大型矿山电动轮汽车发动机自主研发及关键技术研究

张伟旗

(江西铜业集团铜材有限公司， 江西 贵溪 335424)

大型矿山电动轮汽车发动机自主研发及关键技术研究

张伟旗

(江西铜业集团铜材有限公司， 江西 贵溪 335424)

大型矿山电动轮汽车发动机的安全、高效、低耗、环保和经济运行问题，一直是国内外重点研究的技术领域。德兴铜矿采用二次创新即引进消化吸收再创新的技术路径，使其核心技术研发能力取得突破性的提升，多项关键技术填补了国内外技术空白，推广应用价值高。

电动轮汽车发动机；自主研发；成本能耗水平

发动机是电动轮汽车和工程机械的“心脏”部件，也是其动力之源。德兴铜矿铜厂和富家坞采区日采选矿石产能13万t/d，其矿石年采剥总量巨大，达1.32亿t/a。故采用十几台大型电动挖掘机和配套的七十多台电动轮卡车进行采矿作业[1]。而大型矿山电动轮汽车核心部件发动机运行是否平稳，十分关键。特别是，近年来发动机故障频发且有逐年上升的趋势，电动轮出勤率低，维修成本高，势必直接影响矿山的开采率和成本能耗水平，进而影响整个采矿区的有序生产，严重阻碍和制约了生产的顺行，因而成为该矿生产技术的“瓶颈”。

电动轮汽车是矿山的主要运输工具，其对发动机的可靠性和耐久性要求比普通汽车要高得多，且随着该矿产能的不断攀升，采区凹陷开采的进一步加剧，电动轮皆需长距离重车爬坡，其发动机劣化倾向凸显，一些新故障、新问题将逐渐暴露出来。而面对电动轮汽车“心脏老化”等技术难题，如何将设备劣化负面影响降至最低，保证大型矿用电动轮的安全顺行，大幅提高矿山的技术经济和环保效益，就必须打破国外的技术封锁和长期的垄断，持续地针对大型矿山电动轮汽车发动机进行自主研发和关键技术研究，十分必要。

1 主要技术现状

大型矿用电动轮汽车因技术含量高、研发周期长、试制试验费用高、资金占用量大、配套体系要求高，目前在世界上仅有美国、德国、日本、中国和白俄罗斯等能够研发和生产，市场份额>90%。特别是国外最大吨位车目前已达400 t级，而我国仅为220 t级，国产车无论是在技术上或规模上与国外相比，差距较大[2]。其核心部件发动机绝大多数采用Cummins公司K系列柴油机或DDC公司149系列柴油机，少数装过MTU公司396系列和Caterpillar公司D35系列柴油机，皆采用废气涡轮增压和中冷等法增大输出功率，大修保证期皆>10000 h。除早期采用的149系列柴油机为二冲程机外，余皆为四冲程。K系列柴油机油耗较低218.4 g/kW·h，80年代占有60%的市场。而DDC公司研发旁路Bypass装置改善进气系统后，油耗低，竞争力比Cummins公司更强，Caterpillar公司和MTU公司柴油机也装用过，耗油量很低且可靠性高，大修保证期>18000 h。但Caterpillar公司柴油机工作容积比同吨位车辆大37%，自重约2 t。MTU公司柴油机与同功率柴油机贵约15%，缺乏竞争力，但功率富余较大，矿用电动轮汽车向更大吨位发展时，极具潜力[3]。

2 使用状况分析

如表1所示，为目前德兴铜矿在线使用的电动轮汽车发动机主要车型及特点对比。其发动机皆选用大功率、空气废气涡轮增压、强制空气中冷、往复活塞式柴油机。其可分为四冲程和二冲程两种，主要由机体组、曲柄连杆机构、配气机构、进排气系统、润滑系统、冷却系统及其它辅助系统等组成。其中，机体组主要由汽缸体、汽缸盖、气缸套、齿轮等部分组成。由于其发动机结构设计复杂，制造精密，使用寿命长、动力性能好、节能环保，与汽油发动机相比，其热效率高约30%，燃油经济性好，因而广泛应用于大型露天矿山电动轮汽车，为其提供燃油动力。

