露天礦雙能源卡車運(yùn)輸系統(tǒng)移設(shè)步距研究

趙 明

（中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

“采、運(yùn)、排”是露天礦生產(chǎn)過程的主要環(huán)節(jié)，其中運(yùn)輸環(huán)節(jié)作為采裝和排土工程的紐帶，起著承上啟下的作用[1]。卡車運(yùn)輸以其機(jī)動(dòng)靈活、生產(chǎn)組織便捷、適應(yīng)能力強(qiáng)、短途運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，在露天礦山中得到廣泛應(yīng)用[2]。雙能源卡車運(yùn)輸系統(tǒng)是在礦山運(yùn)輸上坡路段架設(shè)接觸網(wǎng)，雙能源卡車在上坡時(shí)的速度不再由卡車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的功率所限制，而是由外部供電電源決定，外部供電電源輸入電能的功率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)的大于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。雙能源卡車在上坡路段行駛時(shí)，采用架線輔助供電系統(tǒng)，提高了卡車在上坡路段的運(yùn)行速度，這樣就能加快卡車工作循環(huán)，減少卡車單循環(huán)的運(yùn)行時(shí)間，提高卡車的運(yùn)行效率，減少卡車數(shù)量，從而提高生產(chǎn)率。同時(shí)降低燃油消耗，節(jié)省運(yùn)輸費(fèi)用，還減少了廢氣排放，提高了空氣質(zhì)量，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的噪音。雙能源卡車運(yùn)輸系統(tǒng)可有效解決露天礦的成本和環(huán)保問題[3]。

對(duì)雙能源卡車的研究主要集中在相對(duì)于傳統(tǒng)卡車的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)和系統(tǒng)組成方面[4-6]，而對(duì)雙能源卡車運(yùn)輸系統(tǒng)移設(shè)未有相關(guān)研究。為此，通過分析雙能源卡車運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)輸和移設(shè)總費(fèi)用多項(xiàng)式系數(shù)和計(jì)算周期內(nèi)總推進(jìn)度及移設(shè)步距的規(guī)律關(guān)系，構(gòu)建雙能源卡車運(yùn)輸系統(tǒng)移設(shè)步距計(jì)算模型，雙能源卡車運(yùn)輸系統(tǒng)移設(shè)步距的優(yōu)化對(duì)節(jié)省雙能源卡車運(yùn)輸系統(tǒng)總費(fèi)用具有重要意義。

1 雙能源卡車運(yùn)輸系統(tǒng)組成

當(dāng)雙能源卡車行駛到架線路段時(shí)，司機(jī)按下轉(zhuǎn)換開關(guān)，斷開柴油電動(dòng)輪運(yùn)輸系統(tǒng)，啟動(dòng)架線輔助運(yùn)輸系統(tǒng)，升起受電弓，接觸線上的電能通過受電弓傳動(dòng)到卡車的牽引電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)雙能源卡車運(yùn)行；在雙能源卡車通過架線路段后，司機(jī)按下轉(zhuǎn)換開關(guān)，斷開架線輔助運(yùn)輸系統(tǒng)，啟動(dòng)柴油電動(dòng)輪運(yùn)輸系統(tǒng)，降下受電弓，啟動(dòng)柴油電動(dòng)輪系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)雙能源卡車運(yùn)行。雙能源卡車運(yùn)輸系統(tǒng)由五部分組成，即卡車控制系統(tǒng)、受電弓裝置系統(tǒng)、架線接觸網(wǎng)系統(tǒng)、供電電源系統(tǒng)和架線道路系統(tǒng)。雙能源卡車運(yùn)輸系統(tǒng)組成如圖1。

圖1 雙能源卡車運(yùn)輸系統(tǒng)組成

卡車控制系統(tǒng)安裝在雙能源卡車電氣柜和駕駛室內(nèi)；受電弓裝置系統(tǒng)安裝在雙能源卡車的車頭前部；架線接觸網(wǎng)系統(tǒng)布置在采場(chǎng)端幫路段或露天礦主干道的上坡路段；供電電源系統(tǒng)是置于露天礦礦區(qū)內(nèi)的移動(dòng)變電站；架線道路系統(tǒng)相比傳統(tǒng)卡車道路參數(shù)優(yōu)化需基于雙能源卡車運(yùn)行性能和行駛路面條件[7]。

