220 t礦用電動輪自卸車燃油消耗規律與應用研究

王 群，張瑞新,2，石 寧，呂帥康

(1.中國礦業大學(北京) 能源與礦業學院，北京 100083；2.華北科技學院 安全工程學院，河北 廊坊 065201；3.中冶京誠(湘潭)礦山裝備有限公司 市場部，湖南 湘潭 411100)

露天礦礦用自卸車憑借機動靈活、爬坡能力強及適應于各類復雜地形條件等優點，在國內外露天礦擁有著極為廣泛的應用[1]。但在長期的運輸作業中也逐漸暴露出燃油消耗大、運輸成本高等亟待優化的關鍵問題。以中煤某礦區為例，統計2016—2018年礦用自卸車燃油消耗的總成本占比、單位油耗、礦用自卸車燃油費用在3個露天礦占總成本比例較大，最高可達22%。礦1的運距、提升高度和單耗平均值分別為2.9 km，60 m，0.64 kg/m3；礦2的運距、提升高度和單耗分別為4.4 km，200 m，1.23 kg/m3；礦3的運距、提升高度和單耗分別為2.7 km，35 m，0.55 kg/m3；礦2所屬的礦用自卸車運距和提升高度遠大于礦1和礦3，且礦2的單耗急劇增加至1.23 kg/m2。因此，為降低露天礦礦用自卸車的燃油消耗，需在礦用自卸車的燃油消耗監測、燃油消耗估算、燃油消耗規律等方面開展研究，為露天礦科學評估礦用自卸車的燃油消耗量，提升運輸系統的智能化和科學化提供依據。

目前露天礦礦用自卸車燃油消耗監測方法主要包括油箱液位監控[2-4]、發動機ECU監控[5-6]、人工計量[7]，存在計量精度不高或推廣性不強的問題，進而無法對礦用自卸車油耗規律進行深度挖掘。

在高精度油耗監測手段缺失前提下，當前礦用自卸車燃油消耗估算的研究方法主要包括模擬分析、回歸分析、機器學習。基于發動機牽引特性和道路縱斷面參數模擬礦用自卸車發動機燃油消耗[8-9]，但未考慮發動機的非行駛功率；文獻[10-12]提出利用發動機負載系數估算自卸車燃油消耗，但發動機負載系數因受設備性能、道路參數、載重影響而難以準確獲取；文獻[13-15]采用機器學習方法預測礦用自卸車燃油消耗，但僅有少量統計樣本；利用多元回歸或機器學習方法構建礦用自卸車的燃油消耗預測模型[16-20]，僅考慮礦用自卸車作業時間和載重影響因素，未能考慮運距及提升高度。此外，露天礦礦用自卸車燃油消耗規律實驗中普遍存在考慮影響因素少、樣本容量小、持續時間短的問題，忽略載重、速度等因素對燃油消耗產生影響[5-6,11]。

綜上所述，筆者以某露天礦220 t礦用電動輪自卸車為研究對象，首先，在車輛動力學建模基礎上，應用自卸車發動機功率平衡分析，歸納得出發動機功率的主要組成成分；其次，結合車輪—牽引系統—動力轉換系統的后向建模，建立一種精確的礦用電動輪自卸車燃油消耗率估算模型，并從理論上確定自卸車發動機燃油消耗率的多維特征參數，并量化多維特征參數對發動機燃油消耗率、單耗的影響規律；最后，以某露天礦220 t自卸車為案例，引入高精度、高可靠的容積式油耗傳感器，實現自卸車的實時燃油消耗與累計燃油消耗精準計量，驗證燃油消耗率估算模型的精度。研究成果可應用于制定合理的燃油消耗考核指標、成本預算方案。

1 電動輪自卸車燃油消耗率模型

以某露天礦220 t礦用電動輪自卸車為研究對象，在電動輪自卸車的動力學模型基礎上，以發動機功率主要組成為基礎，建立一種簡便易用的自卸車發動機燃油消耗率的理論模型，并從理論上分析得出礦用電動輪自卸車燃油消耗率的多維度特征參數，為露天礦電動輪自卸車燃油消耗率估算模型構建及燃油消耗規律研究提供理論依據。

