近期的两则消息吸引了笔者的注意。一是首台别拉斯75710自卸车自2014年8月底在俄罗斯克麦罗沃州的库兹巴斯煤矿投入运行以来，已经经历了极端气候的考验，并取得了运输超过140万t煤炭的成绩（2015年2月数据）。同时，第二台75710也已下线，并向公众进行了展示。二是长期以来一直停留在纸面上的ETF概念车终于走下图纸成为现实，据称首批3台5轴车MT-240是为淡水河谷建造的，第一台已经交付，用于位于巴西的铁矿。它们的共同特点就是采用了非常规的多轴驱动形式。
别拉斯75710
ETF MT-240 虽然现在的人们对于后轮驱动的短轴距2轴矿用自卸车已经司空见惯，这种车辆几乎占据了整个矿山市场，人们也把这种结构形式认为是常规结构。但实际上，常规的形成也经历了一个过程，同时，这种常规也不是一成不变。近年来，包括上述两种车型在内，一些新型矿用自卸车打破了现有的常规，重新采用了曾经被淘汰的多轴驱动形式，那么，这是否意味着多轴驱动自卸车又重新焕发了生命力呢？ 决定自卸车结构形式的因素有很多，其中比较重要的有发动机、传动方式、轮胎，以及卸料方式等，其根本在于根据现有条件，选择合适的结构形式，以达到一定的效能，满足最大化生产率和经济性的要求。在此，有必要回顾一下自卸车的发展历程。在自卸车的早期，很自然地在各个方面都大量借鉴了相对成熟的汽车工业。 早期的专业自卸车和普通的公路卡车几乎一样，采用4×2的结构形式，只是采用了较大的后轮以提高承载能力，同时加强了车架的结构强度。为进一步提高承载能力，以及获得更好的通过能力，除了采用更大的轮胎外，增加后桥数量成为很自然的选择。但是后桥数量是不能随便增加的，要涉及结构形式、轴距、传动方式、悬挂形式和桥间差速等诸多问题。因此还是要从公路卡车那里借鉴，在没有贯通式车桥的年代，往往要采用链传动的方式才能实现6×4驱动。即便勉强增加了承载能力，对动力和传动系统的要求会更高，而这又会受到汽车工业的制约，因此在早期，自卸车发展非常缓慢，也没有探索出有效的结构形式。直到二战后，由于军事工业在战争期间得到迅猛发展，大量技术开始转移到民用，可以提供更大功率的发动机以及更大的轮胎，贯通式驱动桥也成为寻常货色。 不过技术转移需要一个过程，此时的自卸车行业仍然缺乏创新能力，造出载重50t的自卸车都很困难。在发动机难以满足要求的情况下，一些厂商如Dart和Euclid采用了双发动机的设计，与双发动机相匹配的是双后桥，每台发动机驱动一个后桥，这样也避免了采用贯通式驱动桥。这种设计虽然带来结构复杂、可靠性降低，以及双后桥之间的干涉等问题，但确实大幅增加了动力和承载能力，在一定时期内是成功的。很快，上述两家厂商在20世纪50年代初将自卸车的载重量提高到50~68t，随后又达到100t，但这种结构形式也越来越难以为继，原因是多方面的，除了上面提到的几点外，过长的车体带来转弯半径过大的问题，灵活性不够，同时空间利用率低，结构材料不能充分利用，结构重量大。因此在1956年Ralph H.Kress为LeTourneau-Westinghouse设计了革命性的LW-30，奠定了现代4×2自卸车的基础，Kress本人也被誉为现代自卸车之父。
LW-30 Kress的设计使得自卸车很大程度上摆脱了公路卡车的影响，自卸车不必再考虑公路对外廓尺寸的限制，增加宽度同时缩短轴距，使得车辆比较紧凑，一方面提高了转向性能，另一方面提高了结构的承载能力，加上单后桥、倾斜车厢的设计也提高了材料的利用率。 此后的自卸车基本都遵循Kress的设计，在发动机和轮胎技术不断提高的推动下迅速向大吨位发展，就连在电动轮时代到来后，尽管在传动方式上发生了革命，但仍采用了这种基本结构形式。不过随着吨位的不断增加，发动机或轮胎又成为短板，又会出现一些新结构形式的探索。发动机相对容易解决，可以用机车发动机甚至燃气轮机代用，虽然不是太合适（理想），起码可以解决有无的问题。但如果没有更大的轮胎，要想增加载重就只能增加轮胎数量，要么将前轮改成双胎，要么增加一个后桥。前轮改成双胎会大幅降低转向性能，同时为了平衡前后桥负载，只能进一步缩短轴距，因此一些车辆干脆采用了铰接的形式，同时改为4轮驱动，如Euclid R105，但大吨位车辆采用铰接车架一直到现在都不被认为是好的设计。而双后桥则又是在走老路，不过也不失为一种有效方法，WABCO 3200和TEREX 33-19都是这一时期双后桥的典型，后者更是霸占世界最大自卸车称号20多年。虽然都采用单台发动机，但两个驱动桥比单个驱动桥在爬坡性能上有优势。