2 雙能源卡車運(yùn)輸系統(tǒng)移設(shè)

2.1 架線接觸網(wǎng)系統(tǒng)

雙能源卡車運(yùn)輸系統(tǒng)移設(shè)即為其架線接觸網(wǎng)系統(tǒng)的移設(shè)。架線接觸網(wǎng)系統(tǒng)是指在雙能源卡車上坡路段架設(shè)的向雙能源卡車傳送電能的供電線路。架線接觸網(wǎng)系統(tǒng)由接觸懸掛、支持裝置、定位裝置、支柱、基礎(chǔ)組成。導(dǎo)線懸吊結(jié)構(gòu)是靠導(dǎo)線自重拉緊的，在周圍環(huán)境溫度較高的條件下，為防止導(dǎo)線下垂就需要相對(duì)短的支柱跨距，還需要拉緊裝置用于維修和調(diào)節(jié)弛度。接觸懸掛包括接觸線、吊弦、承力索、附加懸掛（包括饋線、回線和架空地線）和下錨補(bǔ)償裝置。接觸線等通過支持裝置的雙線路懸梁懸掛在支柱上，并將電能輸送給雙能源卡車。支持裝置連接支柱和滿足接觸懸掛定位裝置，吊掛接觸懸掛的全部設(shè)備并將其負(fù)荷傳遞給支柱。支持裝置包括雙線路懸梁、斜拉索、棒式絕緣子等。定位裝置包括定位立柱、固定繩和定位器，保證接觸線在受電弓滑板運(yùn)行軌跡范圍內(nèi)，使接觸線與受電弓不脫離，并將接觸線的負(fù)荷傳給支柱。支柱用以承受線索及其他設(shè)備、覆冰、風(fēng)的荷載，并將接觸線等固定在設(shè)計(jì)的位置和高度上。架線接觸網(wǎng)系統(tǒng)需移設(shè)，支柱采用鋼支柱形式，固定在混凝土制成的基礎(chǔ)上。

架線接觸網(wǎng)系統(tǒng)布置在露天礦主干道的上坡路段時(shí)不需移設(shè)，架線接觸網(wǎng)系統(tǒng)布置在采場(chǎng)端幫路段時(shí)需要考慮移設(shè)問題。

雙能源卡車架線接觸網(wǎng)系統(tǒng)的架線支柱應(yīng)該方便取出，整體系統(tǒng)方便移設(shè)。移設(shè)前應(yīng)拆卸下接觸線、饋線和回線、架空地線，取出支柱及附屬設(shè)備。對(duì)移設(shè)位置做好測(cè)量工作及基礎(chǔ)制作，然后將支柱及附屬設(shè)備布置到需移設(shè)位置，裝卸支柱時(shí)，均應(yīng)采用2 個(gè)吊點(diǎn)，輕起輕落，嚴(yán)禁碰撞。進(jìn)行接觸線、饋線和回線、架空地線安裝調(diào)試。架設(shè)完成后，對(duì)雙能源卡車運(yùn)行調(diào)試，滿足通行要求。

2.2 系統(tǒng)移設(shè)分析

當(dāng)露天礦推進(jìn)方向與卡車運(yùn)輸方向相反時(shí)，不同于半連續(xù)系統(tǒng)移設(shè)[8-10]可以增加膠帶運(yùn)輸距離來縮短卡車運(yùn)輸距離，達(dá)到降低運(yùn)輸成本的目的，架線接觸網(wǎng)系統(tǒng)隨工作幫推進(jìn)方向移設(shè)，縮短坑內(nèi)的卡車運(yùn)輸距離，但地面卡車運(yùn)輸距離相應(yīng)增加，整體運(yùn)輸距離基本沒有變化。

