張秋園，王忠鑫，趙 明

（1.內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 元寶山露天煤礦，內(nèi)蒙古 赤峰 024070；2.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110015）

隨著國(guó)家層面雙碳目標(biāo)的提出，各行業(yè)積極履行國(guó)家戰(zhàn)略，實(shí)施綠色、環(huán)保、低碳發(fā)展道路。實(shí)現(xiàn)碳減排是露天礦山企業(yè)綠色低碳發(fā)展必經(jīng)之路，是履行社會(huì)責(zé)任，積極應(yīng)對(duì)氣候變化的內(nèi)在要求。由于卡車(chē)運(yùn)輸具有機(jī)動(dòng)靈活、工況適應(yīng)性強(qiáng)、運(yùn)輸系統(tǒng)建設(shè)周期短等特點(diǎn)，一直以來(lái)是我國(guó)露天礦運(yùn)輸?shù)闹鲗?dǎo)方式，每年由卡車(chē)完成的礦巖運(yùn)輸量約占全國(guó)露天礦采剝總量的85%以上[1]。露天礦自卸卡車(chē)類(lèi)型主要為燃油礦卡，礦卡柴油消耗的尾氣排放是礦山企業(yè)碳排放量的主要來(lái)源。改變礦卡能源消耗模式，采用雙能源卡車(chē)，減少柴油消耗，增加電能消耗，是降低露天礦碳排放的重要途徑。

雙能源卡車(chē)運(yùn)輸系統(tǒng)是用于傳統(tǒng)卡車(chē)的新型動(dòng)力系統(tǒng)，該系統(tǒng)是傳統(tǒng)卡車(chē)經(jīng)過(guò)技術(shù)改造后，與建設(shè)在礦山道路上架線輔助供電系統(tǒng)相配合，由傳統(tǒng)燃油驅(qū)動(dòng)方式轉(zhuǎn)變?yōu)橐噪娏︱?qū)動(dòng)方式為主，兼燃油驅(qū)動(dòng)為輔的雙驅(qū)動(dòng)卡車(chē)運(yùn)輸系統(tǒng)。針對(duì)雙能源卡車(chē)的研究包括架線輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)[2-3]；雙能源卡車(chē)適應(yīng)性評(píng)價(jià)[4-5]；應(yīng)用研究及效果預(yù)測(cè)[6-9]；設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化；運(yùn)輸系統(tǒng)移設(shè)[10-11]。為此，提出雙能源卡車(chē)運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則、系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件，提供系統(tǒng)設(shè)備選型及設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則和適用性

雙能源卡車(chē)與傳統(tǒng)卡車(chē)相比有諸多優(yōu)點(diǎn)，但前提是要滿(mǎn)足雙能源卡車(chē)的正常運(yùn)行，使其優(yōu)勢(shì)可以充分發(fā)揮。雙能源卡車(chē)運(yùn)輸系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要遵循的基本原則：①路面平坦；②為雙能源卡車(chē)提供專(zhuān)用線路；③在礦區(qū)重載上坡路段架設(shè)接觸網(wǎng)；④為雙能源卡車(chē)提供足夠的轉(zhuǎn)彎半徑；⑤架空線路不準(zhǔn)設(shè)計(jì)在其他采礦設(shè)備經(jīng)過(guò)的線路上。

1）雙能源卡車(chē)與傳統(tǒng)卡車(chē)運(yùn)行狀態(tài)不同，相比較的優(yōu)勢(shì)如下：①生產(chǎn)效率提高；②運(yùn)輸成本低；③對(duì)環(huán)境更友好。

2）雙能源卡車(chē)同樣也有缺點(diǎn)，雙能源卡車(chē)與傳統(tǒng)卡車(chē)相比較的劣勢(shì)如下：①架線路段限制性較多；②項(xiàng)目初期投資費(fèi)用較大。

3）雙能源卡車(chē)運(yùn)輸系統(tǒng)的適用條件主要有以下幾點(diǎn)：①大型中深露天礦；②礦巖需要從低水平向高水平排放；③架線輔助運(yùn)輸比傳統(tǒng)卡車(chē)運(yùn)輸費(fèi)用低；④在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)有大量的礦巖需要排放。

2 系統(tǒng)設(shè)備選型及設(shè)計(jì)方案

2.1 卡車(chē)控制系統(tǒng)

卡車(chē)控制系統(tǒng)由主控系統(tǒng)、主回路高壓電氣設(shè)備、架線控制電氣柜、駕駛室操作指示面板組成。

1）主控系統(tǒng)由控制主機(jī)和顯示處理機(jī)組成，分別安裝在卡車(chē)電氣柜和駕駛室內(nèi)。

2）主回路高壓電氣設(shè)備柜安裝在甲板上，與架線控制電氣柜獨(dú)立安裝，以防止高壓電器由于拉弧放電感應(yīng)等原因干擾低壓電器設(shè)備。

3）有關(guān)架線控制的低壓外圍部件集中安裝在架線控制電氣柜內(nèi)。

4）駕駛室操作指示面板安裝在駕駛室內(nèi)的儀表盤(pán)上。

2.2 受電弓裝置系統(tǒng)

