露天礦卡車平均行車速度計算研究

趙 明

（中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

露天礦設備選型和數量計算是露天礦設計的重要組成部分，很多專家學者針對本方面尤其是設備選型和配套組合進行研究。如利用AHP-FUZZY 建立評價體系，通過效率因素、經濟因素和維修因素，綜合考慮設備組合型號的選擇[1]；論述露天礦采運設備選型的重要意義、主要依據和原則[2]；對露天礦工藝設備選型與配套進行分析[3]；根據露天礦實際情況，對主要采掘設備型號進行分析論證，最終確定出合理的設備型號[4]；根據設備選型方案設備投資與人工成本比選，分析人工成本變化對比選結果的影響[5]；從設備選型原則、道路通過能力、等方面，論述新增大型采運設備的必要性[6]；通過設備投資和生產運營費2 個方面來說明經濟指標在采運設備選型中的應用[7]；井工開采改為露天開采后礦山生產設備重新選型布置[8]。

設備選型確定后需進行設備數量計算，卡車計算平均行車速度是卡車數量計算的主要參數[9-10]，應根據路況、運距及卡車牽引特性確定，規范標準根據國內外生產、設計資料確定了不同運距的卡車計算平均行車速度，選取平均速度參數進行卡車數量計算。但各個露天礦情況不同，同一運距條件下的卡車平均行車速度有差異，有必要根據具體情況確定平均行車速度。為此，通過分析卡車行車速度、行車時間和行車距離，計算卡車重載和空載平均行車速度，進而確定卡車數量計算所需的卡車計算平均行車速度參數。使參數選取基于路況、運距及卡車牽引特性確定，卡車數量計算結果更準確合理，對保證露天礦合理投資和生產運營具有重要意義。

1 重載平均行車速度

卡車運行時，受5 種力的共同作用，有與行車方向相同的驅動力；與行車方向相反的滾動阻力、空氣阻力；加速時與行車方向相反的慣性力，減速時與行車方向相同的慣性力，勻速時無慣性力；上坡時與行車方向相反的坡度力，下坡時與行車方向相同的坡度力，平路時無坡度力。

卡車重載行車段包括平路加速段、平路勻速段、端幫上坡減速段、端幫平盤加速段和平路減速段。

1.1 重載平路加速段

重載平路加速段卡車從裝載點以0 km/h 加速到最高限制行車速度。

重載平路加速段行車距離計算公式如下：

式中：S1為重載平路加速段行車距離，m；V1為卡車加速起始速度，km/h；V2為卡車最高限制行車速度，km/h；U 為負荷率，80%～90%；Ne為卡車驅動功率，kW；ηT為傳動機械效率，0.82～0.85；δ 為慣性系數，2.1～3.7；G 為卡車重載質量，t；v 為卡車行車速度，km/h；f 為滾動阻力系數，碎石路面取值0.020～0.025；CD為空氣阻力系數，0.6～0.8；M 為卡車行駛方向投影面積，m2。

重載平路加速段行車時間計算公式如下：

式中：T 為重載平路加速段行車時間，s。

1.2 重載平路勻速段

重載平路勻速段包括地面平路勻速段和采坑平路勻速段，卡車行車速度為最高限制行車速度。再由重載平路勻速段行車距離（由總行車距離減去重載平路加速段行車距離、端幫上坡減速段行車距離和端幫平盤加速段行車距離求得）計算行車時間。

1.3 端幫上坡減速段

重載端幫上坡減速段卡車以最高限制行車速度減速到一定速度。

重載端幫上坡減速段行車距離計算公式如下：

式中：S2為重載端幫上坡減速段行車距離，m；N為斜坡道數量；i 為斜坡道坡度。

根據式（3），由重載端幫上坡減速段行車距離（即斜坡道總長度）和最高限制行車速度計算出卡車減速離開速度。

重載端幫上坡減速段行車時間計算公式參照式（3），把12.96 修改為3.6；并根據式（3）求得的卡車減速離開速度計算行車時間。

1.4 端幫平盤加速段

重載端幫平盤加速段卡車以一定速度（即根據式（3）求得的卡車減速離開速度）加速到最高限制行車速度。重載端幫平盤加速段包括從端幫出入溝起始的地面加速段。重載端幫平盤加速段行車距離計算公式為式（1）；重載端幫平盤加速段行車時間計算公式為式（2）。

1.5 重載平路減速段

重載平路減速段卡車以最高限制行車速度減速到0 km/h 到達卸載點。重載平路減速段行車距離和時間認為接近為0。

由總行車距離與各段求得的行車時間總和計算重載平均行車速度。

2 空載平均行車速度

卡車空載行車段包括平路加速段、平路勻速段、端幫下坡勻速段、端幫平盤勻速段和平路減速段。

1）空載平路加速段。空載平路加速段卡車從卸載點以0 km/h 加速到最高限制行車速度。空載平路加速段行車距離計算公式參照式（1），把G 修改為G′；空載平路加速段行車時間計算公式參照式（2），把G 修改為G′。

2）空載平路勻速段。空載平路勻速段包括地面平路勻速段和采坑平路勻速段，卡車行車速度為最高限制行車速度。再由空載平路勻速段行車距離（由總行車距離減去空載平路加速段行車距離、端幫下坡勻速段行車距離和端幫平盤勻速段行車距離求得）計算行車時間。

