露天礦卡車端幫道路參數(shù)優(yōu)化

趙 明

（中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧沈陽 110015）

露天礦的礦巖運輸是露天開采工藝中最重要的環(huán)節(jié)之一，運輸成本一般占露天礦生產(chǎn)總成本的50%～60%，部分深大露天礦的運輸成本占比已超過60%。因此，運輸系統(tǒng)的優(yōu)化研究一直是國內(nèi)外露天采礦領域的重點研究課題。如相鄰露天礦的運輸系統(tǒng)優(yōu)化[1－2]，排土場運輸系統(tǒng)優(yōu)化[3－4]，時變運輸功最小路徑優(yōu)化[5]，運煤系統(tǒng)優(yōu)化[6]，運輸系統(tǒng)設備數(shù)量優(yōu)化[7]。

卡車運輸完成工程量在露天礦的礦巖運輸占有很大比例。對露天礦卡車的研究主要集中在對卡車調(diào)度系統(tǒng)優(yōu)化研究[8-10]和卡車運輸?shù)确矫妗ㄜ囘\輸?shù)缆穮?shù)設計主要依據(jù)露天礦規(guī)范進行參數(shù)選取，未對卡車運輸端幫道路參數(shù)優(yōu)化進行深入分析。為此，通過MATLAB 軟件分析卡車速度、行駛時間和行駛距離，確定重載上坡離開速度、上坡減速行駛時間、平段加速行駛時間和距離。由此進行端幫坡道高度、坡道長度和坡道坡度優(yōu)化設計。使參數(shù)優(yōu)化基于卡車運行性能和行駛路面條件，優(yōu)化結果可保證卡車運行平均速度最高，節(jié)省循環(huán)時間，提高運行效率。合理的設計道路參數(shù)，對保證卡車高效行駛具有重要意義。

伊敏三號露天礦卡車礦山道路為Ⅱ級，筑路材料采用爆破后較堅硬的剝離物，路面寬度30 m，最小曲線半徑40 m。為提高卡車效率、節(jié)省燃料、節(jié)省輪胎消耗及保證行車安全，對礦山道路進行經(jīng)常養(yǎng)護和定期維修，使之保持良好狀態(tài)。此外，為減少塵土飛揚及環(huán)境污染，影響人體健康，還對路面進行日常灑水降塵。同時配備平路機、壓路機等道路維護設備，及時對道路進行清理平整。

1 坡道行駛狀態(tài)分析

1.1 重載上坡行駛狀態(tài)

根據(jù)卡車重載上坡的力學關系分析行駛狀態(tài)，卡車重載上坡力學關系如圖1。卡車重載上坡時減速行駛，有與行駛方向相同的驅動力Fq和慣性力Fx，與行駛方向相反的滾動阻力Fg、空氣阻力Fk和坡度力Fp。

圖1 卡車重載上坡力學關系

空氣阻力相比驅動力數(shù)值小，卡車重載上坡行駛時速度逐漸變小，驅動力逐漸變大，加速度從負值變到零，不限制坡道距離的情況下，卡車從減速運動變?yōu)閯蛩龠\動。考慮露天礦坡道距離限制，加速度一直為負值，卡車保持減速運動。

1.2 空載下坡行駛狀態(tài)

卡車空載下坡力學關系如圖2。卡車空載下坡時加速行駛，有與行駛方向相同的驅動力和坡度力，與行駛方向相反的慣性力、滾動阻力和空氣阻力。

相比卡車重載上坡行駛，卡車空載下坡行駛時的重量僅為卡車自重。

卡車空載下坡行駛時速度逐漸變大，驅動力逐漸變小，不限制行駛速度時，加速度從正值變到0，不限制坡道距離的情況下，卡車從加速運動變?yōu)閯蛩龠\動。考慮露天礦限制運輸行駛速度和坡道距離限制，加速度一直為正值，卡車保持加速運動。因卡車制動作用，卡車可認為以最高限制速度勻速行駛。

圖2 卡車空載下坡力學關系

2 平段行駛狀態(tài)分析

2.1 重載平段行駛狀態(tài)

卡車重載平段力學關系如圖3。卡車重載平段時加速行駛，有與行駛方向相同的驅動力，與行駛方向相反的慣性力、滾動阻力和空氣阻力。相比卡車坡道行駛，卡車平段行駛坡道角度為0°，無坡度力。

