露天礦卡車平均行車速度計(jì)算研究

趙 明

（中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110015）

露天礦設(shè)備選型和數(shù)量計(jì)算是露天礦設(shè)計(jì)的重要組成部分，很多專家學(xué)者針對(duì)本方面尤其是設(shè)備選型和配套組合進(jìn)行研究。如利用AHP-FUZZY 建立評(píng)價(jià)體系，通過(guò)效率因素、經(jīng)濟(jì)因素和維修因素，綜合考慮設(shè)備組合型號(hào)的選擇[1]；論述露天礦采運(yùn)設(shè)備選型的重要意義、主要依據(jù)和原則[2]；對(duì)露天礦工藝設(shè)備選型與配套進(jìn)行分析[3]；根據(jù)露天礦實(shí)際情況，對(duì)主要采掘設(shè)備型號(hào)進(jìn)行分析論證，最終確定出合理的設(shè)備型號(hào)[4]；根據(jù)設(shè)備選型方案設(shè)備投資與人工成本比選，分析人工成本變化對(duì)比選結(jié)果的影響[5]；從設(shè)備選型原則、道路通過(guò)能力、等方面，論述新增大型采運(yùn)設(shè)備的必要性[6]；通過(guò)設(shè)備投資和生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)費(fèi)2 個(gè)方面來(lái)說(shuō)明經(jīng)濟(jì)指標(biāo)在采運(yùn)設(shè)備選型中的應(yīng)用[7]；井工開采改為露天開采后礦山生產(chǎn)設(shè)備重新選型布置[8]。

設(shè)備選型確定后需進(jìn)行設(shè)備數(shù)量計(jì)算，卡車計(jì)算平均行車速度是卡車數(shù)量計(jì)算的主要參數(shù)[9-10]，應(yīng)根據(jù)路況、運(yùn)距及卡車牽引特性確定，規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)、設(shè)計(jì)資料確定了不同運(yùn)距的卡車計(jì)算平均行車速度，選取平均速度參數(shù)進(jìn)行卡車數(shù)量計(jì)算。但各個(gè)露天礦情況不同，同一運(yùn)距條件下的卡車平均行車速度有差異，有必要根據(jù)具體情況確定平均行車速度。為此，通過(guò)分析卡車行車速度、行車時(shí)間和行車距離，計(jì)算卡車重載和空載平均行車速度，進(jìn)而確定卡車數(shù)量計(jì)算所需的卡車計(jì)算平均行車速度參數(shù)。使參數(shù)選取基于路況、運(yùn)距及卡車牽引特性確定，卡車數(shù)量計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確合理，對(duì)保證露天礦合理投資和生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)具有重要意義。

1 重載平均行車速度

卡車運(yùn)行時(shí)，受5 種力的共同作用，有與行車方向相同的驅(qū)動(dòng)力；與行車方向相反的滾動(dòng)阻力、空氣阻力；加速時(shí)與行車方向相反的慣性力，減速時(shí)與行車方向相同的慣性力，勻速時(shí)無(wú)慣性力；上坡時(shí)與行車方向相反的坡度力，下坡時(shí)與行車方向相同的坡度力，平路時(shí)無(wú)坡度力。

卡車重載行車段包括平路加速段、平路勻速段、端幫上坡減速段、端幫平盤加速段和平路減速段。

1.1 重載平路加速段

重載平路加速段卡車從裝載點(diǎn)以0 km/h 加速到最高限制行車速度。

重載平路加速段行車距離計(jì)算公式如下：

式中：S1為重載平路加速段行車距離，m；V1為卡車加速起始速度，km/h；V2為卡車最高限制行車速度，km/h；U 為負(fù)荷率，80%～90%；Ne為卡車驅(qū)動(dòng)功率，kW；ηT為傳動(dòng)機(jī)械效率，0.82～0.85；δ 為慣性系數(shù)，2.1～3.7；G 為卡車重載質(zhì)量，t；v 為卡車行車速度，km/h；f 為滾動(dòng)阻力系數(shù)，碎石路面取值0.020～0.025；CD為空氣阻力系數(shù)，0.6～0.8；M 為卡車行駛方向投影面積，m2。

重載平路加速段行車時(shí)間計(jì)算公式如下：

式中：T 為重載平路加速段行車時(shí)間，s。

1.2 重載平路勻速段

重載平路勻速段包括地面平路勻速段和采坑平路勻速段，卡車行車速度為最高限制行車速度。再由重載平路勻速段行車距離（由總行車距離減去重載平路加速段行車距離、端幫上坡減速段行車距離和端幫平盤加速段行車距離求得）計(jì)算行車時(shí)間。

