1.5　发展历史

从世界范围看，矿用自卸车是从载货汽车（即卡车）发展起来的。载货汽车的发展起源于19世纪20年代，现代载货汽车的祖先是由内燃机驱动的运输车辆。1896年10月，德国戴姆勒公司生产出世界第一辆卡车。该车搭载两缸菲尼克斯发动机，整车质量1.2t，载重1.5t，出口给英国伦敦汽车联合有限公司[8]。

1900年以后，欧美国家越来越多的厂商开始制造载货汽车。1900年，美国人亨利·福特制造的第3辆汽车就是一部卡车。法国贝利埃（Berliet）也在同年推出了第一辆卡车。第一次世界大战及各国的交通建设、矿山开采、货物运输等活动，有力推动了载货汽车发展。在激烈的商业竞争下，车辆性能日益提高。1901年，奥地利的Porsche和Lohner制造出第一辆混合动力汽车，该车使用汽油机和轮马达作为动力，四轮驱动。1902年，德国Elektrizitaets公司制造出第一辆使用汽油机—电力驱动系统的卡车。

现代汽车发源于德国，矿用汽车则兴盛于美国。1917年美国福特汽车推出了TT型卡车底盘，这是第一种专门为卡车设计的底盘。1923年9月，德国奔驰在OB2型5t卡车上，安装了第一款8.8L直列4缸柴油发动机，功率为45hp。

20世纪30年代后，矿山开采和工程建设中的蒸汽铲斗容量越来越大，这就需要载重车辆与之配合。1934年1月，美国尤克利德（Euclid）公司研制出第一辆四轮液压自卸车——Euclid-1Z，由此开创了载重自卸卡车的历史。该车货箱长度6.4m，由液压缸顶起货箱后倾卸货，配置100hp汽油发动机，采用带万向节的传动轴驱动，可与蒸汽铲配合，运送渣土或矿石，载重量达到14短吨，这是现代矿用自卸车的雏形（图1.14）。

20世纪50年代，美国的铁矿行业最先试用10t级汽车运输铁矿石，由于在矿山运输中自卸车具有载重量大、转弯半径小、机动灵活和道路修筑容易等特点而显示出极大的优势，从60年代末70年代初，矿用汽车的载重量由20吨位向60吨位发展。

在载货汽车大型化的基础上，有轨电车的架线供电技术，开始移植到轮式卡车上。1938年，在意大利瓦尔特里纳的水电站建设中，开始采用电传动载货汽车运输混凝土。当时工地上有16辆三轴卡车和4辆双轴牵引车，全部改装为电力驱动。驾驶室顶部装上长长的集电杆，搭在650V的直流架空线网上，为车辆提供电力，架空线路总长80km，这种方式有效地提高了自卸车的爬坡性能（图1.10）。

1956年，美国设计师Ralph H.Kress为L-W（LeTourneau-Westinghouse Company）公司设计一款豪帕克（Haulpak）LW-30的刚性后卸式自卸车（图1.15），这台30短吨机械传动矿车确立了非公路自卸车的标准。

Haulpak LW-30的设计在当时是大胆新潮的，不同于同时代以尤克利德为代表的脱胎于公路卡车的自卸车，LW-30第一次采用了诸多先进的设计元素，如倾斜式货箱（sloping dump body）、偏置式驾驶室（left-mounted offset cab）、超短轴距、六轮胎、油气弹簧、前轮独立悬挂（Hydrair air-hydraulic suspension）等，这些元素为此后非公路矿用自卸车的设计树立了标准。虽然LW-30载重只有27t，但这些元素即使在今天载重300t以上的超级电动轮矿车上依然被采用，Ralph H.Kress（1904～1995）也因此被誉为“现代非公路自卸车之父”（图1.16）。

