地下運礦卡車燃油經(jīng)濟性分析

龐明海

(五礦礦業(yè)(邯鄲)礦山工程有限公司， 河北 邯鄲 056002)

1 前言

汽車的燃油經(jīng)濟性是汽車的主要使用性能之一，在運礦卡車運輸成本中，燃料費用占有很大的比例，在我國大型礦用自卸汽車運輸成本中，燃料費用占40%～55%。因此，分析燃料消耗，對設備選用和采取措施降生產(chǎn)成本都具有很現(xiàn)實的意義。

汽車的燃油經(jīng)濟性[1]常用一定運行工況下汽車行駛百公里燃油消耗量或一定燃油量能使汽車行駛的里程來衡量。運輸汽車的燃油經(jīng)濟性的計算指標常用百噸公里油耗來評價，指考核期內(nèi)完成百噸公里的運輸生產(chǎn)任務的燃油消耗量。百公里油耗是一個技術(shù)定額，其大小不僅反映了司機的駕駛技術(shù)水平，也反映了車輛的技術(shù)性能以及技術(shù)狀況。百噸公里油耗是一個技術(shù)經(jīng)濟定額，既涉及到技術(shù)管理，也涉及到營運組織管理。除受到道路、氣溫、海拔高度等客觀因素的影響外，還涉及到車輛的結(jié)構(gòu)型式、技術(shù)狀況、拖運率、實載率等[2-3]。

2 運礦卡車燃油經(jīng)濟性評價指標

人們使用公路車輛的目的是為了滿足空間距離上的移動，同時使燃油消耗最小。工程運輸車輛是為了完成運輸任務，并且油耗達到最小。

所有拉運礦石的重量除以油耗的升數(shù)，可算出每升燃油可拉運巖石的重量，反映出燃油消耗量，即燃油效率=總運量(t)/燃油消耗總升數(shù)(L)。貨車燃油經(jīng)濟性的計算指標[4-5]常用百噸公里油耗來評價，指考核期內(nèi)每完成百噸公里的運輸生產(chǎn)任務的燃油消耗量L/(t·km)。在礦山生產(chǎn)中，運輸車輛的節(jié)油是一個重要手段，但并不是生產(chǎn)的最終目的。在單位時間內(nèi)運輸更多的礦石，走更遠的距離，用最省的油耗這三個方面同時滿足才能準確定義運礦卡車的燃油經(jīng)濟性。

因此，地下運礦卡車的燃油經(jīng)濟主要以噸公里油耗來評價，噸公里油耗能夠充分體現(xiàn)運輸單位重量的礦石運輸卡車的燃油經(jīng)濟性，同時結(jié)合小時油耗作為參考性評價指標。

3 運礦卡車工況模型

隨著斜坡道在地下礦藏開采得到廣泛應用，運礦卡車的工作環(huán)境得到很大的改善，形成了相對固定的井下運輸模式。即地下卡車運輸?shù)穆访嬷饕衅铰?，斜坡?包括部分緩坡道)兩個主要部分組成。根據(jù)井下斜坡道的組成以及鏟運機和運礦卡車的工作特點，就可以分析出運礦卡車或者鏟運機的工作路徑和相應的工況，即一個工作循環(huán)，具體如圖1所示。

圖1 地下運礦卡車工作循環(huán)示意圖

運礦卡車在裝載石料，沿斜坡道全油門上行，行駛至井口后繼續(xù)沿坡道上行，后沿平路行駛至卸料處，全油門舉升翻斗卸料，下落翻斗，返回。平路行駛，斜坡道下坡，至鏟運機裝料處，即運礦卡車完成一個工作循環(huán)。

地下運礦卡車運行工況分為重載和空載兩種情況。重載工況分為重載水平路面的加速和勻速工況，上坡路面的勻速或加速工況，下坡路面的勻速或減速工況3種情況?？蛰d工況分為空載水平加速和勻速工況，上坡勻速和加速工況，下坡勻速或減速工況3種工況。圖2所示為運礦卡車工況模型[6-8]。

