CC BY
36
УДК 622.001.89:622.68
Э.В. Горшков, А.П. Тарасов
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ И РАЗВИТИЕ ОТЕЧЕСТВЕННОГО ДИЗЕЛЬ-ТРОЛЛЕЙВОЗНОГО ТРАНСПОРТА
А нализ современного состояния и перспектив развития оте-
./Т.чественных карьеров до 2010 г. свидетельствует о том, что одним из основных видов транспорта остается автомобильный, которым будет перевозиться до 60-70 % горной массы.
Эксплуатация технологического автотранспорта в глубоких карьерах позволила выявить ряд крупных недостатков: повышенная загазованность внутрикарьерного пространства (простои на карьерах Якутии достигают 2000-2300 часов в год), значительный расход жидкого топлива, составляющий на отдельных предприятиях 40-50 тыс. т в год; низкая скорость движения груженых автосамосвалов, ведущая к снижению производительности.
Влияние этих факторов в значительной степени уменьшается в случае создания и эксплуатации дизель-троллейвозного транспорта. Перспективность применения электрифицированных систем автотранспорта для работы в глубоких карьерах увеличивается в условиях непрерывно возрастающих цен на жидкое топливо и отработки разведанных запасов нефти в течение ближайших 20-30 лет.
Работы по переводу карьерных автосамосвалов на питание от контактной сети были начаты профессором А.С. Фиделевым в Институте горного дела Академии наук УССР в 1949 году. В 1952 году троллейвозы, созданные на базе автосамосвалов МАЗ-205 и ЯАЗ-210В грузоподъемностью 5 и 10 т, были внедрены на Богура-евском карьере известняка. Троллейвозами за период опытной эксплуатации с 1952 по 1959 гг. перевезено 8 млн. т известняка при снижении себестоимости транспортирования на 25-30 % по сравнению с себестоимостью автоперевозок [1].
За отмеченный период времени Академией наук УССР, Киевским инженерно-строительным институтом и УкрНИИпроектом был проведен большой объем исследований в области троллейвоз-ного транспорта. Испытания в карьере подтвердили целесообраз-
307
ность использования троллейвозов в определенных горнотехнических условиях. Вместе с тем, в период эксплуатации были выявлены весьма серьезные недостатки: необходимость строительства контактной сети на всем протяжении откаточных путей, сложные устройства электросетей в местах маневров на погрузке и разгрузке, наличие большого числа тяговых подстанций.
Белорусским автозаводом в 1964 г. был изготовлен опытный образец автопоезда - троллейвоза БелАЗ-7524-792 грузоподъемностью 65 т. Дизель-троллейвоз состоял из седельного тягача, выполненного на базе 40-тонного автосамосвала, и полуприцепа с задней разгрузкой геометрической емкостью 34 м3. На дизель-троллейвозе были установлены тяговый генератор ДК-508Б мощностью 280-300 кВт и тяговые электродвигатели ДК-708А мощностью 200 кВт (табл. 1).
Испытания дизель-троллейвоза проводились на Красногорском угольном разрезе комбината «Кузбасскарьеруголь» в 19671970 гг, где была смонтирована контактная сеть и питающая ее тяговая подстанция. Контактная сеть имела протяженность 1250 м, из них 860 м со средним уклоном 7 %, 90 м - горизонтальный участок и 300 м - подъем со средним уклоном 12 %. В 1968 г. были изготовлены шасси № 2 и 3 автопоезда для проведения межведомственных эксплуатационных испытаний.
Испытания подтвердили работоспособность дизель-трол-лейвозного транспорта и выявили ряд его преимуществ: достаточно высокие скорости движения дизель-троллейвозов; возможность осуществления электродинамического торможения с рекуперацией энергии в сеть; безопасность применения напряжения в контактной сети 1200 В; уменьшение загазованности в карьерах глубинного типа вследствие установки дизельного двигателя малой мощности; высокие тягово-динамические качества.
