Оценка топливно-энергетических параметров карьерного автосамосвала с комбинированной энергосиловой установкой Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 622.684:629.114 А.Г. Журавлев

ОЦЕНКА ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КАРЬЕРНОГО АВТОСАМОСВАЛА С КОМБИНИРОВАННОЙ ЭНЕРГОСИЛОВОЙ УСТАНОВКОЙ

Семинар № 20

По мере неизбежного увеличения глубины карьеров ужесточаются требования к техническим характеристикам карьерных автосамосвалов. К основным направлениям их совершенствования с точки зрения технологии горного производства, в частности, можно отнести следующие:

- повышение преодолеваемого уклона, при обеспечении достаточного уровня безопасности;

- повышение скорости движения в грузовом направлении;

- снижение выброса вредных веществ с отработавшими газами;

- повышение грузоподъемности и др.;

Перечисленным выше требованиям отвечают карьерные автосамосвалы с комбинированной энергосиловой установкой (КЭУ) [1]. Такой самосвал в качестве силовой установки имеет комбинацию: газотурбинный двига-

тель (ГТД) - аккумулятор энергии (АЭ). Особенность работы КЭУ заключается в остановке двигателя внутреннего сгорания при спуске автосамосвала в карьер и привод электротрансмиссии от тягового аккумулятора энергии, заряжаемого энергией, рекуперируемой на спуске [2].

Одним из основных вопросов при обосновании эффективности применения автосамосвалов с КЭУ является

оценка расхода топлива и определение области работы по предложенному алгоритму в зависимости от горнотехнических условий.

С этой целью были проведены исследования и установлены зависимости расхода топлива от горнотехнических факторов: высоты подъема горной массы и плеча откатки.

Расход топлива автосамосвалом с КЭУ зависит от режима работы КЭУ: заряжается ли АЭ при спуске в карьер полностью или необходима его подзарядка от ГТД, либо горнотехнические условия не обеспечивают возможность движения автосамосвала без привода от ГТД (табл. 1).

При выводе условий ограничения горно-технических условий исходим из условия условиям равенства рекуперируемой на спуске энергии и потребляемой на спуске энергии, в том числе вспомогательным оборудованием, а также затрачиваемой при маневрировании, ожидании погрузки и погрузке. При этом данная граница определяет переход от работы КЭК по задаваемому циклу с полной рекуперацией энергии к частичному под-заряду АЭ от ГТД в процессе движения с грузом.

Оценку выделяемой при спуске энергии можно провести по экспериментальным данным, полученным специалистами ИГД УрО РАН для карь-

Таблица 1

Основные возможные режимы работы КЭУ

№ п/п Наименование АЭ ГТД

1 С полной рекуперацией Полностью заряжается на спуске за счет рекуперации энергии Работает только в грузовом направлении. Нагрузкой является только трансмиссия и вспомогательное оборудование автосамосвала

2 С частичной рекуперацией Не полностью заряжается на спуске. Дополнительная подзарядка производится от ГТД. Работает только в грузовом направлении. Нагрузкой являются, электротрансмиссия, вспомогательное оборудование и тяговый аккумулятор энергии

3 Безрекупера- тивный Частично незначительно подзаряжается при торможении и на спуске Работает на протяжении всего транспортного цикла

ерных автосамосвалов БелАЗ-7519

[3]. На основании имеющихся значений можно вывести уравнение зависимости количества выделяемой при спуске энергии от длины участка и уклона автодороги.

Устанавливаем графическим путем, что зависимость мощности электродинамического торможения от скорости автосамосвала (у) при постоянном уклоне (1) так же, как и от уклона (1) при постоянной скорости (у) имеет линейный характер. При этом на графике прямая мощности Щу) пересекает оси координат в точке 0, а прямая зависимости N(1) имеет смещение в область меньших значений мощности N что объясняется наличием сопротивления движению (в данном случае, сопротивление качению) и КПД механизмов и машин автосамосвала.

На основе вышеуказанного можем записать уравнения зависимостей:

N = Ку ■ у (1)

N = К1 ■ 1 + В1 (2)

где N - зависимость мощности, выделяемой на тормозных резисторах в режиме динамического торможения автосамосвала, от скорости при постоянном значении уклона автодороги; N - зависимость мощности, выде-

ляемой на тормозных резисторах в режиме динамического торможения автосамосвала от уклона дороги при постоянном значении скорости движения автосамосвала; Ку, К1 - коэффициенты влияния соответственно скорости и уклона.

В этих уравнениях Ку = ^1) и К1 =

=«у).

