露天礦雙能源卡車運輸系統移設步距研究

趙 明

（中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

“采、運、排”是露天礦生產過程的主要環節，其中運輸環節作為采裝和排土工程的紐帶，起著承上啟下的作用[1]。卡車運輸以其機動靈活、生產組織便捷、適應能力強、短途運輸經濟等優點，在露天礦山中得到廣泛應用[2]。雙能源卡車運輸系統是在礦山運輸上坡路段架設接觸網，雙能源卡車在上坡時的速度不再由卡車柴油發動機的功率所限制，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遠的大于柴油發動機的功率。雙能源卡車在上坡路段行駛時，采用架線輔助供電系統，提高了卡車在上坡路段的運行速度，這樣就能加快卡車工作循環，減少卡車單循環的運行時間，提高卡車的運行效率，減少卡車數量，從而提高生產率。同時降低燃油消耗，節省運輸費用，還減少了廢氣排放，提高了空氣質量，降低了發動機產生的噪音。雙能源卡車運輸系統可有效解決露天礦的成本和環保問題[3]。

對雙能源卡車的研究主要集中在相對于傳統卡車的經濟優勢和系統組成方面[4-6]，而對雙能源卡車運輸系統移設未有相關研究。為此，通過分析雙能源卡車運輸系統的運輸和移設總費用多項式系數和計算周期內總推進度及移設步距的規律關系，構建雙能源卡車運輸系統移設步距計算模型，雙能源卡車運輸系統移設步距的優化對節省雙能源卡車運輸系統總費用具有重要意義。

1 雙能源卡車運輸系統組成

當雙能源卡車行駛到架線路段時，司機按下轉換開關，斷開柴油電動輪運輸系統，啟動架線輔助運輸系統，升起受電弓，接觸線上的電能通過受電弓傳動到卡車的牽引電機，從而驅動雙能源卡車運行；在雙能源卡車通過架線路段后，司機按下轉換開關，斷開架線輔助運輸系統，啟動柴油電動輪運輸系統，降下受電弓，啟動柴油電動輪系統驅動雙能源卡車運行。雙能源卡車運輸系統由五部分組成，即卡車控制系統、受電弓裝置系統、架線接觸網系統、供電電源系統和架線道路系統。雙能源卡車運輸系統組成如圖1。

圖1 雙能源卡車運輸系統組成

卡車控制系統安裝在雙能源卡車電氣柜和駕駛室內；受電弓裝置系統安裝在雙能源卡車的車頭前部；架線接觸網系統布置在采場端幫路段或露天礦主干道的上坡路段；供電電源系統是置于露天礦礦區內的移動變電站；架線道路系統相比傳統卡車道路參數優化需基于雙能源卡車運行性能和行駛路面條件[7]。

2 雙能源卡車運輸系統移設

2.1 架線接觸網系統

雙能源卡車運輸系統移設即為其架線接觸網系統的移設。架線接觸網系統是指在雙能源卡車上坡路段架設的向雙能源卡車傳送電能的供電線路。架線接觸網系統由接觸懸掛、支持裝置、定位裝置、支柱、基礎組成。導線懸吊結構是靠導線自重拉緊的，在周圍環境溫度較高的條件下，為防止導線下垂就需要相對短的支柱跨距，還需要拉緊裝置用于維修和調節弛度。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備并將其負荷傳遞給支柱。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行軌跡范圍內，使接觸線與受電弓不脫離，并將接觸線的負荷傳給支柱。支柱用以承受線索及其他設備、覆冰、風的荷載，并將接觸線等固定在設計的位置和高度上。架線接觸網系統需移設，支柱采用鋼支柱形式，固定在混凝土制成的基礎上。

架線接觸網系統布置在露天礦主干道的上坡路段時不需移設，架線接觸網系統布置在采場端幫路段時需要考慮移設問題。

雙能源卡車架線接觸網系統的架線支柱應該方便取出，整體系統方便移設。移設前應拆卸下接觸線、饋線和回線、架空地線，取出支柱及附屬設備。對移設位置做好測量工作及基礎制作，然后將支柱及附屬設備布置到需移設位置，裝卸支柱時，均應采用2 個吊點，輕起輕落，嚴禁碰撞。進行接觸線、饋線和回線、架空地線安裝調試。架設完成后，對雙能源卡車運行調試，滿足通行要求。

2.2 系統移設分析

當露天礦推進方向與卡車運輸方向相反時，不同于半連續系統移設[8-10]可以增加膠帶運輸距離來縮短卡車運輸距離，達到降低運輸成本的目的，架線接觸網系統隨工作幫推進方向移設，縮短坑內的卡車運輸距離，但地面卡車運輸距離相應增加，整體運輸距離基本沒有變化。

