Вопросы создания и перспективы применения карьерных автосамосвалов c комбинированной энергосиловой установкой

П.И. Тарасов, к.т.н., зав. сектором, А.Г. Журавлев, к.т.н, с.н.с., М.В. Исаков, м.н.с., ИГД УрО РАН (Екатеринбург)

С ростом глубины карьеров увеличиваются средневзвешенный уклон автодорог и расстояние транспортирования, возрастают нагрузки на энергосиловую установку и трансмиссию автосамосвала. Вместе с тем увеличивается время движения порожнего автосамосвала, а значит время «непроизводительной» работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) на частичных нагрузках. На вспомогательных операциях транспортного цикла (40-60% времени рейса) расход топлива составляет 5-15% от общего расхода за транспортный цикл.

В то же время автосамосвал, поднимаясь из карьера в пункт разгрузки, запасает большое количество потенциальной энергии, которую можно аккумулировать за время спуска его обратно в рабочую зону карьера и затем использовать для питания тягового электропривода. Благодаря этому, появляется возможность выключить из работы дизельный двигатель автосамосвала при выполнении вспомогательных операций транспортного цикла и таким образом экономить топливо, ресурс дизельного двигателя, снизить выбросы вредных веществ с отработавшими газами.

Исследования данного вопроса позволили специалистам ИГД УрО РАН выработать концепцию карьерного автосамосвала с комбинированной энергосиловой установкой (КЭУ) [1,2]. Принцип его использования иллюстрирует рис. 1 (см. также «Горная Промышленность» №6 (76)/2007).


При движении автосамосвала с грузом вверх к месту разгрузки работает ДВС. После подъезда на разгрузку дизельный двигатель автосамосвала выключается, и дальнейшее движение осуществляется от энергии, подаваемой от аккумулятора энергии (АЭ). Во время спуска автосамосвала по съездам к месту загрузки (в забой) при осуществлении электродинамического торможения вырабатывается электроэнергия, которая заряжает АЭ.

Необходимо отметить, что область применения комбинированных энергосиловых установок на транспорте достаточно широка. В сфере карьерного автотранспорта исследования проводились, в основном, в направлении дизель-троллейвозов и контактно-аккумуляторных автосамосвалов (самосвалов, имеющих питание от контактной сети и аккумулятор энергии для автономного питания при движении в забое и на отвале).

Аналогичное направление получило распространение в сфере рудничного железнодорожного и автомобильного транспорта. В последнее время наиболее широко проводятся научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по комбинированным энергоустановкам в сфере автотранспорта общего назначения (легковые и грузовые автомобили, автобусы).

Существенные теоретические и практические результаты в этом направлении достигнуты в Японии, Европе и США. Отечественные ученые также активно занимаются этой проблемой. Разработаны и доведены до конструктивного воплощения различные структуры, среди которых можно выделить три основных типа: параллельного типа - когда двигатель внутреннего сгорания и накопитель энергии параллельно могут осуществлять подвод энергии к колесам; последовательного типа - когда двигатель не имеет прямой механической связи с колесами и передает энергию электрогенератору, от которого она направляется на тяговые электродвигатели колес или в накопитель энергии; смешанного типа, представляет комбинацию первых двух типов.

Большинство разрабатываемых комбинированных энергосиловых установок строятся с целью достижения двух основных эффектов: минимизации работы основного ДВС на переходных режимах (вследствие чего снижаются расход топлива и выброс вредных веществ с отработавшими газа-

ми) и рекуперации энергии торможения автомобиля. Это позволяет сократить расход топлива, выбросы вредных веществ в атмосферу, а совместное или последовательное использование ДВС и дополнительного источника энергии (аккумулятора) позволяет улучшить тягово-динамические характеристики карьерного автосамосвала.

В качестве основного источника энергии используются двигатели внутреннего сгорания, а в перспективе также могут найти применение электрохимические генераторы, основанные на топливных элементах.

В качестве вспомогательного источника энергии (накопителя) рассматриваются инерционные аккумуляторы энергии, а также разного типа электрохимические (электролитические аккумуляторы, конденсаторы двойного слоя и др.). В отличие от периода 1960-1980-х годов инерционным аккумуляторам в настоящее время посвящено относительно малое количество НИР.