受電弓裝置安裝在雙能源卡車(chē)的車(chē)頭前部，是將接觸網(wǎng)上的電能平穩(wěn)引入卡車(chē)的裝置。受電弓裝置系統(tǒng)主要由弓頭、底座、上下弓臂、驅(qū)動(dòng)器、控制閥組等部件組成。

1）弓頭。受電弓類(lèi)型分為雙臂弓和單臂弓。單臂受電弓噪聲低，故障時(shí)也較不易扯斷接觸網(wǎng)，更安全環(huán)保，宜采用單臂受電弓。

2）底座。底座通過(guò)支持絕緣子和安裝座將受電弓安裝在車(chē)頂上。

3）上下弓臂。下弓臂長(zhǎng)度決定受電弓的工作高度。

4）驅(qū)動(dòng)器。受電弓的驅(qū)動(dòng)形式分為液壓驅(qū)動(dòng)和氣壓驅(qū)動(dòng)，露天礦空氣環(huán)境差，宜采用液壓驅(qū)動(dòng)；可采用獨(dú)立液壓系統(tǒng)或卡車(chē)液壓系統(tǒng)，獨(dú)立液壓系統(tǒng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，宜采用獨(dú)立液壓系統(tǒng)。

5）控制閥組。獨(dú)立液壓系統(tǒng)每架受電弓配備1 個(gè)液壓缸。

受電弓裝置系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著從接觸網(wǎng)系統(tǒng)取電的任務(wù)，為滿(mǎn)足弓網(wǎng)接觸穩(wěn)定，主要設(shè)計(jì)要求為：①在正常條件下的降弓時(shí)間，從開(kāi)始降弓時(shí)刻起，受電弓降到電壓絕緣距離的最小值小于3 s，受電弓降到落弓位小于10 s；②接觸網(wǎng)-受電弓最大接觸力為300 N；平均接觸力范圍70～140 N。

2.3 架線接觸網(wǎng)系統(tǒng)

架線接觸網(wǎng)系統(tǒng)支柱布置在上坡道路坡底線一側(cè)（采場(chǎng)端幫路段、外排土場(chǎng)固定幫路段）或重車(chē)運(yùn)行一側(cè)（露天礦主干道的上坡路段），接觸網(wǎng)工程兩頭需延長(zhǎng)設(shè)下錨區(qū)域。架線接觸網(wǎng)系統(tǒng)主要由接觸懸掛、接觸線、支持裝置、定位裝置、支柱與基礎(chǔ)組成。

1）接觸懸掛。接觸懸掛包括接觸線、吊弦、承力索以及連接部件。①接觸懸掛可分為簡(jiǎn)單懸掛和鏈型懸掛，為保證接觸線高度和弛度要求，宜采用鏈型懸掛；②鏈型懸掛按照懸掛點(diǎn)處吊弦分為簡(jiǎn)單鏈型懸掛和彈性鏈型懸掛，簡(jiǎn)單鏈型懸掛就可滿(mǎn)足雙能源卡車(chē)弓網(wǎng)接觸要求，宜采用簡(jiǎn)單鏈型懸掛；③鏈型懸掛按照張力補(bǔ)償方式分為全補(bǔ)償鏈型懸掛、半補(bǔ)償鏈型懸掛和未補(bǔ)償鏈型懸掛，半補(bǔ)償鏈型懸掛和未補(bǔ)償鏈型懸掛的接觸網(wǎng)張力變化大，無(wú)法滿(mǎn)足弓網(wǎng)取流要求，宜采用全補(bǔ)償鏈型懸掛；④鏈型懸掛按照線索的相對(duì)位置分為全斜鏈型懸掛、半斜鏈型懸掛和直鏈型懸掛。直斜鏈型懸掛施工經(jīng)驗(yàn)豐富，調(diào)整支柱跨距就可滿(mǎn)足受風(fēng)偏斜的要求，宜采用直斜鏈型懸掛。