當露天礦推進方向與卡車運輸方向相同時，架線接觸網系統隨工作幫推進方向移設，可以同時縮短坑內的卡車運輸距離和地面卡車運輸距離，整體運輸距離減少2 倍架線接觸網系統移設步距。移設步距不同，計算周期內系統運輸費用和移設費用也會不同。移設步距過大，非架線運輸距離隨工作幫推進而增大，運輸費用增加；移設步距過小，移設過于頻繁，移設費用增加。需要找到最優移設步距，使運輸費用和移設費用總和最小。

3 雙能源卡車運輸系統移設步距

根據計算周期內總推進度和雙能源卡車運輸系統移設步距的倍數關系，總結多項式系數規律，構建雙能源卡車運輸系統移設步距計算模型。

3.1 規律分析

1）計算周期T 內不進行移設。系統運輸和移設總費用計算公式如下：

式中：F 為系統運輸和移設總費用，萬元；Fjz為架線運輸單價，元（/m3·km）；Ljz為架線助推上坡距離，km；Fk為非架線運輸單價，元（/m3·km）；Lk為非架線初始運輸距離，km；S 為移設步距，km；k 為外排土場推進系數（工作幫年推進度為S 時，外排土場同向推進度為k×S；雙能源卡車運輸為系統運輸原煤時，k=0）；v 為工作幫年推進度，km/a；Q 為年生產能力，Mm3。

2）計算周期內移設1 次。系統運輸和移設總費用計算公式如下：

式中：Cy為系統移設單位費用，萬元/km；Lw為架線接觸網長度（在雙能源卡車駛入或駛離架線輔助運輸路段處均需設置一定長度的過渡段，以便司機切換雙能源卡車的驅動模式，過渡段長度滿足設計速度和升降弓時間內的行程），km。

3）計算周期內移設2 次。系統運輸和移設總費用計算公式如下：

4）計算周期內移設3 次。系統運輸和移設總費用計算公式如下：

由式（1）～式（4）匯總出計算周期內移設0～3 次時系統運輸和移設總費用計算，多項式系數見表1。

表1 多項式系數

3.2 計算模型

由表1 可總結多項式系數與計算周期內總推進度及移設步距的規律關系。

根據規律關系，系統移設運輸和移設總費用計算公式如下：

對式（5）的S 求導，則最優移設步距計算公式：

由式（6）可知，雙能源卡車運輸系統最優移設步距與工作幫年推進度、系統移設單位費用、架線接觸網長度成正比；最優移設步距與非架線運輸單價和年生產能力成反比。

將式（6）代入式（5），可得：

4 實證研究

4.1 最優移設步距

以伊敏三號露天礦為研究對象，在礦端幫布置雙能源卡車架線接觸網系統。雙能源卡車運輸系統用于運輸剝離物到外排土場。基于燃油成本、電力成本、維修保養成本、輪胎消耗、人工成本和環境成本計算架線運輸單價和非架線運輸單價。計算參數見表2。

表2 計算參數

由表2 計算參數和式（6），計算該礦最優移設步距為0.22 km，雙能源卡車架線接觸網系統移設周期為1.1 年，可選擇1 年移設1 次。由式（7）計算該礦系統運輸和移設總費用為63 695.46 萬元.

4.2 敏感性分析

當各因素值發生變化時，系統運輸和移設總費用變化率不同，由此分析各因素的敏感性程度。系統運輸和移設總費用變化率見表3。

表3 系統運輸和移設總費用變化率

由表3 可知，各因素變化率與系統運輸和移設總費用變化率方向都相同，各因素數值越大，系統運輸和移設總費用越高。

由表3 可知，年生產能力對應的總費用變化率最大，為9.57%。說明系統運輸和移設總費用對年生產能力較敏感。總費用變化率最小的是外排土場推進系數，說明外排土場推進系數對系統運輸和移設總費用影響較小，敏感性低。系統運輸和移設總費用變化率曲線如圖2（選取敏感性程度最高或最低的4個因素）

圖2 系統運輸和移設總費用變化率曲線

5 結語

1）根據雙能源卡車運輸系統的運輸和移設總費用多項式系數和計算周期內總推進度及移設步距的規律關系，構建雙能源卡車運輸系統移設步距計算模型。

2）最優移設步距與工作幫年推進度、系統移設單位費用和架線接觸網長度成正比；最優移設步距與非架線運輸單價和年生產能力成反比。

3）實證研究的結果表明，最優移設步距為0.22 km，1 年移設1 次架線接觸網系統。系統運輸和移設總費用為63 695.46 萬元。

4）敏感性分析結果表明，年生產能力變化10%時，系統運輸和移設總費用變化率為9.57%，系統運輸和移設總費用對年生產能力較敏感。