劉志更

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

目前電動(dòng)輪自卸卡車(chē)，因其作業(yè)機(jī)動(dòng)性好、周轉(zhuǎn)速度快、爬坡能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)已成為露天礦山的主要運(yùn)載工具。但隨著礦山坑深的增加等因素，暴露了以下缺陷：

1) 在露天煤礦的物料運(yùn)輸線(xiàn)路中，80%～90%的路段都是坡道運(yùn)行，由于電動(dòng)輪卡車(chē)的運(yùn)行速度由柴油機(jī)的功率決定，在重載上坡速度偏低時(shí)(8%坡道、3%滾動(dòng)阻力時(shí)、一臺(tái)220 t的電動(dòng)輪自卸車(chē)重載上坡速度約為8～10 km/h)，會(huì)影響生產(chǎn)效率[1]。

2)卡車(chē)爬坡運(yùn)行時(shí)柴油機(jī)是接近滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，此階段的燃料消耗率將占到總量的70%～80%，使之直接能源成本消耗嚴(yán)重[2],而且卡車(chē)爬坡時(shí)處于大扭矩牽引狀態(tài)，其牽引電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱量也隨之大大增加，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)縮短其使用壽命。

3) 卡車(chē)大功率運(yùn)行時(shí)，柴油機(jī)排放的尾氣加劇，會(huì)在露天礦深坑內(nèi)造成嚴(yán)重的空氣污染，威脅工作人員的健康。

1 架線(xiàn)助力總體改造方案

隨著礦山坑深的增加等因素，電動(dòng)輪自卸卡車(chē)的缺陷隨之暴露。其卡車(chē)架線(xiàn)助力改造系統(tǒng)在原有卡車(chē)柴油機(jī)主動(dòng)力的基礎(chǔ)上，增加一路輔助外部電能供應(yīng),即架線(xiàn)模式運(yùn)行時(shí)，由外部電能直接驅(qū)動(dòng)卡車(chē)輪邊牽引電動(dòng)機(jī)，卡車(chē)的傳動(dòng)方式由原來(lái)的柴油機(jī)—發(fā)電機(jī)—牽引電動(dòng)機(jī)模式轉(zhuǎn)變?yōu)榧芫€(xiàn)電源—牽引電動(dòng)機(jī)模式。

本方案以2 km長(zhǎng)的連續(xù)運(yùn)輸坡道，坡度設(shè)計(jì)8%，每1 km需同時(shí)上坡運(yùn)行4臺(tái)由美國(guó)特雷克斯(TEREX)公司和北方采礦機(jī)械有限公司合資生產(chǎn)的特雷克斯某型礦用電動(dòng)輪自卸卡車(chē)[5]為設(shè)計(jì)前提。表1為卡車(chē)的基本參數(shù)。該系統(tǒng)主要包括供電系統(tǒng)、架線(xiàn)接觸網(wǎng)系統(tǒng)和卡車(chē)改造三部分。圖1為卡車(chē)架線(xiàn)運(yùn)行效果圖。

表1 某型卡車(chē)基本參數(shù)表

圖1 卡車(chē)架線(xiàn)運(yùn)行效果

1.1 供電系統(tǒng)

1.1.1 容量匹配

要滿(mǎn)足8臺(tái)卡車(chē)同時(shí)滿(mǎn)載上坡運(yùn)行，保證供電系統(tǒng)的可靠性及減小線(xiàn)網(wǎng)壓降，設(shè)置了A、B 兩座移動(dòng)式牽引變電站,分別位于架線(xiàn)段兩端各500 m處(見(jiàn)圖2)，每個(gè)供電臂允許2臺(tái)卡車(chē)同時(shí)運(yùn)行，單臺(tái)車(chē)配置有2臺(tái)輪邊牽引電動(dòng)機(jī)，單臺(tái)電動(dòng)機(jī)功率為750 kW，因此單個(gè)供電臂供電容量為3 MW。取2倍裕度，所需容量為6 MW，雙邊供電時(shí)單個(gè)變電站額定容量為12 MW。