Поскольку N пропорциональна у, а следовательно и зависимость N(1) в любой точке также будет пропорциональна у, и учитывая, что Щу=0) = 0, можно коэффициенты в уравнении (2) записать пропорциональными скорости (у) и уравнение примет вид:

Щу) = [(ку • у)к1] + (ку • у)Ь1 (3)

где ку ■ у ■ к1 = К1 и ку ■ у ■ Ь1 = В1 Принимая

кчкг = к и кчЪ = Ъ ■ (4)

получим

N (г, V) = к • V • г + Ъ (5)

Найдем коэффициенты в уравнении (4), используя значения табл. 2. Для этого, используя линейность зависимостей N(1) и Щу), будем искать коэффициенты К1 и В1 для конкретной скорости, а затем из выражений

(4) определять к и Ь. Выразим коэффициенты К1 и В1 в общем виде:

Таблица 2

Мощность тягового электродвигателя в тормозном режиме при движении под уклон порожнего автомобиля

Продольный

Скорость автосамосвала, км/ч

уклон автодороги, % 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

4 11 22 33 44 55 67 77 89 100 111

6 22 45 67 89 111 135 156 178 201 227

8 33 66 99 133 166 201 232 265 298 332

10 45 89 133 179 223 270 312 356 401 446

12 56 111 166 223 278 336 389 444 505 557

N = Кг • г1 + Вг ^2 = К • г2 + вг

Вычитая из первого уравнения системы второе получим:

N1 - N2 = К (11 -12)

Далее можно записать N - N

К = 1 2

вг = N2-кг • г2

Проведем расчет для всех возможных сочетаний точек табл. 2 и найдем математическое ожидание коэффициентов к и Ь, принимая их случайными величинами, подчиняющимися нормальному закону распределения.

В итоге получена зависимость вида Ne = 1,116 • г • V - 2,258 • V, кВт, (6)

где 1 - уклон, %; у - скорость, км/ч.

Проверка показала сходимость расчетных данных с экспериментальными 99 %.

Энергию, выделяемую при непрерывном движении автосамосвала с постоянной скоростью по участку с постоянным уклоном, определим следующим образом

W = N • 1 = (1,116 • 1 • у - 2,258 • у) • 1 =

= (1,116 • і • Ь - 2,258 • Ь) • і =

^ Г

= 1,116 • і • Ь - 2,258 • Ь кВт • ч,

(7)

где Ь - длина участка, км; 1 - время прохождения участка, ч.

Приводя полученное выражение к МДж получим

жзар = 4,018 • г • Ь - 8,129 • Ь , МДж. (8)

Энергия, необходимая при движении на спуск, ожидание погрузки, маневрирование, погрузку можно оценить по следующему выражению:

Мтреб = Агор ЛПаэПтдПр) + Ав.о. ДПаэО =

Р Ь

= 1 к^гор

Лаэ Лтд %

1аэ 1

+ х 3’6^°Ьгор, МДж

ПАЭУгор

(9)

где Агор, Ав.°. - работа соответственно по передвижению автосамосвала на горизонтальных участках и по приводу вспомогательного оборудования автосамосвала; Рк - сила тяги на колесах автосамосвала, кН; Ь, Ьгор -длина соответственного общая спуска и горизонтальных участков трассы на спуске, км; Нв.о. - средняя суммарная мощность вспомогательного оборудования, работающего при движении автосамосвала, кВт; Угор - скорость автосамосвала на горизонтальных участках, км/ч; г|АЭ, "Лтд, ПР - коэффициенты полезного действия соответственно аккумулятора энергии, тягового электродвигателя, редуктора мотор-колеса.

Отметим, что энергия, потребляемая вспомогательным оборудованием на участках спуска, не учитывается в

выражении (9), поскольку учтена в эмпирической зависимости (8).

Выразив силу тяги на колесах, пренебрегая сопротивлением воздушной среды, просуммировав энергию по участкам и введя в уравнения коэффициент горизонтальных участков, равный отношению суммарной длины горизонтальных участков в общей протяженности спуска получим выражение:

ш =

треб

С৮о

ПаэПтдПр

Ькгор , МДж

(10)

где ва - снаряженный вес автосамосвала, кН; д - ускорение свободного падения, д=9,81 м/с2; юо - сопротивление качению колес автосамосвала; кгор - коэффициент горизонтальных участков.

И, соответственно, для выделяемой на спуске энергии выражение при выведении из под знака суммы примет вид

Шзар = £(4,0181учЬсП - 8,129ЬсП) = = 0,4018Нк - 8Д29Ц1 - кГОр) = = 4,0181ср.в Ь - 8,129Ь(1 - кг0р),МДж

Рис. 1. Зависимость выделяемой автосамосвалом БелАЗ-7519 на спуске энергии от уклона и протяженности спуска

где Нк - высота подъема горной массы (в пределе -глубина карьера), м, 0,1 • Нк [м] = 1Ср^ [%] • Ь[км];

/уч - уклон на отдельных участках спуска, %; /ср.в. -средневзвешенный уклон автодорог, %.

