混合动力地下铲运机的环保技术与发展

柏艳茹， 苑 昆， 冯茂林

(北京安期生技术有限公司， 北京 100083)

1 国内外地下铲运机的混合动力技术现状

世界范围来看，能源问题会在可预见的时间内出现枯竭，石油危机显得更加剧烈、紧迫。“油改电”自然是纯电动更彻底，而现实的、短期的问题是纯电动续航里程不足，无法满足消费者需求。从需求驱动的角度来看，混合动力是为了解决常规动力车燃油经济性较差而出现的一种技术革新。限于现实的、短期的问题，目前的情况是混合动力成为主流产品。由于地下铲运机的环境更加恶劣与复杂的工况，目前国外在此领域也还处于研发阶段，没有相应的混合动力铲运机样机。混合动力是通往未来的非常重要的技术。

2 国内地下铲运机发展现状

绿色矿山理念是对传统矿业的冲击，在过去，大家对绿色矿山不像现在这样关注和重视，随着时间的发展，绿水青山就是金山银山是指发展经济不能以我们的生存环境为代价。在城市环境污染日益严重的当下，全球呼吁节能减排、环境保护的声音越来越强烈，以至环保已经上升为国家战略。这就要求全民族树立起环保意识，资源意识，生存意识。发展绿色矿业，建设绿色矿山，是一项战略任务，需要全社会的关注与支持，更需要各方面的协调与共同努力。

地下铲运机在井下生产施工中，工况变化复杂恶劣，负载波动频繁，采用柴油机驱动方式污染严重，要求井下通风设施好；采用蓄电池驱动方式因蓄电池的特性不适合尖峰放电、目前蓄电池的续航时间不够等因素而没有在现今的地下铲运机上被采用。采用混合动力技术因用电传动技术可以用较小功率的柴油机代替原来较大功率柴油机，既能达到节油的目的又避免总成件国际垄断的困扰。而且在采掘区域可以减小通风风机的功率达到节能环保的目的。混合动力是指通过多种动力源的配合工作，在不同负载和工况下，对动力源进行控制，使发动机、电动机充分发挥自己的特点已达到节能减排的功效。通过合理的动力匹配控制，柴油机可以长期工作在节能高效区，使燃油燃烧更充分，提高燃油利用率，减少尾气污染物排放量。

3 混合动力铲运机的技术基础

北京安期生技术有限公司与北京科技大学共同承担国家项目，从2013年起开始进行混合动力铲运机的研究与开发，在理论研究和样机开发上取得了突破进展，试制出世界首台14吨级AHCY514型混合动力铲运机。目前已申请2项发明专利和2项实用新型专利获得授权。

图1 AHCY514型混合动力铲运机俯视图

图2 AHCY514型混合动力铲运机侧视图

经过近5年的研发与技术积累，在大吨位混合动力铲运机设计理论、动力混合系统匹配技术、超级电容应用与电源控制技术、大型地下铲运机结构设计、大型混合动力铲运机主要部件及整机制造技术研究上积累了丰富的经验。解决了混合动力匹配、电源控制及液压控制等设计与制造中的关键技术难题，研制出大型混合动力井下铲运机样机，样机经过了型式试验和在矿山生产中工业运行实验应用。从基础的设计方法开始，构建针对大型混合动力井下设备的现代设计理论与方法；根据使用条件、动力互补、经济性等要求，以动力性能高、节能效果好、轻量化和经济性合理为目标，对混合动力铲运机的合理匹配及动力模型进行了深入地研究，实现了混合动力铲运机动力的合理分配。

工况分析是车辆总体设计的重要依据，运用ADAMS和Automation studio软件建立铲运机虚拟样机模型并进行仿真，得到了以功率为特征变量的铲运机循环工况。通过分析可知14吨级地下铲运机峰值功率为248.6 kW，占总时间的13.7%，循环工况的平均功率仅为峰值功率33%。研究结果为动力系统的匹配设计提供依据[1]。

