Технические вопросы разработки карьерных автосамосвалов с комбинированной энергосиловой установкой

- © А.Г. Журавлев, 2008

УДК 622.684:629.114.42 А.Г. Журавлев

ТЕХНИЧЕКИЕ ВОПРОСЫ РАЗРАБОТКИ КАРЬЕРНЫХ АВТОСАМОСВАЛОВ С КОМБИНИРОВАННОЙ ЭНЕРГОСИЛОВОЙ УСТАНОВКОЙ

Улучшение технико-экономических показателей карьерного автотранспорта всегда имело большое значение и является целью большинства исследований в этой области. В качестве одного из решений данного вопроса специалистами ИГД УрО РАН предложена идея использования в карьерном автотранспорте автосамосвалов с комбинированной энергосиловой установкой (КЭУ). Согласно [1, 2] предлагается использовать энергию, рассеиваемую в тормозных устройствах для питания систем и тягового привода автосамосвала во время вспомогательных операций транспортного цикла. С этой целью в состав энергосиловой установки вводится дополнительный силовой агрегат - аккумулятор энергии (АЭ), который накапливает энергию, поставляемую от тормозных устройств. АЭ, кроме того, может воспринимать нагрузку от основного двигателя (двигателя внутреннего сгорания (ДВС)) при движении автосамосвала с грузом на горизонтальных участках автодороги, когда он «недогружен», таким образом минимизируется время работы ДВС на частичных нагрузках. Это позволяет использовать в составе комбинированной энергосиловой установки карьерного автосамосвала газотурбинный двигатель (ГТД), одним из основных недостатков которого (устраняемых при данной схеме) является высокий удельный расход топлива на частичных режимах.

В основе преимуществ, которые обеспечиваются при применении комбинированной энергосиловой установки в конструкции карьерных автосамосвалов, лежит совмещение процессов подъема горной массы и накопления потенциальной энергии автосамосвалом (рисунок). Безусловно, оно имеет место при работе на карьере любых автосамосвалов, транспортирующих

239

Использование совмещения процессов при применении автосамосвала с КЭУ: Еп - потенциальная энергия автосамосвала; Ек - кинетическая энергия автосамосвала; Апол - полезная работа по подъему горной массы; ШАЭ - энергия аккумулятора энергии; Аторм - энергия, рассеиваемая в тормозных устройствах в виде тепла

горную массу снизу вверх. Однако при существующих конструкциях энергосиловых установок карьерных автосамосвалов запасаемая ими энергия практически не используется, большая же часть этой энергии рассеивается в виде тепла в тормозных устройствах.

Вопрос применения карьерных автосамосвалов с КЭУ включает два направления: исследование технологической целесообразности и обоснование технической возможности их создания. Исследования [1, 3] показывают, что горнотехнические условия работы карьерного автотранспорта позволяют применять автосамосвалы с КЭУ, при этом повышаются технико-экономические показатели карьерного автотранспорта. Особенно эффективны они в глубоких карьерах, характеризующихся ограниченными размерами в плане.

Пожалуй, наиболее острая проблема в настоящее время - это решение технических аспектов создания автосамосвалов с КЭУ, в частности, обоснование технических требований к ним. Последнее должно базироваться на исследовании технологических особенностей применения автосамосвалов с КЭУ и связано с решением следующих вопросов.

Аккумулятор энергии должен согласоваться по типу входной и выходной энергии с энергетическими потоками в трансмиссии автосамосвала для того, чтобы исключить многостадийное преобразование энергии, что снижает КПД установки. Существующие типы трансмиссий обусловлены опытом проектирования и эксплуатации карьерных автосамосвалов, поэтому применение других их типов нецелесообразно. Анализ показал, что наиболее целесообразно использование в качестве базы для построения КЭУ электромеханической трансмиссии.

Двигатель внутреннего сгорания является основным источником энергии автосамосвала и определяет его динамику, производительность, топливную экономичность, надежность, в определенной степени, преодолеваемый уклон [4]. 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;

241

- 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 ма--согабаритными показателями, чем дизельные двигатели. Они имеют в десятки раз меньший уровень токсичности отработавших газов. Их применение позволяет повысить удельную мощность автосамосвала без потери грузоподъемности или увеличения коэффициента тары. Однако ГТД обладают рядом недостатков: высоким расходом топлива, ухудшением показателей на переходных режимах и в условиях жаркого климата.

Сравнительные характеристики и области применения рассмотренных выше ДВС приведены в табл. 1.