Ralph在伟步科（Westinghouse Air Brake Company，WABCO）公司任顾问期间，利用当时最有效的零部件设计了一辆自卸车，他意识到不能把轮胎当成悬挂，要加强操纵舒适性并减少来自路面载荷冲击的设计，可通过短轴距和大深度倾斜式平底货箱来实现这些特性。1957年，首台32短吨的Haulpak交付，Haulpak很快扩大了规模，产品倍受青睐，此后40年，Haulpak成为行业的标杆，20世纪90年代后被日本小松（Komatsu）公司收购。Haulpak型号全部使用艾里逊（Allison）变速箱，发动机则使用康明斯（Cummins）、通用汽车（General Motor，GM）或底特律的。

Ralph任Dart公司总经理期间，首次提出要完全依靠全动力转向——这是大型矿用自卸车一个最基本的要求。首台使用全动力转向、载重量75短吨的Dart75-TA后卸式矿车（图1.17）就是他的发明，这台矿车是当时同类车型中的最大者。该车发动机舱下有两台“布达”柴油机，每台功率300hp，通过变矩器驱动后轴，装有4条轮胎的前轴首次使用了非公路型油气悬挂，悬挂设置在前轴中央，这个革命性进步取代了钢板弹簧。独立车轮转向由两个双动式液压缸取代，使车辆转向更平滑、更易控制。Ralph任职期间，仅1955年Dart的售量就增长了6倍。

1962年Ralph加入卡特彼勒（Caterpillar）公司，先后设计了CAT779柴油机—电驱动双轴矿用车、CAT783三轴侧卸式和CAT786底卸式矿用车。1969年从卡特彼勒退休后，Ralph加入了他儿子创办的Kress公司。

20世纪50年代以后，矿用汽车载重吨位越来越大。1951年，美国尤克利德公司推出当时世界最大的Euclid-1LLD型自卸车，载重量达到50t。该车采用三轴10轮底盘，搭载两台康明斯柴油发动机，总功率达到375hp。1958年，尤克利德用三轴的1LLD自卸车，加长为五轴18轮，载重量达到150t，再创世界纪录，见图1.18。

载重自卸车极大地提高了露天矿山开采效率。但是，露天矿山多为折回坡道，柴油卡车运行成本较高。为提高载重车辆运输的经济性，电传动自卸车应运而生。真正的电动轮矿用汽车的问世，应自美国肯沃特（Kenwolth）公司于1959年制造的65短吨电动轮矿车算起。矿用电动轮自卸车技术的开始成熟和推广应用，则是在1963年以后[9]。

当时美国通用电气公司（GE）生产了多种型号由柴油—电力驱动系统提供动力的轨道机车，此业务一个主要部分是在露天矿运输矿石和废料的轨道机车，由于轨道车辆的灵活性差和装卸不够方便，所以受到了来自机械传动后卸式矿车生产商的挑战。Kennecott铜业公司的露天矿山是GE机车的大用户，他们希望通用橡胶轮胎的后卸式矿车来取代这些柴油—电力驱动的轨道设备，GE也承认开发一套用于自卸车的柴油—电力驱动系统——使用机车上的基础元器件——是一个重新获得由于机械传动自卸车而失去的市场份额的途径。

美国工程机械界传奇人物雷多诺（Robert G.LeTourneau）首次提出了柴油机—电力多轮驱动的想法，早在1955年他就在美国申请了电动轮结构发明专利，见图1.19[10]。由柴油机带动直流发电机，所发电力输送给每个车轮上的轮毂电动机，驱动车辆运行，这与当时铁路内燃机车的传动方式非常相似，只不过把钢制车轮换成了橡胶轮胎。

1959年，雷多诺为蒙大拿州伯克利铜矿改装了一辆载重量65短吨的TR-60后卸式矿车，它采用柴油—电力传动方式（diesel-electric-drive）——用直流发动机取代了原车的发动机和变矩器，并将两个牵引电机安装在矿车的后轴内——在伯克利铜矿矿坑进行测试，这是一辆每个车轮都安装了一个轮马达的柴油—电动车型，每个轮马达的功率为400hp，从架空线或车载的双柴油发动机获得能量，车载发动机在卸货或装货点处脱离架线运行时发挥作用。同一时间，在俄勒冈州波特兰制造的另一台柴油—电动牵引车型也在此进行测试，这台车装载质量为65短吨，由一台700hp的柴油机向两个电动轮提供能量。