4 混合动力铲运机构成

混合动力地下铲运机的构成主要是由柴油发动机、储能装置以及电动机、逆变器共同组成。混合动力技术的应用解决了地下铲运机的两大痛点。一是怠速问题，在铲运机怠速状态时，大量的燃油消耗在此阶段，发动机空转不仅浪费能源、还排放污染环境。二是能量回收，这种利用储能装置回收多余量并反馈利用的动力系统结构改善柴油发动机的工作状况，降低了燃油消耗和环境污染，同时提高了系统工作效率。

应用混合动力作为动力系统，根据研究目标、通过分析比较最终确定混合动力地下铲运机动力系统布置方案，针对混合动力地下铲运机的结构、工况、控制策略以及柴油发动机、电动机的工作特性，研究基于混合度匹配动力系统中柴油发动机、储能装置的参数。

混合动力地下铲运机的特点，以柴油发动机为动力源，储能装置是辅助动力源，利用超级电容作为储能装置的串联式驱动系统结构，根据地下铲运机循环工况的特点分析动力分配和油耗问题。整车采用显示屏、控制器和CAN通讯的相结合的走线方式对混合动力铲运机电控系统进行设计。

5 环境适应性

对于柴油地下铲运机在井下工作时，不仅仅是液压系统工作时，需要发动机提供足够的动力，而且在平路或者斜坡道上行走时也要求发动机提供较大的功率输出。而对于混合动力地下铲运机只有在液压系统工作时和超级电容电量较低时，要求发动机工作在额定转速。对于其他情况使发动机工作在万有特性图中油耗最低点的转速即可满足要求，从而节约油耗提高燃油效率。

为改善地下铲运机燃油经济性，针对井下各种工况试验数据进行分析，要求发动机转速工作在某一区域才能达到最佳油耗。可从静态和动态两方面考虑，其中静态条件是使发动机工作在特性曲线的最佳油耗点，动态条件是使发动机工作在特性曲线的平稳区域不频繁变化为此提出串联混合动力系统结构。针对该系统提出了一种双层控制结构的功率跟随控制策略[3]。实现了发动机动力的合理分配。该策略能有效的控制混合动力地下铲运机运行，实现了节能环保目的。

另外混合动力地下铲运机由于采用小功率柴油发动机和储能装置提供动能的方式，可以避免高原地区柴油发动机动力不足的问题，适合于高海拔区域氧气不充足的环境。

6 现场使用情况

混合动力地下铲运机下线调试后,已经过矿山井下实地进行工业运行验证。混合动力铲运机在平巷内经过约500小时试验，铲运机平均单程运距100 m，工作循环时间如图3所示。

图3 工作循环时间

试验情况数据统计如表1所示，将混合动力铲运机运行数据与传统铲运机对比如图4所示。可知：(1)产能与柴油6立方相同；是某4立方铲运机的1.5倍。(2)小时油耗为柴油6立方铲运机的61.7%；为4立方铲运机的78.6%。(3)吨矿油耗为柴油6立方铲运机的61.7%；为4立方铲运机的52.3%。

经现场运行试验证明，AHCY514混合动力地下铲运机性能良好，运行平稳，有效的保证了生产任务，可以满足矿山井下工作需求。在保证产量的同时有效的降低了能耗及污染，具有较高的使用经济性。

根据表1的小时油耗数据，可以计算出AHCY514混合动力地下铲运机一年的油耗为：921 823.98元；柴油6立方地下铲运机的一年油耗为：1 493 650.62元，由此可见混合动力地下铲运机一年可以节约油耗571 826.64元。

表1 实验数据统计

图4 油耗对比

7 设备的发展前景

能源短缺和环境污染问题日趋严重。全球能源危机和环境恶化，尤其是井下环境恶劣、通风效果不好急需发展清洁地下铲运机、减少污染物排放量。特别是美国和欧盟明确规定了非公路机动设备的排放标准。随着国民经济的高速发展，人们的健康意识越来越重，安全舒适的工作环境意识越来越强。能源的有限性是资源的基本属性之一，节约资源是提高经济效益的关键。因此开发节能效率的地下混合动力铲运机对于绿色矿山开采具有重大现实意义。