百吨级矿卡技术与市场探讨,骆驼与大象运力较量

文摘   2024-12-27 20:47   浙江  

新疆真是个好地方,不仅地上自然风光美不胜收,地下矿产资源更是储量惊人。

近几年,随着煤炭产业的快速发展,新疆露天矿山产能与日俱增,大吨位矿卡已成为矿山运输环节刚需产品,尤其是混动矿车销量一枝独秀,成就行业最大市场。

探访矿用车市场,当然不能遗漏新疆。

前不久,新疆在2024年前三季度国民经济运行情况新闻发布会上透露,其原煤产量跃居全国第4位,增速居全国第一位

作为国家重要的煤炭开发与储备利用基地,新疆全域预测储量2.19万亿吨,约占全国预测煤炭资源量的40%,资源优势正在加速转化为产能优势、经济优势和竞争优势。

有行业媒体依据产能增长趋势分析判断,预测“中国能源版图重心悄然西移”。新疆当仁不让!

通过浏览全疆煤田资源分布图,可见千万吨级大型煤矿纵贯天山南北广袤戈壁,在大漠深处星罗棋布宛如浩瀚煤海。建在戈壁滩上的国家级准东经济开发区,竟然绵延数百公里,占地面积之广,矿区规模之大,远远超出疆外人士的想象力。

隆冬时节飞越天山,来到准东露天采场。放眼望去,只见正在排土作业的大型宽体自卸车,如蚂蚁搬家来回穿梭,而负责采煤的矿卡又如“钢铁驼队”冒雪前行。坑内坑外各种作业车辆数不胜数,忙而不乱。

站在坑口俯瞰采区,空车鱼贯顺势下行,重车满载依次排队爬坡。虽车辆如织,但井然有序,此情此景壮美如画,不身临其境恐难以描绘,好一派戈壁矿区繁忙生产景象。

非公路矿用自卸车作为一种在露天矿山专门从事土石方剥离和矿石运输的生产工具,已经成为不可或缺的矿用装备。发展至今,该细分市场主要存在以下三种常用车型:非公路宽体自卸车、刚性矿卡和铰接式自卸车

人类的生存与发展离不开矿石资源,无论开采金属矿产、砂石骨料,还是煤矿,运输环节都离不开各式各样的矿用自卸车。鉴于矿车专用属性,与公路重卡相比,每年市场销量十分有限,预计到2025年,全球矿车市场规模可达到150亿美元。

作为当前国内露天矿区运输主力车型,非公路宽体自卸车和刚性矿卡虽属细分市场小众产品,但可以预见,随着工程机械电动化步伐的加快,在今后较长一段时期,从这两种车型基础上开发出的新能源产品,将有很大增长空间。

为清晰对比两款车型技术性能,依据车身结构和承载能力不同,小编形象地把宽体自卸车比作“沙漠之舟”骆驼,“巨无霸”刚性矿卡就是一头能负重前行的大象。

纵观露天矿山自卸车的发展史,宽体自卸车与刚性矿卡虽然在车身结构和传动形式方面多种多样,承载能力差异较大,但在全国各地非煤矿山和煤矿,都能找到契合自身产品特性的应用场景,矿车行业已进入成熟增长期,市场保有量数以十万计。

近几年,千万吨级煤矿和砂石矿山接连获批,使得大吨位矿用车深受市场青睐。矿卡生产厂家唯有顺势而为,采用不同动力和传动形式研发百吨级新车型。时至今日,技术层面已经历多次迭代,各家先后投放多款样车进矿试用,从中呈现出不同优劣势。

其中,百吨级矿用车显然已成为矿卡领域技术分水岭,厂家较力主战场。无论宽体自卸车还是刚性矿卡,载重100吨以下车型,主要采用机械传动方案;载重100吨以上车型,更多倾向于使用永磁电机驱动或传统电动轮路线。