Большой вклад в становление и развитие научного направления по исследованию инерционных аккумуляторов энергии внесли работы д.т.н. Н.В. Гулиа. Появление новых высокопрочных материалов позволяет расценивать махович-ные накопители как одни из наиболее перспективных по энергоемкости и мощности.

Широкое применение находят суперконденсаторные накопители энергии, представляющие собой конденсатор большой емкости и мощности [3, 4]. Наибольшей энергоемкостью при высоких показателях надежности и ресурса обладают асимметричные суперконденсаторы.

Институтом НАМИ, созданы и испытаны экспериментальные образцы легковых автомобилей с КЭУ [5]. Однако высокие требования к энергоемкости накопителя энергии, следовательно, высокая стоимость автомобиля в целом, сдерживают развитие этого направления в России.

Значительные результаты по исследованию и созданию комбинированных энергосиловых установок достигнуты в области рудничного железнодорожного транспорта. Для рудничных локомотивов обоснованы параметры и конструкции энергосиловых установок, имеющих питание от контактной сети и накопителя энергии. В качестве накопителя энергии предложен инерционный аккумулятор, как наиболее перспективный по параметрам энергоемкости и мощности и взрывобезопасный для угольных шахт. Созданы и испытаны различные конструкции таких аккумуляторов, предложены аналитические зависимости и методики определения их параметров [6].

Институтом ВНИИЖТ проводятся работы по созданию маневровых локомотивов с комбинированной энергосиловой установкой [7]. В качестве силовых агрегатов применяются газотурбинный двигатель с рекуператором тепла отработавших газов (термический КПД порядка 40%, т.е. близко к уровню современных дизелей) и суперконденсаторный накопитель энергии [4].

Анализ исследований показывает, что применение комбинированных энергосиловых установок на карьерном технологическом автотранспорте имеет большие перспективы. Это связано с тем, что работа карьерного автотранспорта характеризуется выраженной цикличностью: транспортирование горной массы из карьера на подъем (высокие энергозатраты) и движение порожнего автосамосвала на спуск (низкие энергозатраты). При таком режиме эксплуатации карьерному автосамосвалу требуется два источника энергии -большой и малой мощности -отличающиеся и различными нагрузочными характеристиками. Анализ возможных сочетаний силовых агрегатов различного типа показал, что наиболее предпочтительны комбинации: «газотурбинный двигатель (ГТД)+ аккумулятор энергии» и «дизельный двигатель + аккумулятор энергии». Причем ДВС работает только в грузовом направлении, АЭ только в порожнем и на вспомогательных операциях транспортного цикла (стоянка при погрузке и разгрузке, маневрирование, ожидание). Благодаря этому возникает существенная разница в структуре и режимах работы КЭУ автотранспорта общего назначения и КЭУ большегрузного карьерного автосамосвала. Так, если соотношение энергопотребления в грузовом и порожнем направлениях движения для карьерного автотранспорта составляет порядка 10-20 раз, то для транспорта общего назначения - всего 3-4 раза.

Каждый из агрегатов КЭУ карьерного автосамосвала обладает преимуществами и недостатками, но вместе они составляют систему, имеющую неоспоримые преимущества по сравнению с обособленными агрегатами (рис. 2):

- повышение топливной экономичности на 5-15%;

- снижение выбросов вредных веществ с отработавшими газами;

- увеличение срока службы ДВС за счет сокращения времени работы в транспортном цикле (суммарное время движения в порожнем направлении и на вспомогательных операциях транспортного цикла достигает 50-60% общей продолжительности рейса);

- возможность повышения мощности ДВС без потери грузоподъемности (в случае замены дизельного двигателя на газотурбинный, имеющий более высокие показатели удельной мощности);

- повышение производительности (при повышении мощности ДВС).

Однако улучшение технико-экономических и экологических показателей работы автосамосвалов за счет применения КЭУ не является основной целью проводимых исследований. Более значимое преимущество в том, что применение таких автосамосвалов предоставляет возможность повышения продольных уклонов карьерных автодорог, увеличения угла откоса бортов карьера, что, в свою очередь, обеспечивает увеличение конечной глубины карьера, либо уменьшение объема вскрыши в контурах карьера.