表1 目前德铜电动轮在线使用的电动轮汽车发动机主要机型及特点对比

截止2014年12月止，德铜采矿区在线使用的大型露天矿山电动轮汽车共63台，其中R-170型电动轮12台；R- 190Ⅲ型14台；EH3500型5台；630型6台；730E型25台；830E型12台，含国产车2台，另有6台R- 170型、2台630E型、2台R190型电动轮汽车现已改为洒水车使用。其发动机部件均属易损件，价格昂贵且维修费用高。

3 关键技术及设计研发

3.1 设计创建全封闭无尘维修车间

电动轮汽车对环境质量要求很高且特殊，该矿专门对采矿场发动机大修车间进行了技术改进，创建了全封闭无尘维修车间Clean Room，也称无尘室或清净室。该车间内设施齐全，配有软面标准工作台、发动机翻转机、清洗机、手动液压搬动车、工具专用挂车、移动式货架等。为有效地降低起尘和保持地面洁净，宜将所有窗户改进为密封性能好的塑钢窗，将原车间水泥地面改进为树脂耐磨地面；配置先进的空气净化系统，以排除空气中的微粒子、有害空气、细菌等污染物，且将室内之温度、洁净度、室内压力、气流速度、气流分布、噪音振动、照明、静电等控制在规定范围内，无论外在空气条件如何变化，室内均能具有维持原先所设定要求的洁净度、温度、湿度和压力等特性。为降低维修过程中的二次污染，有效地提高发动机的维修质量，一些大的总成部件维修均吊装在特制的托盘上进行，对维修后的备件和部件及时采用塑料包装膜包装，且将维修工具擦拭干净后，再放入专用箱内。

3.2 发动机试压工艺的改进

该矿通过技术攻关，自行研制了一批堵头、阀门和连接管路，成功地将发动机试压工艺改在发动机组装工序中来完成，可利用组装翻转架旋转360°进行全方位的观察和监测，基本杜绝了电动轮汽车发动机试运行期的系统泄漏故障，大幅提高了试压检测的质量，促使电动轮汽车的故障率大为降低。

3.3 发动机翻转机的研制

由于大型露天矿山电动轮汽车大都从国外引进，目前维修技术尚不太成熟，一些维修设施及手段也不齐全，甚至完全依赖进口。特别是发动机、大梁及前、后悬挂的维修装配等，工序复杂，需要进行多次翻转，不断地变换维修工作面才能完成，若没有一种专用的装夹翻转器具，仅靠车间里的桥式起重机下垫钢支架和道木翻转工件来完成，极为繁琐。

该矿针对2006年引进的一批电动轮康明斯K2000E专用发动机翻转机无法与新引进的MTU4000发动机维修使用相匹配的状况，且为节约新购一台康明斯K2000E发动机专用翻转机的成本，该矿对原MTU4000/12V型发动机翻转机工作性能展开了一系列的技术创新和攻关。为便于维护、检修和装配该发动机，该矿自主研制了一种能实现康明斯K2000发动机在翻转机上360°安全旋转、便于发动机维修、解体和组装的新装夹机，且对翻转机进行了结构尺寸和选型优化设计，新设计的4件K2000发动机专用连接固定件，通过组装后，能成功地将近6 t的K2000E发动机与翻转机旋转架连接在一起，因而其各项技术指标均能达到预期的效果。其具有安全自锁功能，操作简单、维修方便、安全高效，能同时便于MTU4000和底特律149发动机的维护保养，可大幅降低维修费用。

3.4 曲轴箱设计和曲轴磨损技术创新

3.4.1曲轴箱设计改进

2003年，曲轴箱压力报警器总成需求量大，进口备件耗费成本高，每件折合人民币6700元，且时常断货，严重影响生产；同时，大量旧总成件被废弃，浪费极大，新设计仅需更换一只吸合开关和一块垫子，即可完成修旧利废工作。

