地下运矿卡车燃油经济性分析

2019-08-28庞明海

中国矿山工程 2019年4期

庞明海

(五矿矿业(邯郸)矿山工程有限公司，河北邯郸 056002)

1 前言

汽车的燃油经济性是汽车的主要使用性能之一，在运矿卡车运输成本中，燃料费用占有很大的比例，在我国大型矿用自卸汽车运输成本中，燃料费用占40%～55%。因此，分析燃料消耗，对设备选用和采取措施降生产成本都具有很现实的意义。

汽车的燃油经济性[1]常用一定运行工况下汽车行驶百公里燃油消耗量或一定燃油量能使汽车行驶的里程来衡量。运输汽车的燃油经济性的计算指标常用百吨公里油耗来评价，指考核期内完成百吨公里的运输生产任务的燃油消耗量。百公里油耗是一个技术定额，其大小不仅反映了司机的驾驶技术水平，也反映了车辆的技术性能以及技术状况。百吨公里油耗是一个技术经济定额，既涉及到技术管理，也涉及到营运组织管理。除受到道路、气温、海拔高度等客观因素的影响外，还涉及到车辆的结构型式、技术状况、拖运率、实载率等[2-3]。

2 运矿卡车燃油经济性评价指标

人们使用公路车辆的目的是为了满足空间距离上的移动，同时使燃油消耗最小。工程运输车辆是为了完成运输任务，并且油耗达到最小。

所有拉运矿石的重量除以油耗的升数，可算出每升燃油可拉运岩石的重量，反映出燃油消耗量，即燃油效率=总运量(t)/燃油消耗总升数(L)。货车燃油经济性的计算指标[4-5]常用百吨公里油耗来评价，指考核期内每完成百吨公里的运输生产任务的燃油消耗量L/(t·km)。在矿山生产中，运输车辆的节油是一个重要手段，但并不是生产的最终目的。在单位时间内运输更多的矿石，走更远的距离，用最省的油耗这三个方面同时满足才能准确定义运矿卡车的燃油经济性。

因此，地下运矿卡车的燃油经济主要以吨公里油耗来评价，吨公里油耗能够充分体现运输单位重量的矿石运输卡车的燃油经济性，同时结合小时油耗作为参考性评价指标。

3 运矿卡车工况模型

随着斜坡道在地下矿藏开采得到广泛应用，运矿卡车的工作环境得到很大的改善，形成了相对固定的井下运输模式。即地下卡车运输的路面主要有平路，斜坡道(包括部分缓坡道)两个主要部分组成。根据井下斜坡道的组成以及铲运机和运矿卡车的工作特点，就可以分析出运矿卡车或者铲运机的工作路径和相应的工况，即一个工作循环，具体如图1所示。

图1 地下运矿卡车工作循环示意图

运矿卡车在装载石料，沿斜坡道全油门上行，行驶至井口后继续沿坡道上行，后沿平路行驶至卸料处，全油门举升翻斗卸料，下落翻斗，返回。平路行驶，斜坡道下坡，至铲运机装料处，即运矿卡车完成一个工作循环。

地下运矿卡车运行工况分为重载和空载两种情况。重载工况分为重载水平路面的加速和匀速工况，上坡路面的匀速或加速工况，下坡路面的匀速或减速工况3种情况。空载工况分为空载水平加速和匀速工况，上坡匀速和加速工况，下坡匀速或减速工况3种工况。图2所示为运矿卡车工况模型[6-8]。

图2 地下运矿卡车工作循环工况模型

4 运矿卡车工作循环油耗数学模型

设定运输车辆在一个工作循环内的运输距离，可以确定运矿卡车在一个工作循环内的基本运行时间，通过数学模型的计算，就可以得到该车型在某矿段的燃油经济性。

设一个工况循环内运矿卡车的运行距离为s，则

s=2×(s1+s2+s3+s4)

(1)

式中：s1——斜坡道长度；

s2——缓坡道长度；

s3——工作面平均距离；

s4——井口至卸料处平均距离。

一个工况循环内的时间为t，则

t=tw+tst+ted+tup1+tup2+tuld+tdn1+tdn2

(2)

式中：tw——在巷道内等待装车的时间；

tst——工作面巷道平路的上行时间；

ted——工作面巷道平路的回行时间；

tup1——斜坡道上行时间；

tup2——井口平路上行时间；

tuld——卸料时间；

tdn1——斜坡道下行时间；

tdn2——井口平路回行时间。

运矿卡车工作循环共分为8个典型工况，即“八工况法”计算燃油经济性。分别是怠速等待工况、工作面加速工况、斜坡道匀速上坡工况、平路匀速工况、卸载工况、平路加速工况、斜坡道减速下坡工况、工作面减速工况。8个工况充分体现了地下运矿卡车的工作特征，不同矿山的路面特征设定不同的道路参数，这样可以计算任何矿山应用坡道运输矿料的运矿卡车的燃油经济。

1) 卡车怠速等待时燃油消耗量

由车辆燃油消耗率ge与小时燃油消耗量Gi(kg/h)的关系可知，

(3)