相较于传统刚性矿卡而言,非公路宽体自卸车传动形式多以机械换挡变速器为主,载重量尚未完全突破百吨级技术边界。

随着新能源汽车技术的快速发展和电动化矿卡需求量与日俱增,从2019年开始,宽体自卸车市场先后出现了纯电动、氢能和混合动力等多种动力技术路线、但是产品升级迭代至今,在售车型最大吨位仍在百吨级门槛之外徘徊,难以跨入。

矿用自卸车选型是否成功,无疑决定了露天矿山生产运输效率的高低,装载量大、性能可靠、节能降耗等各项优势至关重要,缺一不可。那么,究竟该如何选择一款皮实耐用,且能在今后几年或十几年间,稳定输出创造最佳效益的矿用车型?

不难发现,摆在决策者办公桌上的矿车品牌层出不穷,但可选车型屈指可数,无非就是从现有两款不同车型中二选一。左手宽体车,右手刚性矿卡,究竟是重金购入燃油或电动刚性矿卡?还是押宝在吨成本仅为刚性矿卡1/10(不同工况,不一而足)的宽体自卸车?这个现实问题对于矿方高层领导力和执行力而言,无疑是一大挑战。

一、矿用自卸车市场现状

1、矿用自卸车的分类

矿用自卸车依照车架结构型式不同,主要分为刚性矿用自卸车(刚性矿卡)和宽体自卸车两大类。(本文对铰接式卡车不作表述)

刚性矿卡的车架采用工程机械制造工艺,车身采用钢板焊接形式,刚性车架再与其他部件拼接而成,其连接过渡及主要承载部件多采用铸件,整体采用铸焊一体式结构。

非公路宽体自卸车仅在公路自卸车的底盘基础上,对关键部件进行针对性升级,所研发的一款承载吨位大、安全系数高、极具性价比的矿山运输装备。
由于宽体自卸车所使用的车架从公路自卸车演变而来,两者技术路线较为一致,都采用多层折弯钢板,通过螺接或铆接的形式组合而成。从矿区使用效果来看,该车身结构理论上最大可承载吨位已十分明确,技术边界局限于70吨。

2、刚性矿卡技术现状

刚性矿卡市场是从20世纪50年代开始进入快速发展期,随着电传动、电控系统、动力电池等供应链不断迭代升级,国内刚性矿卡的动力系统从之前依赖进口转为国产替代进口为主,电动化让整个矿用车市场随之发生翻天覆地的变化。

刚性自卸车现有技术路线分两大类。

A、机械式传动路线
机械式传动路线操控形式可细分为两种。
第一种采取的是发动机—离合器—变速器—传动轴—后桥的直接驱动方式,采用此种方式的车辆为手动档,具有离合踏板。
第二种采取的是发动机—变矩器—动力换挡变速器—后桥的液力机械式传动方式,采用此种方式为自动档,无离合踏板。
B、电传动路线

受益于IGBT的快速发展,交流传动系统调频、调幅特性得到大幅度改善,当前市场销售的电动轮矿卡多以交-直-交驱动模式为主流。

对于百吨级及以下矿车产品,各主机厂多采用机械式传动路线。但由于机械传动部件多、故障高发、且制造难度大;而电传动通过电缆传输电能给驱动电机,不仅输出扭矩大,还减少了诸多传动部件,百吨级以上矿卡大多采用电传动技术路线传递动力。

当然也有例外,卡特彼勒从入门级769车型,到载重363吨的797F超大型矿卡,仍采用机械式传动,并且全套传动系统均独家研制。

二、宽体自卸车的技术现状

非公路宽体自卸车研发之初,为降低生产成本,仅是在公路自卸车基础上加大、加宽、加强,提高可靠性和适用性,以应对矿区恶劣工况,本质上其车身结构仍为传统公路自卸车,尚未“脱胎换骨”。

近两年,国内砂石矿山主销产品为105车型,额定载重70吨,根据动力形式不同,可分为机械驱动和电驱动两种。而销往煤矿的产品多为大吨位136车型,普遍采用混动技术路线。

