑣。

該礦針對2006年引進的一批電動輪康明斯K2000E專用發動機翻轉機無法與新引進的MTU4000發動機維修使用相匹配的狀況，且為節約新購一臺康明斯K2000E發動機專用翻轉機的成本，該礦對原MTU4000/12V型發動機翻轉機工作性能展開了一系列的技術創新和攻關。為便于維護、檢修和裝配該發動機，該礦自主研制了一種能實現康明斯K2000發動機在翻轉機上360°安全旋轉、便于發動機維修、解體和組裝的新裝夾機，且對翻轉機進行了結構尺寸和選型優化設計，新設計的4件K2000發動機專用連接固定件，通過組裝后，能成功地將近6 t的K2000E發動機與翻轉機旋轉架連接在一起，因而其各項技術指標均能達到預期的效果。其具有安全自鎖功能，操作簡單、維修方便、安全高效，能同時便于MTU4000和底特律149發動機的維護保養，可大幅降低維修費用。

3.4 曲軸箱設計和曲軸磨損技術創新

3.4.1曲軸箱設計改進

2003年，曲軸箱壓力報警器總成需求量大，進口備件耗費成本高，每件折合人民幣6700元，且時常斷貨，嚴重影響生產；同時，大量舊總成件被廢棄，浪費極大，新設計僅需更換一只吸合開關和一塊墊子，即可完成修舊利廢工作。

2007年，該礦針對曲軸箱壓力過高故障，成功研制出了149型電動輪汽車發動機曲軸箱壓力過高連鎖保護，使該發動機的使用壽命大幅提升；2009年，該礦針對曲軸箱壓力不高故障，采用冷車啟動方法進行檢測，待排查出故障原因后，給予解決。

3.4.2曲軸磨損修復技術創新

康明斯發動機曲軸是電動輪汽車上的核心部件，曲軸嚴重磨損時，往往需購買新配件進行組裝，但進口備件采購周期長，約需半年時間，因而嚴重制約了采礦設備的正常運行。2008年，該礦經過技術攻關，首次采用金屬修補工藝、安裝耐磨套等辦法，成功攻克了這一困擾礦山多年的技術難題，可大幅降低采礦成本，且填補了該礦類似維修的國內外技術空白。

3.5 發動機輸出功率和進氣溫度高改進

2006年，隨著該礦產能的提升，銅廠采區凹陷開采的進一步深入，電動輪爬坡距離延長，要求發動機功率必須足夠大，受設備老化的影響，發動機大修后的輸出功率難以達到額定功率，嚴重影響發動機的爬坡能力和使用壽命。該礦針對發動機泵噴嘴結構進行精心設計和優化，使其輸出功率較以前提高了100多馬力，可基本滿足功率需求。

2010年，該礦根據電動輪汽車不同作業狀況，通過對比4個中冷器的溫度，成功消除了發動機進氣溫度高等隱性故障，促使電動輪汽車比計劃提前2天投入生產。

3.6 發動機水泵水封安裝專用工具研制

水泵是電動輪汽車發動機冷卻系統的關鍵總成件。但因原采用修理工藝欠妥，其核心部件旋轉總成的修理質量較差，該泵常出現漏油或漏水故障，導致不得不引進新的水泵旋轉總成來保證水泵的修理質量。其主因是一水封的安裝不正確。該礦自主研制了一套水封安裝專用工具，成功解決了該技術難題，實現了水泵旋轉總成的自主維修。

3.7 發動機減震器輪轂專用拆卸工具設計

拆卸發動機減震器輪轂時，既耗時，又費力，該礦利用15#鋼邊角料和廢舊螺桿，設計了一套專門拆卸發動機減震器輪轂的專用工具，僅需一個人、耗時20分鐘，便可輕松地完成3個人、4個小時干的活，杜絕了原硬性拆卸時對設備造成的損傷，發動機大修進度快，員工勞動強度低，可節省大量的維修時間，大幅減少維修成本。

3.8 149液壓式發動機設計改進

3.8.1由液壓式變身為電控式

底特律149發動機于20世紀八、九十年代先后引進，可分為機械、液壓和電控式三種類型，因設備劣化傾向明顯，大多于2006年先后退役，僅有6臺改進后應用于銅廠和富家塢采區的電動輪灑水車上。隨著149液壓式發動機進入新一輪大修維護階段，由于其屬于淘汰產品，無從采購，也無同類機型可更換，使采區防塵難度加大，也不利于安全生產。而通過技術測量和綜合對比，針對其缸蓋、凸輪軸、搖臂、噴嘴、線束、傳感器、中冷器、掃氣泵、ECM等進行全面改進，特別是利用數據線連接發動機噴嘴與相當于電腦主機的ECM，通過ECM控制，可及時向缸內噴入燃油，由此能夠實現電控發動。