WABCO 3200
TEREX 33-19 上述车辆虽然解决了部分问题，但解决不了自身的根本问题，虽然抢了风头却无法成为主流。除了以上提到的，还有一些独特的设计，虽然同样无法成为主流（是非主流），但也不失为有益的探索。WABCO 200B采用半挂形式，不同于一般的半挂车辆，得益于电传动的灵活性，挂车的车桥上也装有电动轮，这样既不损失转向性能又提高了爬坡性能。而VCON 3006则更加前卫，该车颠覆了传统的车桥结构，采用类似飞机起落架的形式，将车的车轮两个为一组安装在电动轮外壳两端，通过油气悬挂缸支撑车架，4个角上各有一个，但只有前轮可以绕悬挂缸进行转动实现转向。显然这种设计无法在两组前轮之间布置发动机，于是发动机被布置在车架下方，从而抬高了车架，车厢也被设计成几乎覆盖整个车体长度。
WABCO 200B
VCON 3006 毫无疑问，上述这些设计都依赖于电传动技术，提高了载重量却无须更大的轮胎或者电动轮，其核心就是将负载和驱动力分散化，而机械传动车辆则很难做到这一点。不过由于提高了整个系统的复杂性，可靠性相对较差，与矿山设备要求越简单越好的原则相悖。越简单越好的原则不仅仅针对可靠性，也和效率有关。一般来说，越简单的东西功能越少，效率也越高，而越复杂的东西功能越多，效率反而越低。 当然任何事物都在不断变化发展，常规结构布局虽然在发动机、轮胎和电动轮技术不断进步的推动下不断发展，将那些非主流的车辆淘汰，但同时一方面其发展遇到了瓶颈，另一方面人们对可靠性和功能的看法也在发生着变化。常规自卸车的×2形式代表着负载和驱动力的集中，继续大型化对轮胎、车桥、车架要求极高，无论是材料还是加工工艺，导致结构重量上升和成本增加，增加载重量要付出相当的代价。同时，尽管整体结构仍然非常简单，但各子系统内部却随着科技水平的提高而越来越复杂，不过由于整个工业水平的不断提高，单个零部件的可靠性相比过去有很大提升，因此在现在的形势下增加整体结构的复杂性并不会导致可靠性的明显下降，用户对可靠性的关注也就转移到了对功能或性能的要求上。 早在被利勃海尔收购之前，Wiseda就与BHP展开合作研究“创新大型自卸车（ILMT）”项目，该项目的核心是改变常规后桥的驱动方式，类似于VCON 3006。利勃海尔接手后延续了这个项目，这就是后来的TI-272，TI-272保留了4×2、短轴距的布局，但抛弃了传统的后桥，可以看成是将后桥拆分成了两个，驱动电机并不在小后桥内部，而是在安装在外部，驱动小后桥内部的差速器。虽然电机数量和轮胎数量都没有变化，但TI-272仍然可以看做是负载和驱动力在一定程度上的分散化，虽然在纵向上没有改变负载和驱动力，但在横向上由于左右两侧的独立使得地形适应性得到提高，同时结构重量也得到降低。TI-272是一个试验性质的项目，其继任者TI-274不再采用外置电机，将驱动电机内置于桥壳内部，目前仍处于试验阶段。无论如何，TI-272/TI-274为负载和驱动力的分散化做了一定的探索。
TI-274 目前，负载和驱动力的分散化有两种思路，一种如别拉斯75710，以高负载能力为目标；另一种如航天重工的HT5220和ETF的MT-240，以强调特殊性能为目标。别拉斯75710本刊曾有文章进行过讨论，其主要特点是通过增加2个轮胎提高载重量，通过双发动机、前后双驱动桥提供足够的驱动力。为了解决双前轮转向和发动机布置之间的矛盾，同时也为尽量采用成熟的结构，采用前后相同的整体驱动桥，通过发动机横置，以及前后桥转动的转向方式，在整车长度大幅增加的情况下，保持了相对较短的轴距和基本不变的转向性能。可以说，别拉斯75710是在尽量采用成熟技术的条件下，通过灵活运用而进行的创新，不仅提高了车辆的载重量同时又不牺牲各项性能，结构复杂性没有大幅增加，成本也得到控制。
