Проектирование двигателей для карьерных автосамосвалов с учетом горнотехнических условий эксплуатации

П.И. Тарасов, канд. техн. наук, зам. директора по научной работе ООО «Перспектива-М» (Екатеринбург)

М.Л. Хазин, д-р. техн. наук, проф., Уральский государственный горный университет (Екатеринбург)

Е.В. Фефелов, канд. техн. наук, директор ООО «Перспектива-М» (Екатеринбург)

В.В. Фурзиков, зам. начальника департамента разработки нового семейства дизелей по экспериментальным работам, ООО «Уральский дизель-моторный завод» (Екатеринбург)

В последние десятилетия объективно значительно ухудшились условия эксплуатации карьерных автосамосвалов: глубина отдельных карьеров достигла 500–600 м, расстояния транспортирования возросли до 4–6 км при комбинированном транспорте и до 10–12 км – при автомобильном транспорте (рис. 1). При этом, несмотря на существенные различия горнотехнических условий, в карьерах и разрезах России и других стран СНГ преимущественно работают автосамосвалы с одинаковыми техническими характеристиками силовых установок. Поэтому и эффективность их эксплуатации на разных предприятиях – различная.

Рис. 1 Изменение глубины кимберлитовых (а) и железорудных карьеров (б) за двадцатилетний период [2]

Рис. 1 Изменение глубины кимберлитовых (а) и железорудных карьеров (б) за двадцатилетний период [2]

Рис. 1 Изменение глубины кимберлитовых (а) и железорудных карьеров (б) за двадцатилетний период [2]

В связи с этим разработка транспортных средств с соответствующими техническими характеристиками силовых установок для конкретных условий глубоких карьеров является приоритетной задачей для конструкторов.

Карьерный автомобильный технологический транспорт обладает рядом неоспоримых преимуществ, однако остается одним из наиболее энергоемких видов. Удельный расход топлива на транспортирование горной массы карьерными автосамовалами составляет 80–140 г/т•км. При этом на перевозку 1 т горной массы требуется до 2 л дизельного топлива, а общая потребность в нем на отдельных предприятиях достигает 100 тыс. т в год [1].

Исследование тенденций изменения горнотехнических условий эксплуатации автотранспорта с увеличением глубины горных разработок показывает неуклонное повышение высоты подъёма и средневзвешенного уклона автодорог (рис. 2, а). Анализ условий эксплуатации автотранспорта в условиях кимберлитовых карьеров также показал повышение уклона с увеличением глубины карьеров, причем в связи с большой глубиной и ограниченными размерами в плане прослеживается тенденция приближения средневзвешенного уклона к предельному по действующим нормам и правилам (рис. 2, б).

Рис. 2 Влияние глубины карьера (Нк) и высоты подъёма горной массы (Нп) карьерными самосвалами на средневзвешенный уклон автомобильных трасс (Iср.в): а – для железорудных карьеров, б – для кимберлитовых карьеров [2].

Рис. 2 Влияние глубины карьера (Нк) и высоты подъёма горной массы (Нп) карьерными самосвалами на средневзвешенный уклон автомобильных трасс (Iср.в): а – для железорудных карьеров, б – для кимберлитовых карьеров [2].

Рис. 2 Влияние глубины карьера (Нк) и высоты подъёма горной массы (Нп) карьерными самосвалами на средневзвешенный уклон автомобильных трасс (Iср.в): а – для железорудных карьеров, б – для кимберлитовых карьеров [2].

С увеличением грузоподъёмности карьерных самосвалов прослеживается тенденция снижения их удельной мощности, так как мощность двигателей внутреннего сгорания не повышается. Если для повышения удельной мощности карьерных автосамосвалов грузоподъёмностью до 75 т остается резерв, то для автосамосвалов грузоподъёмностью свыше 75 т такой резерв отсутствует (рис. 3).