當(dāng)露天礦推進(jìn)方向與卡車運(yùn)輸方向相同時(shí)，架線接觸網(wǎng)系統(tǒng)隨工作幫推進(jìn)方向移設(shè)，可以同時(shí)縮短坑內(nèi)的卡車運(yùn)輸距離和地面卡車運(yùn)輸距離，整體運(yùn)輸距離減少2 倍架線接觸網(wǎng)系統(tǒng)移設(shè)步距。移設(shè)步距不同，計(jì)算周期內(nèi)系統(tǒng)運(yùn)輸費(fèi)用和移設(shè)費(fèi)用也會(huì)不同。移設(shè)步距過大，非架線運(yùn)輸距離隨工作幫推進(jìn)而增大，運(yùn)輸費(fèi)用增加；移設(shè)步距過小，移設(shè)過于頻繁，移設(shè)費(fèi)用增加。需要找到最優(yōu)移設(shè)步距，使運(yùn)輸費(fèi)用和移設(shè)費(fèi)用總和最小。

3 雙能源卡車運(yùn)輸系統(tǒng)移設(shè)步距

根據(jù)計(jì)算周期內(nèi)總推進(jìn)度和雙能源卡車運(yùn)輸系統(tǒng)移設(shè)步距的倍數(shù)關(guān)系，總結(jié)多項(xiàng)式系數(shù)規(guī)律，構(gòu)建雙能源卡車運(yùn)輸系統(tǒng)移設(shè)步距計(jì)算模型。

3.1 規(guī)律分析

1）計(jì)算周期T 內(nèi)不進(jìn)行移設(shè)。系統(tǒng)運(yùn)輸和移設(shè)總費(fèi)用計(jì)算公式如下：

式中：F 為系統(tǒng)運(yùn)輸和移設(shè)總費(fèi)用，萬元；Fjz為架線運(yùn)輸單價(jià)，元（/m3·km）；Ljz為架線助推上坡距離，km；Fk為非架線運(yùn)輸單價(jià)，元（/m3·km）；Lk為非架線初始運(yùn)輸距離，km；S 為移設(shè)步距，km；k 為外排土場(chǎng)推進(jìn)系數(shù)（工作幫年推進(jìn)度為S 時(shí)，外排土場(chǎng)同向推進(jìn)度為k×S；雙能源卡車運(yùn)輸為系統(tǒng)運(yùn)輸原煤時(shí)，k=0）；v 為工作幫年推進(jìn)度，km/a；Q 為年生產(chǎn)能力，Mm3。

2）計(jì)算周期內(nèi)移設(shè)1 次。系統(tǒng)運(yùn)輸和移設(shè)總費(fèi)用計(jì)算公式如下：

式中：Cy為系統(tǒng)移設(shè)單位費(fèi)用，萬元/km；Lw為架線接觸網(wǎng)長度（在雙能源卡車駛?cè)牖蝰傠x架線輔助運(yùn)輸路段處均需設(shè)置一定長度的過渡段，以便司機(jī)切換雙能源卡車的驅(qū)動(dòng)模式，過渡段長度滿足設(shè)計(jì)速度和升降弓時(shí)間內(nèi)的行程），km。

3）計(jì)算周期內(nèi)移設(shè)2 次。系統(tǒng)運(yùn)輸和移設(shè)總費(fèi)用計(jì)算公式如下：

4）計(jì)算周期內(nèi)移設(shè)3 次。系統(tǒng)運(yùn)輸和移設(shè)總費(fèi)用計(jì)算公式如下：

由式（1）～式（4）匯總出計(jì)算周期內(nèi)移設(shè)0～3 次時(shí)系統(tǒng)運(yùn)輸和移設(shè)總費(fèi)用計(jì)算，多項(xiàng)式系數(shù)見表1。

表1 多項(xiàng)式系數(shù)

3.2 計(jì)算模型

由表1 可總結(jié)多項(xiàng)式系數(shù)與計(jì)算周期內(nèi)總推進(jìn)度及移設(shè)步距的規(guī)律關(guān)系。

根據(jù)規(guī)律關(guān)系，系統(tǒng)移設(shè)運(yùn)輸和移設(shè)總費(fèi)用計(jì)算公式如下：

對(duì)式（5）的S 求導(dǎo)，則最優(yōu)移設(shè)步距計(jì)算公式：

由式（6）可知，雙能源卡車運(yùn)輸系統(tǒng)最優(yōu)移設(shè)步距與工作幫年推進(jìn)度、系統(tǒng)移設(shè)單位費(fèi)用、架線接觸網(wǎng)長度成正比；最優(yōu)移設(shè)步距與非架線運(yùn)輸單價(jià)和年生產(chǎn)能力成反比。