几乎与此同时，GE认为想要有个成功的电传动系统，必须开发出一种能将牵引电机安装在单个或两个轮胎内部的设计，从而让电动机架成为电动轮结构的一部分，以减少传动系统的质量，只有这样，相比于机械传动型矿车，电传动自卸车的有效装载质量与自重之比（即自重利用系数）才有竞争力，这样就导致了一些设计上的困难。在20世纪50年代中期，GE克服了这些困难并最终完成了设计。

1959年，美国尤尼特瑞格（Unit Rig）公司首次将一辆载重68t的矿用汽车改装成电传动汽车，这首先归功于LeTourneau在1955年发明的电动轮毂，它是在自卸车基础上，结合无轨电车的技术产生的[10]。1960年1月27日，尤尼特瑞格与GE合作，研制成功第一台电动轮原型车M-64 Lectra Haul，它采用一台700hp的康明斯柴油机和铰接式车架（articulated steering frame）。

Duane Lackey是M-64的项目工程师，Hubert McAulay设计了转向和举升的液压系统，Jerry Shelton对转向进行了布局并设计了机械部分，Jim Willis设计了货箱，后来Dick Evans接任了项目经理。

在尤尼特瑞格开始设计这些Lectra Haul的量产型之前，装载质量20～65短吨的L-W Haulpak的矿车产品是该行业的“黄金标准”，设计者是现代非公路自卸车之父RalphH.Kress——今天所看到的400短吨的巨型矿车，它们的双轴、六条轮胎、V形货箱和油气悬挂等特征都与当时Kress的设计非常相似。尤尼特瑞格则是现代柴油—电力传动矿车，即电动轮自卸车制造之父，它实现了GE创新的电动轮和尤尼特瑞格Lectra Haul矿车的结合，这种结合彻底地改变了露天矿山物料运输的历史。

因为确信GE的电传动系统会在露天采矿行业取得成功，在设计新车型之前，尤尼特瑞格便准备与GE签一个三年的新传动系统产品合同，计划使用四轮驱动系统，但尤尼特瑞格必须同意在三年内购买GE所有的电动轮产品。但M-64的项目经理Dick Evans认为露天采矿中没有必要使用四轮驱动的形式，他分析如果两轮驱动的机械传动矿车能够在矿山运行，那么更为轻量和高效的两轮驱动的电传动矿车的表现应该比当前的机械传动型更好。

在合同签订的前一天，Dick Evans花了一整天的时间，通过计算来证明没有必要在目标矿车上使用四轮驱动。第二天，在GE人员到来之前，Dick向尤尼特瑞格总裁JesseL.VintJr.介绍了他的计算，这个结论得到认同。最终，与GE签订的是两轮驱动系统的合同。此举是尤尼特瑞格公司Lectra Haul项目成败的关键所在，因为一个四轮驱动的车辆将更加昂贵、更难维护，且空车自重（Empty Vehicle Weight，EVW）更大，将导致运行费用更高而竞争力不强，所以放弃了四轮驱动，转而设计两轮驱动。

从1963年下半年开始，尤尼特瑞格开始批量生产载重为77t的M-85Lectra Haul型电动轮自卸车（图1.20），这个量产车型是刚性车架（rigid-frame）、载重量85短吨的双轴后轮驱动、后卸式矿车，使用了6条21-49.40PR轮胎，搭载了一台700hp柴油机，使用GE的电传动系统。