В процессе испытаний было установлено:
- экспериментальная трасса по своему профилю не соответствует условиям оптимального режима применения этого
Таблица 1
Технические характеристики отечественных дизель-троллейвозов
Показатели Модель дизель-троллейвоза
БелАЗ- БелАЗ- БелАЗ- Проект
524-792 549 ССГПО 75195
(1965 г.) (1983 г.) (1985 г.)
308
Грузоподъемность, т 65 75 110 120-130
Масса дизель-троллейвоза, т 51,3 68,5 88 95-105
Коэффициент тары 0,79 0,91 0,80 0,80
Колесная формула 6х4 4х2 4х2 4х2
Вместимость кузова, м3 34 36 44 47-51
Мощность дизельного двигателя, кВт 382 662 809 955-1100
Мощность тягового генератора, кВт 300 600 630 800
Мощность тягового электродвигателя, кВт 200 230 360 420-560
Токоприемное устройство Штангового типа Пантографы пантографы, штангового типа штангового типа
Напряжение контактной сети, В 1200 750/1500 825 ±900
Трансмиссия - пост. тока пост. тока перем.-пост.тока
Максимальная скорость при работе от контактной сети, км/ч 42 45 45 50
Пробег до списания д зель-троллейвоза, т.км - - 300 450
типа машин, что не позволяет в полной мере оценить их эффективность;
- использование дизель-троллейвозов в условиях разреза «Красногорский» с пологим залеганием угольных пластов без наличия затяжных подъемов на трассе нецелесообразно;
- вследствие спаренного исполнения в виде тягача и полуприцепа дизель-троллейвоз обладает ограниченной маневренностью, низкой проходимостью и не имеет надежной защиты от буксования и юза.
Выявленные недостатки, а также трудности, связанные с организацией выпуска данной специализированной модели на Белорусском автозаводе, привели к прекращению работы в данном направлении. Следует отметить, что в этот период не было проявлено достаточного внимания к внедрению дизель-троллейвозов со стороны заказчиков - горнодобывающих Министерств и необходимой за-
309
интересованности в доводке их конструкции со стороны Минавто-прома и Минэлектротехпрома.
С середины 70-х годов интерес к дизель-троллейвозному транспорту вновь начал быстро возрастать. Это объясняется многими причинами, главным образом, ухудшающимися горнотехническими условиями с ростом глубины карьеров, повышением загазованности во внутрикарьерном пространстве, резко возрастающей стоимостью дизельного топлива, вызывающими поиск более прогрессивных и экономичных видов транспорта, а также созданием и внедрением в это время в производство автосамосвалов с электромеханической трансмиссией, которые могут служить базовыми машинами для дизель-троллейвозов при относительно простом их дооборудовании.
Заинтересованность в развитии этого направления совершенствования карьерного автотранспорта проявил не только Белорусский автозавод, но и сами горнодобывающие предприятия. Так, на Соколовско-Сарбайском ГОКе в 1983 году силами предприятия был создан и прошел в 1984 году испытания дизель-троллейвоз на базе автосамосвала БелАЗ-549.
Контактная сеть была оборудована на автодороге юго-западного выезда Соколовского карьера. Протяженность контактной сети постоянного тока напряжением 1500 В составила 955 м. Максимальный уклон 8 %. Протяженность участков с различной величиной уклона - от 20 до 60 м. Средневзвешенный уклон трассы под контактной сетью - 6,5 %. При питании от контактной сети соединение якорных цепей тяговых электродвигателей автосамосвала последовательное. Ток нагрузки тяговых электродвигателей при трогании дизель-троллейвоза составляет 660 А, а при движении изменяется в пределах от 0 до 660 А. Регулятор пуска при питании от контактной сети - резисторный. Токосъемник, установленный на автосамосвале пантографного типа. Максимальная высота подъема пантографа от поверхности автодороги составляет 6970 мм, а при нахождении в транспортном положении - 5570 мм.