該礦結合生產實際，積極推進了工序化修理模式，對整機部分拆卸、備件清洗、總成維修等每個工藝流程，進行明確劃分、責任到人；對于改進過程中部分缺件，參照149電控式發動機技術參數，采用修舊利廢等措施加以解決；對拆卸更換下的可用零部件，以備今后149液壓式發動機大修使用。原大修一臺149液壓式發動機，需耗費70余萬元，設計將其由原液壓式變身為電控式后，僅耗費10萬元即可。大修一臺149電控式發動機，至少需耗時1個半月，而改造一臺僅需2周，有利于其它發動機今后的選配、修復等。

3.8.2將149型設計改進為K2000E型

該礦電動輪汽車原使用的149發動機國外已淘汰不再生產，為確保電動輪汽車的正常運行，2005～2007年，該礦與美國康明斯公司進行技術合作，將原149型發動機設計改進為K2000E型，對其20余部小松/尤克里德電動輪汽車發動機進行改裝。該型發動機功率大，污染小，安裝簡單，可靠性及經濟性優異，經換裝使用后，效果十分顯著。

3.9 發動機水箱“開鍋”設計改進

該故障較為常見。其主要表現為打開水箱蓋，會有白色蒸汽、冷卻液噴出，需謹防燙傷，嚴禁開蓋后驟加冷水，避免汽缸體、缸蓋等因急冷而裂損。水箱“開鍋”后，發動機散熱不良，溫度過高，零部件膨脹會使各部件配合間隙減小，機油粘度下降，各部件磨損加劇，若不立即適當處理，會產生敲擊異響、爆震、動力不足、排氣管冒黑煙等不良現象，發動機可能燒損導致嚴重機損事故。其故障主因是高溫酷熱、空調超負荷運作、散熱元件故障，水箱滲漏、缺冷卻液、冷卻液變質，冷卻循環系統銹蝕、結垢或堵塞等故障。如發動機不工作時，有冷卻液反滲入燃燒室，引起缸套、缸蓋或活塞頭等銹蝕；備件采購不到位，無奈反復使用、超期服役損傷缸體等關鍵零部件；裝拆維修不規范時，缸蓋裝配質量差，或氣缸墊總成燒壞、碳化失效，導致燃燒室的高壓氣體經氣缸墊總成水道進入冷卻系統。2006年，僅處理水箱“開鍋”故障年維修費竟高達500多萬元，且發動機大修嚴重滯后，無法保證周轉。

可采用接觸找平和汽缸床座面修磨工藝修復氣缸床腐蝕座面，氣缸墊總成密封效果和缸蓋裝配質量好；缸體、缸蓋螺紋易粘結螺紋膠，螺孔底部結垢多，可設計自制特殊絲攻，采用高壓水沖洗+高壓氣體吹干+柴油清洗后吹干+755清洗劑強力清洗法，取代原高壓水沖洗+柴油清洗法，結垢易清除，杜絕了螺栓假擰緊、墊片易拔出、缸體螺紋孔緊裂等現象，螺孔損壞嚴重時，可改進鑲螺紋套工藝取代原安裝雙頭螺栓法，可提高使用壽命6倍以上；而采用“塑性區域擰緊法”取代原缸蓋螺栓擰緊法，成功應用于149電噴式發動機后，現已推廣應用至其它發動機。2007年底，已有5臺大修好的發動機作為周轉設備以備不時之需[4]。

3.10 發動機自主創新與消化吸收再創新

以MTU4000發動機為例，自該礦2000年引進以來，維修現場使用的《電動輪MTU4000發動機維修技術手冊》(英文版)如同天書，特別是電控系統，既是發動機大修的技術核心，也是現場故障處理的難點，極難解讀，且因外方長期的技術封鎖和壟斷，故障處理方面資料不全，制約著維修進度和質量，電動輪出勤率低。多年來，該礦通過原始創新、集成創新和引進消化吸收再創新，取得了一系列重大技術創新成果，2007年利用1年時間自主完成了2500多頁手冊的翻譯、編審工作，既涵蓋了DDEC系統的原理、結構、故障查閱及故障診斷處理方法，又將該礦多項自主創新成果融入其中，共50余萬字，維修圖片解說1500余幅，技術數據表格千余份，既確保了MTU發動機的維修質量和進度，又保障了該礦電動輪汽車的安全、高效、低耗、經濟、環保和有序地運行。

3.11 開發“拼”牌發動機

近年來，一些發動機已經超限服役、負載過重、劣化傾向明顯且具有多樣性，已達到不可重復利用必須報廢的狀態，要想維修這些發動機，涉及的技術層面廣、質量精度高，導致大修發動機供給異常緊張。然而，該礦積極開發“拼”牌發動機，即解體報廢發動機，對所有零部件進行一系列的嚴格檢測和技術鑒定，為合格零部件創建檔案使之成為備件，再按發動機大修標準，將不能重復利用的發動機以合二為一、或合三為一等形式重新拼裝，修舊利廢，可有效地緩解發動機供給緊張的壓力，既能降低維修成本，又能物盡其用。目前，已有10多臺電動輪汽車裝上了這種“拼”牌發動機，電動輪出勤率高，運行狀況良好。

