Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ состояния и изученности вопроса 10
1.1 Анализ горно-технических условий эксплуатации карьерного автотранспорта 10
1.2 Исследования в области комбинированных энергосиловых установок 18
1.3 Анализ научно-технической литературы, выбор направления и методов исследования 24
Глава 2 Исследование энергетических параметров транспортного цикла карьерных автосамосвалов 34
2.1 Выявление зависимостей влияния горно-технических условий на энергетические параметры транспортного цикла карьерных автосамосвалов 34
2.2 Моделирование транспортного цикла карьерных автосамосвалов с КЭУ 42
2.3 Обоснование предпочтительных условий применения карьерных автосамосвалов с КЭУ 51
Глава 3 Обоснование технических параметров автосамосвалов с КЭУ 66
3.1 Обоснование принципа работы и типовой структуры КЭУ 66
3.2 Обоснование параметров двигателя внутреннего сгорания 71
3.3 Обоснование параметров аккумулятора энергии 79
3.4 Разработка компоновочных решений автосамосвалов с КЭУ 96
Глава 4 Обоснование технологических параметров транспортирования горной массы автосамосвалами с КЭУ 102
4.1 Обоснование производительности 102
4.2 Топливная экономичность 106
4.3 Оценка экологичности и объема вскрышных пород 111
4.4 Оценка экономической эффективности применения карьерных автосамосвалов с КЭУ 120
4.5 Обоснование областей предпочти тельного применения карьерных автосамосвалов с КЭУ 129
4.6 Направления дальнейших исследований 136
Заключение 141
Список использованных источников 144
Приложения 158
- Исследования в области комбинированных энергосиловых установок
- Моделирование транспортного цикла карьерных автосамосвалов с КЭУ
- Обоснование параметров двигателя внутреннего сгорания
- Топливная экономичность
Введение к работе
На горнодобывающих предприятиях с открытым способом разработки особая роль принадлежит карьерному транспорту. Он не только наиболее сложное и трудоемкое звено технологического процесса разработки месторождений полезных ископаемых, но в значительной степени определяет условия и показатели работы других звеньев и предприятия в целом. В себестоимости добычи полезного ископаемого доля затрат на транспорт достигает 50-70%.
Стесненность рабочего пространства глубоких и ограниченных в плане карьеров предопределяет необходимость применения автомобильного транспорта. Карьерный автомобильный технологический транспорт обладает рядом неоспоримых преимуществ, однако является одним из наиболее энергоемких. Удельный расход топлива на транспортирование горной массы карьерными автосамосвалами составляет 80-140 г/г км. При этом на перевозку 1 т горной массы требуется до 2 л дизельного топлива, а общая потребность в нем на отдельных предприятиях достигает 100 тыс.т в год. В то же время автотранспорт является одним из основных загрязнителей атмосферы карьеров. Так простои горно-транспортного оборудования на кимберлитовых карьерах достигаю 1000 часов в год и более.
Неуклонно усложняющиеся горно-технические условия эксплуатации автосамосвалов как на отдельных карьерах, так и в целом по отрасли вызывает необходимость их совершенствования в следующих направлениях: повышение топливной экономичности, снижение выбросов вредных веществ с отработавшими газами, повышение удельной мощности горнотранспортного оборудования, маневренности в стесненных условиях рабочих площадок, обеспечение безопасной и высокопроизводительной работы на повышенных уклонах (при средневзвешенном уклоне 12% с уклонами на отдельных участках до 16%), что может быть обеспечено совершенствованием тормозной системы, улучшением «развесовки» по осям автосамосвала, повышением удельной мощности.
В отличие от ранее существовавшего методического подхода к проблеме определения областей применения автосамосвалов различной грузоподъемности и конструкции, в рамках которого вопрос решался в зависимости от параметров автосамосвалов, в данной работе используется другой подход - обоснование параметров автосамосвалов в зависимости от горно-технических условий отработки глубоких горизонтов карьеров, в том числе, карьеров значительной глубины при ограниченных размерах в плане. Решение этой задачи предполагается осуществить применением в конструкции карьерных автосамосвалов комбинированной энергосиловой установки (КЭУ).
