混合動力地下鏟運機的環保技術與發展

柏艷茹， 苑 昆， 馮茂林

(北京安期生技術有限公司， 北京 100083)

1 國內外地下鏟運機的混合動力技術現狀

世界范圍來看，能源問題會在可預見的時間內出現枯竭，石油危機顯得更加劇烈、緊迫。“油改電”自然是純電動更徹底，而現實的、短期的問題是純電動續航里程不足，無法滿足消費者需求。從需求驅動的角度來看，混合動力是為了解決常規動力車燃油經濟性較差而出現的一種技術革新。限于現實的、短期的問題，目前的情況是混合動力成為主流產品。由于地下鏟運機的環境更加惡劣與復雜的工況，目前國外在此領域也還處于研發階段，沒有相應的混合動力鏟運機樣機。混合動力是通往未來的非常重要的技術。

2 國內地下鏟運機發展現狀

綠色礦山理念是對傳統礦業的沖擊，在過去，大家對綠色礦山不像現在這樣關注和重視，隨著時間的發展，綠水青山就是金山銀山是指發展經濟不能以我們的生存環境為代價。在城市環境污染日益嚴重的當下，全球呼吁節能減排、環境保護的聲音越來越強烈，以至環保已經上升為國家戰略。這就要求全民族樹立起環保意識，資源意識，生存意識。發展綠色礦業，建設綠色礦山，是一項戰略任務，需要全社會的關注與支持，更需要各方面的協調與共同努力。

地下鏟運機在井下生產施工中，工況變化復雜惡劣，負載波動頻繁，采用柴油機驅動方式污染嚴重，要求井下通風設施好；采用蓄電池驅動方式因蓄電池的特性不適合尖峰放電、目前蓄電池的續航時間不夠等因素而沒有在現今的地下鏟運機上被采用。采用混合動力技術因用電傳動技術可以用較小功率的柴油機代替原來較大功率柴油機，既能達到節油的目的又避免總成件國際壟斷的困擾。而且在采掘區域可以減小通風風機的功率達到節能環保的目的。混合動力是指通過多種動力源的配合工作，在不同負載和工況下，對動力源進行控制，使發動機、電動機充分發揮自己的特點已達到節能減排的功效。通過合理的動力匹配控制，柴油機可以長期工作在節能高效區，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 混合動力鏟運機的技術基礎

北京安期生技術有限公司與北京科技大學共同承擔國家項目，從2013年起開始進行混合動力鏟運機的研究與開發，在理論研究和樣機開發上取得了突破進展，試制出世界首臺14噸級AHCY514型混合動力鏟運機。目前已申請2項發明專利和2項實用新型專利獲得授權。

圖1 AHCY514型混合動力鏟運機俯視圖

圖2 AHCY514型混合動力鏟運機側視圖

經過近5年的研發與技術積累，在大噸位混合動力鏟運機設計理論、動力混合系統匹配技術、超級電容應用與電源控制技術、大型地下鏟運機結構設計、大型混合動力鏟運機主要部件及整機制造技術研究上積累了豐富的經驗。解決了混合動力匹配、電源控制及液壓控制等設計與制造中的關鍵技術難題，研制出大型混合動力井下鏟運機樣機，樣機經過了型式試驗和在礦山生產中工業運行實驗應用。從基礎的設計方法開始，構建針對大型混合動力井下設備的現代設計理論與方法；根據使用條件、動力互補、經濟性等要求，以動力性能高、節能效果好、輕量化和經濟性合理為目標，對混合動力鏟運機的合理匹配及動力模型進行了深入地研究，實現了混合動力鏟運機動力的合理分配。

工況分析是車輛總體設計的重要依據，運用ADAMS和Automation studio軟件建立鏟運機虛擬樣機模型并進行仿真，得到了以功率為特征變量的鏟運機循環工況。通過分析可知14噸級地下鏟運機峰值功率為248.6 kW，占總時間的13.7%，循環工況的平均功率僅為峰值功率33%。研究結果為動力系統的匹配設計提供依據[1]。

