0 前言

地下汽车是实现地下矿山无轨采矿的主要运输车辆, 它具有机动、灵活、高效、经济的优点。在国外已广泛应用于条件适合的地下金属矿山运输矿岩, 可大幅度提高生产能力和劳动生产率, 促进了生产规模的扩大, 改善了矿山的回采工艺和运输系统, 并向无轨开采综合机械化发展。

我国地下汽车的研制工作起步较晚、进展较慢、应用不多。产品的技术水平与国外相比还有较大差距, 可靠性差, 品种少、批量小。难以满足铲运机配套需要, 严重制约我国地下矿山无轨采矿技术的发展。因此论述国外地下汽车的进展, 瞄准国外地下汽车先进技术与产品, 对加速我国地下汽车的研制和发展, 具有现实意义。

1 国外发展概况

目前, 瑞典、芬兰、美国、加拿大、德国、法国和俄罗斯等工业发达国家, 地下金属矿山已普遍使用无轨采矿技术, 主要运输巷道和斜坡道采用地下汽车运输矿岩。法国洛林铁矿有各种汽车300多辆, 加拿大国际镍公司有推卸式地下汽车14辆^〔1〕。一些制造铲运机的厂商大部分生产地下汽车, 在世界上已有10多个国家、30多家厂商生产3 300余种地下汽车, 在100多个地下矿山应用^〔2〕。

1.1 柴油驱动地下汽车

芬兰塔姆洛克公司的地下汽车载重量为20~ 50t。新开发的EJC20型地下汽车, 采用底特律柴油机公司的50系列的DDEC发动机驱动, 通过行星齿轮轴的锁定转矩转换器, 四速转换和四轮驱动装置, 能始终保持最大牵引力和爬坡能力。最近又推出了载重量50t的50D型地下汽车, 也采用了DDEC系统的柴油机, 不仅降低了20 %的燃油消耗, 而且也降低了有害气体的排放指标。该公司生产的40D型地下汽车有50多台用于哈萨克斯坦最大的金属矿业公司—KZ公司, 取得较好的效果^〔3〕。

芬兰西苏汽车制造公司开发的SISU SHR450 Mammoth汽车, 载重量120t, 是最大的地下汽车。由一台牵引车和一台侧卸式半拖车组成。采用Cummis柴油机, 通过Allison六档变速箱驱动-在牵引车5个轴中, 只有中心车轴固定, 2个驱动轴和3个转向架轴, 最大转向角为10°, 改善车辆机动性。半拖车两根轴上装有8个可承受卸车载荷的轮胎, 可抗2t重大块矿石的冲击-其侧卸式车斗有液压侧板, 有效容积44.5m3, 卸空时间45 S。该车用于LKAB公司马尔姆贝里耶特矿运输矿岩-从1992年6月到1993年4月共运输矿岩126万t, 总行程2.82万km, 共消耗柴油80 740万t。较LKAB公司预期指标:平均运输能力提高20 %, 燃油消耗减少50 %, 维修费下降5/6-目前已有5台车投入使用^〔3〕。

美国瓦格纳公司, 从1961年开始生产地下汽车, 有9种规格, 载重量8~50t, 有两轮驱动后卸汽车, 四轮驱动推板式后卸汽车, 及折叠式车架“Teletram”矮车身汽车, 后者用于低顶板区卸载。它采用道依茨F6L-413FW型柴油机, 克拉克公司的C-270变矩器, HR18000系列变速箱、AN-AD52系列驱动桥, 伞齿轮差速器和轮边减速器、卡特皮勒公司的净化器。最近又推出MT-5000大型地下汽车, 载重量50t, 采用了DDEC系统的8V-2000型柴油机, 功率485kW, 其功率与重量比值是最大的, 可以大幅度降低燃油消耗和有害气体排放量^〔1〕。

美国艾姆科采矿设备公司生产的980系列地下汽车为铰接车体、液压转向、柴油驱动三轴汽车, 载重量10~20t。ElMCO980-120型具有双轴悬吊装置, 在坎柯不平路面行驶时, 可减少垂直跳动50 %, 随着卡车重心的来回摆动, 能保持车轮始终与地面接触, 减少了冲击和振动。

瑞典矿山运输公司生产型号K-162、K-250和K-501地下汽车。均为铰接、后卸, 使用Volvpenta柴油机、液力变矩器、动力换档变速箱, 双回路鼓形制动器, 尾气经铂基催化箱沿车箱内冷却管进入洗涤器, 最后穿过车箱内矿岩排入大气, 净化效果好。

瑞典沃尔沃公司生产的地下汽车主要型号有BMA25、BMA35。其中BMA35型汽车配备TD 122GA型柴油机, 驾驶室内设有空调设备, 改善了司机工作环境。该车在智利铜矿开采集团公司卡罗拉矿承包公司地下矿山运送矿岩, 较原用竖井提升矿石增加了生产能力, 减少了工人, 提高了劳动生产率^〔4〕。