圖2 地下運礦卡車工作循環(huán)工況模型

4 運礦卡車工作循環(huán)油耗數(shù)學模型

設定運輸車輛在一個工作循環(huán)內(nèi)的運輸距離，可以確定運礦卡車在一個工作循環(huán)內(nèi)的基本運行時間，通過數(shù)學模型的計算，就可以得到該車型在某礦段的燃油經(jīng)濟性。

設一個工況循環(huán)內(nèi)運礦卡車的運行距離為s，則

s=2×(s1+s2+s3+s4)

(1)

式中：s1——斜坡道長度；

s2——緩坡道長度；

s3——工作面平均距離；

s4——井口至卸料處平均距離。

一個工況循環(huán)內(nèi)的時間為t，則

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

(2)

式中：tw——在巷道內(nèi)等待裝車的時間；

tst——工作面巷道平路的上行時間；

ted——工作面巷道平路的回行時間；

tup1——斜坡道上行時間；

tup2——井口平路上行時間；

tuld——卸料時間；

tdn1——斜坡道下行時間；

tdn2——井口平路回行時間。

運礦卡車工作循環(huán)共分為8個典型工況，即“八工況法”計算燃油經(jīng)濟性。分別是怠速等待工況、工作面加速工況、斜坡道勻速上坡工況、平路勻速工況、卸載工況、平路加速工況、斜坡道減速下坡工況、工作面減速工況。8個工況充分體現(xiàn)了地下運礦卡車的工作特征，不同礦山的路面特征設定不同的道路參數(shù)，這樣可以計算任何礦山應用坡道運輸?shù)V料的運礦卡車的燃油經(jīng)濟。

1) 卡車怠速等待時燃油消耗量

由車輛燃油消耗率ge與小時燃油消耗量Gi(kg/h)的關(guān)系可知，

(3)

式中：Gi——怠速時小時燃油消耗量；

gi——怠速時燃油消耗率；

Pe——發(fā)動機有效功率。

QW=Gi·tW/3 600ρ

(4)

式中：Gi——怠速時小時燃油消耗量；

tW——在巷道內(nèi)等待裝車的時間；

ρ——燃油密度。

2) 卡車工作面和平路加速時燃油消耗量

如在平路從靜止開始全油門加速運動加速至ua1。把加速過程分隔為若干區(qū)間，每個區(qū)間的燃油消耗量可根據(jù)其平均的單位時間燃油消耗量與行駛時間之積來求得。各區(qū)間起始或終了車速所對應時刻的單位時間燃油消耗量，可根據(jù)相應的發(fā)動機發(fā)出的功率與燃油消耗率求得

(5)

式中：Qi——各時刻單位時間的燃油消耗量；

gei——發(fā)動機燃油消耗率；

Pi——發(fā)動機功率。

而汽車行駛速度每增加1km/h所需時間Δt為

(6)

整個加速過程的燃油消耗量為

(7)

式中：Qt0、Qt1、…、Qtn——t0、t1、…、tn單位時間燃油消耗量，mL/s。

3)卡車等速上坡和平路行駛時燃油消耗量

如到達斜坡道開始以某一檔位，一定速度v勻速上坡。根據(jù)發(fā)動機油耗曲線可以確定發(fā)動機在一定轉(zhuǎn)速、發(fā)出一定功率時的燃油消耗率。整個等速過程行經(jīng)s1的燃油消耗量為

(8)

式中：ui——勻速上坡時的速度；

gei——發(fā)動機燃油消耗率；

Pi——發(fā)動機功率；

ρ——燃油密度。

4)卡車卸料時的燃油消耗量

當?shù)竭_卸料地點，卸料過程安全油門工況考慮，即卡車處于標定轉(zhuǎn)速狀態(tài)。相應的燃油消耗率為Ggi，燃油消耗量為

Quld=Ggituld/3 600ρ

(9)

式中：tuld——卸料時間；

ρ——燃油密度。

5)卡車下坡和減速時的燃油消耗量

在進入井口后沿斜坡道以某一車速ua3減速到ua4的等減速運動，然后等速下坡。在此過程中，發(fā)動機處于強制怠速狀態(tài)，其油耗量即為正常怠速油耗，計算方法同式(4)。