2）接觸線。接觸線材質(zhì)包括銅、銅合金和鋼鋁，銅合金接觸線導(dǎo)電性可滿(mǎn)足要求，受電弓滑板采用碳材料，接觸線宜采用銅合金材質(zhì)。承力索材質(zhì)包括銅、鋼、鋁包鋼和銅合金。承力索與接觸線采用同類(lèi)材質(zhì)，可改善接觸網(wǎng)的性能，簡(jiǎn)化施工，提高施工精度，免去電氣連接類(lèi)線夾的特殊處理程序，并可降低運(yùn)營(yíng)維護(hù)的工作量。接觸線采用銅合金材質(zhì)，承力索宜采用銅合金絞線。吊弦分為環(huán)節(jié)吊弦、彈性吊弦、滑動(dòng)吊弦和整體吊弦。螺栓可調(diào)式整體吊弦安裝精度高，強(qiáng)度高，導(dǎo)流式結(jié)構(gòu)，載流能力強(qiáng)，耐腐蝕，壽命長(zhǎng)，有利于吊弦線長(zhǎng)度控制，宜采用有載流環(huán)的螺栓可調(diào)式整體吊弦。附加懸掛包括饋線、回線和架空地線等，附加導(dǎo)線宜采用鋁包鋼芯鋁絞線。下錨補(bǔ)償裝置：全補(bǔ)償時(shí)，接觸線與承力索兩端均帶補(bǔ)償器。承力索補(bǔ)償器則采用三滑輪組式，傳動(dòng)比為1∶3。

3）支持裝置。支持裝置包括雙線路懸梁、斜拉索、棒式絕緣子等。

4）定位裝置。定位裝置包括定位立柱、固定繩和定位器。

5）支柱和基礎(chǔ)。接觸網(wǎng)支柱，按其使用材質(zhì)分為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土支柱和鋼支柱2 大類(lèi)。接觸網(wǎng)需移設(shè)，宜采用鋼支柱。鋼柱宜采用現(xiàn)澆混凝土或鋼筋混凝土基礎(chǔ)。

接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下要求：①直線區(qū)段：接觸線應(yīng)“之”字行布置，曲線區(qū)段，接觸線一般由受電弓中心向外側(cè)拉出，并宜使接觸線與受電弓中心點(diǎn)的軌跡相割或相切；②接觸線預(yù)留適當(dāng)弛度，可使受電弓的運(yùn)行軌跡更趨平滑，有利于改善弓網(wǎng)受流質(zhì)量，不宜大于350 mm；③架線接觸網(wǎng)系統(tǒng)工作支懸掛點(diǎn)距地面高度選取主要考慮卡車(chē)高度、受電弓工作范圍、空氣絕緣距離、冰雪附加荷載、公務(wù)維修、施工誤差等；④接觸網(wǎng)錨段長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)補(bǔ)償?shù)慕佑|線和承力索的張力差、補(bǔ)償器形式以及補(bǔ)償導(dǎo)線的高度等綜合確定，接觸線、承力索的張力差均不得大于其額定張力的10%，接觸線最小張力為10 kN；⑤支柱跨距應(yīng)根據(jù)懸掛類(lèi)型、曲線半徑、導(dǎo)線最大受風(fēng)偏斜值等綜合確定，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，對(duì)支柱跨距進(jìn)行調(diào)整，相鄰兩跨距之比不大于1∶1.25，困難地段可為1∶1.5，簡(jiǎn)單鏈型懸掛最大允許跨距不大于65 m。

2.4 供電電源系統(tǒng)

供電電源系統(tǒng)主要由高壓柜、整流變壓器、整流柜3 大部分組成。供電電源系統(tǒng)有接地保護(hù)、放雷擊保護(hù)等；高壓回路采用綜合保護(hù)器做過(guò)壓、過(guò)載及短路保護(hù)。移動(dòng)變電站電能總耗量系數(shù)符合下列規(guī)定：雙能源卡車(chē)自用電系數(shù)宜為1.15；牽引網(wǎng)綜合損耗系數(shù)宜為1.15～1.25。

2.5 架線道路系統(tǒng)

根據(jù)雙能源卡車(chē)的車(chē)輛機(jī)構(gòu)及架線要求，架線道路的道路規(guī)格設(shè)計(jì)要求如下：

1）位置。架線道路應(yīng)選擇在上坡路段，架線道路可以保持長(zhǎng)時(shí)間固定。道路盡可能在同一直線上，以便縮短架線長(zhǎng)度。

2）寬度。架線道路寬度選取主要考慮以下因素：卡車(chē)運(yùn)輸寬度、架線接觸網(wǎng)系統(tǒng)基礎(chǔ)寬度、安全擋墻寬度、安全距離。

3）豎曲線。豎曲線有凸型和凹型2 種。豎曲線半徑采用最小半徑的1.5～2.0 倍。坡度較小時(shí)，采用較大豎曲線半徑，豎曲線長(zhǎng)度也很短，容易產(chǎn)生急促變坡的感覺(jué)，同時(shí)對(duì)行車(chē)造成沖擊，豎曲線長(zhǎng)度應(yīng)滿(mǎn)足3 s 的行車(chē)距離。