Испытания показали увеличение скорости движения дизель-троллейвоза на уклоне 8 % на 25 % по сравнению с автосамосвалом. Общая экономия топлива за рейс достигает 30%. Вместе с тем, установлено, что недостаточная ровность покрытия автодороги и несовершенство конструкции пантографа не позволяют обеспечить надежный контакт между токоприемником и силовым приводом.
310
В 1985 г. в соответствии с Постановлением Совета Министров СССР о создании дизель-троллейвозных комплексов на Белорусском автозаводе изготовлено два опытно-промышлен-ных образца дизель-троллейвоза БелАЗ-75195 грузоподъемностью 110 т на шасси, основных узлах, агрегатах и системах серийно выпускаемого автосамосвала БелАЗ-75191.
В процессе испытаний, проведенных на опытно-промышленном участке Куржункульского карьера Соколовско-Сар-байского ГОКа в период 1987-1988 гг., несмотря на несоответствие параметров тягового электропривода базового автосамосвала условиям работы под контактной сетью (при повышенном напряжении и значительных перегрузках как по току, так и по мощности), эксплуатацию на нерациональной для данного вида транспорта трассе (при протяженности контактной сети 1550 м, 1100 м составляет горизонтальный участок на поверхности и 450 м - участок подъема в карьере со средневзвешенным уклоном 8 %), подтверждены принципиальные преимущества дизель-троллейвозного транспорта перед автомобильным, заключающиеся в увеличении скорости движения, росте производительности и сокращении расхода топлива. На участке трассы с уклоном 8-10 % скорость движения с грузом возрастает на 55-75 %, а расход дизельного топлива снижается на 80-85 % [2].
Вместе с тем, в период испытаний был выявлен ряд недостатков, как дополнительного троллейного оборудования, так и базового автосамосвала, что сделало нецелесообразным серийное производство дизель-троллейвоза БелАЗ-75195.
Межведомственная комиссия, изучив результаты испытаний дизель-троллейвозного комплекса Куржункульского рудника ССГПО, пришла к выводу о необходимости создания специализированных моделей дизель-троллейвозов. В соответствии с разработанным НАМИ типажом перспективных (на период до 2010 г.) автотранспортных средств, дизель-трол-лейвозы создаются на основе машин с малой удельной мощностью как модификации базовых моделей автосамосвалов грузоподъемностью 80, 120 и 180 т.
С учетом результатов, полученных в период проведения испытаний, основными направлениями совершенствования дизель-троллейвозного транспорта следует считать:
- увеличение напряжения в контактной сети до 1800 В, что приведет к снижению токовых нагрузок, повышению скорости
311
движения машин, увеличению длины секций или использованию контактного провода меньшего сечения;
- повышение номинальной мощности тяговых электродвигателей базовых моделей автосамосвалов на 30-35 %, что позволит работать без перегруза по мощности в троллейном режиме на уклонах 8 %;
- переход к тиристорной системе управления тяговыми электродвигателями;
- автоматическое центрирование токоприемного устройства штангового типа, что позволит осуществлять подключение в любом месте контактной сети;
- применение автоматизированной системы управления, обеспечивающей перевозку горной массы транспортным средством без водителя.
Выполненная предпроектная проработка показала, что на современном уровне развития отечественной науки и техники возможно создание перспективных электротрансмиссий карьерных автосамосвалов и дизель-троллейвозов с использованием как приводов постоянного и переменнно-постоянного тока, так и синхронных приводов. В настоящее время разработаны технико-экономические требования на специализированную модель дизель-троллейвоза грузоподъемностью 120 т.
Таким образом, в процессе создания и освоения отечественного дизель-троллейвозного транспорта может быть выделено несколько этапов.
Первый этап (1949-1970 гг.) характеризуется обоснованием технико-экономической целесообразности переоборудования автосамосвалов в дизель-троллейвозы, разработкой методики тяговых расчетов, экспериментальными исследованиями и опытно-промышленной эксплуатацией этих машин. В проведении данных работ активное участие принимали Академия наук УССР, Киевский инженерно-строительный институт, УкрНИИпроект.