圖3 卡車重載平段力學關系

卡車重載平段行駛時速度逐漸變大，驅動力逐漸變小，不限制行駛速度時，加速度從正值變到0，不限制平段距離的情況下，卡車從加速運動變?yōu)閯蛩龠\動。考慮露天礦限制運輸行駛速度，加速度一直為正值，卡車保持加速運動。由于卡車制動作用，卡車加速到最高限制速度后，可認為以最高限制速度勻速行駛。

2.2 空載平段行駛狀態(tài)

卡車空載平段力學關系如圖4。卡車空載平段時加速行駛，有與行駛方向相同的驅動力，與行駛方向相反的慣性力、滾動阻力、空氣阻力。

圖4 卡車空載平段力學關系

卡車空載平段行駛時速度逐漸變大，驅動力逐漸變小，不限制行駛速度時，加速度從正值變到零，不限制平段距離的情況下，卡車從加速運動變?yōu)閯蛩龠\動。考慮露天礦限制運輸行駛速度時，加速度一直為正值，卡車保持加速運動。由于卡車制動作用，卡車加速到最高限制速度后，可認為以最高限制速度勻速行駛。

3 實證研究

伊敏三號露天礦采用單斗-卡車間斷工藝，臺階水平分層，單斗挖掘機端工作面挖掘、平裝車，卡車工作面折返調(diào)車。工作平盤由采掘帶、運輸?shù)缆芳鞍踩珜挾鹊纫亟M成，工作平盤寬度為65 m，采掘帶寬度取25 m。在端幫布置運輸?shù)缆罚催吰路€(wěn)定及運行設備線路規(guī)格，確定運輸平盤寬度為46 m。卡車從工作面通過端幫道路和地表將原煤或剝離物運至儲煤倉或排土場。端幫道路參數(shù)設計卡車運行條件為：①運輸高度：60.00 m；②卡車驅動功率：1 864.00 kW；③卡車及礦石質(zhì)量：389 t；④卡車行駛方向投影面積：61.80 m2；⑤最高限制速度：30.00 km/h；⑥水平方向總運距：4 000.00 m。

3.1 坡道高度

坡道高度即為端幫臺階高度，當坡道坡度為8%，臺階高度設計為10、12、15 m 時，坡道距離分別為125.00、150.00、187.50 m。

卡車行駛最高限制速度30.00 km/h 作為卡車重載上坡起始速度。由于卡車速度非勻速變化，采用MATLAB 軟件求解定積分對速度變化進行分析。計算卡車重載上坡離開速度分別為19.58、17.67、15.27 km/h。由車重載上坡起始速度和離開速度得卡車重載上坡行駛時間分別為18.44、23.28、31.52 s。由坡道距離和卡車重載上坡行駛時間得卡車重載上坡平均速度分別為24.40、23.20、21.41 km/h。

由卡車重載上坡離開速度（卡車重載平段開始速度）和卡車重載上坡開始速度（卡車重載平段離開速度）得平段距離分別為229.05、248.25、266.28 m；由此得卡車重載平段行駛時間分別為32.44、36.15、40.08 s。由平段距離和卡車重載平段行駛時間得卡車重載平段平均速度分別為25.42、24.73、23.92 km/h。

坡道個數(shù)分別為6、5、4，端幫總距離（包括連接地表的端幫坡道加速到最高速度的地表平段距離）分別為2 124.27、1 991.27、1 815.13 m；端幫重載總行駛時間分別為305.26、297.13、286.39 s；端幫重載平均速度分別為25.05、24.13、22.82 km/h。

坡道距離和為卡車實際行駛距離，卡車在水平方向的行駛距離為坡道距離在水平面上的投影長度，分別為124.60、149.52、186.90 m。端幫水平方向總距離分別為2 121.87、1 988.87、1 812.72 m。

剩余的端幫外水平方向距離（平段）包括3 段行駛狀態(tài)，從裝運點0 km/h 到最高速度30 km/h 重載加速運動；保持最高速度30.00 km/h 重載勻速運動；從最高速度30.00 km/h 到卸載點0 km/h 重載減速運動。重載加速運動行駛距離為295.67 m；行駛時間為50.22 s；平均速度21.19 km/h。重載減速運動由于卡車制動，時間很短，行駛距離近似為0 m。重載勻速運動行駛距離分別為1 582.47、1 715.47和1 891.61 m；行駛時間為189.90、205.86、226.99 s。卡車重載總行駛時間分別為545.38、553.21、563.61 s；平均速度分別為26.40、26.03、25.55 km/h。