Кроме того, повышение уклонов автодорог приведет к более интенсивному повышению производительности автотранспорта, чем адекватное увеличение мощности силовой установки, и соответственно, скорости движения. Например, для автосамосвала грузоподъемностью 136 т увеличение скорости его движения за счет повышения мощности силовой установки не дает столь существенного роста производительности, как при увеличении преодолеваемого уклона при той же скорости движения (рис. 3). Это объясняется существенным сокращением расстояния транспортирования при повышении средневзвешенного уклона автодорог.

Предельные величины уклонов автодорог при эксплуатации карьерных автосамосвалов ограничены нормативными документами. В общем случае предельный уклон определяется тягово-динамическими качествами автосамосвала (мощностью ДВС), технико-экономическими показателями и условиями безопасности -главным образом надежностью и эффективностью тормозных систем. Автосамосвалы с КЭУ позволяют обеспечить более высокую удельную мощность и лучшие технико-экономические показатели на высоких уклонах по сравнению с традиционными дизельными автосамосвалами.

Вопрос безопасности, особенно с увеличением продольных уклонов, должен решаться для любых транспортных средств, используемых на карьерах. В штатных ситуациях современные системы механических тормозов и вспомогательных систем электродинамического торможения позволяют обеспечить работу автосамосвала на повышенных уклонах. Однако, при выходе их из строя велика вероятность дорожно-транспортных происшествий с тяжелыми последствиями. Возможным решением может быть специальная дополнительная тормозная система, срабатывающая в аварийных ситуациях и гарантирующая быструю остановку автосамосвала, предотвращающую его схода под откос (специалистами ИГД УрО РАН получен патент РФ на конструкцию дополнительного аварийного тормоза).

Важнейший вопрос, требующий решения при внедрении автосамосвалов с КЭУ заключается в обосновании области их эффективного применения, поскольку они имеют специфический алгоритм работы, который реализуется не во всяких горно-технических условиях карьеров.

Проведенные исследования энергетических параметров транспортного цикла карьерных автосамосвалов позволили изучить структуру энергозатрат, вклад отдельных составляющих транспортного цикла карьерных автосамосвалов в общий энергетический баланс, а также параметры автомобильных трасс, в которых возможно реализовать эффективную работу КЭУ (рис. 4).

Установлено, что энергетические параметры транспортного цикла определяются, главным образом, следующими горно-техническими условиями: расстоянием транспортирования и высотой подъема горной массы; средневзвешенным уклоном автодорог и долей горизонтальных участков в общем расстоянии транспортирования; сопротивлением качению колес автосамосвалов.

Предпочтительные условия эксплуатации автосамосвалов относятся к каждому конкретному маршруту, но не вполне характеризуют параметры карьера в целом. Для этого необходимо сопоставить их с условиями реальных карьеров.

Исследования для условий кимберлитовых карьеров АК «АЛРОСА», которые характеризуются ограниченными размерами в плане, большой глубиной и применением в качестве основного (и единственного) технологического транспорта карьерных автосамосвалов, показали, что существует линейная взаимосвязь между высотой подъема и суммарным энергетическим балансом транспортного цикла автосамосвалов (рис. 5).

Наибольшими значениями положительного энергобаланса характеризуются глубокие, более 400 м, карьеры тр. «Удачная», тр. «Комсомольская», имеющие затяжные спуски и малую долю горизонтальных участков по трассе транспортирования. В этих условиях избыток энергии, которую можно рекуперировать при спуске в карьер порожнего автосамосвала за один транспортный цикл, достаточен для совершения, например, автосамосвалом грузоподъемностью 130 т, в среднем, еще трех транспортных циклов без подзарядки аккумулятора или движения с грузом по горизонтальным дорогам на расстояние порядка 6 км.