1.3 端幫上坡減速段

重載端幫上坡減速段卡車以最高限制行車速度減速到一定速度。

重載端幫上坡減速段行車距離計(jì)算公式如下：

式中：S2為重載端幫上坡減速段行車距離，m；N為斜坡道數(shù)量；i 為斜坡道坡度。

根據(jù)式（3），由重載端幫上坡減速段行車距離（即斜坡道總長(zhǎng)度）和最高限制行車速度計(jì)算出卡車減速離開速度。

重載端幫上坡減速段行車時(shí)間計(jì)算公式參照式（3），把12.96 修改為3.6；并根據(jù)式（3）求得的卡車減速離開速度計(jì)算行車時(shí)間。

1.4 端幫平盤加速段

重載端幫平盤加速段卡車以一定速度（即根據(jù)式（3）求得的卡車減速離開速度）加速到最高限制行車速度。重載端幫平盤加速段包括從端幫出入溝起始的地面加速段。重載端幫平盤加速段行車距離計(jì)算公式為式（1）；重載端幫平盤加速段行車時(shí)間計(jì)算公式為式（2）。

1.5 重載平路減速段

重載平路減速段卡車以最高限制行車速度減速到0 km/h 到達(dá)卸載點(diǎn)。重載平路減速段行車距離和時(shí)間認(rèn)為接近為0。

由總行車距離與各段求得的行車時(shí)間總和計(jì)算重載平均行車速度。

2 空載平均行車速度

卡車空載行車段包括平路加速段、平路勻速段、端幫下坡勻速段、端幫平盤勻速段和平路減速段。

1）空載平路加速段。空載平路加速段卡車從卸載點(diǎn)以0 km/h 加速到最高限制行車速度。空載平路加速段行車距離計(jì)算公式參照式（1），把G 修改為G′；空載平路加速段行車時(shí)間計(jì)算公式參照式（2），把G 修改為G′。

2）空載平路勻速段。空載平路勻速段包括地面平路勻速段和采坑平路勻速段，卡車行車速度為最高限制行車速度。再由空載平路勻速段行車距離（由總行車距離減去空載平路加速段行車距離、端幫下坡勻速段行車距離和端幫平盤勻速段行車距離求得）計(jì)算行車時(shí)間。

3）端幫下坡勻速段。空載端幫下坡勻速段卡車行車速度為最高限制行車速度。再由端幫下坡勻速段行車距離（即斜坡道總長(zhǎng)度）計(jì)算行車時(shí)間。

4）端幫平盤勻速段。空載端幫平盤勻速段卡車行車速度為最高限制行車速度。再由端幫平盤勻速段行車距離（即根據(jù)式（1）求得的重載端幫平盤加速段行車距離）計(jì)算行車時(shí)間。

5）空載平路減速段。空載平路減速段卡車以最高限制行車速度減速到0 km/h 到達(dá)裝載點(diǎn)。空載平路減速段行車距離和時(shí)間認(rèn)為接近為0。

由總行車距離與各段求得的行車時(shí)間總和計(jì)算空載平均行車速度。由兩倍總行車距離與重載、空載行車時(shí)間總和求得卡車計(jì)算平均行車速度。

3 實(shí)證研究

伊敏三號(hào)露天礦采用單斗-卡車間斷工藝，臺(tái)階高度12 m，斜坡道坡度8%，斜坡道長(zhǎng)度150 m，斜坡道個(gè)數(shù)5 個(gè)。以伊敏三號(hào)露天礦為研究實(shí)例，卡車運(yùn)行條件如下：①卡車驅(qū)動(dòng)功率1 864 kW；②卡車重載質(zhì)量389 t；③卡車空載質(zhì)量177 t;④卡車行駛方向投影面積61.8 m2;⑤最高限制速度30 km/h;⑥總行車運(yùn)距3 500 m。

3.1 重載平均行車速度

在重載平路加速段，卡車從裝載點(diǎn)以0 km/h 加速到30.00 km/h 時(shí)，行車距離為295.67 m，行車時(shí)間為50.22 s，平均行車速度為21.19 km/h。

在端幫上坡減速段，行車距離為750.00 m，單個(gè)斜坡道內(nèi)卡車以30.00 km/h 減速到17.67 km/h，單個(gè)斜坡道內(nèi)行車時(shí)間為23.28 s。行車時(shí)間為116.40 s，平均行車速度為23.20 km/h。

在端幫平盤加速段，單個(gè)平盤內(nèi)卡車以17.67 km/h 加速到30.00 km/h 時(shí)，單個(gè)平盤內(nèi)行車距離為248.24 m，單個(gè)平盤內(nèi)行車時(shí)間為23.28 s。行車距離為1241.27 m，行車時(shí)間為180.73 s，平均行車速度為24.73 km/h。