2007年，该矿针对曲轴箱压力过高故障，成功研制出了149型电动轮汽车发动机曲轴箱压力过高连锁保护，使该发动机的使用寿命大幅提升；2009年，该矿针对曲轴箱压力不高故障，采用冷车启动方法进行检测，待排查出故障原因后，给予解决。

3.4.2曲轴磨损修复技术创新

康明斯发动机曲轴是电动轮汽车上的核心部件，曲轴严重磨损时，往往需购买新配件进行组装，但进口备件采购周期长，约需半年时间，因而严重制约了采矿设备的正常运行。2008年，该矿经过技术攻关，首次采用金属修补工艺、安装耐磨套等办法，成功攻克了这一困扰矿山多年的技术难题，可大幅降低采矿成本，且填补了该矿类似维修的国内外技术空白。

3.5 发动机输出功率和进气温度高改进

2006年，随着该矿产能的提升，铜厂采区凹陷开采的进一步深入，电动轮爬坡距离延长，要求发动机功率必须足够大，受设备老化的影响，发动机大修后的输出功率难以达到额定功率，严重影响发动机的爬坡能力和使用寿命。该矿针对发动机泵喷嘴结构进行精心设计和优化，使其输出功率较以前提高了100多马力，可基本满足功率需求。

2010年，该矿根据电动轮汽车不同作业状况，通过对比4个中冷器的温度，成功消除了发动机进气温度高等隐性故障，促使电动轮汽车比计划提前2天投入生产。

3.6 发动机水泵水封安装专用工具研制

水泵是电动轮汽车发动机冷却系统的关键总成件。但因原采用修理工艺欠妥，其核心部件旋转总成的修理质量较差，该泵常出现漏油或漏水故障，导致不得不引进新的水泵旋转总成来保证水泵的修理质量。其主因是一水封的安装不正确。该矿自主研制了一套水封安装专用工具，成功解决了该技术难题，实现了水泵旋转总成的自主维修。

3.7 发动机减震器轮毂专用拆卸工具设计

拆卸发动机减震器轮毂时，既耗时，又费力，该矿利用15#钢边角料和废旧螺杆，设计了一套专门拆卸发动机减震器轮毂的专用工具，仅需一个人、耗时20分钟，便可轻松地完成3个人、4个小时干的活，杜绝了原硬性拆卸时对设备造成的损伤，发动机大修进度快，员工劳动强度低，可节省大量的维修时间，大幅减少维修成本。

3.8 149液压式发动机设计改进

3.8.1由液压式变身为电控式

底特律149发动机于20世纪八、九十年代先后引进，可分为机械、液压和电控式三种类型，因设备劣化倾向明显，大多于2006年先后退役，仅有6台改进后应用于铜厂和富家坞采区的电动轮洒水车上。随着149液压式发动机进入新一轮大修维护阶段，由于其属于淘汰产品，无从采购，也无同类机型可更换，使采区防尘难度加大，也不利于安全生产。而通过技术测量和综合对比，针对其缸盖、凸轮轴、摇臂、喷嘴、线束、传感器、中冷器、扫气泵、ECM等进行全面改进，特别是利用数据线连接发动机喷嘴与相当于电脑主机的ECM，通过ECM控制，可及时向缸内喷入燃油，由此能够实现电控发动。

该矿结合生产实际，积极推进了工序化修理模式，对整机部分拆卸、备件清洗、总成维修等每个工艺流程，进行明确划分、责任到人；对于改进过程中部分缺件，参照149电控式发动机技术参数，采用修旧利废等措施加以解决；对拆卸更换下的可用零部件，以备今后149液压式发动机大修使用。原大修一台149液压式发动机，需耗费70余万元，设计将其由原液压式变身为电控式后，仅耗费10万元即可。大修一台149电控式发动机，至少需耗时1个半月，而改造一台仅需2周，有利于其它发动机今后的选配、修复等。

