摘要：10吨级地下铲运机是国外重点发展的应用新技术最多的采矿车辆。详细介绍了世界著名的Atlas·Copco（阿特拉斯·科普柯）、Sandvik（山特维克）、GHH、CATerpillar（卡特彼勒） 公司近几年开发的新项目—— 10 吨级地下铲运机，分析了其技术参数、最新配置，以及针对地下恶劣采矿环境而进行的安全性及人性化设计。并以Atlas·Copco公司不同时期制造的 10 吨级地下铲运机为例，说明了 10 吨级地下铲运机的更新换代的关键技术。

地下铲运机是地下采矿的下面重要设备，而 10 吨级地下铲运机又是国外使用和发展的重点品种。世界上著名地下铲运机制造厂，例如Atlas·Copco 、Sandvik、GHH 及 CATerpillar 等公司，近年来不断升级换代，推出新产品，使 10 吨级地下铲运机的技术水平达到了一个新的高度。笔者将介绍了这些公司近年来投放市场的最新型 10 吨级地下铲运机的技术参数及其新配置，还有其在恶劣工况条件下是如何从设计上体现人性化关怀。

1　新型 10 吨级地下铲运机技术参数与最新配置

近几年，世界上主要的地下铲运机制造厂推出的新型 10 吨级的地下铲运机有：Atlas·Copco 公司的ST 1030、Sandvik 公司的LH 410、GHH 公司的 LF-10/11 以及 CATerpillar 公司的 R1600G 柴油地下铲运机。其技术参数和配置如表 1 所列。

图1　Atlas·Copco 公司的ST 1030地下铲运机

图2　Sandvik 公司的LH 410地下铲运机

图3　CATerpillar 公司的 R1600G地下铲运机

表 1　世界上最新 10 吨级地下装载机技术参数与配置

2　新型 10 吨级地下铲运机的配置特点

2.1　满足非公路欧 Ⅲ 排放标准的发动机

随着人们对安全和环保的重视，世界各国对发动机的排放制订了愈来愈严格的法规。欧洲和美国从 2006 年开始，要求非公路发动机排放必须达到 StageⅢ/TierⅢ 标准。新型 10 吨级地下铲运机可满足该标准要求，我国从 2009 年 10 月 1 日起实行的标准相当欧洲第二阶段。

由表 1 可知，发动机全部采用电子控制。电子控制发动机除了能满足非公路欧Ⅲ排放标准外，还具有良好的燃油经济性，节油 5%～10%。此外，电子控制发动机可提高功率、增加扭矩、延长发动机寿命。

康明斯 QSL9 型发动机采用目前最先进的 ECU 发动机控制模块和高压共轨技术、增压技术并带有自诊断功能。其全电子控制，噪声小，尾气排放达到欧Ⅲ排放标准，为今后达到欧 Ⅳ 排放标准奠定基础，并已通过美国矿山安全和健康管理局 (MSHA) 的认证。

2.2　采用电子自动换挡变速箱

在表 1 中可以看到，所列的 10 吨级的地下铲运机全采用电子自动换挡变速箱。

DANA 公司生产的电子自动换挡变速箱，其控制箱中有一个中央处理器，它收集驾驶室内控制器、变矩器、变速箱及油门的数据信号，并根据这些信号及机器的预定性能要求进行处理并向变速箱发送电子信号，从而以最佳操作时间进行相应操作；其电子挡位选择器可以预先设定各变速挡位，从而提供简单、有效、平稳的换挡操作，不仅减轻司机的精神集中程度，还可以对传动系统起保护作用。

2.3　采用新型 43RM175 驱动桥

除 CAT 公司外，其他 10 吨级地下铲运机以前大多采用DANA 公司 19D2748 驱动桥，到现在采用的是 DANA 公司生产的新型43RM175驱动桥。

新型 43RM175 驱动桥是 DANA 公司专门为采矿机械开发的系列产品，具有很高的可靠性、工作效率以及理想的成本效益。其主要技术参数如表 2 所列。

表 2　43RM175 新型驱动桥参数

2.4　采用 Posi-Stop 制动器

新型 10 吨级地下铲运机全部采用 Posi-Stop 制动器 (见图 4)，该制动器是更加安全、可靠 (因为若油管破裂或油压低于某一要求值时制动器立即制动)、使用寿命长，几乎无需保养，且工作制动与停车制动合而为一，大大简化了液压制动系统，更利于总体布置。当动力机出现故障由其他车辆牵引时，需设计一个手动松闸油泵。