В настоящее время интерес к созданию гибридных энергосиловых установок значительно возрос: отечественными и зарубежными учеными проводятся научно-исследовательские работы, крупнейшие мировые автомобилестроительные компании не только создают опытные образцы, но уже выпускаю серийно автомобили с такими агрегатами (в основном, легковые и малотоннажные грузовые). Между тем, принцип рекуперации кинетической и потенциальной энергии с целью дальнейшего использования для движения имеет наиболее благоприятные условия для применения именно на карьерном технологическом автотранспорте, поскольку в карьере работа транспорта имеет цикличный характер со значительным периодом спуска под уклон, когда потенциальная энергия может быть запасена в аккумуляторе и использована для привода систем автосамосвала. Применение комбинированной энергосиловой установки позволило бы комплексно повысить технический уровень и технологические свойства карьерных автосамосвалов в указанных выше направлениях и применять более эффективную технологию ведения открытых горных работ.
Таким образом, необходимость комплексного повышения технических и технологических свойств карьерных автосамосвалов за счет применения комбинированных энергосиловых установок - с одной стороны, и отсутствие научной и методической базы по этому вопросу - с другой стороны делают вопрос обоснования параметров транспортирования горной массы карьерными
автосамосвалами с КЭУ, определение технологических и технических требований к ним актуальной научной задачей, имеющей важное практическое значение для проектных институтов, горных предприятий и фирм-производителей карьерных автосамосвалов.
Объект исследований - способ и процессы транспортирования горной массы на карьерах автосамосвалами с КЭУ.
Предмет изучения - взаимосвязь технологических параметров транспортирования и технических параметров карьерных автосамосвалов с КЭУ, критерии обоснования этих параметров.
Цель работы - обосновать параметры транспортирования горной массы карьерными автосамосвалами с КЭУ и технические требования к ним.
Основная идея диссертационной работы заключается в установлении и использовании зависимостей энергетических параметров транспортного цикла карьерных автосамосвалов с КЭУ от горно-технических условий для обоснования их технологических и технических параметров.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Провести оценку влияния горно-технических условий эксплуатации на энергетические параметры транспортного цикла карьерного автосамосвала.
Выбрать критерии и обосновать предпочтительные условия эксплуатации карьерных автосамосвалов с КЭУ. Обосновать области предпочтительного применения автосамосвалов с КЭУ на действующих карьерах.
Провести анализ применяемых энергосиловых установок для карьерных автосамосвалов, разработать компоновочные решения автосамосвалов с комбинированной энергосиловой установкой. Разработать технические требования на создание карьерных автосамосвалов с КЭУ.
Обосновать технологические параметры карьерных автосамосвалов с КЭУ. Разработать алгоритм выбора параметров и определения
эксплуатационных показателей карьерных автосамосвалов с КЭУ для конкретных горно-технических условий эксплуатации.
Методы исследования: анализ, синтез, метод аналогии; обобщение и анализ научно-технической литературы; численное и имитационное моделирование на ЭВМ; математический анализ; математическая статистика; технико-экономический анализ; элементы горно-геометрического анализа.
Научные положения, защищаемые автором:
Зависимость минимального средневзвешенного уклона карьерных автодорог для нормальной работы автосамосвалов с КЭУ от расстояния транспортирования носит гиперболический характер; при этом минимальный средневзвешенный уклон прямо пропорционален коэффициенту сопротивления качению дорожного покрытия, доле горизонтальных участков в общем расстоянии транспортирования, обратно пропорционален расстоянию транспортирования, коэффициенту тары автосамосвалов и эффективности работы систем автосамосвала.
Нижняя граница области предпочтительных условий применения карьерных автосамосвалов с КЭУ по средневзвешенному уклону определяется по критерию равенства запасаемой и потребляемой энергии. Предельная граница условий применения автосамосвалов с КЭУ определяется параметрами режима подзарядки накопителя энергии от основного двигателя.
Обоснованность и достоверность полученных результатов обеспечивается соответствием общепринятым положениям теории и практики открытых горных работ; базированием проводимых исследований на достоверных исходных данных, а также на основополагающих законах физики при обосновании количества выделяемой и потребляемой энергии; сходимостью полученных результатов с экспериментальными данными.
Научная новизна работы заключается в том, что:
1. На основании критерия равенства количества запасаемой и потребляемой энергии за время вспомогательных операций транспортного
цикла установлена зависимость предельного минимально необходимого средневзвешенного уклона для нормальной работы автосамосвала с КЭУ.