Отличительной особенностью второго этапа (1970-1988 гг.) является создание опытно-промышленных образцов дизель-троллейвозов на базе серийно выпускаемых автосамосвалов с электромеханической трансмиссией путем дооборудования их токопри-емными устройствами и пуск-регулируюшей аппаратурой. В этот период проведены испытания дизель-троллейвозов грузоподъемностью 75 и 110 т на Соколовском и Куржункульском карьерах
312
ССГПО, разработаны теоретические основы определения экономической эффективности дизель-троллей-возного транспорта в различных горнотехнических условиях, установлена область его применения на открытых горных разработках. Для проведения работ на данном этапе была создана межведомственная рабочая группа в составе: Минавтопрома (НАМИ, БелАЗ), Минэлектротехпрома (ВНИПТИ ПО «Динамо», Новочеркасский ВЭЛНИИ, ТЭВЗ), Мин-чермета (ИГД МЧМ СССР, Уралгипроруда, ССГПО), Минугле-прома (УкрНИИпроект).
Последующий этап развития дизель-троллейвозного транспорта связан с разработкой и созданием перспективных специализированных моделей дизель-троллейвозов. Для выполнения работ данного этапа в состав межведомственной рабочей группы дополнительно вошли: от Минэнергоатоммаша (ВНИПИпромтехнология, Навоийский ГМК), Минцветмета (ВНИПИгорцветмет, Сибцвет-метНИИпроект, Сибцветметавтоматика, Сорский МК), Минугле-прома (ИГД им. А.А. Скочинского, Сибергинский разрез), Мин-монтажспецстроя (ВНИПИтяжпромэлектропроект) и ряд других организаций.
На данном этапе выполнено следующее: разработаны технико-экономические требования и произведено обоснование параметров электротрансмиссии специализированного дизель-троллейвоза грузоподъемностью 120 т; проведена предпроектная проработка по применению синхронного электропривода для автосамосвалов и дизель-троллейвозов.
Работы по созданию перспективного дизель-троллейвоза могут быть продолжены после установления объектов их первоочередного внедрения и решения вопросов финансирования. Данное направление совершенствования карьерного автотранспорта является актуальным вследствие возрастающих цен на дизельное топливо и повышения загазованности внутрикарьерного пространства с ростом глубины разработки.
Перспективным направлением в развитии карьерного автотранспорта является создание специализированного и специального автотранспорта. Специализация требует изменения большого количества узлов и агрегатов, и особенно силовой установки, к которой в современных условиях предъявляются высокие требования по экологичности, экономичности, надежности при условии обеспечения высокой производительности автосамосвала, то есть ско-
313
рости и преодолеваемого уклона. Разработка и применение новых типов энергосиловых установок на карьерном автотранспорте целесообразно в том случае, если они при сохранении достигнутого уровня основных показателей эксплуатации будут иметь ряд преимуществ.
Как показал проведенный анализ, разработчики делают попытки изготавливать дизель-троллейвозы на базе дизель-электрических автосамосвалов, не внося кардинальных конструктивных изменений (например, боковую разгрузку) под классическую отработку месторождений открытым способом (без изменения технологии).
Авторы считают, что для внедрения дизель-троллейвозов на открытых горных работах необходимо изменить технологию погрузки и разгрузки, что вызовет изменения при работе автотранспорта на перегрузочных складах и при отвалообразовании. Без разработки специальной технологии ведения открытых горных работ и внедрения кардинальных изменений в конструкции дизель-троллейвозов, их применение при разработке месторождений открытым способом останется проблематичным.