圖2 變電站位置

單個(gè)牽引變電站參數(shù)：

輸入電壓/kV

AC35

輸出電壓/V

DC1 500

額定容量/MW

12

供電方式

雙邊供電

保護(hù)裝置接地保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓欠壓保護(hù)、短路保護(hù)、斷路器失靈保護(hù)、防雷保護(hù)等[6]。

1.1.2 單個(gè)變電站運(yùn)行方式

1)高壓側(cè) AC35 kV系統(tǒng)

正常情況：母線(xiàn)分段開(kāi)關(guān)分閘，牽引負(fù)荷與照明負(fù)荷獨(dú)立供電。

非正常情況：一段母線(xiàn)失電，母線(xiàn)分段開(kāi)關(guān)閉合，另一母線(xiàn)向所有負(fù)荷供電。

2)直流側(cè) DC1 500 V系統(tǒng)

正常情況：兩臺(tái)牽引整流機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，縱聯(lián)電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)處于分閘狀態(tài)。

非正常情況：一臺(tái)整流機(jī)組退出運(yùn)行，另外一臺(tái)整流機(jī)組短時(shí)(2 h)繼續(xù)供電；整個(gè)牽引所退出運(yùn)行，牽引所間聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)閉合，由相鄰牽引變電站供電。

1.2 架線(xiàn)接觸網(wǎng)系統(tǒng)

在2 km的運(yùn)行坡道上空架設(shè)接觸線(xiàn)，通過(guò)車(chē)載受電弓直接接觸導(dǎo)線(xiàn)將電能傳送至卡車(chē)供電系統(tǒng)。根據(jù)露天礦工況特點(diǎn)，架線(xiàn)接觸網(wǎng)適合于采用全補(bǔ)償鏈?zhǔn)饺嵝詰覓欤员ＷC受流穩(wěn)定性。

架線(xiàn)接觸網(wǎng)系統(tǒng)見(jiàn)圖3,主要包括觸線(xiàn)網(wǎng)、饋線(xiàn)網(wǎng)、基礎(chǔ)、立柱、橫梁、相關(guān)懸掛零部件以及接觸線(xiàn)補(bǔ)償裝置、避雷裝置、絕緣分段裝置等。其中基礎(chǔ)間距為25 m，觸線(xiàn)網(wǎng)采用2根銅線(xiàn)，饋線(xiàn)網(wǎng)采用1根鋁線(xiàn)，正負(fù)極間距為3.2 m，接觸線(xiàn)導(dǎo)高為8.7 m。架線(xiàn)轉(zhuǎn)彎半徑不小于100 m。

1-基礎(chǔ); 2-立柱; 3-饋線(xiàn)網(wǎng); 4-橫梁; 5-懸掛件; 6-觸線(xiàn)網(wǎng)。

1.3 卡車(chē)改造

1.3.1 增加受電弓裝置

增加兩套受電弓裝置(見(jiàn)圖4)，分別負(fù)責(zé)正、負(fù)極電能的傳輸。受電弓裝置主要由底座、下臂、氣囊、上框架、弓頭滑板、平衡桿和氣缸等組成。采用了球軸承，可靈活可靠，采用密封措施，免維護(hù)。每臺(tái)卡車(chē)安裝2套受電弓。

1-氣囊;2-底座;3-阻尼器;4-下臂;5-上框架;6-弓頭滑板。

1.3.2 電氣系統(tǒng)改造

為保證改造后卡車(chē)系統(tǒng)的可靠性及安全性，在盡量減少對(duì)原車(chē)電氣系統(tǒng)的改造基礎(chǔ)上，增加了使外部電源準(zhǔn)確接入的相關(guān)模塊?？ㄜ?chē)電氣系統(tǒng)的改造保留了原車(chē)的發(fā)電機(jī)、整流器、逆變器、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)電阻等主回路元部件，僅在原卡車(chē)的基礎(chǔ)上增加了1個(gè)電源切換箱、1套系統(tǒng)控制單元、1套逆變控制單元、1套輸入輸出控制器，實(shí)現(xiàn)與原車(chē)系統(tǒng)的無(wú)縫對(duì)接。