M-85 Lectra Haul打入市场后一举成功，到1964年底，共卖出34台。新产品有很多成功的理由，电传动使它比竞争对手的机械传动结构更简单，由Craig Doennecke设计的“橡胶圆盘”悬挂维护更容易，动力制动的后轮盘式制动使驾驶更安全和容易。M-85型车的设计、制造和维护人员中的大部分没有任何非公路矿车方面的经验，他们将尤尼特瑞格带到这个行业，直面卡特彼勒、特雷克斯（Terex）、尤克利德、伟步科和Dart等众多老牌对手并技高一筹，堪称奇迹。

1963年，最早的三台M-85矿车在Kennecott公司的Chino矿运行的初期，一辆矿车在倒车时将一台M-85驾驶室撞坏，Chino致电尤尼特瑞格要求换一个新的，当时恰好是星期五，尤尼特瑞格立即卸下了组装车间内一辆车的驾驶室，装上平板车并指派两名技术人员直接运往新墨西哥州的Chino矿，周一的早上便来到矿山的门口，并很快换上新的驾驶室。而按Chino矿以往的经验，更换驾驶室至少要几个月的时间!尤尼特瑞格的成功不仅在于产品质量，其高水平的服务和敬业的员工是更主要的原因。

尤尼特瑞格两年后又制成了M-100短吨同类车，许多年后这两种电动轮均获得了推广，仅伯克莱铜矿在数年内就购买了80余辆。1968年M-120-15加入，在1982年初这些卡车生产线停止之前共制造和销售了超过2100台，算下来是平均每月约10台，并且整整持续了19年!正是这些新型电动轮矿车主宰了露天采矿运输行业20年，并开启了尤尼特瑞格非公路自卸车的黄金时代。1988年尤尼特瑞格并入美国特雷克斯集团，称为特雷克斯矿业公司。

因技术水平的限制，当时设计和制造用于大功率、大转矩的机械变速传动系统是相当困难的，然而电力驱动系统能够避免这一问题。电动轮矿车还解决了制约矿用汽车向更大吨位发展的关键技术难题——传动系统问题，其他厂家也纷纷生产电动轮自卸车，于是电动轮得到了快速发展，并促进了矿用自卸车大型化的进程。1968年，美国GE公司进一步完善电动轮结构，将电动机、传动系统和制动系统融为一体，这样既可在车上维修，也可整体拆换，大大推动了电动轮自卸车的高速发展。

1971年，美国伟步科公司推出3200型电动轮样车，采用三轴10轮结构，额定载重200短吨。1974年改进为3200B型，载重量提高到240短吨（218t）。该车引领了大吨位矿用车的潮流，成当时世界最大的矿用车。整车尺寸为16.5m×7.3m×6.1m，自重170t，采用通用汽车（GM）的12缸低速柴油机，最大功率2439hp，使用10条固特异低压轮胎36.00-51，两个三级举升液压缸能在30s内完成卸载。

1978年，加拿大GM公司制造出一台史无前例的巨型矿车，型号为Terex-3319，绰号“TITAN”。该车采用三轴10轮后卸式结构，额定载重350短吨（318t）。整车尺寸为20.1m×7.8m×6.9m，自重236t。装备GE电传动系统，16缸柴油机，最大功率3348hp，油箱容量3632L。使用10条40.00-57巨型轮胎，空车和货物全重达到惊人的554t。TITAN在两个矿山服役过，转场时需要动用8台平板车运输组件。

到20世纪80年代末，尤尼特瑞格、利勃海尔、小松德莱赛（Dresser）、尤克利德、白俄罗斯等近十家矿用汽车制造厂生产电动轮自卸车，年生产能力约500辆，累计已超过万辆。载重量从108～218t，试制成功的最大样车，载重量已达到217t。由于大型矿用汽车具有运输效率高、运输成本低的优点，自电动轮自卸车问世以来，在美国GE、尤尼特瑞格、德国西门子（Siemens）、利勃海尔等厂商的推动下，曾经占据了全部市场，世界各国的大型露天矿山都纷纷采用了载重百吨以上的电动轮自卸车，大大提高了矿山的生产效率[4]。

