露天矿卡车平均行车速度计算研究

2021-05-13赵明

露天采矿技术 2021年2期

赵明

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁沈阳 110015）

露天矿设备选型和数量计算是露天矿设计的重要组成部分，很多专家学者针对本方面尤其是设备选型和配套组合进行研究。如利用AHP-FUZZY 建立评价体系，通过效率因素、经济因素和维修因素，综合考虑设备组合型号的选择[1]；论述露天矿采运设备选型的重要意义、主要依据和原则[2]；对露天矿工艺设备选型与配套进行分析[3]；根据露天矿实际情况，对主要采掘设备型号进行分析论证，最终确定出合理的设备型号[4]；根据设备选型方案设备投资与人工成本比选，分析人工成本变化对比选结果的影响[5]；从设备选型原则、道路通过能力、等方面，论述新增大型采运设备的必要性[6]；通过设备投资和生产运营费2 个方面来说明经济指标在采运设备选型中的应用[7]；井工开采改为露天开采后矿山生产设备重新选型布置[8]。

设备选型确定后需进行设备数量计算，卡车计算平均行车速度是卡车数量计算的主要参数[9-10]，应根据路况、运距及卡车牵引特性确定，规范标准根据国内外生产、设计资料确定了不同运距的卡车计算平均行车速度，选取平均速度参数进行卡车数量计算。但各个露天矿情况不同，同一运距条件下的卡车平均行车速度有差异，有必要根据具体情况确定平均行车速度。为此，通过分析卡车行车速度、行车时间和行车距离，计算卡车重载和空载平均行车速度，进而确定卡车数量计算所需的卡车计算平均行车速度参数。使参数选取基于路况、运距及卡车牵引特性确定，卡车数量计算结果更准确合理，对保证露天矿合理投资和生产运营具有重要意义。

1 重载平均行车速度

卡车运行时，受5 种力的共同作用，有与行车方向相同的驱动力；与行车方向相反的滚动阻力、空气阻力；加速时与行车方向相反的惯性力，减速时与行车方向相同的惯性力，匀速时无惯性力；上坡时与行车方向相反的坡度力，下坡时与行车方向相同的坡度力，平路时无坡度力。

卡车重载行车段包括平路加速段、平路匀速段、端帮上坡减速段、端帮平盘加速段和平路减速段。

1.1 重载平路加速段

重载平路加速段卡车从装载点以0 km/h 加速到最高限制行车速度。

重载平路加速段行车距离计算公式如下：

式中：S1为重载平路加速段行车距离，m；V1为卡车加速起始速度，km/h；V2为卡车最高限制行车速度，km/h；U 为负荷率，80%～90%；Ne为卡车驱动功率，kW；ηT为传动机械效率，0.82～0.85；δ 为惯性系数，2.1～3.7；G 为卡车重载质量，t；v 为卡车行车速度，km/h；f 为滚动阻力系数，碎石路面取值0.020～0.025；CD为空气阻力系数，0.6～0.8；M 为卡车行驶方向投影面积，m2。

重载平路加速段行车时间计算公式如下：

式中：T 为重载平路加速段行车时间，s。

1.2 重载平路匀速段

重载平路匀速段包括地面平路匀速段和采坑平路匀速段，卡车行车速度为最高限制行车速度。再由重载平路匀速段行车距离（由总行车距离减去重载平路加速段行车距离、端帮上坡减速段行车距离和端帮平盘加速段行车距离求得）计算行车时间。

1.3 端帮上坡减速段

重载端帮上坡减速段卡车以最高限制行车速度减速到一定速度。

重载端帮上坡减速段行车距离计算公式如下：

式中：S2为重载端帮上坡减速段行车距离，m；N为斜坡道数量；i 为斜坡道坡度。

根据式（3），由重载端帮上坡减速段行车距离（即斜坡道总长度）和最高限制行车速度计算出卡车减速离开速度。

重载端帮上坡减速段行车时间计算公式参照式（3），把12.96 修改为3.6；并根据式（3）求得的卡车减速离开速度计算行车时间。

1.4 端帮平盘加速段

重载端帮平盘加速段卡车以一定速度（即根据式（3）求得的卡车减速离开速度）加速到最高限制行车速度。重载端帮平盘加速段包括从端帮出入沟起始的地面加速段。重载端帮平盘加速段行车距离计算公式为式（1）；重载端帮平盘加速段行车时间计算公式为式（2）。

1.5 重载平路减速段

重载平路减速段卡车以最高限制行车速度减速到0 km/h 到达卸载点。重载平路减速段行车距离和时间认为接近为0。

由总行车距离与各段求得的行车时间总和计算重载平均行车速度。

2 空载平均行车速度

卡车空载行车段包括平路加速段、平路匀速段、端帮下坡匀速段、端帮平盘匀速段和平路减速段。

1）空载平路加速段。空载平路加速段卡车从卸载点以0 km/h 加速到最高限制行车速度。空载平路加速段行车距离计算公式参照式（1），把G 修改为G′；空载平路加速段行车时间计算公式参照式（2），把G 修改为G′。

2）空载平路匀速段。空载平路匀速段包括地面平路匀速段和采坑平路匀速段，卡车行车速度为最高限制行车速度。再由空载平路匀速段行车距离（由总行车距离减去空载平路加速段行车距离、端帮下坡匀速段行车距离和端帮平盘匀速段行车距离求得）计算行车时间。