图 4     Posi-Stop 制动器

2.5　采用自动控制技术

为了解决采空区残矿回收及环境恶劣和危险作业地点的出矿问题，新型 10 吨级地下铲运机都配备了可供选择的标准视距遥控 (RRC) 系统。

图 5　Atlas Copco 公司地下装载机 RRC 组成

如图 5 所示，Atlas·Copco 公司地下铲运机 RRC，由操作装置 (OU) 和机械装置 (MU) 两部分组成。OU 译码器解释 OU 控制器，命令是通过无线电连接到 MU 上，在 MU 上由 MU 译码器解释该命令，利用 MU 的 I/O 模块驱动机器。

除了 RRC 遥控地下铲运机外，Atlas·Copco、Sandvik 以及CATerpillar 等公司还生产半自主地地下铲运机。

2.6　采用静液压传动系统

早期，由于静液压传动可靠性差、控制困难而没能被地下铲运机广泛采用，只在 1 m3 以下的小型地下铲运机采用。目前，铲运机仍以液力机械传动为主，由于经常在低速大扭矩下工作，燃油消耗量大、变矩器效率低、变速范围小、变速器换挡频繁，司机劳动强度大。若采用电子控制自动换挡，价格较高，因此，铲运机的行走和工作装置的功率不能获得理想的合理分配。随着科学技术的发展，静液压传动的可靠性及控制得到改进，大中型地下铲运机传动系统也开始使用静液压传动。

铲运机行走采用静液压传动，通过行走和作业液压综合控制，使两者的功率分配合理，从而提高作业效率，还可通过变量泵和变量马达的合理组合获得较广的调整范围，加、减行驶速度只需操纵油门踏板。液压传动还具有减速制动作用，作业时很少使用制动，制动器寿命长，坡道行走操纵容易，上坡启动不会下滑，还可回收制动惯性能量，从而降低油耗。静液压传动还可实现掘起力和切入力的良好配合，通过控制作业缸压力来控制行走系统压力最高油压。当作业缸压力升高时行走系统压力降低，反之则升高，使铲斗获得良好的切入装斗效果，避免切入过深引起轮胎打滑磨损。静液压传动正好满足铲运机作业要求的低速大扭矩，降低作业时的油耗。

由表 1 可知，GHH 公司最新开发的 LF 10/11 最新型地下铲运机就采用了静液压传动系统。

GHH 公司新一代 LF-10/11 LHD 采用了一个新的高效驱动系统 (EDS-Efficient Drive System)，它按给定应用的需要分配动力，可提供 98% 的效率并降低操作成本，速度自动控制和节油高达 20%。现场使用证明，该系统节能，易于维护，铲取力在同级产品中最大，操作成本大大降低。

2.7　安全性及人性化设计

由于地下采矿环境十分恶烈，危险性很大，人与设备的安全和健康往往会受到严重威胁，各国政府高度重视，都制订了严格的安全标准。新型的 10 吨级地下铲运机的设计完美地体现了这一思想。

2.7.1　安全性

新型 10 吨级地下铲运机采用的计算机技术、通信技术和传感器技术的发展使得在线数据采集、远程监视技术、故障诊断和故障预诊断技术日益完善，最新的 10 吨级地下铲运机都采用这些技术。

GHH 公司 LF-10/11 型地下铲运机配备 CAN 总线和数据记录系统，该系统把机器和运行数据通过无线连接发送到单独计算机站上，以便 GHH 服务人员对收集到的这些数据进行故障进行快速分析和故障诊断，把停工时间缩到取短，使机器一直运行在最佳状态，以提高生产率。

Sandvik 公司 LH410 型地下铲运机的所有信息在一个5.7 in 的LCD 显示器上显示，从而容易检查和排除故障。它的主要特点是不需要模拟表，零部件少、备件少且有机内诊断工具；不需要电气图和万用表去寻找故障；液压和电子故障能很快隔离；全部功能链在一个窗口上；不需要专用工具去进行故障检查；集成警告和警报所有一切都被记录在文件中，可在显示器上浏览、可用标准便携式个人计算机下载。

2.7.2　人性化设计

随着世界采矿业的发展，地下无轨采矿车辆也进入了黄金期。由于地下采矿作业环境十分恶劣，意外事故经常发生，对司机的安全健康影响比较大。据国内外统计表明：人机工程学因素已成为地下无轨采矿车辆许多意外事故的原因。它严重影响地下无轨采矿车辆操作的效率，车辆操作者的安全和健康，严重的导致车毁人亡。正因为如此，国外许多国家把人机工程学原理列入矿山、健康与安全法规、强制地贯彻执行，20 世纪 80 年代初提出了所谓采矿人机工程学，90 年代末又建立起了地下无轨采矿车辆人机工程学，在新开发的每一种最新的 10 吨级的地下铲运机都特别强调人机工程学设计，以改善地下铲运机和操作人员安全性、舒适性、可操纵性、从而提高生产率。