1999年，德国利勃海尔推出载重327t的T282型电动轮自卸车，第一辆用于美国怀俄明州，在Powder River Basin搬运矿体上的覆盖物。2004年又推出T282B型（图1.21）升级版，载重量提高到363t，车型容积222m3。全车长15.3m，宽9.5m，高7.8m，空车自重230t。它有两种柴油发动机配置：MTU DD 20V4000（2722kW、20缸、排量90L、重10.5t）或康明斯QSK78（2610kW、18缸、排量78L、重11.3t）。电力传动采用Siemens交流传动系统，轮胎是米其林56/80R63或普利司通59/80R63，最高车速64km·h-1。这是世界首台400短吨（363t）级的矿用自卸车。

原苏联于1965年曾制造过一种65t电动轮自卸车，70年代又研制成75tBelaz-549及110tBelaz-7519两种这类车，1980年又研制成190tBelaz-7521型电动轮车，已投入批量生产。法国在20世纪60年代曾制造过一种65t电动轮自卸车，日本小松公司在70年代制成120tHD-1200型电动轮自卸车[9]。日本Keio大学的电动汽车试验室曾于2001年研制了一种新型八轮全驱动概念电动轮自卸车“KAZ”，这是一种公路型电动汽车[11]。

我国矿用自卸车的发展历史较短。1901年底，匈牙利商人李恩时（Leinz）将两辆美国制造的“奥兹莫比尔”（Oldsmobile）牌汽车从香港运到上海，这是汽车首次传入中国。1931年5月31日，辽宁迫击炮厂在张学良将军支持下，从美国引进技术，制造出“民生”牌75型1.8t载货汽车，这是我国第一辆国产汽车。该车载重1.82t，长头、棕色，采用六缸水冷汽油发动机，功率65hp，前后4轮为单胎，轮距4.7m，最高车速40km·h-1（图1.22）。4个月后“九一八”事件爆发，即将完成的首批40辆汽车及零部件被日军全部掳走，刚刚萌芽的民族汽车工业就这样被扼杀了。

1956年7月13日，第一辆“解放”牌CA10型4t卡车在长春第一汽车制造厂驶下生产线（图1.23），中国第一个汽车工业基地就此诞生。很快全国汽车工业形成了“一大四小”的格局。由于我国汽车工业发展之初，就选择以中型载货车、军用车及改装车为发展重点，使得产业结构从开始就出现了“缺重少轻”的问题。矿用自卸车等重型车辆，20世纪60年代仍主要靠从原苏联和东欧国家进口。随着60年代中苏关系恶化，矿用车没有了进口来源，我国被迫进入了自主研发生产矿用自卸车的历程。

20世纪60年代中后期，欧美国家的矿用自卸车载重能力已经达到150t，并开始发展电动轮技术，我国已明显落后。此时，国家提出“大打矿山之仗”的决策，研制矿用自卸车成为发展重点。

1964年，我国与法国正式建交。同年8月，第一机械工业部向国务院上报了《引进法国贝利埃GBU15、GLM、T25、TCO等4个车型技术的意见》。1965年6月3日，在中国重庆汽车制造厂与贝利埃签订了装配协议，允许中国组装生产55tT25自卸车（图1.24）等4种车型。

1968年10月，应第一机械工业部要求，上海汽车制造厂（简称上汽）开始试制大吨位自卸车。1969年9月，以上汽为主，采取全国169家工矿自卸车企业大协作方式，试制成功了SH380型32t矿用自卸车（图1.25），并送到北京参加国庆20周年游行检阅。SH380型车以苏联Belaz-540型27t载重车为样本，采用上海柴油机厂生产的6315-12V柴油机、液力机械变矩器和液压空气减振器，货箱后倾式自卸，额定功率294kW，最大车速50km·h-1。该车1971年2月转由上海货车厂生产，至1980年停产，累计生产637辆[12]。

