地下運(yùn)礦卡車燃油經(jīng)濟(jì)性分析

龐明海

(五礦礦業(yè)(邯鄲)礦山工程有限公司， 河北 邯鄲 056002)

1 前言

汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性是汽車的主要使用性能之一，在運(yùn)礦卡車運(yùn)輸成本中，燃料費(fèi)用占有很大的比例，在我國(guó)大型礦用自卸汽車運(yùn)輸成本中，燃料費(fèi)用占40%～55%。因此，分析燃料消耗，對(duì)設(shè)備選用和采取措施降生產(chǎn)成本都具有很現(xiàn)實(shí)的意義。

汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性[1]常用一定運(yùn)行工況下汽車行駛百公里燃油消耗量或一定燃油量能使汽車行駛的里程來(lái)衡量。運(yùn)輸汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性的計(jì)算指標(biāo)常用百噸公里油耗來(lái)評(píng)價(jià)，指考核期內(nèi)完成百噸公里的運(yùn)輸生產(chǎn)任務(wù)的燃油消耗量。百公里油耗是一個(gè)技術(shù)定額，其大小不僅反映了司機(jī)的駕駛技術(shù)水平，也反映了車輛的技術(shù)性能以及技術(shù)狀況。百噸公里油耗是一個(gè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)定額，既涉及到技術(shù)管理，也涉及到營(yíng)運(yùn)組織管理。除受到道路、氣溫、海拔高度等客觀因素的影響外，還涉及到車輛的結(jié)構(gòu)型式、技術(shù)狀況、拖運(yùn)率、實(shí)載率等[2-3]。

2 運(yùn)礦卡車燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)

人們使用公路車輛的目的是為了滿足空間距離上的移動(dòng)，同時(shí)使燃油消耗最小。工程運(yùn)輸車輛是為了完成運(yùn)輸任務(wù)，并且油耗達(dá)到最小。

所有拉運(yùn)礦石的重量除以油耗的升數(shù)，可算出每升燃油可拉運(yùn)巖石的重量，反映出燃油消耗量，即燃油效率=總運(yùn)量(t)/燃油消耗總升數(shù)(L)。貨車燃油經(jīng)濟(jì)性的計(jì)算指標(biāo)[4-5]常用百噸公里油耗來(lái)評(píng)價(jià)，指考核期內(nèi)每完成百噸公里的運(yùn)輸生產(chǎn)任務(wù)的燃油消耗量L/(t·km)。在礦山生產(chǎn)中，運(yùn)輸車輛的節(jié)油是一個(gè)重要手段，但并不是生產(chǎn)的最終目的。在單位時(shí)間內(nèi)運(yùn)輸更多的礦石，走更遠(yuǎn)的距離，用最省的油耗這三個(gè)方面同時(shí)滿足才能準(zhǔn)確定義運(yùn)礦卡車的燃油經(jīng)濟(jì)性。

因此，地下運(yùn)礦卡車的燃油經(jīng)濟(jì)主要以噸公里油耗來(lái)評(píng)價(jià)，噸公里油耗能夠充分體現(xiàn)運(yùn)輸單位重量的礦石運(yùn)輸卡車的燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)結(jié)合小時(shí)油耗作為參考性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3 運(yùn)礦卡車工況模型

隨著斜坡道在地下礦藏開(kāi)采得到廣泛應(yīng)用，運(yùn)礦卡車的工作環(huán)境得到很大的改善，形成了相對(duì)固定的井下運(yùn)輸模式。即地下卡車運(yùn)輸?shù)穆访嬷饕衅铰罚逼碌?包括部分緩坡道)兩個(gè)主要部分組成。根據(jù)井下斜坡道的組成以及鏟運(yùn)機(jī)和運(yùn)礦卡車的工作特點(diǎn)，就可以分析出運(yùn)礦卡車或者鏟運(yùn)機(jī)的工作路徑和相應(yīng)的工況，即一個(gè)工作循環(huán)，具體如圖1所示。

圖1 地下運(yùn)礦卡車工作循環(huán)示意圖

運(yùn)礦卡車在裝載石料，沿斜坡道全油門上行，行駛至井口后繼續(xù)沿坡道上行，后沿平路行駛至卸料處，全油門舉升翻斗卸料，下落翻斗，返回。平路行駛，斜坡道下坡，至鏟運(yùn)機(jī)裝料處，即運(yùn)礦卡車完成一個(gè)工作循環(huán)。

地下運(yùn)礦卡車運(yùn)行工況分為重載和空載兩種情況。重載工況分為重載水平路面的加速和勻速工況，上坡路面的勻速或加速工況，下坡路面的勻速或減速工況3種情況。空載工況分為空載水平加速和勻速工況，上坡勻速和加速工況，下坡勻速或減速工況3種工況。圖2所示為運(yùn)礦卡車工況模型[6-8]。

圖2 地下運(yùn)礦卡車工作循環(huán)工況模型

4 運(yùn)礦卡車工作循環(huán)油耗數(shù)學(xué)模型

設(shè)定運(yùn)輸車輛在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)的運(yùn)輸距離，可以確定運(yùn)礦卡車在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)的基本運(yùn)行時(shí)間，通過(guò)數(shù)學(xué)模型的計(jì)算，就可以得到該車型在某礦段的燃油經(jīng)濟(jì)性。