當(dāng)卡車(chē)進(jìn)入架線(xiàn)區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)控制器控制車(chē)上直流側(cè)電壓接近網(wǎng)壓，電源切換箱使內(nèi)部的并網(wǎng)直流接觸器吸合，平穩(wěn)接入電網(wǎng)，逆變控制器將使車(chē)輛在外部電網(wǎng)供電下高效運(yùn)行，此時(shí)柴油機(jī)運(yùn)行在高效轉(zhuǎn)速(高怠速)；當(dāng)卡車(chē)駛出架線(xiàn)區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)控制器根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行情況調(diào)整發(fā)電機(jī)電壓，使之接近電網(wǎng)電壓，然后發(fā)出命令給電源切換箱，使并網(wǎng)直流接觸器斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過(guò)渡，受電弓降落，車(chē)輛又恢復(fù)成柴油機(jī)動(dòng)力運(yùn)行模式。

2 經(jīng)濟(jì)性分析

2.1 速度計(jì)算

卡車(chē)采用變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，單臺(tái)卡車(chē)驅(qū)動(dòng)總功率為1 500 kW，在8%(4.57°)的運(yùn)煤坡道上全功率運(yùn)行時(shí),速度為：

v=P×3.6×103/(mgsinθ+μmgcosθ)

(1)

通過(guò)理論計(jì)算可知,全功率運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)速度v可達(dá)到12.6 km/h。

2.2 經(jīng)濟(jì)性分析

2.2.1 分析的基礎(chǔ)條件

1)坡道長(zhǎng)度2 km，坡度8%(4.57°)。

2)單日單車(chē)產(chǎn)量80 000 t，共10臺(tái)車(chē)在運(yùn)營(yíng)，單臺(tái)車(chē)載煤220 t，爬坡需要功率1 428 kW。

3)年產(chǎn)煤276 d，柴油價(jià)格6元/L，電價(jià)格0.5元/kW·h。

4)原純柴油運(yùn)行模式滿(mǎn)載爬坡速度為8 km/h，單車(chē)滿(mǎn)載爬坡油耗約400 L/h。

5)架線(xiàn)運(yùn)行模式滿(mǎn)載爬坡速度為12k m/h，單車(chē)油耗約純柴油模式的1/3。

6)每臺(tái)卡車(chē)售價(jià)按2 000萬(wàn)元計(jì)，成本折舊期限5 a。

7)卡車(chē)架線(xiàn)改造系統(tǒng)包括2座牽引變電站、2 km長(zhǎng)的接觸網(wǎng)架線(xiàn)、10臺(tái)卡車(chē)改造、相關(guān)試驗(yàn)費(fèi)和項(xiàng)目管理費(fèi)用總額約8500萬(wàn)元。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，在純柴油運(yùn)行模式下，單車(chē)單日爬坡次數(shù)為36次，單車(chē)來(lái)回約用時(shí)40 min;架線(xiàn)運(yùn)行模式下單次爬坡節(jié)省約5 min，單車(chē)來(lái)回約35 min。這樣單車(chē)單日運(yùn)行為41次，比架線(xiàn)前可多運(yùn)行5次。考慮到傳動(dòng)效率以及維修、加油等輔助時(shí)間消耗，經(jīng)濟(jì)性分析按照單車(chē)單日架線(xiàn)后比架線(xiàn)前多運(yùn)行3次計(jì)算。

2.2.2 經(jīng)濟(jì)性分析

在產(chǎn)量不變的條件下，2 km爬坡道年消耗直接能源成本為:在純柴油運(yùn)行模式下柴油消耗約5 962萬(wàn)元。在架線(xiàn)運(yùn)行模式下電能消耗約1 153萬(wàn)元，柴油消耗約1 937萬(wàn)元,即架線(xiàn)后比架線(xiàn)前節(jié)約直接能源成本為2 872萬(wàn)元。