CAT 公司在最新开发的所有的地下铲运机上，采用了转向换挡集成控制系统 STIC 系统 (Steeting＆Transmision Intergrated Control)，该系统取消了常规的方向盘，转向、换挡及前进、后退合用一个操纵杆控制。操纵杆左右倾斜实现铲运机左右转向，其转向速度由倾斜量来控制。前进、后退由操纵杆腹部的扳机式开关操纵。操纵杆上部的两个按钮用来换挡，左上钮的升挡按钮，按一下升一个挡位；右下钮为降挡按钮，按一下降一个挡位。这种全新的操纵控制系统操作强度极小，司机劳动强度低。

铲运机换挡操纵频繁，平均 3.6 s 换一次挡，司机劳动强度大。采用电子操纵换挡，操纵力可由 30 N 降到 6 N，操纵行程从 70 mm 左右降到 40 mm 左右。换挡操纵杆安装在方向盘主柱上或方向盘上。操纵轻巧方便。电操纵换挡省去了空间操纵连杆机构，及其磨损、变形等。由不需调整、润滑等保养、维修，安装布置亦很方便。采用电操纵还有利以下辅助功能实现：不在空挡位发动机不能启动；停车制动时变速器自动挂空挡；一挡换倒挡时倒挡灯自动亮且倒挡喇叭鸣叫。

变速器按钮换挡设在操纵手柄端头。当Ⅱ挡前进接近料堆时，按一下按钮，变速器自动换成Ⅰ挡，装料结束后操纵杆换后退挡位时，变速器自动回复后退Ⅱ挡。从而降低司机劳动强度，提高作业效率。目前，这种电操纵装置广泛用于铲运机上。电操纵还为微机控制自动换挡作好了准备。

电子自动换挡装置允许操作员选择自动换挡或手动换挡。在自动换挡模式下，操作员可通过仪表板上的开关来选择希望机器换至的最高挡位。在此模式下，变速箱切换采用的是出厂时预设的换挡点，因此每次换挡时产生的扭矩和地面速度都是最佳的，从而能最大限度发挥车辆性能。

由于充分采用人机工程学设计，从而减轻了工人的劳动强动和疲劳程度，大大提高了操作的舒适性，大大降低事故的发生率和避免发生重大经济损失。

3　Atlas·Copco 生产的地下铲运机

由表 1 可知，在不同的制造厂生产的 10 吨级地下铲运机中，除了个别几个参数外，其余技术参数相差不大。即便是同一公司不同时期生产的同一级别的地下铲运机也是如此。

ST1000 型地下铲运机在设计时就考虑到了人机工程学对生产效率的影响，以后又对其结构、动力传动系统、人机工程和可维修性进行了近 36 项的改进，并从 ST1000 升级到 ST1010。随后，为了进一步满足市场需求，Atlas·Copco 公司又在操作员舒适性、安全性和适用性3 个方面作了进一步改进，使 ST1010 型地下铲运机升级至ST1020。随着排放要求愈来愈严格，目前，欧州各国要求发动机要达到欧Ⅲ排放标准，并能为未来达到欧Ⅳ排放标准作准备。显然ST1020地下铲运机已不适合这一状况，寻找更适合的发动机与之配套是保证该设备高效性能的关键。该公司选择康明斯 QSL9 型发动机与ST1030型地下铲运机匹配。

ST1030 地下铲运机是一种中型的地下铲运机，在 ST1020 地下铲运机基础上改进而成。其中最大的变化是采用康明斯 QSL9 C250 型柴油机替代 Detroit S50 系列柴油机。尽管康明斯公司开发地下采矿用发动机多年，但是在地下铲运机动力系统中采用康明斯发动机还是第一次。康明斯发动机采用了高压共轨喷射技术，使排放达到欧Ⅲ标准，这是 ST1030 地下铲运机的最大特点之一。该型地下铲运机还重新设计了电子系统和仪表，尤其在电气线路等方面做了许多改进和提升。原ST1020 的电气线路及布置都处于裸露状态，容易出现故障。ST1030型地下铲运机从 2007 年初进入中国市场，通过使用证明，新的电气线路布置和保护能够明显降低故障率，新的电子系统使该机因为电子故障引起的停车事故降到取低，新的仪表盘集成了所有的报警灯，发动机的故障编码显示，过滤器更换指示等。要指出的特别是，ST1030 地下铲运机液压系统回油过滤精度只有 4 μm，对油的污染要求很严。

4　结语

地下采矿环境恶劣，且随着开采深度的增加，对人的危害越来越大，对地下采矿设备的要求也越来越高。从 10 吨级的地下铲运机的发展来看，先进可靠的技术和人性化的设计，不仅提高其安全性和工作效率，也把地下铲运机技术提高到新的高度。（本文来源于矿山机械杂志）