Обоснована область предпочтительных условий применения автосамосвалов с КЭУ по параметрам транспортирования горной массы.
Установлены аналитические зависимости эксплуатационных показателей автосамосвалов с КЭУ от горно-технических условий: производительность, среднетехническая и среднеэксплуатационная скорость, расход топлива на транспортную работу, выбросы вредных веществ с отработавшими газами.
Разработан алгоритм расчетов основных технических и технологических параметров автосамосвалов с КЭУ для конкретных горнотехнических условий карьеров.
Практическое значение работы состоит в следующем:
1. Определены технические требования на разработку карьерных
автосамосвалов с КЭУ.
2. Предложены компоновочные решения карьерных автосамосвалов с
КЭУ различной грузоподъемности.
3. Обоснована экономическая эффективность применения автосамосвалов
с КЭУ.
4. Обоснованы предпочтительные условия применения карьерных
автосамосвалов с КЭУ, а также области предпочтительного применения
автосамосвалов с КЭУ для условий конкретных карьеров.
Внедрение автосамосвалов с КЭУ позволит:
- оптимизировать форму карьера за счет возможности применения
транспортных коммуникаций с повышенными продольными уклонами;
обеспечить более высокую производительность карьерного автотранспорта;
- уменьшить загазованность рабочей зоны карьера;
- снизить в определенных условиях расход топлива карьерным
автотранспортом;
- сократить общие и приведенные затраты на транспортирование горной
массы.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее отдельные результаты обсуждены и одобрены на: Международном научном симпозиуме «Неделя горняка» (г. Москва, 2005 г., 2006 г., 2007 г.); Международной научно-практической конференции «Карьерный транспорт» (г. Жодино, Республика Беларусь, 2005 г., 2006 г., 2007 г.); Второй международной научно-практической конференции «Современное состояние и перспективы развития горнодобывающих отраслей промышленности» (г. Рудный, Республика Казахстан, 2004 г.), VIII международной научно-практической конференции «Проблемы карьерного транспорта» (г. Екатеринбург, 2005 г.), Всероссийской конференции «Проблемы и достижения автотранспортного комплекса» (г. Екатеринбург, 2005 г., 2006 г., 2007 г.); V международной научно-технической конференции Чтения памяти В.Р. Кубачека «Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности» (г. Екатеринбург, 2007 г.), I всероссийской молодежной научно-практической конференции «Проблемы недропользования» (г. Екатеринбург, 2007 г.); семинарах лаборатории транспортных систем карьеров и геотехники ИГД УрО РАН, ученом совете ИГД УрО РАН; технических совещаниях у директора НТЦ - главного конструктора ПО «БЕЛАЗ».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе монография (в соавторстве).
Реализация результатов работы. Результаты исследований послужили основой для разработки технико-экономических предложений по применению карьерных автосамосвалов с комбинированной энергосиловой установкой, выполненных совместно с ОАО Институт «Уралгипроруда» для Правительства Свердловской области.
На основании проведенных исследований подготовлены технические требования на разработку карьерного автосамосвала с КЭУ.
Автор выражает глубокую благодарность члену-корреспонденту РАН Яковлеву В.Л., д.т.н. Западинскому А.Л., к.т.н. Тарасову П.И., к.т.н. Бахтурину Ю.А., Столярову В.Ф. за постоянное внимание к работе, научно-методическую помощь, а также искреннюю признательность коллегам из лаборатории транспортных систем карьеров и геотехники ИГД УрО РАН, директору НТЦ -главному конструктору ПО "БЕЛАЗ" Егорову А.Н., заместителям главного конструктора Волоцкому Н.Д., Бигелю Н.В., начальнику конструкторского бюро общей компоновки Степук О.Г. за сотрудничество, поддержку и ценные критические замечания при выполнении работы.
Исследования в области комбинированных энергосиловых установок
Развитие карьерного автотранспорта получило значительный импульс в 60-е годы XX века, когда был построен Белорусский автомобильный завод, разработаны и изготовлены большегрузные карьерные автосамосвалы специально для открытых горных работ.
К настоящему времени достигнут значительный прогресс в области машиностроения, который может стать основой нового этапа развития горнотранспортной техники. Одним из направлений развития является применение в конструкции карьерных транспортных средств комбинированных энергосиловых установок.