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

242

Таблица 1

Сравнительные характеристики и области применения ДВС

Тип ДВС Характеристики* Требования Область применения

Дизельный двигатель Nw = 120 - 150 кВт/т Ууд = 0,03- м3/кВт П = 36 - 46 ge = 210 - 220 г/кВтч Ф = 580-1100 у.г/кВтч Сохранение удельной мощности автосамосвала. Наличие АЭ малой энергоемкости Небольшая дальность транспортирования. Условия умеренного и жаркого климата

Газотурбинный двигатель Nуд = 310 - 530 кВт/т Ууд=0,022-0,033м3/кВт П = 24 - 34 ge = 315 - 430 г/кВт ч Ф = 94 - 180 у.г/кВтч Повышение удельной мощности автосамосвала. Наличие АЭ большой энергоемкости Большая дальность транспортирования. Условия холодного и умеренного климата

ГТД с рекуператором тепла отработавших газов Nуд = 230 - 260 кВт/т Ууд= 0,041-0,074м3/кВт п = 36 - 42 ge = 220 - 235 г/кВт-ч Ф = 90 - 170 у.г/кВтч

* включая все системы обеспечения работоспособности ДВС и тяговый генератор.

Ыуд - удельная мощность; Ууд - удельный объем; ф - удельный выброс вредных веществ с отработавшими газами в условных граммах на киловатт; п - термический КПД; gе - номинальный удельный эффективный расход топлива

ы

43

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 ХХ веке по созданию ГТД для автомо-бильного транспорта. До настоящего времени специалисты железнодорожного транспорта предрекают большие перспективы газотурбинной тяге на магистральных перевозках [5]. 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») [6].

Анализ параметров газотурбинных двигателей отечественного и зарубежного производства [7, 8, 9, 10] 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. 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, меньшая трудоемкость обслуживания в эксплуатации». Однако существенным недостатком ГТД являются повышенные затраты на ГСМ.

В настоящее время специалисты ИГД УрО РАН исследуют возможность применения в конструкции КЭУ карьерных автосамосвалов двух конструкций газотурбинных двигателей с рекуператором тепла отработавших газов, разрабатываемых ФГУП ММПП «Салют» и ОАО «Климов». Предоставленные специалистами этих предприятий данные говорят о том, что топливная экономичность этих ГТД будет близка к топливной экономичности дизельных двигателей.

244

Второй важной задачей при создании КЭУ является выбор аккумулятора энергии. Сравнительные характеристики накопителей энергии, которые имеют наибольшие перспективы применения в составе КЭУ карьерных автосамосвалов, приведены в табл. 2.

Среди особенностей стоит отметить отсутствие у какого-либо из накопителей энергии высоких показателей по всем основным параметрам. Так, высокая энергоемкость сопровождается невысокой мощностью либо малым ресурсом и т. д.

Электрохимический конденсатор (ЭХК), часто называемый суперконденсатором, представляет собой конденсатор большой емкости, в котором обкладками являются слои заряженных частиц, возникающие на разделе сред электрода и электролита. Возможность применения суперконденсаторов в составе КЭУ легковых, грузовых автомобилей и автобусов подтверждена экспериментально [11]

Инерционный аккумулятор представляет собой маховик, накапливающий энергию в виде кинетической энергии вращения. Имеется значительный научно-технический задел в области ИА. Тем не менее, в настоящее время они применяются главным образом в стационарных установках, например, в метрополитене. Имеется опыт применения их на рудничном железнодорожном транспорте [12], а также в установках специального назначения [13]. Основные недостатки, ограничивающие их применение, это негативное влияние гироскопических моментов и сложность обеспечения безопасности, учитывая возможность разрыва вращающегося маховика.

Уровень максимальной энергоемкости аккумулятора энергии ограничен для конкретного типа автосамосвала. Учитывая, что создание автосамосвалов с КЭУ на современном этапе целесообразно на базе дизель-электрических автосамосвалов путем замены дизельного двигателя на ГТД и дополнительно установкой АЭ при соответствующей доработке системы регулирования тягового электропривода, можно расчетным методом определить примерные значения максимально возможной энергоемкости АЭ для различных моделей карьерных автосамосвалов, а также соответствующий запас хода автосамосвала с КЭУ при питании от АЭ (табл. 3).