航天重工 HT5220 而航天重工的HT5220和ETF的MT-240则更多类似于其他类型的多轴车辆，如模块化自行式平板运输车（SPMT）。这种车辆彻底抛弃了传统的驱动桥概念，采用多个轮组来承载和驱动，轮组内置电动轮或液压马达，同时集成了转向、悬挂、制动等功能。得益于电传动/液压传动技术和自动控制技术，实现了动力、负载和驱动力的分散化，同时也实现了模块化，即动力单元（柴油发动机和发电机/液压泵）和轮组均采用通用化设计，可互换。 航天重工的HT5220（之前型号为HT5240）出现较晚，但已出了样车并在矿区进行了试验性运行。而ETF的概念出现得很早也更新潮，经过多年炒作，从一家荷兰公司ETF（Emirates Truck Factory）（出资方来自阿联酋）变为一家德国公司ETF（European Truck Factory），人们几乎认为该概念不可能变为现实了，现在终于在位于斯洛文尼亚的工厂造出样车。 与吨位相同的HT5220相比，MT-240技术更加先进，采用4个动力单元，每个单元使用单台功率为480kW的MTU/梅赛德斯-奔驰OM502V8发动机驱动4个液压泵，这样就避免采用排放标准较低而又昂贵的大功率柴油机，同时这也是系列车型通用化的要求，也就是说不同吨位的车型采用相同的动力单元，只是数量不同。根据不同工况对动力的不同需求，系统可以自动关掉部分发动机，使得运行的发动机尽量工作在效率最高的转速下，达到节约燃油和减少排放的效果。同时，当有发动机失效的状况发生时车辆仍然可以行驶，而不需要救援。 MT-240有10个轮组，采用液压驱动，其中8个是驱动轮组。轮胎规格为24.00R35，虽然数量多，但总成本更低，供应上也更有保障。全轮转向方式已经在SPMT车辆上得到了广泛应用，特点是转弯半径小、转向灵活，同时复杂性大幅提高，严重依赖传感器和自动控制技术。同时，多轴车辆为保证一定的地形适应能力，悬挂系统的垂直行程必须很长，MT-240的每个悬挂缸总行程达到950mm，不仅提高了行驶的舒适性，也保证了路面状况不良条件下的轮胎附着力。同时每个轮组还可以在垂直方向上左右各摆动10°，这也提高了路面适应性。为减少行驶阻力，空载时悬挂缸可以将部分轮组抬离地面，这在轮组失效或爆胎的场合也非常有用，无需救援仍可行驶，同样也用于轮组的维护。 ETF的概念车从一开始就考虑了系列化、模块化和多功能化，不同载重量的车型的区别不是更大或更小，而是动力单元和轮组数量的不同，这也可实现不同的功能，如列车式运输，即数台车串联在一起，由一台车进行操控。ETF的概念里还包括平地机、装载机等，这些车辆都在基础车型上加以变换。 当然，MT-240上还集成了众多科技成果，包括橡胶车厢衬板、雷达、GPS、睡眠报警装置等，这里不一一细说。可以说，ETF的概念与未来采矿的趋势是非常吻合的，特别是高度智能化和模块化，可以降低对人员和维护的需求，其车身宽度有限和多轴驱动的方式对路面的要求也很低，路面建设和维护费用可以大幅降低。不过笔者还是要对这种高科技武装起来的先进装备提出一些质疑。首先，这种车辆的复杂程度相对常规车辆提高的不是一星半点，虽然现代科技水平提升使得各零部件的可靠性比过去有很大提高，但如此复杂、零部件众多的设备整体可靠性能达到什么水平仍会是用户优先考虑的问题，这需要时间的检验。其次是液压马达用于高速车辆的问题，尽管之前液压马达已广泛应用于中小吨位的推土机、装载机上，甚至也在铰接式卡车上做过试验，但用于需要长时间工作的高速车辆上还没有先例，其使用寿命需要打个问号。第三，自然是成本问题，高科技含量、低产量往往意味着高价格，在矿业不景气的环境下会有多少用户愿意吃这个螃蟹呢。第四是产品系列的问题，模块化和通用化是个看起来很美的东西，为了兼顾不同型号，会导致多数型号都无法优化。在笔者看来，载重218t的MT-240虽然没到极限却也逼近极限了，系列中规划的290t、360t车型不放大不加宽，车体都过于狭长，卸料会存在问题。 从目前来看，别拉斯75710的双轴驱动形式适用于超大载重量的场合，较小吨位的车辆并不适合采用。而航天重工的HT5220的设计理念不错，但总体过于复杂了，而且很难形成系列化、规模化。至于ETF，笔者认为方向无疑是正确的，但是过于超前了，矿山用户能否接受是个很大问题，实际使用效果需要时间来检验。即便表现良好，估计也仍然是一款小众产品，可以应用于一些特殊工况，但难以大面积推广。另外，矿山自卸车行业数十年的经验表明，企业要有一定的实力和规模才能站稳脚跟，把产品销售出去，ETF目前表现出更多个人理想主义的色彩，能走多远还是个未知数。 |