Использование рядом зарубежных фирм дизель-троллей-возов на горных предприятиях с открытым способом добычи, а также испытания опытных отечественных образцов показали ряд преимуществ применения дизель-троллейвозного транспорта, таких как:
- экономия дизельного топлива от 30 до 80 %;
- увеличение скорости движения дизель-троллейвозов по сравнению с автосамосвалами на 20-50 %;
- повышение производительности на 10-20 %;
- увеличение уклонов автодорог и, вследствие этого, уменьшение разноса бортов в конечном контуре карьера;
- уменьшение загазованности внутрикарьерного и воздушного бассейна;
- возможность применения рекуперации электроэнергии при движении дизель-троллейвоза под уклон и более плавного электродинамического торможения;
- достаточная надежность и безопасность работы в зимних условиях, возможность безгаражного содержания, удобство организации электроподогрева двигателя и др.
Вместе с отмеченными достоинствами, у дизель-троллей-возного транспорта по сравнению с автосамосвалами имеется ряд
314
недостатков, которые можно условно разделить на два направления: конструктивные и технологические, снижающие эффективность применения дизель-троллейвозов на открытых горных работах.
К первому направлению можно отнести:
- более сложную конструкцию дизель-троллейвозов с дополнительным оборудованием ввиду наличия двух источников энергии;
- необходимость строительства подстанций и троллейной системы;
- возрастание расходов на обслуживание двух силовых установок;
- повышенный износ шин, но пропорциональный производительности.
Ко второму направлению относятся:
- необходимость уширения автомобильных дорог и улучшенного их содержания;
- необходимость устройства горизонтальных площадок;
- частичная утрата автономности, снижение маневренности работы дизель-троллейвозов;
- более сложная организация работы на пересеченных транспортных коммуникациях.
Эффективность применения работы дизель-троллейвозов определяется рядом факторов, среди которых наиболее важными являются: конструктивные параметры работы дизель-троллейвозов и технико-экономические показатели их эксплуатации. Но решающее значение имеет общий экономический эффект, определяемый стоимостью и дефицитностью нефтяного топлива и электроэнергии в районе применения работы дизель-троллейвозов.
В прошлом веке, и особенно в его середине, широкое распространение для снабжения электрической и тепловой энергией компактно спланированных городов и промышленных предприятий получили теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). В последующие десятилетия был взят курс на создание энергосистем на базе крупных электростанций в том числе АЭС, что позволило повысить надежность электроснабжения крупных промышленных регионов и снизить стоимость выработки электроэнергии. В этих условиях была сформирована раздельная схема энергообеспечения, при которой тепловая энергия поступала от котельных ведомственной принадлежно-
315
сти, эффективность которых невысока, а электрическая - от сетей энергетической системы. То есть была приостановлена и не получила своего дальнейшего развития технология совместного производства тепловой и электрической энергии, которая получила название когенерация (КТЭ).
В этой связи возникли проблемы, связанные с энергообеспечением горных предприятий, размещенных в отдаленных районах, в том числе Севера, для которых было необходимо длительное время строить линии электропередач на большие расстояния, либо крупные электростанции. Это в значительной степени влияло на внедрение работы дизель-электрических автосамосвалов, так как легче было обеспечить поставки нефтяного топлива в эти районы.
Наряду с другими недостатками, которые объективно сдерживают массовое применение дизель-троллейвозов на открытых горных работах (сложность конструкции в сравнении с автосамосвалами, необходимость в дополнительном оборудовании при двойных источниках энергии, устройство контактной сети, снижение автономности и маневренности, сложности пересеченных транспортных коммуникаций), поставки электроэнергии на большие расстояния играли также весьма отрицательную роль.
При комбинированном производстве электроэнергии и тепла удельный расход условного топлива на производство одного кВтч составляет 140-150 т, то есть более эффективно преобразует энергию первичного топлива в другие ее виды. Поэтому оснащение горных предприятий и расположенных рядом городов и поселков, потребляющих тепловую и электрическую энергию мобильными электроустановками, ориентированными на энергообеспечение конкретного предприятия, должно происходить с использованием когенерационных технологий. Когенерационные установки имеют большой ресурс, низкую стои-мость эксплуатации, низкую стоимость установленной мощности, низкую стоимость производимой электроэнергии и тепла, а также безопасность.