3.8.2将149型设计改进为K2000E型

该矿电动轮汽车原使用的149发动机国外已淘汰不再生产，为确保电动轮汽车的正常运行，2005～2007年，该矿与美国康明斯公司进行技术合作，将原149型发动机设计改进为K2000E型，对其20余部小松/尤克里德电动轮汽车发动机进行改装。该型发动机功率大，污染小，安装简单，可靠性及经济性优异，经换装使用后，效果十分显著。

3.9 发动机水箱“开锅”设计改进

该故障较为常见。其主要表现为打开水箱盖，会有白色蒸汽、冷却液喷出，需谨防烫伤，严禁开盖后骤加冷水，避免汽缸体、缸盖等因急冷而裂损。水箱“开锅”后，发动机散热不良，温度过高，零部件膨胀会使各部件配合间隙减小，机油粘度下降，各部件磨损加剧，若不立即适当处理，会产生敲击异响、爆震、动力不足、排气管冒黑烟等不良现象，发动机可能烧损导致严重机损事故。其故障主因是高温酷热、空调超负荷运作、散热元件故障，水箱渗漏、缺冷却液、冷却液变质，冷却循环系统锈蚀、结垢或堵塞等故障。如发动机不工作时，有冷却液反渗入燃烧室，引起缸套、缸盖或活塞头等锈蚀；备件采购不到位，无奈反复使用、超期服役损伤缸体等关键零部件；装拆维修不规范时，缸盖装配质量差，或气缸垫总成烧坏、碳化失效，导致燃烧室的高压气体经气缸垫总成水道进入冷却系统。2006年，仅处理水箱“开锅”故障年维修费竟高达500多万元，且发动机大修严重滞后，无法保证周转。

可采用接触找平和汽缸床座面修磨工艺修复气缸床腐蚀座面，气缸垫总成密封效果和缸盖装配质量好；缸体、缸盖螺纹易粘结螺纹胶，螺孔底部结垢多，可设计自制特殊丝攻，采用高压水冲洗+高压气体吹干+柴油清洗后吹干+755清洗剂强力清洗法，取代原高压水冲洗+柴油清洗法，结垢易清除，杜绝了螺栓假拧紧、垫片易拔出、缸体螺纹孔紧裂等现象，螺孔损坏严重时，可改进镶螺纹套工艺取代原安装双头螺栓法，可提高使用寿命6倍以上；而采用“塑性区域拧紧法”取代原缸盖螺栓拧紧法，成功应用于149电喷式发动机后，现已推广应用至其它发动机。2007年底，已有5台大修好的发动机作为周转设备以备不时之需[4]。

3.10 发动机自主创新与消化吸收再创新

以MTU4000发动机为例，自该矿2000年引进以来，维修现场使用的《电动轮MTU4000发动机维修技术手册》(英文版)如同天书，特别是电控系统，既是发动机大修的技术核心，也是现场故障处理的难点，极难解读，且因外方长期的技术封锁和垄断，故障处理方面资料不全，制约着维修进度和质量，电动轮出勤率低。多年来，该矿通过原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新，取得了一系列重大技术创新成果，2007年利用1年时间自主完成了2500多页手册的翻译、编审工作，既涵盖了DDEC系统的原理、结构、故障查阅及故障诊断处理方法，又将该矿多项自主创新成果融入其中，共50余万字，维修图片解说1500余幅，技术数据表格千余份，既确保了MTU发动机的维修质量和进度，又保障了该矿电动轮汽车的安全、高效、低耗、经济、环保和有序地运行。

3.11 开发“拼”牌发动机

近年来，一些发动机已经超限服役、负载过重、劣化倾向明显且具有多样性，已达到不可重复利用必须报废的状态，要想维修这些发动机，涉及的技术层面广、质量精度高，导致大修发动机供给异常紧张。然而，该矿积极开发“拼”牌发动机，即解体报废发动机，对所有零部件进行一系列的严格检测和技术鉴定，为合格零部件创建档案使之成为备件，再按发动机大修标准，将不能重复利用的发动机以合二为一、或合三为一等形式重新拼装，修旧利废，可有效地缓解发动机供给紧张的压力，既能降低维修成本，又能物尽其用。目前，已有10多台电动轮汽车装上了这种“拼”牌发动机，电动轮出勤率高，运行状况良好。