Таким образом, имеется возможность организации работы экскаваторно-автомобильного комплекса по открытой схеме, когда автосамосвал с КЭУ, совершив один рейс с грузом со дна карьера, затем может быть использован с высокой экономичностью и эффективностью на перевозке вскрыши с верхних горизонтов в течение последующих двух-трех рейсов. Отрицательный энергетический баланс имеет место в условиях карьера тр. «Зарница» (см. рис. 5), характеризующегося большой протяженностью горизонтальных участков и, соответственно, невысоким средневзвешенным уклоном автодорог.

Разработана методика, позволяющая достаточно надежно и просто определить техническую возможность применения автосамосвалов с КЭУ в условиях конкретного карьера. Для этого проводятся расчеты и сравниваются горно-технические условия (высота подъема горной массы, расстояние транспортирования, коэффициент развития трассы) с предельными, необходимыми для нормальной работы КЭУ (рис. 6).


Исходя из расстояния транспортирования, коэффициента развития трассы, сопротивления качению колес автосамосвала определяются минимально необходимая высота подъема и средневзвешенный уклон трассы и сравниваются с существующими на данном карьере. В случае положительного результата проводится подробное изучение и определение расчетных технико-экономических показателей работы автосамосвалов с КЭУ, для чего специалистами ИГД УрО РАН также разработана специальная методика.

Проведенные исследования, в частности, для АК «АЛРОСА» показывают, что для кимберлитовых карьеров Западной Якутии область эффективного применения автосамосвалов с КЭУ грузоподъемностью 80-140 т включает карьеры с проектной глубиной более 300 м и относительно большие в плане. В целом рациональным будет применение автосамосвалов с КЭУ в карьерах глубиной не менее 140-150 м при условии постановки уступов в верхней части карьера в предельное положение.

Общность условий залегания месторождений, геометрических параметров карьеров и технологических схем транспорта кимберлитовых карьеров АК «АЛРОСА» позволила установить взаимосвязь безотносительно к расстоянию транспортирования и средневзвешенному уклону автодорог, однако не позволяет достоверно распространять эту зависимость на другие карьеры (черной, цветной металлургии, нерудных материалов).

В общем, анализ условий различных карьеров показал, что применение автосамосвалов с КЭУ эффективно на карьерах с высотой подъема горной массы автотранспортом не менее 90-130 м. Возможно уменьшение минимальной высоты подъема путем организации специальных мероприятий: увеличения уклона и протяженности съездов; минимизации количества горизонтальных участков; организации пунктов перегрузки (при условии ее технологической целесообразности, например, при значительном расстоянии транспортирования от карьера до фабрики) и др.

Следует отметить, что на многих карьерах применение автосамосвалов с КЭУ возможно не на всех маршрутах движения. В этом случае эффективное использование возможно либо за счет закрытой схемы работы автомобильно-экскаваторных комплексов, когда каждый автосамосвал в течение смены «прикреплен» к конкретному экскаватору, либо путем организации определенной последовательности работы автосамосвала на «благоприятных» и «неблагоприятных» для работы КЭУ маршрутах. Безусловно, на практике достичь этого не всегда просто, но вполне возможно на карьерах использующих современные системы диспетчеризации и планирования горно-транспортных работ.

Исследование возможности применения автосамосвалов с КЭУ по технико-технологическим параметрам на существующих карьерах (кимберлитовые карьеры, карьеры черной и цветной металлургии) позволило определить области предпочтительного применения автосамосвалов с КЭУ на действующих карьерах (см. табл.).

Предельные границы области применения карьерных автосамосвалов с КЭУ совпадают с границами такой области для существующего автотранспорта, где они должны занять свою нишу.

Прежде всего, это глубокие карьеры (глубиной более 200 м), ограниченные в плане, соответственно, имеющие высокие средневзвешенные уклоны автодорог, значительную высоту подъема горной массы автотранспортом и прежде всего - расположенные в холодных климатических условиях. К таким карьерам относятся кимберлитовые карьеры Якутии и Севера России.

Удаленность месторождений от развитой инфраструктуры, в том числе отсутствие железнодорожного транспорта, делают применение автомобильного транспорта практически безальтернативным. В этих условиях целесообразно использовать конструкцию КЭУ с применением газотурбинного двигателя (ГТД) и суперконденсаторного накопителя энергии. Первый обеспечивает высокую надежность и производительность в холодном климате, при малом выбросе вредных веществ с отработавшими газами, что позволяет решить проблему сверхнормативной загазованности рабочей зоны карьера.