随着矿车大型化趋势愈演愈烈,70吨级以上车型也逐渐采用刚性焊接车架,加前后油气减震悬挂。为应对煤矿无人化、低碳化、大型化发展趋势,各矿卡厂家不遗余力整合技术资源,将研发重心向百吨级混动矿用车领域加以倾斜。

三、百吨级矿用车技术路线

说到刚性矿卡,不能无视TR100这一传奇矿用车型的存在。

TR100作为国内百吨级刚性自卸车的标杆产品之一,自2005年国内第一款正式命名车型推出以来,已被销往全球多个国家和地区,扬名东南亚和非洲等海外市场。

产品上市至今,历经20年的市场积累和沉淀,TR100成长为刚性矿卡经典车型,在国内大型矿山都曾有过服役经历。美中不足的是,在核心技术和外观设计方面,厂家似乎缺乏创新,所采用液力机械式传动路线,多年来一成不变,如发动机及变速器等关键部件,常年依赖国外厂家进口产品,至今不见国产替代迹象。

为打破国外品牌在百吨级刚性自卸车传动系统方面,已形成的技术封锁和市场垄断局面,国内矿车厂家在原有传动系统框架基础上,进行了大胆探索和技术创新。

百吨级刚性矿卡尝试采用新能源技术路线,将换挡变速器升级为发电机,由驱动电机与原机械传动桥直连,整车实现电驱动。当重车下坡时,驱动电机转换为发电机,将来自车身和货物的百吨势能转换为电能,存储到动力电池,增强车辆续航能力。

这套动力系统主要将原先由液力换挡变速器直连的驱动桥,升级为由发电机和动力电池通过电缆向电动机传输电能,使其输出高扭矩驱动机械桥。此举可充分发挥电机调速性能好、能耗效率高、起步扭矩大等技术特性。

宽体车框架下如何开发大吨位混动车型?

国内宽体车行业通常以车货总重的形式来命名车辆型号,煤矿主销机型已从105逐渐过渡到136或138,减去车辆自重,实际矿石载重量应在75-95吨之间 。

从去年开始,某些矿车新势力虽有100吨以上大吨位样车下线,并已进驻矿区开展试用。“辨材须待七年期”,从经济性、可靠性、出勤率等方面,来衡量一款矿车的设计是否成功,还需经历多个应用场景长时间深度实测,来加以验证技术成熟度,从而找出潜在问题,进一步完善升级。

总之,能做到核载百吨级以上的宽体自卸车,还未真正批量投放市场。无论传统主机厂还是新势力,均处于技术探索阶段,但可以明确的是,为适应煤矿重载上坡工况,主流厂家多采用增程混动技术路线,各款车型的区别在于匹配的增程器、电动机、动力电池品牌及电量多少有所不同。

增程式混动宽体车仍然沿用6×4驱动方式,搭载高功率矿卡专用柴油或甲醇增程动力,发电驱动永磁同步电机。该结构的技术另一亮点在于将双电机与AMT变速器进行融合,形成更先进的EDMT变速器。

驾驶矿车作业时,整车VCU控制逻辑采用能量跟随策略,可根据不同工况匹配电机功率,自动启停增程器,同时也可让动力电池单独或共同参与驱动。不仅完全摆脱对国外液力换挡变速器进口依赖度,还能使矿车的节能性和经济性得以大幅提升。

四、技术路线优劣对比

通过市场调研发现,无论是刚性矿卡还是宽体自卸车,百吨级车型既有混合动力驱动形式,也有纯电动车型。为降低改造成本,部分车型仍保持了原始机械传动结构,但也有厂家直接采用电动轮技术路线。

值得关注的是,为了保证“百吨王”矿卡重载之下车身结构的高可靠性,宽体自卸车设计打破常规改用刚性车架,采用高强度板材焊接式结构,放弃传统铆接或螺接式柔性大梁。

两种技术路线差异性对比:

(1)刚性矿卡采用驱动电机直驱桥的驱动形式,而宽体自卸车采用EDMT多电机联合驱动AMT换挡变速器的形式与驱动桥硬连连。前者控制逻辑相对简单,而后者控制逻辑较为复杂。