單車(chē)單次爬坡節(jié)省成本為296元。架線(xiàn)后節(jié)省車(chē)輛1臺(tái)，節(jié)省車(chē)輛折舊成本約400萬(wàn)元，節(jié)省車(chē)輛備件消耗成本約100萬(wàn)元。這樣總節(jié)省成本為3 372萬(wàn)元，回收成本時(shí)間為2.5 a。

3 架線(xiàn)助力改造的優(yōu)點(diǎn)

卡車(chē)架線(xiàn)助力改造系統(tǒng)是在較長(zhǎng)距離連續(xù)爬坡路段沿線(xiàn)架設(shè)接觸網(wǎng)，由設(shè)置在沿線(xiàn)的牽引變電站供電，將電能傳輸至接觸網(wǎng)，車(chē)載受電弓將接觸網(wǎng)上的電能傳輸至車(chē)輛，驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛，達(dá)到上坡提升動(dòng)力的目的。改造后具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)提高生產(chǎn)效率?？ㄜ?chē)采用架線(xiàn)運(yùn)行后，上坡時(shí)的速度不再受限于柴油機(jī)功率，而由外部牽引變電站供電容量和卡車(chē)牽引電動(dòng)機(jī)功率決定，故卡車(chē)上坡速度會(huì)得到很大提升，這樣就能加快工作循環(huán)或使用較少的車(chē)輛，提高生產(chǎn)效率。

2)降低燃料消耗和柴油機(jī)維修、保養(yǎng)費(fèi)用，延長(zhǎng)柴油機(jī)壽命。同樣的坡道，架線(xiàn)供電比柴油機(jī)動(dòng)力能節(jié)約動(dòng)力成本在40%以上,而柴油機(jī)的維修和保養(yǎng)間隔與燃料消耗量成正比，故間隔能延長(zhǎng)約2.5倍，這樣從根本上降低了備件消耗，節(jié)約了維修保養(yǎng)費(fèi)用。這樣同比單一使用柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，延長(zhǎng)了柴油機(jī)壽命[3]。

3)延長(zhǎng)牽引電動(dòng)機(jī)的壽命。由于卡車(chē)架線(xiàn)運(yùn)行時(shí)上坡速度加快，運(yùn)行于同一段距離坡道上的時(shí)間會(huì)隨之縮短，牽引電動(dòng)機(jī)輸出大扭矩時(shí)間也會(huì)相應(yīng)縮短，牽引電動(dòng)機(jī)發(fā)熱量相應(yīng)減少，從而延長(zhǎng)了輪邊牽引電動(dòng)機(jī)的壽命[4]。

4)降低污染物排放?？ㄜ?chē)采用架線(xiàn)助力模式供電運(yùn)行時(shí)，柴油機(jī)處于怠速狀態(tài)，柴油機(jī)只提供車(chē)上需要的通風(fēng)散熱，液壓系統(tǒng)動(dòng)力和輔助控制電力，相比單純柴油運(yùn)行模式時(shí)污染物排放量明顯減少，且噪音也明顯降低，極大改善了礦坑內(nèi)的空氣環(huán)境。

4 結(jié)論

露天礦用電動(dòng)輪卡車(chē)架線(xiàn)助力改造系統(tǒng)的搭建，可有效地提升電動(dòng)輪卡車(chē)長(zhǎng)距離爬坡時(shí)的運(yùn)行速度，改善了單純地使用柴油機(jī)運(yùn)行模式帶來(lái)的尾氣污染、燃油消耗嚴(yán)重等短板。

通過(guò)對(duì)架線(xiàn)助力改造系統(tǒng)應(yīng)用前后的運(yùn)行成本理論經(jīng)濟(jì)性分析對(duì)比，其總節(jié)省成本為3 372萬(wàn)元,回收成本時(shí)間為2.5 a，也為其他露天煤礦電動(dòng)輪卡車(chē)改造方案的可行性提供了數(shù)據(jù)支撐。