1.1 電動輪自卸車基本性能參數

1.1.1電動輪自卸車基本參數

某露天礦Blaze 75306礦用電動輪自卸車的基本性能參數見表1。

表1 電動輪自卸車基本參數

1.1.2驅動/電制動性能曲線

驅動性能曲線定義礦用電動輪自卸車在不同工礦條件下的最大穩定運行速度。根據驅動性能曲線中的總質量及總阻力系數，確定自卸車的最大穩定上坡行駛速度及輪邊驅動力(圖1(a))；同理，為避免自卸車下坡時剎車過熱，根據電制性能曲線中的總質量及總阻力系數，可得自卸車最大穩定下坡行駛速度及輪邊驅動力(圖1(b))。

1.2 電動輪自卸車驅動力與行駛阻力平衡

礦用電動輪自卸車運行工況存在載重大、爬坡坡度大的特性，因此，車輛動力學建模過程中需考慮自卸車的載重及道路坡度。在此基礎上，分析自卸車在驅動及制動時的縱向動力學性能(圖2)[21]，根據車輛行駛受力平衡可知：自卸車輪邊驅動力應等于各阻力之和(式(1))。

Fd=Ff1+Ff2+Fw+Fa+Fi

(1)

式中，Fd為輪邊驅動力；Ff1和Ff2分別為前軸車輪與后軸車輪的滾動阻力；Fw為空氣阻力；Fa為加速阻力；Fi為坡度阻力。

圖1 驅動/電制動性能曲線Fig.1 Curves of towing/braking performance

圖2 礦用自卸車行駛受力平衡Fig.2 Driving force balance of mining dump truck diagram

自卸車低速作業且載重大，其空氣阻力遠小于滾動阻力和坡度阻力，因此，自卸車輪邊驅動力可簡化為滾動阻力、坡度阻力、加速阻力之和。

Fd=Ff1+Ff2+Fi+Fa

(2)

1.3 電動輪自卸車發動機功率估算模型

1.3.1礦用電動輪自卸車發動機功率平衡

柴油發動機作為電動輪自卸車惟一動力來源，其燃料消耗與功率需求直接相關，因此，在礦用電動輪自卸車受力平衡分析基礎上，結合自卸車整車結構，對自卸車發動機功率組成進行分析(圖3)[22]：在考慮傳動系統功率損失，忽略空氣阻力條件下，點燃發動機氣缸內的柴油所產生的功率，主要分配為滾動阻力功率、坡度阻力功率、加速度功率以及非行駛功率。

其中，非行駛功率主要用于驅動冷卻、液壓等輔助系統，一般取發動機額定功率5%；自卸車傳動系統中發動機-發電機-輪邊電機存在功率損耗，其傳動系統效率一般在0.86～0.90。

圖3 發動機功率分配Fig.3 Engine power decomposition

1.3.2礦用電動輪自卸車發動機功率估算

在發動機功率平衡分析基礎上，對車輪-牽引系統-動力轉換系統進行后向建模，從功率角度闡述電動輪自卸車燃油消耗與運輸工況參數間的邏輯關系(圖4)[23]：在傳動效率、非行駛功率一定的前提下，隨著載重或總阻力的增加，自卸車所需的輪邊驅動力及驅動功率增加，自卸車發動機的輸出功率隨之增加，在相同時間內自卸車發動機的燃油消耗量增大。

圖4 自卸車燃油消耗與多維特征參數的理論Fig.4 Logical relationship between fuel consumption and multi-dimensional characteristic parameters

結合自卸車受力平衡和發動機功率平衡分析，輪邊驅動力Fd、輪邊驅動電機功率Pr、發動機總功率P分別為

Fd=MgR+Ma

(3)

(4)

(5)

式中，Fd為輪邊驅動力，t；Pr為輪邊驅動電機功率，kW；P為礦用電動輪自卸車發動機所需功率，kW；M為總質量，t；R為總阻力系數，滾動阻力系數與坡度阻力系數之和，%；Pn為非行駛功率，kW；v為礦用電動輪自卸車運行速度，km/h；Te為傳動效率，取0.88；g為重力加速度，9.8 m/s2；a為自卸車加速度，m/s2。

1.4 電動輪自卸車燃油消耗率估算模型

礦用電動輪自卸車正常作業時，不僅輪邊驅動力和行駛阻力保持平衡，而且發動機功率與行駛阻力功率、傳動損失功率、非行駛功率保持平衡。因此，本文建立一種輸入是自卸車運行工況參數、輸出是燃油消耗率(kg/h)的估算模型，逆向計算不同工況條件下自卸車發動機的燃油消耗率(式(6))：在非行駛功率、傳動效率一定的前提下，礦用電動輪自卸車發動機燃油消耗率的多維特征參數為載重、加速度、滾動阻力系數、坡度阻力系數、行駛速度等因素。