3.12 工程機械發動機測功系統研發

性能測試是考核發動機動力性、經濟性、排放性，檢查其整機和零部件的制造質量、可靠性和耐久性等必不可少的手段，也是設計制造、研究發動機不可或缺的關鍵環節。多年來，該礦工程機械發動機修理原采用無負荷試車方式，試車過程中難以發現發動機故障問題。2002年，該礦實施的重大技改項目即自主研發的工程機械發動機測功系統，經各項嚴格的技術測試，已成功投入使用。該系統可對小松、卡特等多種型號工程機械發動機進行準確的技術數據測試，在計算機屏幕上能反映出發動機功率大小、燃油消耗、燃油溫度、機油溫度、機油壓力、水壓、水溫及進排氣壓力等多項重要技術數據，有效地提高工程機械發動機的維修質量，可保護試車人員的人身安全，減少高分貝的噪音污染，結束了該礦工程機械發動機多年來無負荷試車的歷史。該項目是繼電動輪汽車149發動機電氣測功系統研制成功后，該礦的又一重大技術突破，可在國內外同類型礦山推廣使用。

3.13 發動機微機測控系統研發

發動機是典型的多輸入、多輸出、非線性、時變的復雜系統。該礦專門研制和開發了一套以工控機為核心的、以國內著名的工控組態軟件6.0組態王為平臺的汽車數據采集與處理系統，即大型露天礦山電動輪汽車柴油發動機微機測控系統，其主要由工控機、發動機勵磁電流控制裝置、智能ADAM模塊、模擬量處理裝置及系統軟件等部分組成。由于該系統采取標準化和結構化設計，因而能對該類設備大功率柴油發動機的各種運行參數及性能指標進行全面、精確的測控，其采用人機對話界面，可動態地監控各種檢測技術參數，具有強大的歷史趨勢和實時趨勢曲線圖表，I/O功能豐富、檢測手段完善，自動聲光報警和信息管理先進，故障保護功能強，可使發動機的運行工況達到最佳，熱效率高，使用壽命長，發動機大中修的質量好。其具有檢測范圍大、精度高、抗干擾強、可靠性高、操縱簡便等優點，適用于國內大型露天礦山大噸位電動輪汽車柴油發動機及其它大型采剝機械大功率發動機的現場檢測使用，對確保其設備的安全運行和正常生產，極為重要[5]。

4 結語

電動輪汽車發動機的運行狀況是否良好，將直接影響大型露天礦山的生產效率、生產成本和能耗水平。生產實踐證明，該礦通過多年來的生產實踐摸索，通過原始創新、集成創新和引進消化吸收再創新的技術路徑，取得了一系列重大技術創新成果，終于打破了外方對電動輪汽車發動機實施長期的技術封鎖和對進口備件的壟斷，使其電動輪汽車柴油發動機核心技術的研發能力取得歷史性的突破和提升，其技術保障能力強，電動輪汽車的安全性、動力性、操縱穩定性、燃油經濟性好，爬坡能力強，生產效率高，設備使用壽命長，成本能耗水平低，其多項關鍵技術填補了國內外的技術空白，應用前景十分廣闊。

[1] 張偉旗.電動挖掘機鋼絲繩失效形式探究及其預防[J].工程機械，2011，42(7):65-68.

[2] 胡傳正，孟慶勇.礦用電動輪自卸卡車技術現狀及展望[J].工程機械，2011，42(7)：59-62.

[3] 萬海如，唐新蓬，段家典.重型礦用電動輪自卸車的現狀及發展趨勢[J].汽車工業研究，2001，(4):8-14.

[4] 周玉華.大型礦用電動輪發動機水箱“翻水”故障及維修技術探析[J].中國金屬通報，2013(27)：42-43.

[5] 孫達侖，周云.電動輪汽車柴油發動機微機測控系統[J].礦業研究與開發，2003，23(5)：43-44.

TheIndependentDevelopmentandKeyTechnologyResearchofElectricWheelCarEngineofLargeMining

ZHANG Wei-qi
(JCC Copper Products Co., Ltd. Guixi 335424, China)

The aspects of safety, high efficiency, low consumption, environmental protection and economic operation of electric wheel car engine of large mining, have been always a key research area of technology at home and abroad. The paper introduces Dexing copper mine use the secondary innovation from new technology import, its core technology research and development ability gets breakthrough improvement, a lot of key technologies fill the gap of technology at home and abroad, and the value of popularization and application is high.

electric wheel car engine；independent research and development；the cost of energy consumption level

2014-09-18

張偉旗(1965-)，男，江西余江人，高級工程師，大學本科，工學學士，主要從事礦山機械、銅加工、有色冶金、機電設備工程等技術研究工作，現為中國機械工程學會高級會員。

TD5

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1003-8884(2014)06-0017-05