卡車空載行駛從卸載點加速到最高速度后可保持最高速度行駛，不同坡道高度條件下卡車行駛狀態(tài)一致。以卡車重載行駛情況進行坡道高度優(yōu)化設計。卡車重載行駛情況具體見表1。

表1 卡車重載行駛情況（坡道高度）

由表1 可知，隨著坡道高度增加，坡道距離增大。上坡起始速度一致的情況下，減速時間增加；上坡行駛時間增加，上坡離開速度和平均速度減小。

1）平段開始速度（即上坡離開速度）減小，平段離開速度一致，加速時間增加；平段行駛時間增加。坡道高度大，平段開始速度小，先加速到坡道高度小的平段開始速度，增加了此段行駛距離，此段距離速度小于坡道高度小的平段開始速度；平段距離增大，平段平均速度減小。

2）坡道個數(shù)減少，端幫總距離減小，端幫總行駛時間減少。上坡和平段平均速度都減小；端幫平均速度減小。

3）端幫外加速距離和行駛時間一致。端幫水平方向總距離減小，總運距一致；端幫外勻速距離增大。勻速速度一致，端幫外勻速行駛時間增加。

總行駛時間增加，總運距一致；平均速度減少。坡道高度小，可節(jié)省卡車行駛時間，增加運行速度，提高卡車運輸效率。

坡道高度為10 m 時，端幫水平方向的總距離為2 121.87 m，減去地表平段距離后為1 892.82 m，端幫需要保證1 892.82 m 的長度才能同向布置道路。當端幫長度不足時，反向布置1 個坡道，端幫外勻速距離增加2 個坡道水平方向距離為1 831.67 m，行駛時間為219.80 s。總行駛時間為575.28 s，平均速度為25.03 km/h。此種情況下端幫長度需滿足1 770.63 m，坡道高度為12 m 和15 m 時減去地表平段距離后，分別為1 743.02 m 和1 548.85 m，可同向布置道路。坡道高度為10 m 時反而總行駛時間最長，平均速度最小。

3.2 坡道長度

當坡道坡度為8%，臺階高度為10 m，坡道單臺階和雙臺階布置，即坡道長度為125.00 m 和250.00 m 時，卡車重載行駛情況具體見表2。

由表2 可知，坡道長度增加，總行駛時間增加，平均速度減少。坡道長度小，可提高卡車運輸效率。坡道長度增加相當于坡道高度增加1 倍，可有效減少端幫道路布置長度，但阻斷一半臺階的端幫運輸。坡度高度和坡道長度變化，卡車重載上坡坡道阻力一致。坡度高度和坡道長度小時，端幫內(nèi)卡車可保證相對較高速度行駛。端幫外勻速距離短，30 km/h 最高速度限制的情況下，總體可節(jié)省時間。相比坡度高度15 m，坡度高度10 m 時，端幫總距離多133.00 m，端幫總行駛時間多8.13 s；端幫外勻速距離少133.00 m，端幫外勻速行駛時間少15.96 s，節(jié)省7.83 s。最高速度達到58.86 km/h 時行駛時間才一致。

3.3 坡道坡度

臺階高度為10 m，坡道坡度為8%和6%時，卡車重載行駛情況具體見表3。

表2 卡車重載行駛情況（坡道長度）

表3 卡車重載行駛情況（坡道坡度）

由表3 可知，坡道坡度增加，總行駛時間增加，平均速度減少。坡道坡度小，可提高卡車運輸效率。坡道坡度變化，卡車重載上坡坡道阻力發(fā)生變化。坡道坡度小時，上坡坡道阻力小，加速度大，雖然減速距離和時間增加，但上坡速度大。平段行駛只是初始速度大，使平段加速距離和時間減少，平段速度快。坡道距離和時間增加更多。

坡道個數(shù)一致，坡道坡度小時，端幫內(nèi)卡車在較高速度下行駛更長距離。總體上節(jié)省了時間。

4 結論

1）道路參數(shù)優(yōu)化根據(jù)卡車運行性能和行駛路面條件，基于MATLAB 軟件分析速度、距離和時間差異，對坡道高度、長度和坡度進行優(yōu)化設計。

2）實證研究表明，較小的坡道高度、長度和坡度使卡車行駛時間更少，速度更快，效率更高；但端幫道路布置長度更大。

3）道路參數(shù)設計要考慮端幫長度限制，反向布置道路會增加運輸距離，降低效率。

4）端幫行駛距離大時，端幫內(nèi)行駛時間更長，但速度更快,最高速度限制使端幫內(nèi)多花費時間少于端幫外節(jié)省時間，總體效率更高。