(6)

式中，Fc為礦用自卸車發動機燃油消耗率，kg/h；C為發動機的功率-油耗轉換系數，取0.208 kg/(kW·h)。

2 礦用電動輪自卸車油耗規律

基于電動輪自卸車的牽引/電制動性能曲線，確定自卸車最大穩定運行速度與道路坡度的變化規律。結合電動輪自卸車燃油消耗率估算模型，量化載重、總阻力系數、速度對自卸車燃油消耗的影響規律。最后，綜合模擬不同工況下電動輪自卸車燃油消耗率變化規律，為燃油消耗考核指標的制定及道路設計提供依據。

2.1 坡度與自卸車最大運行速度規律

通常情況下，在不超載前提下，礦用自卸車總質量為156～376 t。結合自卸車的驅動/電制動性能曲線，得出不同總質量、總阻力系數條件下的最大行駛速度的變化規律(圖5)：自卸車在上坡、下坡作業時，隨著總質量及總阻力系數的增加，自卸車所能達到的最大穩定行駛速度逐步降低。

圖5 最大速度與總質量、總阻力系數的規律Fig.5 Laws of maximum speed,total weight and resistance

進一步，在滿載及空載狀態下，自卸車在不同坡度下的最大行駛速度規律如圖6所示,自卸車采用無摩擦緩行制動下坡，通過制動電阻柵耗散熱能而達到自卸車電減速制動目的，且自卸車最大行駛速度受制動電阻柵的最大功率限制，因此，自卸車也應嚴格遵守下坡安全限速規定。同時，運輸道路的坡度(上坡、下坡)越大，自卸車所能達到的最大穩定行駛速度呈減少趨勢。

圖6 最大速度與總阻力系數規律Fig.6 Law of maximum speed and total resistance coefficient

2.2 載重對自卸車燃油消耗影響規律

在同一總阻力系數條件下，自卸車發動機的燃油消耗率隨著載重的增加而增加，燃油消耗率曲線的斜率卻逐步減少(圖7(a)，8(a))；載重比為載重與總質量的比值，載重比越大，用于克服自重的無效燃油消耗比例越小，運輸礦巖的單位油耗越小。在考慮運距(1 km)情況下，自卸車的單耗隨著載重的增加而呈減少趨勢。因此，自卸車應盡量滿載作業以充分發揮效能(圖7(b)，8(b))。

圖7 載重對燃油消耗的影響(驅動上坡)Fig.7 Influence of load on fuel consumption(driving at uphill)

圖8 載重對燃油消耗的影響(制動下坡)Fig.8 Influence of load on fuel consumption (breaking at downhill)

2.3 總阻力系數對自卸車燃油消耗影響規律

該露天礦的220 t級電動輪自卸車配套27 m3電鏟聯合作業，自卸車平均質量一般為200 t。假定自卸車往返運距為1 km，如圖9所示,運輸道路坡度(上坡、下坡)越大，自卸車燃油消耗量呈現增大趨勢；當自卸車空載下坡，且滾動阻力與坡度阻力大小相等、方向相反時，此時發動機處于怠速狀態，自卸車的燃油消耗量最小；最后，總阻力系數8%的道路上重載上坡行駛時，自卸車的燃油消耗大約是水平運輸的2倍，且總阻力系數每增加1%，每公里燃油消耗增加2.5～3.0 kg。

圖9 總阻力系數與燃油消耗規律Fig.9 Rolling resistance coefficient and fuel consumption law

2.4 速度對自卸車燃油消耗影響規律

在同一總阻力系數條件下，自卸車的單耗與行駛速度呈現非線性規律，且單耗曲線的斜率隨著速度的增加而增加(圖10)。同理，在同一運行速度條件下，自卸車的單耗隨著總阻力系數的增加呈增大趨勢，因此，單耗對總阻力系數及速度較為敏感。