式中：Gi——怠速时小时燃油消耗量；

gi——怠速时燃油消耗率；

Pe——发动机有效功率。

QW=Gi·tW/3 600ρ

(4)

式中：Gi——怠速时小时燃油消耗量；

tW——在巷道内等待装车的时间；

ρ——燃油密度。

2) 卡车工作面和平路加速时燃油消耗量

如在平路从静止开始全油门加速运动加速至ua1。把加速过程分隔为若干区间，每个区间的燃油消耗量可根据其平均的单位时间燃油消耗量与行驶时间之积来求得。各区间起始或终了车速所对应时刻的单位时间燃油消耗量，可根据相应的发动机发出的功率与燃油消耗率求得

(5)

式中：Qi——各时刻单位时间的燃油消耗量；

gei——发动机燃油消耗率；

Pi——发动机功率。

而汽车行驶速度每增加1km/h所需时间Δt为

(6)

整个加速过程的燃油消耗量为

(7)

式中：Qt0、Qt1、…、Qtn——t0、t1、…、tn单位时间燃油消耗量，mL/s。

3)卡车等速上坡和平路行驶时燃油消耗量

如到达斜坡道开始以某一档位，一定速度v匀速上坡。根据发动机油耗曲线可以确定发动机在一定转速、发出一定功率时的燃油消耗率。整个等速过程行经s1的燃油消耗量为

(8)

式中：ui——匀速上坡时的速度；

gei——发动机燃油消耗率；

Pi——发动机功率；

ρ——燃油密度。

4)卡车卸料时的燃油消耗量

当到达卸料地点，卸料过程安全油门工况考虑，即卡车处于标定转速状态。相应的燃油消耗率为Ggi，燃油消耗量为

Quld=Ggituld/3 600ρ

(9)

式中：tuld——卸料时间；

ρ——燃油密度。

5)卡车下坡和减速时的燃油消耗量

在进入井口后沿斜坡道以某一车速ua3减速到ua4的等减速运动，然后等速下坡。在此过程中，发动机处于强制怠速状态，其油耗量即为正常怠速油耗，计算方法同式(4)。

通过上述工况每段路面上运矿卡车的燃油消耗量的计算，就可以计算运矿卡车燃油消耗率的评价指标，即百公里油耗，小时油耗，和每吨矿公里油耗。

一个工况循环内的燃油消耗量为

Q=Qw+Qst+Qed+Qup1+Qup2+Quld+Qdn1+Qdn2

(10)

Q(i)分别为式(2)中各时间段的燃油消耗量。

则百公里燃油油耗量Q100km(L/100km)为

Q100km=100×Q/s

(11)

小时燃油油耗量Qh(L/h)为

Qh=3.6×Q/t

(12)

每吨矿公里燃油消耗量Qt·km(L/t·km)为

(13)

式中：M——运输的矿石重量。

5 运矿卡车燃油经济性分析

5.1 不同型号运矿卡车燃油经济性对比

针对某矿段实际情况设定工况循环，斜坡道坡度15%，斜坡道长度s1为1 800m；工作面内平路运行距离s3为50m；出口处距离卸料处平路距离s4为200m。

开发的运矿卡车燃油经济性运算程序，计算安期生公司运矿卡车系列产品中AJK- 12、AJK- 20K、AJK- 25型号运矿卡车燃油经济性。三种运矿卡车全负荷在15%的斜坡道的最高速度分别为为4.2km/h、7.8km/h、3.1km/h。

计算结果，每吨矿公里的燃油消耗量分别为0.156L、0.157L、0.146L。每吨矿公里的燃油消耗量AJK- 20K卡车没有明显优势，且每天油耗量AJK- 20K型号卡车远大于AJK- 12、AJK- 25。但是运矿量分别为960t、351t、711t。如果把运矿卡车的盈利简单计为每天矿石的运量×矿石单价-每天油耗量×柴油单价，假设每吨矿石价格为1 000元，每升柴油价格都设为7元，经计算可知，三种车型每天的生产效益分别为95.6万元，34.98万元，70.80万元。由此可见，AJK- 20K运矿卡车生产效益远高于其他两种车型，适合作为该矿区的工况下的运输车型。

5.2 斜坡道坡度对燃油经济性影响

AJK- 20K牵引力特性如图3所示，可计算斜坡道坡度为不同值时的燃油经济性指标。

图3 牵引力特性曲线

图4 不同坡度下的燃油经济性指标

图4所示为AJK- 20K运矿卡车燃油经济性评价指标随坡度变化的离散数值曲线。可以看出，每吨矿公里的燃油消耗量油耗随坡度增加而增大；每天运矿量随坡度增大而减小。每天油耗量取决于每小时油耗量，每小时油耗量随坡度增加先增大后减小，根据式(12)可知，小时燃油油耗量为一个工况循环内燃油消耗量与循环时间的比值，当坡度增加时，车辆每个工况循环时间增大，需要的燃油消耗量也增大。当坡度小于15%时，燃油消耗量的增加大于循环时间的增大量，故小时油耗增加；当坡度大于15%时，则情况相反。由以上分析可知，随坡度增加，盈利减小，在该矿区坡度为15%时AJK- 20K运矿卡车每天油耗量达到最大值。