Записываем выражение, определяющее превышение выделяемой и потребляемой энергии во время порожнего спуска

0,402Нк - 8,129Ь(1 - кгор) >

>

+ •

3,6Н

Ькг

(12)

Паэ Лтд Пр ЛАЭУгор

Преобразуя выражение и учитывая, что

Нк >[(2,489-

П АЭ "ЛтД "Пр

N.

Л

- 20,231

кгор +

(13)

+ 8,96-

ПАЭУгор

+ 20,231]Ь, м

Аналогично, выражая средневзвешенный уклон, получим

СаЗЮо

(

і >

ср.в. —

0,249-

ПАЭ ПТД ПР

(14)

+ 0,896

N..

Л

---^ - 2,023

ПАЭУгор

кгор + 2,023,%

/

Графики зависимостей (13) и (14) приведены на рис. 2.

На основании выражения (13) ограничиваем область горно-технических условий, в которых автосамосвал

^ср.в . , %

Нп, м

Рис. 2. График зависимости предельного минимального средневзвешенного уклона автодорог и минимальной высоты подъема горной массы карьерным автосамосвалом с КЭУ от доли горизонтальных участков в общем расстоянии транспортирования и плеча откатки

с КЭУ работает по наиболее экономичному циклу (количество энергии, выделяемой при спуске автосамосвала достаточно для тягового режима в порожнем направлении и привода вспомогательного оборудования.

В этих условиях расход топлива за транспортный цикл можно оценить по следующему выражению

0ц О-подъем + О-гор + Оман. + 0 разгр (15)

где 0подъем - расход топлива автосамосвалом при движении на участках подъема, л; 0гор - расход топлива на горизонтальных участках в грузовом направлении, л; 0ман - расход топлива при маневрировании на участке разгрузки, м; 0разгр - расход топлива при разгрузке.

Для расчета расхода топлива в зависимости от горно-технических факторов воспользуемся известным выражением [3, 4, 5]:

Зе(Н) • Нуч • і

УПтр

5е(Н) •[(ва + я)(ю0 + іуч)]

ЗбООуПтр

5е(Н) • Рк ь = ЗбООуПтр уч

(1б)

+ 0,001 ^ (в. + я) дИп (1 - кгор) + 3,бтР + яе (N)(в. + я) з®о 1кг0р +

3,бтТр

д (NN ґ д (N)N ґ

Ое' ' май май , -~>е' ' разгр р

і перед .разгр

3600ут)Р 3600ут)т

где деЫ - номинальный удельный эффективный расход топлива ГТД, г/(кВт-ч); де(Ы) - удельный эффективный расход топлива ГТД при мощности Ы, г/(кВт-ч); Нп - высота подъема горной массы автосамосвалом, м; птр,

Пперед.разгр - коэффициент полезного

действия соответственно, трансмиссии и привода опрокидывающего ме-

ханизма; і,

ір

мат 1разгр

где де(Ы) - удельный эффективный расход топлива ГТД при мощности Ы, г/(кВт-ч); Ыуч - средняя мощность, развиваемая двигателем на участке пути, кВт; 1 - время прохождения участка (работы при мощности Ы), с; у - удельная масса топлива, г/л, у=830г/л; Птр - коэффициент полезного действия трансмиссии; я - грузоподъемность автосамосвала, т.

Подставим выражение (16) в соответствующей форме в (15), преобразуем его, учитывая, что необходимо суммирование расхода топлива по участкам, в результате получим

0 = звМ (са + д) д®о1(1 - КоР) +

° 3,6уц

время соответственно маневрирования при постановке на разгрузку и время разгрузки, с.

В условиях, когда средневзвешенный уклон ниже ( ), автосамосвал с КЭУ работает в режиме восполнения недостающей для порожнего направления энергии при движении в грузовом направлении от ГТД.

В этом случае полагаем, что ГТД работает в номинальном режиме во время движения на подъем, принимаем, что на горизонтальных участках используется 50 % мощности двигателя, расходуемой на движение и подзаряд АЭ, во время маневрирования на участке разгрузки и разгрузке ГТД развивает мощность, необходимую для этих операций. Тогда расход топлива за цикл

Зе

(Са + я)дю оМ1 - кгор)

3>б УЛ тр 0,001(Са + д)дН„(1 - кГОр)

3>бУП тр

. де0,5^е0,5^ • кгор .