將式（6）代入式（5），可得：

4 實(shí)證研究

4.1 最優(yōu)移設(shè)步距

以伊敏三號(hào)露天礦為研究對(duì)象，在礦端幫布置雙能源卡車架線接觸網(wǎng)系統(tǒng)。雙能源卡車運(yùn)輸系統(tǒng)用于運(yùn)輸剝離物到外排土場(chǎng)。基于燃油成本、電力成本、維修保養(yǎng)成本、輪胎消耗、人工成本和環(huán)境成本計(jì)算架線運(yùn)輸單價(jià)和非架線運(yùn)輸單價(jià)。計(jì)算參數(shù)見表2。

表2 計(jì)算參數(shù)

由表2 計(jì)算參數(shù)和式（6），計(jì)算該礦最優(yōu)移設(shè)步距為0.22 km，雙能源卡車架線接觸網(wǎng)系統(tǒng)移設(shè)周期為1.1 年，可選擇1 年移設(shè)1 次。由式（7）計(jì)算該礦系統(tǒng)運(yùn)輸和移設(shè)總費(fèi)用為63 695.46 萬元.

4.2 敏感性分析

當(dāng)各因素值發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)輸和移設(shè)總費(fèi)用變化率不同，由此分析各因素的敏感性程度。系統(tǒng)運(yùn)輸和移設(shè)總費(fèi)用變化率見表3。

表3 系統(tǒng)運(yùn)輸和移設(shè)總費(fèi)用變化率

由表3 可知，各因素變化率與系統(tǒng)運(yùn)輸和移設(shè)總費(fèi)用變化率方向都相同，各因素?cái)?shù)值越大，系統(tǒng)運(yùn)輸和移設(shè)總費(fèi)用越高。

由表3 可知，年生產(chǎn)能力對(duì)應(yīng)的總費(fèi)用變化率最大，為9.57%。說明系統(tǒng)運(yùn)輸和移設(shè)總費(fèi)用對(duì)年生產(chǎn)能力較敏感?？傎M(fèi)用變化率最小的是外排土場(chǎng)推進(jìn)系數(shù)，說明外排土場(chǎng)推進(jìn)系數(shù)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)輸和移設(shè)總費(fèi)用影響較小，敏感性低。系統(tǒng)運(yùn)輸和移設(shè)總費(fèi)用變化率曲線如圖2（選取敏感性程度最高或最低的4個(gè)因素）

圖2 系統(tǒng)運(yùn)輸和移設(shè)總費(fèi)用變化率曲線

5 結(jié)語

1）根據(jù)雙能源卡車運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)輸和移設(shè)總費(fèi)用多項(xiàng)式系數(shù)和計(jì)算周期內(nèi)總推進(jìn)度及移設(shè)步距的規(guī)律關(guān)系，構(gòu)建雙能源卡車運(yùn)輸系統(tǒng)移設(shè)步距計(jì)算模型。

2）最優(yōu)移設(shè)步距與工作幫年推進(jìn)度、系統(tǒng)移設(shè)單位費(fèi)用和架線接觸網(wǎng)長度成正比；最優(yōu)移設(shè)步距與非架線運(yùn)輸單價(jià)和年生產(chǎn)能力成反比。

3）實(shí)證研究的結(jié)果表明，最優(yōu)移設(shè)步距為0.22 km，1 年移設(shè)1 次架線接觸網(wǎng)系統(tǒng)。系統(tǒng)運(yùn)輸和移設(shè)總費(fèi)用為63 695.46 萬元。

4）敏感性分析結(jié)果表明，年生產(chǎn)能力變化10%時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)輸和移設(shè)總費(fèi)用變化率為9.57%，系統(tǒng)運(yùn)輸和移設(shè)總費(fèi)用對(duì)年生產(chǎn)能力較敏感。