3）端帮下坡匀速段。空载端帮下坡匀速段卡车行车速度为最高限制行车速度。再由端帮下坡匀速段行车距离（即斜坡道总长度）计算行车时间。

4）端帮平盘匀速段。空载端帮平盘匀速段卡车行车速度为最高限制行车速度。再由端帮平盘匀速段行车距离（即根据式（1）求得的重载端帮平盘加速段行车距离）计算行车时间。

5）空载平路减速段。空载平路减速段卡车以最高限制行车速度减速到0 km/h 到达装载点。空载平路减速段行车距离和时间认为接近为0。

由总行车距离与各段求得的行车时间总和计算空载平均行车速度。由两倍总行车距离与重载、空载行车时间总和求得卡车计算平均行车速度。

3 实证研究

伊敏三号露天矿采用单斗-卡车间断工艺，台阶高度12 m，斜坡道坡度8%，斜坡道长度150 m，斜坡道个数5 个。以伊敏三号露天矿为研究实例，卡车运行条件如下：①卡车驱动功率1 864 kW；②卡车重载质量389 t；③卡车空载质量177 t;④卡车行驶方向投影面积61.8 m2;⑤最高限制速度30 km/h;⑥总行车运距3 500 m。

3.1 重载平均行车速度

在重载平路加速段，卡车从装载点以0 km/h 加速到30.00 km/h 时，行车距离为295.67 m，行车时间为50.22 s，平均行车速度为21.19 km/h。

在端帮上坡减速段，行车距离为750.00 m，单个斜坡道内卡车以30.00 km/h 减速到17.67 km/h，单个斜坡道内行车时间为23.28 s。行车时间为116.40 s，平均行车速度为23.20 km/h。

在端帮平盘加速段，单个平盘内卡车以17.67 km/h 加速到30.00 km/h 时，单个平盘内行车距离为248.24 m，单个平盘内行车时间为23.28 s。行车距离为1241.27 m，行车时间为180.73 s，平均行车速度为24.73 km/h。

在重载平路匀速段，行车距离为1 213.06 m，平均行车速度为30.00 km/h，行车时间为145.57 s。

卡车重载行车距离为3 500.00 m，重载行车时间为492.92 s，重载平均行车速度为25.56 km/h。卡车重载行车情况见表1。

表1 卡车重载行车情况

3.2 空载平均行车速度

在空载平路加速段，卡车从卸载点以0 km/h 加速到30.00 km/h 时，行车距离为97.29 m，行车时间为17.13 s，平均行车速度为20.45 km/h。

在端帮下坡匀速段，行车距离为750.00 m，平均行车速度为30.00 km/h，行车时间为90.00 s。

在端帮平盘匀速段，行车距离为1 241.27 m，平均行车速度为30.00 km/h，行车时间为148.95 s。

在空载平路匀速段，行车距离为1 411.44 m，平均行车速度为30.00 km/h，行车时间为169.37 s。

卡车空载行车距离为3 500.00 m，空载行车时间为425.45 s，重载平均行车速度为29.62 km/h。卡车空载行车情况见表2。

表2 卡车空载行车情况

3.3 卡车数量计算

卡车总行车距离为7 km，总行车时间为918.37 s，卡车计算平均行车速度为27.44 km/h。

规范标准规定的卡车计算平均行车速度选取见表3。

由表3 可知，根据规范标准，运距为3.5 km 时，卡车计算平均行车速度选取为25 km/h。根据卡车牵引特性等计算的平均速度高于规范标准规定的平均速度。

表3 卡车计算平均行车速度

卡车数量计算的参数具体如下：①挖掘机勺斗容积35 m3；②挖掘机满斗系数0.95；③物料松散系数1.25；④物料实方密度2.00 t/m3；⑤挖掘机每斗装载质量53.2 t；⑥挖掘机每斗装载体积26.6 m3；⑦卡车载重量220 t；⑧卡车堆装容积144 m3；⑨每车可能装载斗数(按质量)4.14；⑩每车可能装载斗数(按体积)4.33；1○每车设计装载斗数4；12○每车设计装载质量212.8 t；13○每车设计装载体积106.4 m3；14○卡车载重利用系数1.00；15○卡车体积利用系数1.00；16○挖掘机每斗循环时间30 s；17○每车等装时间/30 s；18○每车循环时间2.5 min；19○行车运距/3.5 km；20○卡车平均运行速度25 km/h 或27.44 km/h；21○往返运行时间18.80 min 或15.31 min；2○卡车等调时间2 min；23○卸车时间/1.5 min；24○卡车运行周期22.80 min 或21.31 min；25○卡车年有效作业时间4 800 h；26○台年运行次数12 631.58 或135 14.78；27○计算台年运输能力1.34 Mm3/a 或1.43 Mm3/a；28○年运量10 Mm3；29○计算台数7.44 或6.95；30○设计台数8 或7。

由此可知，根据规范标准，卡车计算平均行车速度选取为25 km/h 时，卡车数量为8 台；根据卡车牵引特性等，卡车计算平均行车速度为27.44 km/h时，卡车数量为7 台，可节省1 台卡车购置。