Перспективным направлением в развитии карьерного автотранспорта является создание специализированного и специального автотранспорта. Под специализацией понимается конструктивные изменения автотранспорта. Специализация требует изменения большого количества узлов и агрегатов, и особенно силовой установки, к которой в современных условиях предъявляются высокие требования по экологичности, экономичности, надежности при условии обеспечения высокой производительности автосамосвала, то есть скорости и преодолеваемого уклона. Разработка и применение новых типов энергосиловых установок на карьерном автотранспорте целесообразно в том случае, если они при сохранении достигнутого уровня основных показателей эксплуатации будут иметь ряд преимуществ.
Исследованиями ряда авторов установлено, что уменьшить отрицательно воздействие перечисленных выше факторов можно применением комбинированных энергосиловых установок. Их отличительной особенность является использование эффекта рекуперации энергии. Принцип работы автосамосвал с КЭУ, предложенный в работе [10], представлен на рисунке 1.6,
Достоинством КЭУ является сокращение времени работы ГТД на частичных режимах и холостых оборотах. Система комбинированного питания с буферным источником энергии (АЭ) позволяет использовать достоинства ГТД и АЭ и в значительной мере избегать тех недостатков, которые проявляются при использовании каждого из них в отдельности. При этом объединенные в одной схеме двигатель и аккумулятор энергии работают каждый только на определенных этапах транспортного цикла, в оптимальных для этого условиях, что позволяет двигателю работать в стационарном режиме, а необходимая емкость аккумулятора энергии в несколько раз меньше, чем требуется для электромобилей.
Область применения комбинированных энергосиловых установок достаточно широка. В сфере карьерного автотранспорта достаточно глубокие исследования проводились, в основном, в направлении контактно-аккумуляторных автосамосвалов. Аналогичное направление получило распространение в сфере рудничного железнодорожного и автомобильного транспорта. В последнее время наиболее широко проводятся научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в сфере автотранспорта общего назначения (легковые и грузовые автомобили, автобусы).
Естественно, что достижения столь разнообразных исследований с одной стороны значительны, с другой стороны приводят к определенной путанице в терминологии. Так в России в XX веке сформировалось понятие комбинированной энергосиловой установки (КЭУ), как комплекса агрегатов, обеспечивающих энергией движитель транспортного средства, имеющего два и более источника энергии (это может быть как непосредственно производящий энергию двигатель внутреннего сгорания, так и накопитель энергии). В последнее время наравне с этим понятием используется термин гибридная силовая установка, означающий по сути то же самое. Его возникновение связано с широким распространением достижений зарубежных ученых и конструкторов.
Термин комбинированная (гибридная) энергосиловая установка объединяет большое количество разнообразных конструкций, у которых общим является только наличие возможности питания движителя энергией двумя и более способами. Чаще всего под этим понятием подразумеваю комбинацию: двигатель внутреннего сгорания - аккумулятор энергии. Однако даже у такой комбинации имеется множество вариантов конструкций с различными принципами действия, целями, задачами и принципами управления.
В данной работе исследуется КЭУ, включающая двигатель внутреннего сгорания (дизельный либо газотурбинный), аккумулятор энергии, электромеханическую трансмиссию. Принцип работы автосамосвала соответствует рисунку 1.6.
Современные исследования в области комбинированных энергосиловых установок получили широкое распространение и доведены до практического внедрения не только в виде экспериментальных образцов, но и серийного выпуска. Однако главным образом это относится к автотранспорту общего назначения (легковые и малотоннажные грузовые автомобили, автобусы). В основном, значительные теоретические и практические результаты в этом направлении достигнуты за рубежом: в Японии, Европе и Соединенных штатах Америки [11,12, 13]. Отечественные ученые также активно занимаются этой проблемой [14, 15,16,17,18,19,20,21,22,23,24]. Разработаны различные структуры комбинированных энергосиловых установок. Среди них можно выделить три основных типов: параллельного типа (двигатель внутреннего сгорания и накопитель энергии параллельно могут осуществлять подвод энергии к колесам), последовательного типа (двигатель не имеет прямой механической связи с колесами и передает энергию электрогенератору, от которого она направляется либо на тяговые электродвигатели колес либо в накопитель энергии) и смешанного типа.