設(shè)一個(gè)工況循環(huán)內(nèi)運(yùn)礦卡車的運(yùn)行距離為s，則

s=2×(s1+s2+s3+s4)

(1)

式中：s1——斜坡道長(zhǎng)度；

s2——緩坡道長(zhǎng)度；

s3——工作面平均距離；

s4——井口至卸料處平均距離。

一個(gè)工況循環(huán)內(nèi)的時(shí)間為t，則

t=tw+tst+ted+tup1+tup2+tuld+tdn1+tdn2

(2)

式中：tw——在巷道內(nèi)等待裝車的時(shí)間；

tst——工作面巷道平路的上行時(shí)間；

ted——工作面巷道平路的回行時(shí)間；

tup1——斜坡道上行時(shí)間；

tup2——井口平路上行時(shí)間；

tuld——卸料時(shí)間；

tdn1——斜坡道下行時(shí)間；

tdn2——井口平路回行時(shí)間。

運(yùn)礦卡車工作循環(huán)共分為8個(gè)典型工況，即“八工況法”計(jì)算燃油經(jīng)濟(jì)性。分別是怠速等待工況、工作面加速工況、斜坡道勻速上坡工況、平路勻速工況、卸載工況、平路加速工況、斜坡道減速下坡工況、工作面減速工況。8個(gè)工況充分體現(xiàn)了地下運(yùn)礦卡車的工作特征，不同礦山的路面特征設(shè)定不同的道路參數(shù)，這樣可以計(jì)算任何礦山應(yīng)用坡道運(yùn)輸?shù)V料的運(yùn)礦卡車的燃油經(jīng)濟(jì)。

1) 卡車怠速等待時(shí)燃油消耗量

由車輛燃油消耗率ge與小時(shí)燃油消耗量Gi(kg/h)的關(guān)系可知，

(3)

式中：Gi——怠速時(shí)小時(shí)燃油消耗量；

gi——怠速時(shí)燃油消耗率；

Pe——發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率。

QW=Gi·tW/3 600ρ

(4)

式中：Gi——怠速時(shí)小時(shí)燃油消耗量；

tW——在巷道內(nèi)等待裝車的時(shí)間；

ρ——燃油密度。

2) 卡車工作面和平路加速時(shí)燃油消耗量

如在平路從靜止開(kāi)始全油門加速運(yùn)動(dòng)加速至ua1。把加速過(guò)程分隔為若干區(qū)間，每個(gè)區(qū)間的燃油消耗量可根據(jù)其平均的單位時(shí)間燃油消耗量與行駛時(shí)間之積來(lái)求得。各區(qū)間起始或終了車速所對(duì)應(yīng)時(shí)刻的單位時(shí)間燃油消耗量，可根據(jù)相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率與燃油消耗率求得

(5)

式中：Qi——各時(shí)刻單位時(shí)間的燃油消耗量；

gei——發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率；

Pi——發(fā)動(dòng)機(jī)功率。

而汽車行駛速度每增加1km/h所需時(shí)間Δt為

(6)

整個(gè)加速過(guò)程的燃油消耗量為

(7)

式中：Qt0、Qt1、…、Qtn——t0、t1、…、tn單位時(shí)間燃油消耗量，mL/s。

3)卡車等速上坡和平路行駛時(shí)燃油消耗量

如到達(dá)斜坡道開(kāi)始以某一檔位，一定速度v勻速上坡。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗曲線可以確定發(fā)動(dòng)機(jī)在一定轉(zhuǎn)速、發(fā)出一定功率時(shí)的燃油消耗率。整個(gè)等速過(guò)程行經(jīng)s1的燃油消耗量為

(8)

式中：ui——?jiǎng)蛩偕掀聲r(shí)的速度；

gei——發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率；

Pi——發(fā)動(dòng)機(jī)功率；

ρ——燃油密度。

4)卡車卸料時(shí)的燃油消耗量

當(dāng)?shù)竭_(dá)卸料地點(diǎn)，卸料過(guò)程安全油門工況考慮，即卡車處于標(biāo)定轉(zhuǎn)速狀態(tài)。相應(yīng)的燃油消耗率為Ggi，燃油消耗量為

Quld=Ggituld/3 600ρ

(9)

式中：tuld——卸料時(shí)間；

ρ——燃油密度。

5)卡車下坡和減速時(shí)的燃油消耗量

在進(jìn)入井口后沿斜坡道以某一車速ua3減速到ua4的等減速運(yùn)動(dòng)，然后等速下坡。在此過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)處于強(qiáng)制怠速狀態(tài)，其油耗量即為正常怠速油耗，計(jì)算方法同式(4)。

通過(guò)上述工況每段路面上運(yùn)礦卡車的燃油消耗量的計(jì)算，就可以計(jì)算運(yùn)礦卡車燃油消耗率的評(píng)價(jià)指標(biāo)，即百公里油耗，小時(shí)油耗，和每噸礦公里油耗。