245

4 Таблица 2

Характеристики накопителей энергии различного типа

Тип накопителя Энерго- Мощ- Максим. На- Масса, Объем, Ресурс, Удельная Удельная

ем-кость, ность, ток, пряж., кг дм3 циклов энергоем- мощ-

кДж кВт А В заряд- кость, ность,

разряд кДж/кг кВт/кг

Суперконденсаторные

ИКЭ 70/36 (ЭКОНД) 71,3 144 4000 36 40 21,2 1 млн. 1,78 3,6

ИКЭ 90/300 (ЭКОНД) 90 300 1000 300 38 23,7 1 млн. 2,37 7,9

ЭК303 (ЭСМА) 76,8 3,2 2000 1,6 2,5 1,68 1 млн. 30,72 1,3

ЭК402 (ЭСМА) 1 ^ Л) 11,2 1,9 1267 1,5 1,1 0,55 1 млн. 10,18 1,7

ЭК501 (ЭСМА) Асимм ричны 6,7 1,9 1267 1,5 0,9 0,39 1 млн. 7,44 2,1

ЭК35ХХ (ЭСМА) 6,7 2,8 1867 1,5 0,9 0,39 1 млн. 7,44 3,1

Электролитические АКБ

20НКМ-30 (УЭХК) 1296 6,2/12,4* 300/600* 24 21,8 41 2000 59,44 0,28/0,56*

КЬ250Р (Саратов) 540 0,052 50 1,2 12 7 2000 45 0,0043

КН220Р (Саратов) 475 0,057 55 1,2 18 11 2000 26,4 0,0032

Инерционные

Инерционный электромеханический аккумулятор КБ «МОТОР» [13] 83,1-103 200 Н.д. Н.д. 2416 23/30** Не ограничено 34,4 0,083

Инерционный аккумуля-

тор с 2-мя противовра-щающимися супермахо- 140 103 225 - - 1013 1407 Не ограничено 138 0,222

виками [3]

Примечания: * - в знаменателе - максимальные кратковременные (до 15 сек) характеристики ** - габаритный объем, вычисленный по габаритным размерам.

Таблица 3

Максимальная конструктивная энергоемкость АЭ и запас хода автосамосвала с КЭ У с ГТД при питании от АЭ

Грузоподъ- Базовая модель авто- Максимальная энергоемкость АЭ, МДж Максимальное суммарное расстояние, км

СК ИА1 ИА2 АКБ СК ИА1 ИА2 АКБ

80 БелАЗ-7549 115 80 10 6 385 256 87 62 3,4 2,3 0,2 0,1 11,4 7,5 2.7 1.8

120 БелАЗ-7514 166 132 14 11 555 425 128 103 3,8 3,0 0,3 0,2 12,7 9,7 3,0 2,3

130-136 БелАЗ-7513 169 115 15 10 565 370 136 90 3,6 2,4 0,2 0,1 12,2 8,0 2,9 1,9

220 БелАЗ-7530 275 216 27 21 1032 811 250 196 3,9 3,1 0,3 0,2 15,1 11,8 3,6 2,8

320 БелАЗ-7560 382 271 33 23 1276 874 309 211 4,0 2,8 0,2 0,1 13,7 9,3 3,2 2,1

Примечания: в числителе - энергоемкость при установке ГТД без рекуператора, в знаменателе - при установке ГТД с рекуператором; СК - суперконденсатор, ИА1 - инерционный аккумулятор конструкции КБ «МОТОР» [13], ИА2 - инерционный аккумулятор с 2-мя супермаховиками [3], АКБ - электролитическая аккумуляторная батарея

Из табл. 3 видно, что параметры ряда существующих накопителей энергии могут обеспечить необходимый запас энергии для выполнения вспомогательных операций транспортного цикла в составе КЭУ, при этом энергоемкость и запас хода автосамосвала при питании от АЭ значительны и позволяют использовать их даже в сложных горно-технических условиях со значительным плечом откатки по горизонтальным дорогам.

Особое место занимает вопрос обеспечения безопасности при использовании автосамосвалов на повышенных уклонах (до 16 % на отдельных участках при средневзвешенном уклоне 12 %). С этой целью были проведены исследования, анализ существующих тормозных систем и установлено следующее. Рабочая тормозная система карьерных автосамосвалов, конструктивно выполненная в виде дисковых тормозов, способна при незначительной доработке обеспечить необходимую эффективность. Вспомогательная тормозная система, представляющая собой систему электродинамического торможения, организованную с помощью перевода тяговых электродвигателей трансмиссии в генераторный режим, в настоящее время имеет высокую эффективность. Тем не менее, учитывая, что система электродинамического торможения для автосамосвала с КЭУ является постоянно действующей основной тормозной системой, обеспечивающей рекуперацию энергии, она должная быть усовершенствована в направлении повышения тормозных усилий при высоком коэффициенте полезного действия в широком диапазоне скоростей.