Анализ литературы показал, что большинство разрабатываемых комбинированных энергосиловых установок строятся на двух основных принципах: минимизация работы основного двигателя внутреннего сгорания на переходных режимах и рекуперация энергии торможения автомобиля.
Моделирование транспортного цикла карьерных автосамосвалов с КЭУ
Проведены исследования энергетических параметров транспортного цикла карьерных автосамосвалов на основании установленных зависимостей для условий кимберлитовых карьеров. Структуру энергозатрат и вклад отдельных составляющих транспортного цикла карьерных автосамосвалов в общий энергетический баланс можно оценить по диаграмме накопления-потребления энергии автосамосвалом за время вспомогательных операций транспортного цикла . - наибольшие затраты энергии за время выполнения автосамосвалом вспомогательных операций транспортного цикла (движение в порожнем направлении, маневрирование при постановке под погрузку, ожидание погрузки и погрузка, запуск ДВС) необходимы на перемещение порожнего автосамосвала от места разгрузки до начала спуска; - в процессе непосредственного спуска в карьер количество запасаемой энергии, как правило, превышает количество потребляемой энергии на тяговый режим при преодолении площадок примыкания.
Далее перейдем к исследованию параметров автосамосвалов с КЭУ в различных горно-технических условиях. В первую очередь проведем расчеты для условий сборочного транспорта, смоделировав трассу в соответствии с существующими нормами и правилами.
Расчеты энергетических параметров транспортного цикла автосамосвалов с КЭУ в различных вариантах в качестве сборочного транспорта показали (таблица 2.3), что применение автосамосвалов с КЭУ в качестве сборочного транспорта технически и технологически возможно при высоте подъема горной массы более 45 м.
Проведены исследования для условий 5 кимберлитовых карьеров АК «АЛРОСА». Эти карьеры характеризуются ограниченными размерами в плане и большой глубиной. В качестве основного и единственного технологического транспорта применяются карьерные автосамосвалы. Расчеты показали, что в условиях тр. «Зарница» применение автосамосвалов с КЭУ нецелесообразно из-за значительно отрицательного энергетического баланса транспортного цикла (таблица 2.4), а на карьере тр. «Удачная» весьма эффективно (таблица 2.5).
Проведенные исследования энергетических параметров транспортного цикла карьерных автосамосвалов с КЭУ методом моделирования позволили сделать ряд выводов. Установлено, что энергетические параметры транспортного цикла определяются, главным образом, следующими горно-техническими условиями: расстоянием транспортирования, высотой подъема горной массы, средневзвешенным уклоном автодорог, долей горизонтальных участков в общем расстоянии транспортирования.
Следовательно, можно выделить 3 основных режима работы автосамосвала с КЭУ (таблица 2.6). Дать каждому режиму название, полностью описывающие его сущность проблематично, поэтому предложены краткие условные названия, отражающие степень восполнения затраченной автосамосвалом с КЭУ энергией за время вспомогательных операций транспортного цикла за счет выделяемой энергии. Подчеркнем, что режимы в данном случае носят не динамический, а статический характер, то есть за время одного транспортного цикла не может произойти переход от одного режима к другому. Предложенные режимы являются в большей мере характеристикой влияния горно-технических условий на энергетические параметры транспортного цикла карьерных автосамосвалов с КЭУ.