4 混合動力鏟運機構成

混合動力地下鏟運機的構成主要是由柴油發動機、儲能裝置以及電動機、逆變器共同組成。混合動力技術的應用解決了地下鏟運機的兩大痛點。一是怠速問題，在鏟運機怠速狀態時，大量的燃油消耗在此階段，發動機空轉不僅浪費能源、還排放污染環境。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結構改善柴油發動機的工作狀況，降低了燃油消耗和環境污染，同時提高了系統工作效率。

應用混合動力作為動力系統，根據研究目標、通過分析比較最終確定混合動力地下鏟運機動力系統布置方案，針對混合動力地下鏟運機的結構、工況、控制策略以及柴油發動機、電動機的工作特性，研究基于混合度匹配動力系統中柴油發動機、儲能裝置的參數。

混合動力地下鏟運機的特點，以柴油發動機為動力源，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式驅動系統結構，根據地下鏟運機循環工況的特點分析動力分配和油耗問題。整車采用顯示屏、控制器和CAN通訊的相結合的走線方式對混合動力鏟運機電控系統進行設計。

5 環境適應性

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

為改善地下鏟運機燃油經濟性，針對井下各種工況試驗數據進行分析，要求發動機轉速工作在某一區域才能達到最佳油耗。可從靜態和動態兩方面考慮，其中靜態條件是使發動機工作在特性曲線的最佳油耗點，動態條件是使發動機工作在特性曲線的平穩區域不頻繁變化為此提出串聯混合動力系統結構。針對該系統提出了一種雙層控制結構的功率跟隨控制策略[3]。實現了發動機動力的合理分配。該策略能有效的控制混合動力地下鏟運機運行，實現了節能環保目的。

另外混合動力地下鏟運機由于采用小功率柴油發動機和儲能裝置提供動能的方式，可以避免高原地區柴油發動機動力不足的問題，適合于高海拔區域氧氣不充足的環境。

6 現場使用情況

混合動力地下鏟運機下線調試后,已經過礦山井下實地進行工業運行驗證。混合動力鏟運機在平巷內經過約500小時試驗，鏟運機平均單程運距100 m，工作循環時間如圖3所示。

圖3 工作循環時間

試驗情況數據統計如表1所示，將混合動力鏟運機運行數據與傳統鏟運機對比如圖4所示。可知：(1)產能與柴油6立方相同；是某4立方鏟運機的1.5倍。(2)小時油耗為柴油6立方鏟運機的61.7%；為4立方鏟運機的78.6%。(3)噸礦油耗為柴油6立方鏟運機的61.7%；為4立方鏟運機的52.3%。

經現場運行試驗證明，AHCY514混合動力地下鏟運機性能良好，運行平穩，有效的保證了生產任務，可以滿足礦山井下工作需求。在保證產量的同時有效的降低了能耗及污染，具有較高的使用經濟性。

根據表1的小時油耗數據，可以計算出AHCY514混合動力地下鏟運機一年的油耗為：921 823.98元；柴油6立方地下鏟運機的一年油耗為：1 493 650.62元，由此可見混合動力地下鏟運機一年可以節約油耗571 826.64元。

表1 實驗數據統計

圖4 油耗對比

7 設備的發展前景

能源短缺和環境污染問題日趨嚴重。全球能源危機和環境惡化，尤其是井下環境惡劣、通風效果不好急需發展清潔地下鏟運機、減少污染物排放量。特別是美國和歐盟明確規定了非公路機動設備的排放標準。隨著國民經濟的高速發展，人們的健康意識越來越重，安全舒適的工作環境意識越來越強。能源的有限性是資源的基本屬性之一，節約資源是提高經濟效益的關鍵。因此開發節能效率的地下混合動力鏟運機對于綠色礦山開采具有重大現實意義。