Рис. 3 Изменение удельной мощности карьерных автосамосвалов за 50-летний период [2]

Рис. 3 Изменение удельной мощности карьерных автосамосвалов за 50-летний период [2]

С ростом глубины открытых разработок характерными для автомобильного транспорта становится ряд негативных факторов, которые требуют совершенствования карьерных автосамосвалов по следующим направлениям [1]:

1. Повышение тягово-динамических качеств автосамосвалов;

2. Уменьшение ширины автосамосвалов, позволяющее сократить ширину транспортных коммуникаций. Однако любое уменьшение его ширины при прочих равных условиях приводит к увеличению его длины или увеличению высоты и повышению центра тяжести, что обуславливает рост радиуса поворота или уменьшение его устойчивости.

3. Повышение топливной экономичности. Актуальной задачей в конечном итоге становится достижение существенного сокращения расхода топлива на 1 т добытого полезного ископаемого, включая вскрышные породы. Эта задача имеет двоякое решение: с одной стороны – сокращение удельного объёма вскрышных пород (коэффициента вскрыши), с другой стороны – снижение удельного расхода топлива автосамосвалом (на 1 т). В свою очередь, расход топлива на 1 т перевозимой горной массы зависит от удельного расхода топлива на тонно-километр и расстояния транспортирования.

Сокращение расстояния транспортирования достигается повышением продольного уклона автодорог, при этом требуется повышение удельной мощности автосамосвалов. При прочих равных условиях установка более мощного двигателя повышает расход топлива на тонно-километр, поэтому итоговые затраты топлива на тонну горной массы не снижаются. Очевидно, что задача снижения расхода топлива требует не только эволюционного совершенствования силовых установок, но и применения новых принципов их работы.

4. Повышение маневренности. Согласно исследованиям, с увеличением глубины карьера на каждые 50 м средняя ширина рабочих площадок сокращается на 7–13 м. Соответственно, возрастают трудоемкость и время маневрирования автосамосвалов при погрузке и разгрузке.

5. С целью обеспечения высокой производительности карьерных автосамосвалов с увеличением глубины карьеров необходимо повышение удельной мощности автосамосвалов.

6. Повышение эффективности и надежности тормозных систем карьерных автосамосвалов для работы на повышенных уклонах.

Проведенные экспериментальные работы позволили установить эмпирическую зависимость расхода дизельного топлива карьерными автосамосвалами от горнотехнических условий (рис. 4) [2].

Рис. 4 Расход топлива карьерными самосвалами БЕЛАЗ с удельной мощностью 5,4 и 4,7 кВт/т в зависимости от уклона трассы (а) и расстояния транспортирования (б) при движении в грузовом (график I) и порожнем (график II) направлениях

Рис. 4 Расход топлива карьерными самосвалами БЕЛАЗ с удельной мощностью 5,4 и 4,7 кВт/т в зависимости от уклона трассы (а) и расстояния транспортирования (б) при движении в грузовом (график I) и порожнем (график II) направлениях

Рис. 4 Расход топлива карьерными самосвалами БЕЛАЗ с удельной мощностью 5,4 и 4,7 кВт/т в зависимости от уклона трассы (а) и расстояния транспортирования (б) при движении в грузовом (график I) и порожнем (график II) направлениях

В настоящее время технология ведения горных работ предусматривает зоны эксплуатации карьерного автотранспорта (в том числе и в комбинации с другими видами транспорта), которые различаются расстоянием транспортирования и высотой подъёма горной массы. Технические характеристики силовых установок необходимо выбирать не для одной конкретной трассы, а для дифференцированных по средневзвешенному уклону групп горнотехнических условий (рис. 5).

Рис. 5 Дифференциация горнотехничеких условий по уклону автомобильных трасс: крутонаклонные (I), наклонные (II), слабонаклонные (III) трассы [2]

Рис. 5 Дифференциация горнотехничеких условий по уклону автомобильных трасс: крутонаклонные (I), наклонные (II), слабонаклонные (III) трассы [2]

В соответствии с предлагаемой дифференциацией необходимо применять силовые установки с рациональными техническими характеристиками, соответствующими каждой группе условий (табл. 1). Для достижения этой цели необходимо разработать ездовые циклы карьерных автосамосвалов для типичных маршрутов движения (условий эксплуатации) и отдельный ездовой цикл – для транспортирования горной массы на горных карьерах. Соответствие выбранных параметров автомобиля его назначению устанавливается на основании ездовых циклов и характерных для данного маршрута условий. Оценочными параметрами являются средняя скорость и расход топлива, определяющие производительность и экономичность автосамосвала.