Анализ результатов моделирования позволяет сделать следующие выводы: 1. Количество выделяемой автосамосвалом с КЭУ энергии зависит от перепада отметок начальной и конечной точек спуска автосамосвала, протяженности спуска, доли горизонтальных участков в общем расстоянии транспортирования, сопротивления движению автосамосвала и др. Таблица 2.6 - Основные возможные режимы работы КЭУ Наименование Аккумулятор энергии Двигатель внутреннего сгорания Критерийидентификациирежима С полной компенсацией Полностью заряжается на спуске за счет выделяемой энергии Работает только в грузовом направлении. Нагрузкой является только трансмиссия и вспомогательное оборудование автосамосвала W w .рек трео С частичной компенсацией Не полностью заряжается на спуске. Дополнительная подзарядка производится от ГТД при движении автосамосвала в грузовом направлении. Работает только в грузовом направлении. Нагрузкой являются, электротрансмиссия, вспомогательное оборудование и тяговый аккумулятор энергии W +W W " рек " шрЖС — " треб Безкомпенсаци-онный Частично подзаряжается при торможении и на спуске Работает на протяжении всего транспортного цикла W W +W" треб - " рек т " хір ДВС 2. На большинстве исследованных карьеров с магистральным автотранспортом количество выделяемой при спуске автосамосвала в карьер энергии на тормозных резисторах превышает количество энергии, потребляемой автосамосвалом на тяговые режимы и питание вспомогательного оборудования за время порожних операций транспортного цикла. Условия характеризуются большими расстояниями транспортирования, значительной высотой подъема горной массы, высоким средневзвешенным уклоном автодорог, протяженностью дорог за пределами карьера до рудного склада или отвала порядка 1 км и более. 3. Возможность реализации режима с полной компенсацией в конечном итоге определяется соотношением высоты подъема горной массы и дальности транспортирования, то есть средневзвешенным уклоном. При этом область горно-технических условий, в которых реализуется данный режим, при повышении сопротивления движению автосамосвала смещается в сторону больших уклонов, а при увеличении расстояния транспортирования - в область меньших значений уклонов при прочих равных условиях, однако увеличение количества горизонтальных участков приводит к увеличению необходимого для реализации режима средневзвешенного уклона. 4. В большинстве случаев при спуске автосамосвала в карьер с уклонами съездов 80%о и коэффициентом развития трассы не более 1,2 возможная реализация движения автосамосвала за счет выделяемой энергии. Однако лимитирующими фактором являются необходимость реализации движения автосамосвала по горизонтальным дорогам на участках погрузки и разгрузки, и в меньшей степени - привод вспомогательного оборудования во время погрузки и пуска двигателя.
Обоснование параметров двигателя внутреннего сгорания
Обоснование параметров двигателя внутреннего сгорания (ДВС) карьерного автосамосвала с КЭУ базируется на следующих принципах: - ДВС должен иметь по возможности меньшую массу, по сравнению с применяемым, при более высокой или той же мощности для компенсации повышения массы автосамосвала за счет установки аккумулятора энергии; - удельная мощность автосамосвала должна быть выше или, по крайней мере, такой же, как у существующих моделей автосамосвалов; - топливная экономичность должна быть не хуже, чем у существующих образцов автосамосвалов; - габариты ДВС должны позволять разместить в моторном отсеке аккумулятор энергии; - автосамосвалы с КЭУ должны создаваться на базе существующих моделей карьерных автосамосвалов с минимумом изменений конструкции.
Применение дизельных двигателей повышенной мощности приведет к увеличению собственной массы автосамосвала и коэффициента тары при незначительном увеличении производительности самосвала. Поэтому применение их в КЭУ целесообразно в существующих горно-технических условиях на действующих карьерах без увеличения удельной мощности автосамосвала. При этом с целью минимизации коэффициента тары автосамосвала необходимо стремиться к минимизации массы, и следовательно, энергоемкости АЭ.
Существующие модели газотурбинных двигателей (ГТД) обладают более высокой удельной мощностью, меньшими массогабаритными показателями, чем дизельные двигатели. Они имеют в десятки раз меньший уровень токсичности отработавших газов. Однако ГТД обладают рядом недостатков: высоким расходом топлива, ухудшением показателей на переходных режимах и в условиях жаркого климата. Их применение позволяет повысить удельную мощность автосамосвала без потери грузоподъемности или увеличения коэффициента тары.
Газотурбинная тяга в настоящее время применяется главным образом на транспорте с установившимися режимами работы силовой установки и в стационарных установках. Это объясняется наличием негативных факторов при работе ГТД на переходных и частичных режимах. Также ГТД имеют пониженный КПД при высоких температурах окружающей среды и при разреженном воздухе. По эти причинам их применение на наземном транспорте ограничено.
Тем не менее, интерес к этому виду силовых установок уже в течение нескольких десятков лет имеется у специалистов различных видов транспорта. В частности обширные исследования проводились в XX веке по созданию ГТД для автомобильного транспорта. До настоящего времени специалисты железнодорожного транспорта предрекают большие перспективы газотурбинной тяге на магистральных перевозках [24]. Так, Институтом ВНИИЖТ проводятся работы по созданию маневрового локомотива с комбинированной энергосиловой установкой, состоящей из специально спроектированного для этих условий газотурбинного двигателя с повышенным КПД (производитель - ММПП «Салют») и суперконденсаторного накопителя энергии (производитель - МНПО «Эконд») [120].