1971年1月，第一机械工业部向第一汽车制造厂（简称一汽）下达了研制CA390型60t矿用自卸车的任务，先后完成两轮样车试制，1973年12月31日试制成功。该车长9.2m，宽4.6m，高4.3m，自重43.5t，由重庆新建机械厂提供发动机，见图1.26。后来一汽将整套图纸和全部试验资料，移交本溪重型机械厂生产。1975年11月15日，本溪重型机械厂试制成功LN390型60t矿用自卸车。此外，天津、常州、北京、甘肃白银等地，陆续试制成功15～42t矿用自卸车。缓解了当时矿山、石化、水电、运输等部门急需载重车辆及配件紧缺的局面。

1974年，湘潭电机厂与鞍山冶金矿山公司、一汽、美国伟步科等企业联合协作研制108t电动轮自卸车，1977年4月29日，我国首台百吨级电动轮车——“韶峰”SF3100型电动轮自卸车研制成功（图1.27）。该车自重93t，装载质量108t，采用4×2后轮驱动[13]、[14]。

由于国产矿用车难以满足需求，各厂矿企业开始从国外进口载重车辆。1979年，江西德兴铜矿首次从美国引进10台装载量为154t的电动轮自卸车，这是当时世界上最先进的矿用汽车。20世纪80年代末90年代初，为解决进口替代问题，许多企业开始与国外厂商或研究机构合资合作，把大量先进的技术引入到国内。

1985年7月29日，本溪重型汽车厂与大连电机厂、长沙矿山研究院、鞍钢等单位联合研制的LN3100型108t电动轮自卸车，在本钢南芬露天铁矿通过鉴定。该车长11.05m，宽6.3m，高4.9m，货箱堆装容积60m3，载重108t，采用4×2后轮驱动，发动机为KTA-2300型四冲程增压中冷高速柴油机，功率1200hp，发电机为TQF-760型8级三相交流凸级式同步电机，电动轮为ZQ-342型4级直流串励牵引电动机，由大连电机厂配套。最高车速40km·h-1，最大爬坡度20％，年运量85万吨以上。该车共生产了10多台，后因各种原因停产[15]。

1990年前后，江苏常州冶金机械厂与长沙矿山研究院合作，为南芬露天铁矿生产了12台美国尤尼特瑞格公司的Mark-36型154t电动轮自卸车，主要部件为进口，后由于矿山费用紧张而停产。此时，外资也加紧了进入中国市场的步伐，1988年5月21日，特雷克斯设备有限公司（英国）与内蒙古第二机械厂合资，成立北方重型汽车有限责任公司，主要业务为进口散件，组装特雷克斯尤尼特瑞格品牌的矿用汽车和工程机械。1991年11月，湘潭电机厂与美国小松德莱塞公司合作生产了SF3150型154t电动轮自卸车。这些都大大促进了我国矿用自卸车事业的发展[14]。

90年代以来，国内生产厂家也开始研制独立知识产权的矿用电动轮自卸车，如北京首钢重型汽车制造股份有限公司与北京科技大学合作研制的170t电动轮自卸车已经在矿山运行。2009年湘电重装SF33900型220t电动轮自卸车正式通过用户鉴定。2011年5月26日，SF35100型300t交流传动自卸车在湘电集团正式下线，该车长15m、宽8.8m、高6.8m、自重210t、轮胎直径达4m，见图1.28。

2012年11月27日，世界上最大的轨道交通装备制造商——中国北车集团旗下的北京二七轨道交通装备有限责任公司（以下简称北车二七）自主研发成功190t交流传动矿用自卸车EQ190AC，该车充分利用高速铁路技术，采用公司自主研发的交—直—交电传动控制系统，柴油发动机功率1492kW，整车长13.37m、宽6.95m、高6.46m，见图1.29，这标志着北车二七成为目前世界上首个拥有交流电传动自主知识产权的主机制造商。