гор .гр

де(^„Л

У

ман ман

де(Н)И

разгр разгр

3б00 уп т

3б00 уп

перед .разгр

+

+

+

где угор.гр - скорость на горизонтальных участках в грузовом направлении, км/ч; Нен - номинальная мощность ГТД, кВт; Не0>5 - 50-процентная мощность ГТД при движении по горизонтальным участкам в грузовом направлении, кВт; де0>5 - удельный эффективный расход топлива при 50процентной мощности ГТД, кВт.

В условиях, когда средневзвешенный уклон ниже 2 %, не обеспечивается должного заряда аккумулятора энергии и автосамосвал движется при постоянно работающем ГТД на всем протяжении транспортного цикла. В этом случае в расходе топлива необходимо учесть работу ГТД в порожнем направлении: на спуске - холостой ход, на горизонтальных участках

- тяговый электропривод работает от ГТД. В этом случае

ден(са + д^рЫ1 - кгор) + 3,6УЛтр

+ 0,001ден(Са + д)дНп(1 - ^ +

3,6УЛтр дв(м)(Са + д)дга0^гор

+---------------------- +

3,6УПтр

+ дв(Ы)Ыман^ман + де (Ы)Ыразгр^разгр + 3600УПтр 3600УПперед.разгр

^Ч.хх^(1 - кгор) де(Н)СадЮоЬкгор

+--------------— +-----------------^, л,

Уупор 3,6УПтр

(19)

где 0Ч.хх - часовой расход топлива газотурбинным двигателем на холостом ходу, кг/ч; упор - средняя скорость в порожнем направлении, км/ч.

Чаще всего для оценки топливноэнергетических показателей работы карьерных автосамосвалов используется не расход топлива за транспортный цикл, а путевой расход топлива в л/100 км и удельный расход

топлива на транспортную работу в г/т-км.

Их можно оценить преобразовав полученные выражения в следующей форме:

05 = 50 • 0ц /£ , л/100 км; (20)

0уд =50 • 0ц •гЧ1 • ч), г/т-км. (21)

По полученным выражениям были определены путевой и удельный расход топлива автосамосвалом с КЭУ для некоторых горно-технических условий (табл. 3 и 4). В качестве силовой установки были приняты: газотурбинный двигатель ВК-2500 (мощность 1400 кВт, номинальный удельный эффективный расход топлива 315 г/кВт-ч), аккумулятор кинетической энергии энергоемкостью 20 кВтч мощностью 200 кВт.

При сравнении полученных результатов с данными по расходу топлива дизель-электрическими автосамосвалов установлено, что топливная экономичность карьерных автосамосвалов выше, чем автосамосвалов с дизельным двигателем, даже несмотря на более высокий удельный расход топлива газотурбинного двигателя. Такое соотношение справедливо для режимов работы КЭУ с полной или частичной зарядкой аккумулятора за счет рекуперации энергии торможения при спуске в карьер. В условиях, когда средневзвешенный уклон ниже 2%, аккумулятор энергии практически не заряжается, и газотурбинный двигатель работает на протяжении всего транспортного цикла - расход топлива автосамосвалом с КЭУ выше расхода топлива автосамосвала с дизельным двигателем.

Относительный расход топлива автосамосвалом с КЭУ в режиме полной рекуперации (табл. 1) ниже, чем расход топлива в режиме частичной рекуперации. В свою очередь в без-рекуперативном режиме автосамосвал

334

Таблица 3

Значения путевого расхода топлива в зависимости от горно-технических условий

кгор = 0,2

Расход топлива путевой, л/100км

Плечо откатки Ь, м

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

10 895,8 662,8 585,2 546,4 523,1 507,5 496,5 488,1 481,7 476,5

20 1054,0 778,7 662,4 604,3 569,4 546,2 529,5 517,1 507,4 499,7

50 1633,6 937,4 925,5 812,4 708,4 662,0 628,8 604,0 584,6 569,1

2 100 1516,5 1091,4 878,8 976,3 892,4 832,5 787,6 752,7 724,7

а Т“ 150 2095,7 1477,5 1168,4 982,9 859,3 998,0 932,4 881,4 840,5

я а 200 1863,6 1458,0 1214,6 1052,4 936,5 849,5 781,9 989,6

V |в ч 250 2249,7 1747,5 1446,3 1245,4 1101,9 994,3 910,6 843,7

0 а 300 2037,1 1677,9 1438,5 1267,*4 1139,1 1039,3 959,5

б 0 350 1909,6 1631,5 1432,9 1283,9 1168,0 1075,4

и 2 400 2141,2 1824,5 1598,3 1428,7 1296,7 1191,2

во 450 2017,6 1763,8 1573,5 1425,4 1307,0

500 1929,3 1718,3 1554,1 1422,8

550 2094,8 1863,1 1682,8 1538,7

600 2007,8 1811,5 1654,5

Примечания:!