Анализ параметров газотурбинных двигателей отечественного и зарубежного производства [121, 122, 123, 124] показал, что существует большое разнообразие их конструкций по назначению и исполнению, имеющие достаточно высокий КПД и относительно низкий расход топлива. Однако большинство предназначены для силовых установок с установившимся режимом работы: морской транспорт, авиатранспорт, железнодорожный транспорт. Единственным серийно выпускаемым ГТД для наземного транспорта в России является ГТД-1250. Несмотря на малые массогабаритные показатели, наличие системы управления, обеспечивающей хорошую приемистость (особенно по сравнению с другими ГТД) при относительно невысоком расходе топлива он значительно проигрывает по топливной экономичности дизельным двигателям и непригоден для применения на карьерном автотранспорте в качестве одиночного силового агрегата. Аналогичные выводы сделаны относительно других рассмотренных ГТД. Наименьшим расходом топлива характеризуются ГТД со сложным термодинамическим циклом (наличие подогрева подаваемого в камеру сгорания воздуха, промежуточного охлаждения и др.). Их топливная экономичность близка к современным ДД.
В технической литературе приводятся данные об испытаниях, проведенных за рубежом в 70-е годы прошлого века карьерных автосамосвалов с турбоэлектрической энергосиловой установкой. Они показали, что автосамосвалы с ГТД имеют ряд преимуществ: лучшие тягово-динамические качества, более высокая производительность, повышенный коэффициент использования по времени (на 10-15%), меньшая трудоемкость обслуживания в эксплуатации (на 30-35%) [125]. Однако существенным недостатком ГТД являются повышенные затраты на ГСМ (до 45% выше, чем у дизельных двигателей).
Исследования также показали, что производительность турбоэлектрических карьерных автосамосвалов выше, чем дизель-электрических той же грузоподъемности [126]. Эта разница увеличивается с ростом грузоподъемности автосамосвала и глубины карьера. Тем не менее, значительное отрицательное влияние на производительность оказывает температура окружающего воздуха и атмосферное давление, определяющие эффективную мощность ГТД. Так, изменение температуры с +8С до +31 С вызывает снижение производительности на 8%, наоборот падение температуры на 10С (с +8С до -2С) вызывает прирост мощности на 2%.
Топливная экономичность
При выборе методики определения топливной экономичности карьерных автосамосвалов был проанализирован ряд существующих подходов, что позволило сделать вывод об их непригодности для целей исследования. Одни отличаются сложностью и трудоемкостью расчетов, другие высокими требованиями к качеству исходной информации, третьи неудовлетворительной точностью из-за чрезмерного упрощения процессов в математической модели.
Поэтому была разработана специальная математическая модель для исследования топливной экономичности карьерных автосамосвалов с КЭУ. За основу при выводе уравнений были приняты исходные зависимости, содержащиеся в работах [8, 36, 80, 82, 86, 90].
Поскольку вся совокупность горно-технических условий в случае применения автосамосвала с КЭУ делится на три области, определяющие три основных режима работы автосамосвала (с полной, частичной компенсацией и безкомпенсационный), для каждого режима работы автосамосвала с КЭУ должна быть определена топливная экономичность в зависимости от горнотехнических условий.
Проведено сравнение топливной экономичности при применении различных газотурбинных двигателей в одинаковых условиях при расстоянии транспортирования 2 км в зависимости от высоты подъема горной массы (рис. 10). Установлено, что наиболее приемлем по критерию минимальных затрат топлива на транспортную работу вариант с перспективным двигателем ГТУ-1Т благодаря особенностям характеристики топливной экономичности двигателя.
На основании установленных зависимостей проведены исследования топливной экономичности автосамосвалов с КЭУ с различными газотурбинными двигателями в различных горно-технических условиях (рис. 4.10). Результаты показали, что на топливную экономичность оказывают влияние не только номинальные характеристики двигателя, но и вид , конструктивной топливной характеристики.