3.12 工程机械发动机测功系统研发

性能测试是考核发动机动力性、经济性、排放性，检查其整机和零部件的制造质量、可靠性和耐久性等必不可少的手段，也是设计制造、研究发动机不可或缺的关键环节。多年来，该矿工程机械发动机修理原采用无负荷试车方式，试车过程中难以发现发动机故障问题。2002年，该矿实施的重大技改项目即自主研发的工程机械发动机测功系统，经各项严格的技术测试，已成功投入使用。该系统可对小松、卡特等多种型号工程机械发动机进行准确的技术数据测试，在计算机屏幕上能反映出发动机功率大小、燃油消耗、燃油温度、机油温度、机油压力、水压、水温及进排气压力等多项重要技术数据，有效地提高工程机械发动机的维修质量，可保护试车人员的人身安全，减少高分贝的噪音污染，结束了该矿工程机械发动机多年来无负荷试车的历史。该项目是继电动轮汽车149发动机电气测功系统研制成功后，该矿的又一重大技术突破，可在国内外同类型矿山推广使用。

3.13 发动机微机测控系统研发

发动机是典型的多输入、多输出、非线性、时变的复杂系统。该矿专门研制和开发了一套以工控机为核心的、以国内著名的工控组态软件6.0组态王为平台的汽车数据采集与处理系统，即大型露天矿山电动轮汽车柴油发动机微机测控系统，其主要由工控机、发动机励磁电流控制装置、智能ADAM模块、模拟量处理装置及系统软件等部分组成。由于该系统采取标准化和结构化设计，因而能对该类设备大功率柴油发动机的各种运行参数及性能指标进行全面、精确的测控，其采用人机对话界面，可动态地监控各种检测技术参数，具有强大的历史趋势和实时趋势曲线图表，I/O功能丰富、检测手段完善，自动声光报警和信息管理先进，故障保护功能强，可使发动机的运行工况达到最佳，热效率高，使用寿命长，发动机大中修的质量好。其具有检测范围大、精度高、抗干扰强、可靠性高、操纵简便等优点，适用于国内大型露天矿山大吨位电动轮汽车柴油发动机及其它大型采剥机械大功率发动机的现场检测使用，对确保其设备的安全运行和正常生产，极为重要[5]。

4 结语

电动轮汽车发动机的运行状况是否良好，将直接影响大型露天矿山的生产效率、生产成本和能耗水平。生产实践证明，该矿通过多年来的生产实践摸索，通过原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新的技术路径，取得了一系列重大技术创新成果，终于打破了外方对电动轮汽车发动机实施长期的技术封锁和对进口备件的垄断，使其电动轮汽车柴油发动机核心技术的研发能力取得历史性的突破和提升，其技术保障能力强，电动轮汽车的安全性、动力性、操纵稳定性、燃油经济性好，爬坡能力强，生产效率高，设备使用寿命长，成本能耗水平低，其多项关键技术填补了国内外的技术空白，应用前景十分广阔。

[1] 张伟旗.电动挖掘机钢丝绳失效形式探究及其预防[J].工程机械，2011，42(7):65-68.

[2] 胡传正，孟庆勇.矿用电动轮自卸卡车技术现状及展望[J].工程机械，2011，42(7)：59-62.

[3] 万海如，唐新蓬，段家典.重型矿用电动轮自卸车的现状及发展趋势[J].汽车工业研究，2001，(4):8-14.

[4] 周玉华.大型矿用电动轮发动机水箱“翻水”故障及维修技术探析[J].中国金属通报，2013(27)：42-43.

[5] 孙达仑，周云.电动轮汽车柴油发动机微机测控系统[J].矿业研究与开发，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

张伟旗(1965-)，男，江西余江人，高级工程师，大学本科，工学学士，主要从事矿山机械、铜加工、有色冶金、机电设备工程等技术研究工作，现为中国机械工程学会高级会员。

TD5

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1003-8884(2014)06-0017-05