В настоящее время ГТД (газотурбинные двигатели) для коге-нерации выпускаются мощностью до 200 МВт и обладают высокой надежностью и небольшими габаритами. При этом установка по энергообеспечению горного предприятия может работать автономно от энергетической системы или параллельно с ней. В связи с этим рациональность применения дизель-троллейвозного транспорта, особенно на угольных разрезах, должна повыситься, а эф-
316
фективность определяется для каждого объекта отдельно. Имеется в виду, что вблизи разрезов или на их борту устанавливаются мобильные теплоэлектрические станции, работающие на местном топливе и обеспечивающие электроэнергией добывающие предприятия и поставляющие тепло для расположенных вблизи городов и поселков. В этом случае поте6ри тепла и затраты электроэнергии при транспортировке теплоносителя (до ГРЭС, например угля, и обратно электроэнергию) сводятся к минимуму. К.П.Д. современных малых котлов на местном топливе достигает 90 %.
Таким образом, для внедрения дизель-троллейвозов на современном этапе необходимые следующие изменения в их конструкции и технологии применения:
1. Боковая разгрузка, что позволит изменить технологию отва-лообразования и ликвидировать пробег дизель-троллей-воза на отвале и у бункера обогатительной фабрики с использованием дизельного двигателя.
2. Использовать дизель-троллейвозы в качестве магистрального транспорта (аналогично железнодорожному транспорту, но там, где его использование на карьерах невозможно).
3. Применять токосъемники только штангового типа для исключения ослепления водителей.
4. Питание вспомогательного оборудования (рулевого управления, отопителей кабины, освещения и т.д.) должно быть обеспечено от каждого источника питания.
5. Эксплуатировать дизель-троллейвозы в основном для транспортирования руды на обогатительные фабрики или другие стационарные перегрузочные пункты (уголь через бункер в железнодорожные составы).
6. Наибольшая вероятность использования дизель-троллейвозов имеется на угольных разрезах и карьерах при безвзрывной технологии добычи полезного ископаемого и постоянном месте разгрузки (бункер).
7. Эффективность применения дизель-троллейвозов повышается также на угольных разрезах при использовании на борту карьера когенерационных установок, использующих в качестве топлива добываемые угли.
8. Поэтапно внедрять другие КЭУ с использованием различных типов энергоаккумуляторов вместо дизельного двигателя.
317
Перспективность применения электрифицированных систем автотранспорта для работы в глубоких карьерах увеличивается в условиях непрерывно возрастающих цен на жидкое топливо и отработки разведанных его запасов в течение ближайших 20-30 лет. Поэтому оснащение горных предприятий и расположенных рядом городов и поселков, потребляющих тепловую и электрическую энергию мобильными энергоустановками, ориентированными на энергопотребление конкретного предприятия должно осуществляться с использованием когенерационных технологий. Вблизи разрезов или на их борту устанавливаются мобильные теплоэлек-трические станции, работающие на местном топливе и обеспечивающие электроэнергией добывающее предприятие и поставляющее тепло для расположенных вблизи городов и поселков.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Фиделев А. С. Троллейный и дизель-троллейвозный транспорт. - М.: Недра, 1966. - 85 с.
2. Дизель-троллейвозный транспорт на карьерах / В.Л. Яковлев, В.П. Смирнов, Ю.И. Лель, Э.В. Горшков. - Новосибирск: Наука. Сиб. отделение, 1991. - 104 с. ГТТШ
— Коротко об авторах —
Горшков Э.В. - к.т.н., доц., УрГГА, Тарасов А.П. - м.н.с., ИГД УрО РАН.
--© П.И. Тарасов, А.Г. Журавлев,
М.В. Исаков, 2008
УДК 330.341.1:65.01
П.И. Тарасов, А.Г. Журавлев, М.В. Исаков
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА КАРЬЕРНОМ АВТОТРАНСПОРТЕ
ри возрастающем дефиците топливно-энергетичес-ких ресурсов на открытых горных работах в перспективе
318