Следует отметить, что именно в этом состоит одно из достоинств ГТД - развивать максимальную мощность при относительно низких температурах окружающей среды. Второй источник энергии - суперконденсаторный накопитель, наряду с высокой надежностью в суровых климатических условиях, невосприимчив к неравномерному заряду отдельных модулей батареи накопителей, в том числе при высоких нагрузках, что часто наблюдается в условиях низких температур.

Из-за необходимости рекуперации энергии для эффективного использования автосамосвалов с КЭУ карьер должен формироваться соответствующим образом, с учетом особенностей таких самосвалов.

На сегодняшний день существует два возможных варианта применения в карьерах автосамосвалов, оснащенных КЭУ:

I вариант. При необходимости ввода автосамосвалов с КЭУ с начала отработки карьера (при минимальной высоте подъема, большой протяженности автодорог с малым уклоном) целесообразен вариант КЭУ с дизельным двигателем, поскольку газотурбинный двигатель будет работать в этих условиях в неэкономичном режиме. Дизель же может работать и без режима комбинированной энергоустановки в течение всего транспортного цикла. Когда же карьер достигнет определенной глубины и будет возможность использования КЭУ на отдельных маршрутах, автосамосвалы станут работать в этом режиме, при этом повысятся их экономичность и срок службы.

II вариант. При возможности сформировать карьер с применением традиционного автотранспорта. Это крупные карьеры, вышедшие на проектную мощность, достигшие в верхней части проектных контуров, на которых применяется автомобильный или автомобильно-железнодорожный транспорт.

Существенное преимущество применения автосамосвалов с КЭУ состоит в возможности повышения уклонов карьерных автодорог, что позволит расширить область эффективного применения автотранспорта и создать условия для более полного извлечения полезных ископаемых из недр.

Карьерные автосамосвалы с КЭУ обладают рядом существенных преимуществ перед традиционными карьерными автосамосвалами в плане производительности, топливной экономичности, ресурса, экологичности. Однако эти преимущества проявляются только в определенных горно-технических условиях карьеров - при значительной высоте подъема горной массы, высоких средневзвешенных уклонах карьерных автодорог. Поэтому автосамосвалы с КЭУ могут послужить стимулирующим фактором к применению на открытых горных работах автодорог с повышенными уклонами.

Учитывая большое количество разработок в области комбинированных энергоустановок автотранспорта общего назначения, можно прогнозировать в ближайшем будущем динамичное развитие этого направления и в секторе карьерного автотранспорта.

ЛИТЕРАТУРА:

1. В. Л. Яковлев, П. И. Тарасов. О возможности создания карьерных автосамосвалов с комбинированной энергосиловой установкой // Горный журнал. - 2004. -Специальный выпуск к № 8. - С. 78-80.

2. Тарасов П. И. Исследование влияния горнотехнических факторов на расход топлива карьерным автотранспортом: дис. к.т.н. ИГД МЧМ СССР. - Свердловск, 1982. - 238 с.

3. Каталог продукции ЗАО «ЭСМА» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.esma-cap.com/Products/.

4. Инновационный проект: Суперконденсаторы. ММПП «ЭКОНД» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.innovbusiness.ru/projects/view.asp?^1184.

5. Концепция создания городского автомобиля с комбинированной энергетической установкой В. Ф. Каменев и др. // Альтернативные источники энергии для транспорта и энергетики больших городов: междунар. конф.: тез. докл. - М.: Изд-во «Прима-Пресс», 2005. - С. 66-67.

6. Западинский А. Л. Разработка теоретических основ и определение параметров энергосиловых установок рудничных локомотивов с инерционными аккумуляторами: Автореф. дис. д.т.н. / А.Л. Западинский; ИГД им. АА. Скочинского. - М., 1990. - 31 с.

7. Е. Е. Коссов, В. В. Перец. Перспективы применения газотурбинных двигателей на тяговом подвижном составе // Вестник ВНИИЖТ. - 2000. - №5. - С. 16-19.

Журнал "Горная Промышленность" №3 2008, стр.68