3）端幫下坡勻速段。空載端幫下坡勻速段卡車行車速度為最高限制行車速度。再由端幫下坡勻速段行車距離（即斜坡道總長度）計算行車時間。

4）端幫平盤勻速段。空載端幫平盤勻速段卡車行車速度為最高限制行車速度。再由端幫平盤勻速段行車距離（即根據式（1）求得的重載端幫平盤加速段行車距離）計算行車時間。

5）空載平路減速段。空載平路減速段卡車以最高限制行車速度減速到0 km/h 到達裝載點。空載平路減速段行車距離和時間認為接近為0。

由總行車距離與各段求得的行車時間總和計算空載平均行車速度。由兩倍總行車距離與重載、空載行車時間總和求得卡車計算平均行車速度。

3 實證研究

伊敏三號露天礦采用單斗-卡車間斷工藝，臺階高度12 m，斜坡道坡度8%，斜坡道長度150 m，斜坡道個數5 個。以伊敏三號露天礦為研究實例，卡車運行條件如下：①卡車驅動功率1 864 kW；②卡車重載質量389 t；③卡車空載質量177 t;④卡車行駛方向投影面積61.8 m2;⑤最高限制速度30 km/h;⑥總行車運距3 500 m。

3.1 重載平均行車速度

在重載平路加速段，卡車從裝載點以0 km/h 加速到30.00 km/h 時，行車距離為295.67 m，行車時間為50.22 s，平均行車速度為21.19 km/h。

在端幫上坡減速段，行車距離為750.00 m，單個斜坡道內卡車以30.00 km/h 減速到17.67 km/h，單個斜坡道內行車時間為23.28 s。行車時間為116.40 s，平均行車速度為23.20 km/h。

在端幫平盤加速段，單個平盤內卡車以17.67 km/h 加速到30.00 km/h 時，單個平盤內行車距離為248.24 m，單個平盤內行車時間為23.28 s。行車距離為1241.27 m，行車時間為180.73 s，平均行車速度為24.73 km/h。

在重載平路勻速段，行車距離為1 213.06 m，平均行車速度為30.00 km/h，行車時間為145.57 s。

卡車重載行車距離為3 500.00 m，重載行車時間為492.92 s，重載平均行車速度為25.56 km/h。卡車重載行車情況見表1。

表1 卡車重載行車情況

3.2 空載平均行車速度

在空載平路加速段，卡車從卸載點以0 km/h 加速到30.00 km/h 時，行車距離為97.29 m，行車時間為17.13 s，平均行車速度為20.45 km/h。

在端幫下坡勻速段，行車距離為750.00 m，平均行車速度為30.00 km/h，行車時間為90.00 s。

在端幫平盤勻速段，行車距離為1 241.27 m，平均行車速度為30.00 km/h，行車時間為148.95 s。

在空載平路勻速段，行車距離為1 411.44 m，平均行車速度為30.00 km/h，行車時間為169.37 s。

卡車空載行車距離為3 500.00 m，空載行車時間為425.45 s，重載平均行車速度為29.62 km/h。卡車空載行車情況見表2。

表2 卡車空載行車情況

3.3 卡車數量計算

卡車總行車距離為7 km，總行車時間為918.37 s，卡車計算平均行車速度為27.44 km/h。

規范標準規定的卡車計算平均行車速度選取見表3。

由表3 可知，根據規范標準，運距為3.5 km 時，卡車計算平均行車速度選取為25 km/h。根據卡車牽引特性等計算的平均速度高于規范標準規定的平均速度。

表3 卡車計算平均行車速度

卡車數量計算的參數具體如下：①挖掘機勺斗容積35 m3；②挖掘機滿斗系數0.95；③物料松散系數1.25；④物料實方密度2.00 t/m3；⑤挖掘機每斗裝載質量53.2 t；⑥挖掘機每斗裝載體積26.6 m3；⑦卡車載重量220 t；⑧卡車堆裝容積144 m3；⑨每車可能裝載斗數(按質量)4.14；⑩每車可能裝載斗數(按體積)4.33；1○每車設計裝載斗數4；12○每車設計裝載質量212.8 t；13○每車設計裝載體積106.4 m3；14○卡車載重利用系數1.00；15○卡車體積利用系數1.00；16○挖掘機每斗循環時間30 s；17○每車等裝時間/30 s；18○每車循環時間2.5 min；19○行車運距/3.5 km；20○卡車平均運行速度25 km/h 或27.44 km/h；21○往返運行時間18.80 min 或15.31 min；2○卡車等調時間2 min；23○卸車時間/1.5 min；24○卡車運行周期22.80 min 或21.31 min；25○卡車年有效作業時間4 800 h；26○臺年運行次數12 631.58 或135 14.78；27○計算臺年運輸能力1.34 Mm3/a 或1.43 Mm3/a；28○年運量10 Mm3；29○計算臺數7.44 或6.95；30○設計臺數8 或7。

由此可知，根據規范標準，卡車計算平均行車速度選取為25 km/h 時，卡車數量為8 臺；根據卡車牽引特性等，卡車計算平均行車速度為27.44 km/h時，卡車數量為7 臺，可節省1 臺卡車購置。

4 結語

1）重載行車段包括平路加速段、平路勻速段、端幫上坡減速段、端幫平盤加速段和平路減速段。

2）空載行車段包括平路加速段、平路勻速段、端幫下坡勻速段、端幫平盤勻速段和平路減速段。

3）卡車計算平均行車速度參數選取基于路況、運距及卡車牽引特性確定。

4）實證研究表明，根據卡車牽引特性等計算的平均速度為27.44 km/h，高于規范標準規定的平均速度25 km/h，計算的卡車數量減少1 臺。