德国GHH公司生产MK系列后卸汽车, 载重量3.5~55t, 采用道依茨低污染柴油机, 克拉克公司液力变矩器、动力换档变速箱、传动轴。

澳大利亚贝尔设备公司1992年4月开发的Bell40型地下汽车, 在纽克雷斯特采矿公司运输矿岩, 平均运距1.5~2km, 每月运输矿石2万t, 利用率75 %, 燃油消耗少, 成本低, 可靠性高, 用户满意。

上述各厂商开发的地下汽车, 尽管类型各异, 但结构基本相似, 其主要特点如下。

(1) 采用低污染柴油机和各种有效的净化装置, 由于车重量小, 行驶速度低, 使柴油机功率小, 且燃烧完全, 从而减少有害气体排放量。

(2) 铰接车体、液压转向、车体宽度变窄、转弯半径小, 机动灵活, 提高了通过能力。

(3) 车体高度低, 降低了重心高度, 减少倾复力矩, 增加行驶稳定性, 适于在狭窄低矮地下空间作业, 节省巷道开拓工程量。

(4) 四轮驱动, 牵引力大, 增加了爬坡能力。

(5) 结构坚固, 便于承受矿岩的冲击, 可靠性高。

(6) 采用湿式多盘制动器, 制动灵敏、可靠, 保证了行驶的安全性。

国外常用地下汽车主要技术参数^〔5〕如表 1。

1.2 电力驱动汽车

柴油驱动地下汽车结构复杂、价格昂贵、维修困难, 需要技术水平较高的维修工人和装备良好的维修车间, 虽有废气净化装置, 但排出的有害气体浓度较高, 污染井下空气, 需要加强通风, 因此增加了通风设备方面的费用; 柴油机噪声高, 排气温度高达540 ℃, 影响工人的健康等缺点。

国外一些厂商在不断完善柴油驱动汽车的同时, 于80年代初开始研究架线式电动汽车, 沿运输巷道装设架空线, 在装载处和卸载处电动汽车自动脱离架空线后靠蓄电池、拖曳电缆或用小型柴油发电机等不同方式供电。与柴油驱动汽车相比具有无废气污染, 通风费用少, 能见度高, 改善了工作环境; 电机传动扭矩平稳, 反应快, 生产能力高; 电机效率高, 性能好, 能源费用低; 电机结构简单, 维修量少, 维修费用低; 发热量少, 噪声低; 总运输费用大为降低。因此, 国外电动汽车得到迅速应用与发展^〔6〕。

瑞典ABB通用电气设备公司、矿山运输公司(基鲁纳汽车公司)和LKAB铁矿公司合资于1981年开始研制、1987年研制成功K-1050E型电动汽车, 载重量50t, 架线电压1000V三相交流电源, 由装在车上可控硅整流器交流电转换成直流电。装有2台250kW直流牵引电机。车上备有蓄电池, 汽车可离开架空线短时间行驶, 以便错车、装车和卸载。该车在10%~ 15 %坡道上行驶, 重车上坡速度可达18km/h; 运输能力大于50万t/a, 利用率85 %; 运输成本可较柴油汽车降低50%。用车载ABB Masterpiece 160型计算机调整和控制触电集电程序、可控硅整流器、蓄电池断电和充电、速度控制、加速和制动、最大速度、故障指示报警等重要电气功能。机械部分与K-501型柴油汽车基本相同, 铰接车体, 四轮驱动, 前后悬架, 前后轴均有湿式多盘制动器。动作灵敏、易操作、噪声低、起动与停车平稳, 车身低, 后部卸载, 重量轻。该车已在鹰桥有限公司基德克里分公司的基德克里克矿、霍普布鲁克金有限公司、瑞典辛克格铝矿、瑞典波立登公司克里斯蒂内贝里矿和澳大利亚芒特艾萨矿等地下矿山运输矿岩达到预期效果。该公司载重量35t的K-635E型电动汽车是在K-250柴油汽车基础上改制的-还可根据要求, 提供载重量65t和80t的地下电动汽车^〔3〕。

美国瓦格纳公司的电动汽车是世界首次采用变速交流电机驱动的车辆, 该车可载重50t, 安有一台功率较小的150kW柴油发电机组作为辅助动力装置, 可在汽车离开架空线时短距离行驶以便错车、装车和卸车。此外还生产载重23t的EMT-426和载重36t的EMT-439型电动汽车, 其辅助动力装置为60m长拖曳电缆, 在汽车离开架空线时, 按预定长度自动收、放电缆。在加拿大霍尔庞德矿(Hoyle pond)投入使用的EMT-426型电动汽车, 在17 %的斜坡道上把矿石运出地表, 取得较好效果^〔3〕。

芬兰塔姆洛克公司的TORO40E型电动汽车也用拖曳电缆作为辅助供电的动力装置, 电缆长度100m, 电缆卷筒水平安装在驾驶室顶棚上, 有一个独特的导臂使电缆始终处于最佳方向。