通過上述工況每段路面上運礦卡車的燃油消耗量的計算，就可以計算運礦卡車燃油消耗率的評價指標，即百公里油耗，小時油耗，和每噸礦公里油耗。

一個工況循環(huán)內(nèi)的燃油消耗量為

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

(10)

Q(i)分別為式(2)中各時間段的燃油消耗量。

則百公里燃油油耗量Q100km(L/100km)為

Q100km=100×Q/s

(11)

小時燃油油耗量Qh(L/h)為

Qh=3.6×Q/t

(12)

每噸礦公里燃油消耗量Qt·km(L/t·km)為

(13)

式中：M——運輸?shù)牡V石重量。

5 運礦卡車燃油經(jīng)濟性分析

5.1 不同型號運礦卡車燃油經(jīng)濟性對比

針對某礦段實際情況設定工況循環(huán)，斜坡道坡度15%，斜坡道長度s1為1 800m；工作面內(nèi)平路運行距離s3為50m；出口處距離卸料處平路距離s4為200m。

開發(fā)的運礦卡車燃油經(jīng)濟性運算程序，計算安期生公司運礦卡車系列產(chǎn)品中AJK- 12、AJK- 20K、AJK- 25型號運礦卡車燃油經(jīng)濟性。三種運礦卡車全負荷在15%的斜坡道的最高速度分別為為4.2km/h、7.8km/h、3.1km/h。

計算結(jié)果，每噸礦公里的燃油消耗量分別為0.156L、0.157L、0.146L。每噸礦公里的燃油消耗量AJK- 20K卡車沒有明顯優(yōu)勢，且每天油耗量AJK- 20K型號卡車遠大于AJK- 12、AJK- 25。但是運礦量分別為960t、351t、711t。如果把運礦卡車的盈利簡單計為每天礦石的運量×礦石單價-每天油耗量×柴油單價，假設每噸礦石價格為1 000元，每升柴油價格都設為7元，經(jīng)計算可知，三種車型每天的生產(chǎn)效益分別為95.6萬元，34.98萬元，70.80萬元。由此可見，AJK- 20K運礦卡車生產(chǎn)效益遠高于其他兩種車型，適合作為該礦區(qū)的工況下的運輸車型。

5.2 斜坡道坡度對燃油經(jīng)濟性影響

AJK- 20K牽引力特性如圖3所示，可計算斜坡道坡度為不同值時的燃油經(jīng)濟性指標。

圖3 牽引力特性曲線

圖4 不同坡度下的燃油經(jīng)濟性指標

圖4所示為AJK- 20K運礦卡車燃油經(jīng)濟性評價指標隨坡度變化的離散數(shù)值曲線?？梢钥闯?，每噸礦公里的燃油消耗量油耗隨坡度增加而增大；每天運礦量隨坡度增大而減小。每天油耗量取決于每小時油耗量，每小時油耗量隨坡度增加先增大后減小，根據(jù)式(12)可知，小時燃油油耗量為一個工況循環(huán)內(nèi)燃油消耗量與循環(huán)時間的比值，當坡度增加時，車輛每個工況循環(huán)時間增大，需要的燃油消耗量也增大。當坡度小于15%時，燃油消耗量的增加大于循環(huán)時間的增大量，故小時油耗增加；當坡度大于15%時，則情況相反。由以上分析可知，隨坡度增加，盈利減小，在該礦區(qū)坡度為15%時AJK- 20K運礦卡車每天油耗量達到最大值。

6 結(jié)論

根據(jù)一般井下礦山的道路特點和地下運礦卡車的工作特征，分析運礦卡車井下工作時的所有工況，建立地下運礦卡車工作循環(huán)的工況模型，提出了“八工況法”計算運礦卡車燃油經(jīng)濟性的方法。

針對某礦段實際情況設定工況循環(huán)，對比三種型號卡車燃油經(jīng)濟性。AJK- 20K運礦卡車生產(chǎn)效益遠高于其他兩種車型，適合作為該礦區(qū)的工況下的運輸車型。

分析了礦井斜坡道坡度對卡車燃油經(jīng)濟性的影響。在坡度對該卡車的燃油經(jīng)濟性影響分析中得出當坡度為15%時，AJK- 20K運礦卡車每天油耗量達到最大值。