Таблица 1 Характеристика существующих горнотехнических условий

При проектировании силовых установок для карьерных автосамосвалов не учитывается динамика глубины карьеров, поэтому силовые установки, созданные в 1980-х гг., не соответствуют современным горнотехническим условиям.

Горнотехнические условия эксплуатации карьерных самосвалов определяют режимы работы их силовых установок.

Применение силовых установок с рациональными для конкретных горнотехнических условий параметрами позволит сократить расход топлива и повысить производительность карьерного автотранспорта. Рациональные технические характеристики силовых установок определяются в соответствии с дифференциацией горнотехнических условий (рис. 6).

Рис. 6 Внешние скоростные характеристики дизельных двигателей Cummins QSK45 [2]

060 6

Использование электронных систем управления топливоподачей и современных компонентов топливной системы также позволяет получить необходимые характеристики двигателей внутреннего сгорания (рис. 7).

Рис. 7 Характеристики удельного эффективного расхода топлива дизельных двигателей Cummins QSK45 [2]

Рис. 7 Характеристики удельного эффективного расхода топлива дизельных двигателей Cummins QSK45 [2]

Установить значение оптимального сочетания удельной мощности и среднеэксплуатационного расхода топлива автосамосвала для различных горнотехнических условий – практически невозможно. Поэтому выбор типичного маршрута для характерных условий эксплуатации автотранспорта в карьере становится ответственной и определяющей задачей. Для карьерных автосамосвалов может быть несколько характерных условий эксплуатации, различающихся по средневзвешенному уклону, расстоянию транспортирования и высоте подъёма горной массы.

Результаты имитационного моделирования процесса транспортирования горной массы карьерными автосамосвалами служат для дальнейшего обоснования технологических параметров, которое включает в себя определение среднетехнической скорости движения автосамосвала с различными техническими характеристиками силовой установки в конкретных горнотехнических условиях, установление зависимостей производительности автосамосвала от горнотехнических условий и обоснование путей её повышения, определение топливной экономичности. Производительность карьерного автосамосвала – одна из основных характеристик эксплуатации карьерного автотранспорта, определяющая многие технологические и техникоэкономические показатели, в конечном итоге – затраты на транспортирование горной массы (рис. 8).

Рис. 8 Часовая производительность карьерных автосамосвалов с различной удельной мощностью: а – при высоте подъёма 300 м; б – при уклоне трассы 8% [2]

Рис. 8 Часовая производительность карьерных автосамосвалов с различной удельной мощностью: а – при высоте подъёма 300 м; б – при уклоне трассы 8% [2]

Рис. 8 Часовая производительность карьерных автосамосвалов с различной удельной мощностью: а – при высоте подъёма 300 м; б – при уклоне трассы 8% [2]

Из графиков рис. 8 видно, что при прочих равных условиях с повышением уклона автодорог возрастает и производительность автотранспорта, несмотря на снижение среднетехнической скорости его движения по крутым подъемам, что объясняется заметным сокращением общей дальности транспортирования. При этом интенсивность повышения производительности убывает с повышением уклона за счет увеличения доли вспомогательных операций транспортного цикла (ожидание, маневрирование, погрузка, разгрузка) в общей его продолжительности. С увеличением высоты подъёма производительность падает из-за увеличения расстояния транспортирования, однако по мере увеличения высоты интенсивность этого снижения уменьшается, что вызвано уменьшением доли вспомогательных операций транспортного цикла.

Показатели технического уровня карьерного автосамосвала – производительность, надежность, топливная экономичность имеют особое значение для снижения себестоимости перевозок, экономии топливно-энергетических ресурсов, а также для повышения конкурентоспособности автосамосвалов на мировом рынке (рис. 9).

Рис. 9 Удельный расход топлива карьерного автосамосвалов с различной удельной мощностью: а – при высоте подъёма 300 м.; б – при уклоне трассы 8% [2]

Рис. 9 Удельный расход топлива карьерного автосамосвалов с различной удельной мощностью: а – при высоте подъёма 300 м.; б – при уклоне трассы 8% [2]

Рис. 9 Удельный расход топлива карьерного автосамосвалов с различной удельной мощностью: а – при высоте подъёма 300 м.; б – при уклоне трассы 8% [2]

Производительность или, при прочих равных условиях, среднестатистическая скорость движения и топливная экономичность в основном зависят от характеристик силовой установки.