在重載平路勻速段，行車距離為1 213.06 m，平均行車速度為30.00 km/h，行車時(shí)間為145.57 s。

卡車重載行車距離為3 500.00 m，重載行車時(shí)間為492.92 s，重載平均行車速度為25.56 km/h。卡車重載行車情況見(jiàn)表1。

表1 卡車重載行車情況

3.2 空載平均行車速度

在空載平路加速段，卡車從卸載點(diǎn)以0 km/h 加速到30.00 km/h 時(shí)，行車距離為97.29 m，行車時(shí)間為17.13 s，平均行車速度為20.45 km/h。

在端幫下坡勻速段，行車距離為750.00 m，平均行車速度為30.00 km/h，行車時(shí)間為90.00 s。

在端幫平盤勻速段，行車距離為1 241.27 m，平均行車速度為30.00 km/h，行車時(shí)間為148.95 s。

在空載平路勻速段，行車距離為1 411.44 m，平均行車速度為30.00 km/h，行車時(shí)間為169.37 s。

卡車空載行車距離為3 500.00 m，空載行車時(shí)間為425.45 s，重載平均行車速度為29.62 km/h。卡車空載行車情況見(jiàn)表2。

表2 卡車空載行車情況

3.3 卡車數(shù)量計(jì)算

卡車總行車距離為7 km，總行車時(shí)間為918.37 s，卡車計(jì)算平均行車速度為27.44 km/h。

規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的卡車計(jì)算平均行車速度選取見(jiàn)表3。

由表3 可知，根據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)距為3.5 km 時(shí)，卡車計(jì)算平均行車速度選取為25 km/h。根據(jù)卡車牽引特性等計(jì)算的平均速度高于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的平均速度。

表3 卡車計(jì)算平均行車速度

卡車數(shù)量計(jì)算的參數(shù)具體如下：①挖掘機(jī)勺斗容積35 m3；②挖掘機(jī)滿斗系數(shù)0.95；③物料松散系數(shù)1.25；④物料實(shí)方密度2.00 t/m3；⑤挖掘機(jī)每斗裝載質(zhì)量53.2 t；⑥挖掘機(jī)每斗裝載體積26.6 m3；⑦卡車載重量220 t；⑧卡車堆裝容積144 m3；⑨每車可能裝載斗數(shù)(按質(zhì)量)4.14；⑩每車可能裝載斗數(shù)(按體積)4.33；1○每車設(shè)計(jì)裝載斗數(shù)4；12○每車設(shè)計(jì)裝載質(zhì)量212.8 t；13○每車設(shè)計(jì)裝載體積106.4 m3；14○卡車載重利用系數(shù)1.00；15○卡車體積利用系數(shù)1.00；16○挖掘機(jī)每斗循環(huán)時(shí)間30 s；17○每車等裝時(shí)間/30 s；18○每車循環(huán)時(shí)間2.5 min；19○行車運(yùn)距/3.5 km；20○卡車平均運(yùn)行速度25 km/h 或27.44 km/h；21○往返運(yùn)行時(shí)間18.80 min 或15.31 min；2○卡車等調(diào)時(shí)間2 min；23○卸車時(shí)間/1.5 min；24○卡車運(yùn)行周期22.80 min 或21.31 min；25○卡車年有效作業(yè)時(shí)間4 800 h；26○臺(tái)年運(yùn)行次數(shù)12 631.58 或135 14.78；27○計(jì)算臺(tái)年運(yùn)輸能力1.34 Mm3/a 或1.43 Mm3/a；28○年運(yùn)量10 Mm3；29○計(jì)算臺(tái)數(shù)7.44 或6.95；30○設(shè)計(jì)臺(tái)數(shù)8 或7。

由此可知，根據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，卡車計(jì)算平均行車速度選取為25 km/h 時(shí)，卡車數(shù)量為8 臺(tái)；根據(jù)卡車牽引特性等，卡車計(jì)算平均行車速度為27.44 km/h時(shí)，卡車數(shù)量為7 臺(tái)，可節(jié)省1 臺(tái)卡車購(gòu)置。

4 結(jié)語(yǔ)

1）重載行車段包括平路加速段、平路勻速段、端幫上坡減速段、端幫平盤加速段和平路減速段。

2）空載行車段包括平路加速段、平路勻速段、端幫下坡勻速段、端幫平盤勻速段和平路減速段。

3）卡車計(jì)算平均行車速度參數(shù)選取基于路況、運(yùn)距及卡車牽引特性確定。

4）實(shí)證研究表明，根據(jù)卡車牽引特性等計(jì)算的平均速度為27.44 km/h，高于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的平均速度25 km/h，計(jì)算的卡車數(shù)量減少1 臺(tái)。