一個(gè)工況循環(huán)內(nèi)的燃油消耗量為

Q=Qw+Qst+Qed+Qup1+Qup2+Quld+Qdn1+Qdn2

(10)

Q(i)分別為式(2)中各時(shí)間段的燃油消耗量。

則百公里燃油油耗量Q100km(L/100km)為

Q100km=100×Q/s

(11)

小時(shí)燃油油耗量Qh(L/h)為

Qh=3.6×Q/t

(12)

每噸礦公里燃油消耗量Qt·km(L/t·km)為

(13)

式中：M——運(yùn)輸?shù)牡V石重量。

5 運(yùn)礦卡車燃油經(jīng)濟(jì)性分析

5.1 不同型號(hào)運(yùn)礦卡車燃油經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

針對(duì)某礦段實(shí)際情況設(shè)定工況循環(huán)，斜坡道坡度15%，斜坡道長(zhǎng)度s1為1 800m；工作面內(nèi)平路運(yùn)行距離s3為50m；出口處距離卸料處平路距離s4為200m。

開(kāi)發(fā)的運(yùn)礦卡車燃油經(jīng)濟(jì)性運(yùn)算程序，計(jì)算安期生公司運(yùn)礦卡車系列產(chǎn)品中AJK- 12、AJK- 20K、AJK- 25型號(hào)運(yùn)礦卡車燃油經(jīng)濟(jì)性。三種運(yùn)礦卡車全負(fù)荷在15%的斜坡道的最高速度分別為為4.2km/h、7.8km/h、3.1km/h。

計(jì)算結(jié)果，每噸礦公里的燃油消耗量分別為0.156L、0.157L、0.146L。每噸礦公里的燃油消耗量AJK- 20K卡車沒(méi)有明顯優(yōu)勢(shì)，且每天油耗量AJK- 20K型號(hào)卡車遠(yuǎn)大于AJK- 12、AJK- 25。但是運(yùn)礦量分別為960t、351t、711t。如果把運(yùn)礦卡車的盈利簡(jiǎn)單計(jì)為每天礦石的運(yùn)量×礦石單價(jià)-每天油耗量×柴油單價(jià)，假設(shè)每噸礦石價(jià)格為1 000元，每升柴油價(jià)格都設(shè)為7元，經(jīng)計(jì)算可知，三種車型每天的生產(chǎn)效益分別為95.6萬(wàn)元，34.98萬(wàn)元，70.80萬(wàn)元。由此可見(jiàn)，AJK- 20K運(yùn)礦卡車生產(chǎn)效益遠(yuǎn)高于其他兩種車型，適合作為該礦區(qū)的工況下的運(yùn)輸車型。

5.2 斜坡道坡度對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性影響

AJK- 20K牽引力特性如圖3所示，可計(jì)算斜坡道坡度為不同值時(shí)的燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。

圖3 牽引力特性曲線

圖4 不同坡度下的燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

圖4所示為AJK- 20K運(yùn)礦卡車燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)隨坡度變化的離散數(shù)值曲線。可以看出，每噸礦公里的燃油消耗量油耗隨坡度增加而增大；每天運(yùn)礦量隨坡度增大而減小。每天油耗量取決于每小時(shí)油耗量，每小時(shí)油耗量隨坡度增加先增大后減小，根據(jù)式(12)可知，小時(shí)燃油油耗量為一個(gè)工況循環(huán)內(nèi)燃油消耗量與循環(huán)時(shí)間的比值，當(dāng)坡度增加時(shí)，車輛每個(gè)工況循環(huán)時(shí)間增大，需要的燃油消耗量也增大。當(dāng)坡度小于15%時(shí)，燃油消耗量的增加大于循環(huán)時(shí)間的增大量，故小時(shí)油耗增加；當(dāng)坡度大于15%時(shí)，則情況相反。由以上分析可知，隨坡度增加，盈利減小，在該礦區(qū)坡度為15%時(shí)AJK- 20K運(yùn)礦卡車每天油耗量達(dá)到最大值。

6 結(jié)論

根據(jù)一般井下礦山的道路特點(diǎn)和地下運(yùn)礦卡車的工作特征，分析運(yùn)礦卡車井下工作時(shí)的所有工況，建立地下運(yùn)礦卡車工作循環(huán)的工況模型，提出了“八工況法”計(jì)算運(yùn)礦卡車燃油經(jīng)濟(jì)性的方法。

針對(duì)某礦段實(shí)際情況設(shè)定工況循環(huán)，對(duì)比三種型號(hào)卡車燃油經(jīng)濟(jì)性。AJK- 20K運(yùn)礦卡車生產(chǎn)效益遠(yuǎn)高于其他兩種車型，適合作為該礦區(qū)的工況下的運(yùn)輸車型。

分析了礦井斜坡道坡度對(duì)卡車燃油經(jīng)濟(jì)性的影響。在坡度對(duì)該卡車的燃油經(jīng)濟(jì)性影響分析中得出當(dāng)坡度為15%時(shí)，AJK- 20K運(yùn)礦卡車每天油耗量達(dá)到最大值。