Таким образом, горнотехнические условия эксплуатации карьерных автосамосвалов определяют режимы работы их силовых установок. Применение силовых установок с рациональными параметрами в различных горнотехнических условиях позволит сократить расход топлива и повысить производительность карьерного автотранспорта. Рациональные параметры силовых установок устанавливаются для дифференцированных по средневзвешенному уклону групп горнотехнических условий работы силовых установок.

Для оптимизации и выбора технических характеристик силовых установок используется комплексный показатель – коэффициент эффективности карьерного автосамосвала, который характеризует эффективность его работы в конкретных горнотехнических условиях с учетом мощности и удельного эффективного расхода топлива силовой установкой.

Мощность силовых установок карьерных автосамосвалов должна определяться не только величиной максимальных нагрузок, но и продолжительностью использования этой мощности в течение рабочей смены в эксплуатационных условиях. Необоснованно завышенное форсирование двигателей при кратковременной работе в режиме номинальной эксплуатационной нагрузки неизбежно приведет к снижению топливной экономичности карьерных самосвалов. Поэтому использование высокофорсированных двигателей предпочтительно в условиях наклонных и крутых месторождений с повышенными уклонами автодорог.

При использовании высокофорсированных двигателей в условиях горизонтальных и пологих месторождений для повышения топливной экономичности карьерных автосамосвалов необходимо снижение удельного расхода топлива на малых и частичных нагрузочных режимах работы двигателя (табл. 2) [2].

Таблица 2 Предпочтительные условия применения карьерных автосамосвалов с различной удельной мощностью [2]

ВЫВОДЫ:

1. При расчете и выборе технических характеристик силовой установки карьерного автосамосвала целесообразно более полно учитывать условия эксплуатации, в том числе и на перспективу развития открытых горных работ, и их влияние на индикаторные и эффективные показатели работы дизельного двигателя внутреннего сгорания. При этом следует руководствоваться производительностью и эксплуатационным расходом топлива карьерного автосамосвала.

2. Технические характеристики силовых установок автосамосвалов необходимо выбирать не для условий одной конкретной трассы, а для дифференцированных по средневзвешенному уклону групп горнотехнических условий. В соответствии с предлагаемой дифференциацией необходимо применять силовые установки с рациональными техническими характеристиками, соответствующими каждой группе условий.

3. Зависимость эксплуатационных параметров карьерного автотранспорта от горнотехнических условий: высоты подъёма, уклона автомобильных трасс – позволяет выбрать рациональные технические характеристики силовых установок для их эксплуатации в глубоких карьерах по экстремуму энергозатрат и производительности.

4. Установлено, что до значений средневзвешенного уклона 8–10% расход топлива карьерных автосамосвалов с различной удельной мощностью отличается на 2–3%, но при уклонах трасс свыше 10% более экономичны автосамосвалы с большей удельной мощностью (6,1…6,9 кВт/т).

5. Установлено, что по коэффициенту эффективности эксплуатации предпочтительными условиями для применения карьерных автосамосвалов с удельной мощностью 3,7…4,6 кВт/т являются трассы со средневзвешенным уклоном 4–8% при высоте подъёма до 300 м, а для автосамосвалов с удельной мощностью 4,9…6,9 кВт/т – трассы с уклоном 10–16% при высоте подъёма от 300 до 900 м.

6. К перспективным направлениям дальнейших исследований в области эксплуатации карьерного автотранспорта следует отнести:

– совершенствование системы управления энергосиловой установкой карьерного автосамосвала, основанной на анализе тягового усилия и выборе оптимальных режимов работы, для минимизации потерь мощности;

– разработку адаптивной системы управления силовой установки карьерного автосамосвала, приспосабливающегося к мгновенным изменениям горнотехнических условий при движении.

Ключевые слова: горные машины, двигатель, силовые установки карьерных автосамосвалов, условия эксплуатации

Журнал "Горная Промышленность"№6 (136) 2017, стр.60