Существующие газотурбинные двигатели в основном имеют зависимость удельного расхода топлива от мощности либо в виде убывающей кривой, либо в виде вогнутой кривой, имеющей участки убывания и возрастания. Соотнесение данных заключений с режимами работы автосамосвалов с КЭУ позволило сделать следующие выводы: - применение газотурбинных двигателей с убывающей топливной характеристикой целесообразно в условиях работы автосамосвала с КЭУ на режиме с полной рекуперацией (то есть в оптимальных для КЭУ горнотехнических условиях); - применение газотурбинных двигателей с вогнутой убывающе-возрастающей топливной характеристикой целесообразно при применении автосамосвалов с КЭУ на режимах с частичной рекуперацией и безрекуперативном.
Расход топлива карьерного автосамосвала не только определяет экономичность данного вида транспорта, но и в определенной степени влияет на количество выделяемых вредных веществ с отработавшими газами. Оценка экологичности нового вида транспорта также является одной из основных задач при обосновании параметров новых транспортных средств.
Обширные исследования, проведенные в направлении нормализации атмосферы карьеров [135, 136, 137, 138], показали, что затраты на проветривание карьеров значительны, требуют создания технически сложных и дорогостоящих вентиляционных установок, и как правило не оправданы экономически и требуют значительных энергетических затрат [136]. Ill
Не менее остро стоит проблема критической близости карьера к жилой застройке, либо другим объектам, имеющим большую хозяйственную ценность, что не позволяет увеличивать размеры карьера в плане. Поэтому остро встает проблема повышение уклона транспортных коммуникаций для увеличения глубины ввода технологического транспорта.
Как было указано выше, применение в конструкции автосамосвалов с КЭУ газотурбинного двигателя позволяет сократить выброс вредных веществ с отработавшими газами (ОГ) за счет меньшей токсичности выбросов самого ГТД. Тем не менее, данное заключение, на первый взгляд очевидное, должно быть подтверждено расчетами. Так можно предположить, что за счет более высокого расхода воздуха и удельного расхода топлива суммарный выброс вредных веществ от ГТД, учитывая тяжелые нагрузки на силовую установку карьерного автосамосвала, будет не меньше и даже больше, чем у дизельного автосамосвала. К тому же в конструкции автосамосвалов с КЭУ планируется применять более мощные ГТД, что неуклонно вызовет повышение валового, выброса отработавших газов по сравнению с менее мощными двигателями.
Задача сравнения выбросов вредных веществ с ОГ в данном случае имеет особенность: необходимо оценить не только сокращение выбросов за счет снижения токсичности ОГ, но и учесть сокращение транспортной работы карьерным автотранспортом на карьере при переходе на автосамосвалы с КЭУ за счет сокращения вскрыши при применении транспортных съездов с более высокими продольными уклонами.
Поэтому на основе существующих методик [8, 139, 140] был разработан специальный алгоритм сравнения количества выбрасываемых с отработавшими газами вредных веществ карьерными автосамосвалами с КЭУ. Сокращение объемов вскрыши оценивалось в соответствии с методикой, приведенной в [9].
Проведены расчеты выбросов вредных веществ автосамосвалами за весь срок отработки карьера. При этом интенсивность выбросов вредных веществ принималась средней: для автосамосвала с КЭУ - по результатам моделирования (табл. 4.4), для дизель-электрического автосамосвала - по данным завода-изготовителя дизельных двигателей 8ДМ-21АМ (ООО «УДМЗ) и усредненному испытательному циклу разработанному и согласованному совместно ПО «БелАЗ» и 000 «УДМЗ» для испытания двигателей 000 «УДМЗ» на токсичность отработавших газов [141]. За базовую модель принят автосамосвал БелАЗ-7512. Характеристики сравниваемых автосамосвалов соответствуют таблице 3.
Расчеты проводились для различной глубины карьера с целью выявления зависимости между суммарного выброса вредных веществ с отработавшими газами и глубиной карьера, а также оценки влияния уклона карьерных автодорог на сокращение землеотвода под карьер и отвалы. При этом отдельно рассчитывалось сокращение выбросов по за счет снижения токсичности ОГ и за счет сокращения транспортной работы при сокращении объема вскрыши (таблица 4.5).
Установлена взаимосвязь сокращения выбросов вредных веществ в атмосферу карьера с глубиной карьера, а также сокращения площади, занимаемой карьером и отвалами, от глубины карьера при замене дизель-электрических автосамосвалов на автосамосвалы с КЭУ (рис. 4.4,4.5,4.6).