662 | - КЭУ работает в 3-м режиме согласно табл. 1 КЭУ работает во 2-м режиме согласно табл. 1 662 - КЭУ работает в 1-м режиме согласно табл. 1

335

Таблица 4

Значения удельного расхода топлива в зависимости от горно-технических условий

Кгор = 0,2

Расход топлива удельный, г/т-км

Плечо откатки Ь, м

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

10 59,5 44,0 38,9 36,3 34,7 33,7 33,0 32,4 32,0 31,6

20 70,0 51,7 44,0 40,1 37,8 36,3 35,2 34,3 33,7 33,2

2 50 108,5 62,2 56,1 48,6 47,0 44,0 41,8 40,1 38,8 37,8

100 100,7 72,5 58,4 59,4 53,9 49,9 46,9 44,6 42,7

X 150 139,2 98,1 77,6 65,3 57,1 60,9 56,5 53,1 50,4

(в г V 200 123,7 96,8 80,6 69,9 62,2 56,4 61,7 58,1

1® ч 0 250 149,4 116,0 96,0 82,7 73,2 66,0 60,5 56,0

я 300 135,3 111,4 95,5 84,2 75,6 69,0 63,7

0 и 350 126,8 108,3 95,1 85,3 77,6 71,4

л СО 400 142,2 121,2 106,1 94,9 86,1 79,1

450 134,0 117,1 104,5 94,6 86,8

500 128,1 114,1 103,2 94,5

550 139,1 123,7 111,7 102,2

600 133,3 120,3 109,9

с КЭУ расходует больше топлива, чем в режиме частичной рекуперации. Это объясняется увеличением времени работы ГТД в течение транспортного цикла.

Следует отметить, что моделирование проводилось для карьеров глубинного типа и не отражает условий нагорных карьеров.

Результаты расчетов были использованы Институтом «Уралгипроруда» для подготовки технико-экономических предложений по применению карьерных автосамосвалов с комбинированной энергосиловой установкой на карьерах Уральского региона в рамках работы, выполненной для Министерства промышленности, энергетики и науки Свердловской области. Расчеты показали сокращение годовых затрат на транспортирование горной массы по сравнению с дизельными автосамосвалами порядка 25 %.

Выводы:

1. Полученные результаты могут быть использованы при обосновании

1. Яковлев В.Л., Тарасов П.И. О возможности создания карьерных автосамосвалов с комбинированной энергосиловой установкой. - Горный журнал. - 2004. - Специальный выпуск. - С. 78-80.

2. Тарасов П.И., Журавлев А. Г. О создании комбинированных энергосиловых установок для карьерных самосвалов // Проблемы карьерного транспорта. Материалы VIII Международной научнопрактической конференции, 20-23 сентября 2005 г. - Екатеринбург: УрО РАН, 2005.

эффективности использования автосамосвалов с КЭУ на горнодобывающих предприятиях, оценке показателей эксплуатационных свойств.

2. Полученные результаты можно считать достаточно точными поскольку в расчетах приняты завышающие коэффициенты и заведомо более тяжелые условия работы энергосиловой установки.

3. Расход топлива снижается по сравнению с дизель-электрическими автосамосвалами соответствующей грузоподъемности при работе в 1-й и второй области горнотехнических условий. В третьей зоне расход топлива выше, чем у аналогичных дизель-электрических автосамосвалов.

4. Полученные результаты были использованы при разработке технико-экономических предложений по применению автосамосвалов с КЭУ Институтом Уралгипроруда. Расчеты показали снижение годовых затрат на транспортирование горной массы порядка 25 % в рациональных условиях.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Тарасов П.И. Исследование влияния горнотехнических факторов на расход топлива карьерным автотранспортом: Дис. ... канд. техн. наук / ИГД МЧМ СССР - Свердловск, 1982. - 238 с.

4. Говорушенко Н.Я. Основы теории эксплуатации автомобилей. - Киев: Издательство «Вища школа», 1971. - С. 104.

5. Великанов Д.П. Эксплуатационные качества отечественных автомобилей. - М.: Научно-техническое издательство автотранспортной литературы, 1956. - С. 64.

— Коротко об авторе --------------------------------------------------------------

Журавлев А.Г. - Институт горного дела УрО РАН.

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 20 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. В.И. Галкин.