文/胡智君（安徽銅冠機械股份有限公司）

長期以來，柴油井下鏟運機由于其機動靈活，應用很廣。但隨著礦山開采深度的增加，井下柴油鏟運機排出的有害廢氣嚴重污染井下作業(yè)環(huán)境。為了解決此問題，我國從20 世紀70 年代末期開始自行研制拖曳電纜供電的電動鏟運機。拖曳電纜供電的井下電動鏟運機雖然解決了柴油鏟運機尾氣污染問題，但又帶來了兩個新問題：一是由于拖曳電纜的限制，電動鏟運機的機動性和活動范圍比柴油鏟運機差；二是增加了卷纜裝置、電纜和供電裝置，加大了投入和維護成本。采用蓄電池式的井下電動鏟運機可以解決這一問題。蓄電池式井下電動鏟運機不會產(chǎn)生有害廢氣，其運行過程中產(chǎn)生的熱量相對于柴油鏟運機來說可以忽略不計，機動性也不亞于柴油井下鏟運機，因此井下鏟運機動力的電力化是未來的發(fā)展方向。

作為蓄電池式井下鏟運機唯一動力來源——蓄電池，它的容量直接決定蓄電池式井下鏟運機有效工作時間和成本，因此必須首先確定其容量。確定容量需從鏟運機各工況功率需求入手，確定各工況能量需求，再根據(jù)工作模式進行計算。

一、井下鏟運機各工況功率需求

1.蓄電池式井下鏟運機性能要求

斗容3 m3，電機85 kW，額定載重量6000 kg，操作重量17000 kg，連續(xù)工作時間≥6 h，電池壽命≥3000 次（25℃）。

2.鏟運機的基本工況

井下鏟運機在井下巷道內(nèi)通過鏟裝、運輸、卸載等過程完成礦石的搬運工作。其典型五個運行工況：以一檔速度插入料堆或聯(lián)合鏟裝并轉(zhuǎn)斗；后退轉(zhuǎn)向；滿載運輸至卸料點；舉升工作臂、轉(zhuǎn)斗卸料、工作臂下降收斗；轉(zhuǎn)向空載返回進入下一個工作循環(huán)。

3.井下鏟運機各工況功率需求

井下鏟運機不同運行工況對功率的需求是不同的，要確定功率需求就必須確定各運行工況下井下鏟運機的功率需求。插入，滿載運輸，舉升工作臂、轉(zhuǎn)斗卸料、工作臂下降收斗，空載返回為主要工況，其他工況功率需求很小，可忽略不計。

（1）插入工況的功率需求。井下鏟運機在插入料堆裝載時，由于受插入阻力的影響，功率NC最大，其值可按下式計算[1,2]。

式中，k為考慮其他阻力的影響系數(shù)，其值為1.2～1.5；Fcmax為最大插入阻力；G為井下鏟運機操作重量；η為動力傳動系統(tǒng)總效率，η=0.8；Vcmax為井下鏟運機插入速度；∑NY為變速泵重載、冷卻泵、轉(zhuǎn)向泵和工作油泵空載液壓系統(tǒng)消耗功率總和。

式中，φ為附著系數(shù)，其值為0.6～0.65。

式中Pi為油泵輸出壓力；qi為油泵流量；ηi為油泵效率，其值為0.75～0.85。

（2）行駛工況的功率需求。行駛工況分為滿載運輸和空載返回。井下鏟運機以最大行駛速度運輸時的運輸工況功率為NY。

式中FYmax為井下鏟運機最高速度運行時驅(qū)動力。

式中f為滾動阻力系數(shù)，其值為0.3～0.4；vYmax為井下鏟運機最高速度；δ為滑轉(zhuǎn)率，其值為0.2。

（3）舉升工作臂、轉(zhuǎn)斗卸料、工作臂下降收斗的功率需求。此類功率需求NY按下式計算。

式中，F(xiàn)為額定載荷；v為運行速度；η為系統(tǒng)效率，取0.75。

二、蓄電池式井下鏟運機功率計算

1.蓄電池式井下鏟運機運行基本條件

運輸距離200m，額定載荷60kN，操作重量190kN，空載行駛速度（三檔）3.14m/s，滿載行駛速度（一檔）0.61m/s,滿載行駛速度（二檔）2.15 m/s，工作臂舉升6.6s,工作臂下降4.7s，轉(zhuǎn)（翻）斗 2s，插入料堆 0.1s。

2.井下鏟運機各工況功率計算

（1）插入工況的功率計算。3m3蓄電池式井下鏟運機電機轉(zhuǎn)速1500r/min，工作泵排量58mL/r，制動油泵排量23 mL/r，轉(zhuǎn)向油泵排量44mL/r，空載壓力0.3 MPa，變速泵重載消耗功率為5.3kW，根據(jù)公式（3），變速泵重載、冷卻泵、轉(zhuǎn)向泵和工作油泵空載液壓系統(tǒng)消耗功率的總和為

代入公式（1），得到插入工況的功率NC。

（2）行駛工況功率需求。水平路面，滿載按一檔、二檔速度分別計算其功率需求，將各參數(shù)代入公式（4）。

水平路面，空載三檔速度功率需求NX3檔=25.36kW。

（3）舉升工作臂、轉(zhuǎn)斗卸料、工作臂下降收斗工況的功率計算。工作臂舉升高度為1.5m，舉升時間6.6 s，額定載荷75 kN，代入公式（6），則所需功率工作臂下降高度為1.5m，下降時間4.7s，額定載荷15kN，所需功率NY2=6.38kW。轉(zhuǎn)斗行程為0.315m，轉(zhuǎn)斗時間2s，所需功率NY3=15.75kW。

三、蓄電池式井下鏟運機電池容量計算

1.單個工作循環(huán)能量需求

運輸距離200m，依照下式計算。

式中，N為功率，t為時間。

（2）行駛工況能量需求。分為兩種情況。

空載三檔、重載二檔速度能量需求E3=1.11 kW·h。

（3）舉升工作臂、轉(zhuǎn)斗卸料、工作臂下降收斗工況能量需求。需組合計算。

2.不同工作模式組合時蓄電池容量計算

按照下式計算。

式中E為單個工作循環(huán)能量需求，N為鏟運機工作循環(huán)次數(shù)，η為系統(tǒng)效率，值為0.8。

（1）空載三檔、重載一檔速度運行。工作循環(huán)時間

（2）空載三檔、重載二檔速度運行。工作循環(huán)時間

工作6h，電池容量C6=183.85 kW·h，工作8h，電池容量C8=245.14 kW·h。

四、結(jié)論

目前美國GE 公司生產(chǎn)的斗容2.7 m3鏟運機電池電容為214 kW·h，斗容3.1 m3鏟運機電池電容為239kW·h，該方法計算結(jié)果與國外同類產(chǎn)品蓄電池容量吻合。