(2)刚性自卸车为4×2双桥式结构,后桥四个轮胎单驱,宽体自卸车为6×4三桥式结构,为中、后桥8个轮胎双驱动。

(3)当连续下长坡时,由于刚性矿卡有制动电阻栅的存在,可以将整车的势能转换成热能散发掉,保证刹车效果不价格宽体自卸车除了机械制动系统,还可借组电机反拖,但受制于动力电池可反充容量有限,连续下长坡性时的制动性能显然不如刚性矿卡。为此,有些大吨位车型为提高下坡安全性,专门增加一套电涡流辅助刹车。

(4)宽体自卸车整车共安装10条16.00或18.00矿用轮胎、刚性矿卡需6条全钢巨型轮胎,由于宽体自卸车所使用的轮胎型号远小于刚性矿卡,因此具有成本优势。在车辆运行期间,大大降低轮胎更换费用。


   (5)不同的技术路线决定了产品价格差异化。一台136混动宽体车售价接近200万,一辆百吨级电动轮刚性矿卡,搭载进口柴油发动机入门车型售价超出600万,如改用国产动力混动路线,同吨位车型预计不超500万,更具竞争优势。


五、百吨级混动矿卡即将迎来春天

混合动力矿用自卸车可油可醇可电,技术路线具有领先优势:

      (1)具有较好的燃油经济性。当重载下坡时,将整车势能转化为电能,储存到动力电池或超级电容中,供车辆上坡或平路行驶时使用,有效降低发动机启动频率和发电时间。通过VCU整车功率控制逻辑,可使发动机转速始终处于最佳效率区间。

(2)延长制动系统的使用寿命。百吨级机械传动自卸车常采用干式和湿式钳盘式制动器,作为整车的制动系统;而混合动力路线整车在将势能转换为电能的过程中,全程为无接触的电磁力制动,大大提升了机械式制动器的使用寿命。同时当连续长下坡时,可以减少长时间持续踩制动踏板,避免制动系统热失效情形,从而保证人员和车辆的安全。

(3)借助混动路线实现弯道超车。混动技术可以让国内矿卡厂家摆脱对国外传动部件的长期依赖,特别是大马力发动机和自动变速器等核心零部件。国内新能源汽车市场拥有成熟的三电系统设计和制造能力,采购成本逐年可降,交付周期完全可控,充分具备研发拥有完全自主知识产权混动矿卡的技术和实力。


写在最后:

鉴于新能源矿卡电控技术实现自主研发,使得混动矿卡可选装动力丰富多样,不再仅局限于一两个进口品牌。既有利于节能减排、降本增效,还有助于打造差异化产品,加速百吨级矿卡电动化赛道新车型迭代步伐。

回顾本届上海宝马展,参展矿卡企业推出了多款的新能源车型,百花齐放,亮点多多,最大的技术创新还是在于使用国产动力替代进口发动机。一款采用双发动力技术路线打造的混动电动轮矿卡,通过前期多个矿区工业性试验,测算得出:在典型工况下,一年节油成本可达50万元。这个数据在小编看来过于保守,仍有较大提升空间。区区50万成本,平均下来一天仅1300元,无法满足客户节能降耗预定目标。

采矿场就是竞技场,产品实力决定运力上限。骆驼和大象谁能行稳致远?究竟哪家的产品更成熟、更节能、定位更准确?你我都不是预言家,就不去罔评排名,相信市场会给出一个准确答案。

此次新疆准东一矿区同时引进两种车型,既有百吨级刚性矿卡,也有90吨级混动宽体车,这就能充分说明一个矿区两种车型可和谐共存,应用于不同场景,充分提高矿区土方剥离和采煤运输效率。

简而言之,矿车唯有真正做到简便实用才是硬本领,才能成为精准制胜“杀手锏”,2025期待电动矿卡赛道新品频出,冲向海外更广阔大市场。


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