2.5 礦用自卸車燃油消耗率規律

從理論上分析可知，影響自卸車燃油消耗率的多維特征參數為載重、速度、滾動阻力系數、坡度阻力系數等。為此，根據自卸車實際作業工況，選取載重(156～220 t)、速度(5～35 km/h)、總阻力系數(4%～10%)等參數范圍，模擬自卸車在不同載重、速度、總阻力系數條件下發動機的燃油消耗率，得出礦用電動輪卸車燃油消耗率規律(圖11)：不同的總阻力系數曲面代表不同運輸道路，量化不同運輸道路的自卸車燃油消耗率，消除不同道路的坡度對自卸車燃油消耗率產生差異。模擬結果可為運輸道路燃油消耗考核指標的制定提供參考依據，提高燃油消耗考核指標值的精準度。

3 案例驗證及應用

3.1 礦用電動輪自卸車油耗傳感器

采用容積式非圓齒輪流量計，具有較高的計量精度和較寬的量程比，其計量精度高達±0.5%。該流量計由進油過濾、燃油計量、回油冷卻、回油排氣等四大機構組成。此外，柴油密度隨溫度變化率為±0.000 86/℃，礦區溫差每超過11 ℃時，柴油體積變化1%，故燃油計量裝置需具備溫度檢測功能。

該容積式油耗傳感器安裝在礦用自卸車發動機的進油管與回油管之間(圖12)，通過監測油路管道中的柴油流量來測算發動機的實時耗油量和累計耗油量，實現露天礦自卸車的實時燃油消耗與累計燃油消耗精準計量，解決現有燃油消耗計量精度不高的問題。

3.2 實驗道路基本信息

從2020-01-15—2020-03-15，選取3條典型運輸道路干線，其起點為A，終點分別為B1,B2,B3，3條運輸干線的總阻力系數分別為7.3%,4.0%,5.8%，其基本信息見表2。

3.3 自卸車燃油消耗率估算模型驗證

對電動輪自卸車在重載加速、重載減速、空載加速、空載減速階段的加速度進行統計并取平均值，結合本文提出的燃油消耗率預測模型，計算電動輪自卸車在加速階段、減速階段的燃油消耗(表3)。

圖10 速度對燃油消耗的影響Fig.10 Influence of speed on fuel consumption

圖11 多維特征參數燃油消耗規律Fig.11 Fuel consumption law of multidimensional parameters

圖12 油耗傳感器安裝Fig.12 Fuel consumption meter installation

表2 典型運輸路線信息

表3 自卸車加減速燃油消耗估算

結合實際作業的平均速度，分別估算3條不同運輸干線道路上礦用自卸車的燃油消耗率，結合實際單循環作業時間計算電動輪自卸車的單耗，并與實際值進行對比驗證(表4)，結果顯示：在平均載重200 t的條件下，自卸車燃油消耗率模型估算的單耗均大于實測單耗。3條運輸干線的礦用電動輪自卸車單耗預測誤差分別為4.18%,0.96%,5.88%，從而驗證本文提出的燃油消耗估算模型的可行性，且滿足現場單耗估算的精度要求，為露天礦提供一種簡便易行的礦用電動輪自卸車的燃油消耗估算方法，可消除不同運輸道路中坡度(高差)對燃油消耗產生的影響，為不同運輸道路制定燃油消耗考核指標提供依據。

表4 自卸車單耗估算模型驗證

4 結 論

(1)在礦用電動輪自卸車的驅動力與行駛阻力平衡、發動機功率平衡分析基礎上，利用車輪—牽引系統—動力轉換系統的后向建模，從理論上闡述礦用電動輪自卸車發動機燃油消耗率的多維特征參數為載重、速度、滾動阻力系數、坡度阻力系數、加速度。

(2)礦用電動輪自卸車發動機功率主要由滾動阻力功率、坡度阻力功率、非行駛功率、加速功率、傳動系統功率損耗等組成。在此基礎上，筆者提出一種簡單易行的礦用電動輪自卸車燃油消耗率估算模型，結合電動輪自卸車的驅動/電制動性能曲線，量化載重、速度、總阻力系數對燃油消耗率、單耗的影響。

(3)以某露天礦為例，引入適用于露天礦礦用自卸車的容積式非圓齒輪流量計，解決現有燃油消耗計量精度不高的問題，同時驗證自卸車燃油消耗率估算模型的精度，結果表明：礦用電動輪自卸車單耗誤差在10%以內，驗證該方法的可行性，滿足現場單耗估算的精度要求。

(4)筆者提出的電動輪自卸車燃油消耗率估算模型，該方法綜合考慮載重、坡度阻力系數、滾動阻力系數、速度對燃油消耗率的影響，研究成果可應用于考核指標制定、運輸調度、最佳駕駛行為識別及道路優化設計等。