Для обеспечения аварийного торможения автосамосвала на высоких уклонах в случае выхода из строя рабочей и вспомогательной тормозных систем целесообразно разработать аварийную тормозную систему. Были выполнены проработки такой тормозной системы и предложен принцип ее работы. В случае необходимости быстрой остановки автосамосвала используется специальные подвижные «башмаки», перемещаемые при торможении в зону контакта колесо-дорога и обеспечивающие более эффективное трение типа профилированный металл - дорога. На предложенную конструкцию специалистами ИГД УрО РАН получен патент на изобретение № 2286895 от 10.11.2005.

Проведенные специалистами ИГД УрО РАН исследования по карьерным автосамосвалам с КЭУ позволяют говорить о перспек-

248

тивности данного вида карьерных автосамосвалов. Подготовленные предложения по их применению, а также технические решения общего плана (технические требования, компоновочные решения и др.) являются существенной базой для создания автосамосвалов с КЭУ. Тем не менее, для решения этой проблемы необходима консолидация сил специалистов различных отраслей (ученых-горняков, проектировщиков горных предприятий, предприятий-изготовителей карьерных автосамосвалов, специалистов-практиков горнодобывающей отрасли). В ближайшей перспективе требуют решения следующие задачи:

1. Создание экономичного газотурбинного двигателя, пригодного для эксплуатации в сложных условиях карьерного автотранспорта.

2. Разработка тягового электропривода для работы в составе комбинированной энергосиловой установки.

3. Разработка компоновочных решений автосамосвалов с КЭУ.

4. Минимизация повышения стоимости автосамосвала с КЭУ по сравнению с базовыми образцами автосамосвалов.

5. Решение вопросов финансирования проекта.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Тарасов П.И. Исследование влияния горнотехнических факторов на расход топлива карьерным автотранспортом [Текст]: дис. ... канд. техн. наук / П.И. Тарасов; ИГД МЧМ СССР. - Свердловск, 1982. - 238 с.

2. Яковлев В.Л. О возможности создания карьерных автосамосвалов с комбинированной энергосиловой установкой [Текст] / В. Л. Яковлев, П.И. Тарасов // Горный журнал. - 2004. - Специальный выпуск к № 8. - С. 78-80.

3. Журавлев А.Г. Обоснование параметров транспортирования горной массы карьерными автосамосвалами с комбинированной энергосиловой установкой [Текст]: дис. ... канд. техн. наук / А.Г. Журавлев; ИГД УрО РАН. - Екатеринбург, 2007. - 179 с.

4. Егоров А.Н. Силовые агрегаты карьерных автосамосвалов [Текст] / А.Н. Егоров, В.Т. Войтов // Горный журнал. - 2004. - Специальный выпуск к № 8. - С. 75-77.

5. Коссов В.С. Газотурбинная тяга: история и перспективы [Текст] / В.С. Ко-сов, З.И. Нестеров // Локомотив. - 2005. - № 3. - С. 39-41; № 4. - С. 37-40; № 5. -С. 37-40.

6. Логинов А. Перспективный локомотив [Электронный ресурс] / А. Логинов // Гудок: газета. - 2005. - 26.04. - Режим доступа: http://www.gudok.ru/index.php/print/24744. - (17.10.2006).

7. Diesel and gas turbine worldwide catalog [ТеХ]. - Brookfield: Diesel & Gas Turbine Publications, 1999. - 1060 p.

249

8. Каталог продукции ОАО «Климов» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://klimov.ru. - (11.05.2007).

9. Каталог продукции ММПП «Салют» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.salut.ru/Section.php? SectionId=4. - (13.06.2007).

10. Дизельные и газовые двигатели [Текст]: каталог. - СПб.: ЦНИДИ, 2003. -

219 с.

11. Application of ultracapacitors as traction energy sources [Тех^ / I. N. Varakin et al // Thesis of 7th International Seminar on Double Lauer Capacitors and Similar Energy Storage Devices, December 8-10, 1997. - Florida: Deerfield Beach, 1997. - P. 87 - 91.

12. Гулиа Н.В. Маховичные двигатели [Текст] / Н. В. Гулиа. - М.: Машиностроение, 1976. - 172 с.

13. Тверитин А.В. Перспективы применения аккумуляторов кинетической энергии на карьерном автомобильном транспорте [Текст] / А. В. Тверитин // Энергосбережение на карьерном автомобильном транспорте: материалы междунар. на-уч.-техн. семинара, 24-26 июля 2003 г. - Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2003. - С. 39-43. ЕШ

— Коротко об авторе -

Журавлев А.Г. - к.т.н., ИГД УрО РАН.

© А.М. Сайкин, 2008

УДК 622.001.89:622.68

250