国际镍公司研制的AHT型电动汽车, 采用车载计算机控制, 沿着运输线路由射频信标编码指向汽车发出指令。当汽车通过时由这些信标发出“减速”、“停车”或“卸载”等信息, 安装在运输线路上的摄象机可提供汽车各项动作的直观监测图象, 实现无人架驶, 降低生产费用。电力驱动的闭环静液压传动系统, 能在20%坡道上运行。为配合使用自动溜口或连续装载设备能实现装运卸全盘自动化。该车在小斯托比矿已试验成功。是当今世界上最先进的电动汽车^{〔3, 6〕}。

2 国内研制现状

近年来, 我国部分条件具备的地下矿山开始应用地下汽车。河北小寿沟铜矿是我国第一个实现无轨开采的地下矿山, 开始使用国内研制的载重量25t地下汽车, 因某种原因未能定型生产, 改用8辆普通日野牌ZM-400型15t汽车。相继山东新城金矿引进美国瓦格纳公司的MT-413型汽车, 金川有色金属公司龙首镍矿引进德国GHH公司MK-A25型汽车运输矿岩, 生产实践表明:具有运输效率高、转弯半径小、机动性好, 可克服较大坡度, 取得较好的经济效益, 并积累了地下矿山汽车运输的经验, 为我国研制地下汽车提供借鉴^〔2〕。

我国地下汽车研制工作起步较晚, 进展较慢, 柴油汽车尚未形成系列产品, 电动汽车尚属空白。近年, 随着国外地下汽车的引进和使用, 促进了国内研制工作的进展。已研制成功的地下汽车主要技术参数如表 2所示。

长沙矿山研究院、南宁重型机械厂和大厂矿务局于1993年1月研制成DQ-18型地下汽车-采用低污染柴油机, 设有铂催化剂的二级净化箱和消声净化水洗箱, 有效控制有害气体的排放; 铰接车体, 中间铰接摆动架, 四点悬挂, 全轮着地, 提高牵引性和通过性; 柴油发动机、液力机械传动变速箱带轮边减速器的双桥驱动装置, 使整车获得合理的各档牵引力、车速及爬坡能力; 双管路蹄式制动系统, 工作制动、紧急制动和停车制动有机的结合在一起, 使制动安全、迅速、可靠; 转向系统采用摆线式转向器、先导阀和双转向油缸结构, 并使转向系统与箱斗举升液压系统结合在一起, 既简化液压系统又节省能量; 驾驶室前置, 司机侧座, 以利在巷道中双向行驶-该车在大厂矿务局铜坑矿使用效果较好^〔7〕。

北京矿冶研究总院与石家庄新华矿冶机械厂于1995年12月研制成JZC-10型地下汽车。采用低污染柴油机, 美国克拉克公司的液力变矩器、变速箱; 制动系统为弹簧制动液压松闸, 湿式多盘制动器, 使汽车更加安全可靠; 铰接车体、折腰转向、摆动架设在中间回转摆动, 四轮着地, 转弯半径小, 重心低, 提高了机动性、通过性和稳定性; 驾驶室中间放置, 侧座, 有利于双向驾驶。该车在广东凡口铅锌矿运输矿岩^〔7〕。

太原矿山机器厂、金川有色金属公司和南昌矿山机械研究所于1992年8月研制成UK-12型地下汽车。柴油驱动、液力机械传动, 驱动力大; 先导式液压滑阀, 全液压转向系统, 机动灵活性好; 摆动架设于铰接中心附近, 降低重心高度, 稳定性好; 双管路液压制动系统, 组合制动阀结构, 湿式多盘制动器, 制动性能优良, 安全可靠。现已生产10台用于金川有色金属公司龙首镍矿。此外, 在美国瓦格纳公司MT-413型地下汽车的基础上, 研制了UK-12A型地下汽车^〔8〕。

90年代初, 济南重型机器厂研制载重量为15~ 20t的地下汽车, 用于山东某地下金矿^〔7〕。

3 我国地下汽车发展方向

随着无轨采矿技术在我国地下矿山的应用与发展, 已有900多台铲运机用于地下矿山, 但与之配套的地下汽车只有30台左右, 严重制约我国地下矿山无轨采矿技术的发展, 因此必须加快我国地下汽车的研制和发展, 以提高矿山综合生产能力。

(1) 研制载重量25~40t的地下汽车, 以满足大、中型矿山的需要。

(2) 在发展柴油驱动汽车的基础上, 适当开发电力驱动汽车, 并向自动化方向发展。

(3) 瞄准国外先进技术, 开发DDEC控制的柴油机和技术优良的废气净化装置, 以提高柴油机性能, 降低燃油消耗, 减少有害气体排放; 研制电子控制、自动换档变速箱和全封闭、强制冷却多盘湿式制动器。

(4) 研制结构合理、材质好、耐磨、耐冲击、抗酸碱油腐蚀的新型矿用汽车轮胎。

(5)完善现有地下汽车质量和可靠性, 并进行系列化生产。对引进的关键零部件, 尽早消化、吸收, 以实现国产化^{〔5, 7〕}。