4）過(guò)渡段。在雙能源卡車(chē)駛?cè)牖蝰傠x架線輔助運(yùn)輸路段處均需設(shè)置一定長(zhǎng)度的過(guò)渡段，以便司機(jī)切換雙能源卡車(chē)的驅(qū)動(dòng)模式。過(guò)渡段長(zhǎng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)速度和升降弓時(shí)間內(nèi)的行程。

5）曲線半徑。曲線半徑大于250 m 和車(chē)速10 km/h 以下可不設(shè)置超高。中型、大型礦用卡車(chē)運(yùn)輸干線、支線道路曲線半徑不宜小于40 m。曲線半徑取最小半徑的1.5～2.0 倍，應(yīng)取整數(shù)?？ㄜ?chē)運(yùn)輸?shù)缆非€半徑小于250 m 時(shí)，應(yīng)設(shè)置加寬。

6）縱坡。縱坡間設(shè)置緩和坡段，坡度不大于3%，3%的縱坡對(duì)卡車(chē)行駛不造成困難，下坡不必剎車(chē)。

7）路面平整度。為保證受電弓與架空線之間的接觸良好，運(yùn)輸線路路面起伏不超過(guò)100 mm，符合受電弓最大動(dòng)態(tài)抬升量要求。

8）路面材料。干線道路、支線道路宜采用泥結(jié)碎石路面；路面材料宜就地取材。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 適用條件

以?xún)?nèi)蒙古某露天礦為研究對(duì)象，適用雙能源卡車(chē)運(yùn)輸系統(tǒng)條件如下：

1）露天礦建設(shè)規(guī)模符合大型露天礦適用條件。

2）考慮使用雙能源卡車(chē)運(yùn)輸層間剝離的深度為120 m，符合中深的適用條件。

3）剝離物從采場(chǎng)運(yùn)往外排土場(chǎng)，上坡路段包括采場(chǎng)端幫斜坡道、地表到外排土場(chǎng)道路和外排土場(chǎng)斜坡道，符合礦巖需要從低水平向高水平排放的適用條件。

4）電力單價(jià)0.195 元/（kW·h），燃油單價(jià)7.03元/L，符合架線輔助運(yùn)輸比傳統(tǒng)卡車(chē)運(yùn)輸費(fèi)用低的適用條件。

5）傳統(tǒng)卡車(chē)運(yùn)輸距離超過(guò)卡車(chē)的經(jīng)濟(jì)合理運(yùn)距3 km。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

雙能源卡車(chē)運(yùn)輸系統(tǒng)需要額外對(duì)受電弓、接觸網(wǎng)和供電電源進(jìn)行設(shè)計(jì)，雙能源卡車(chē)設(shè)計(jì)方案包括卡車(chē)控制系統(tǒng)、受電弓裝置系統(tǒng)、架線接觸網(wǎng)系統(tǒng)、供電電源系統(tǒng)和架線道路系統(tǒng)5 個(gè)方面。

1）卡車(chē)控制系統(tǒng)。雙能源卡車(chē)選用220 t 級(jí)卡車(chē)，卡車(chē)長(zhǎng)14.4 m、寬8.35 m、高7.4 m。但要對(duì)卡車(chē)進(jìn)行改造，滿(mǎn)足電力驅(qū)動(dòng)和柴油驅(qū)動(dòng)雙驅(qū)動(dòng)要求。其他同傳統(tǒng)卡車(chē)一致。雙能源卡車(chē)數(shù)量為11 臺(tái)，相比傳統(tǒng)卡車(chē)數(shù)量可節(jié)省2 臺(tái)卡車(chē)。

2）受電弓裝置系統(tǒng)。受電弓需要滿(mǎn)足與接觸網(wǎng)的取流要求，進(jìn)行設(shè)備類(lèi)型選取和工作參數(shù)設(shè)計(jì)，受電弓裝置系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 受電弓裝置系統(tǒng)參數(shù)表

3）架線接觸網(wǎng)系統(tǒng)。架線接觸網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與架設(shè)地區(qū)氣象有密切關(guān)系，露天礦所屬區(qū)域類(lèi)似中國(guó)典型氣象區(qū)劃區(qū)中的北方某些地區(qū)和東北地區(qū)2 個(gè)區(qū)域，結(jié)合地區(qū)氣象數(shù)據(jù)和2 個(gè)類(lèi)似氣象區(qū)數(shù)據(jù)選取架線接觸網(wǎng)系統(tǒng)氣象參數(shù)。接觸網(wǎng)需要滿(mǎn)足弛度、張力差等要求，需要對(duì)設(shè)備及材料進(jìn)行選取和對(duì)拉出值、錨段長(zhǎng)度、支柱跨距等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，架線接觸網(wǎng)系統(tǒng)主要參數(shù)如下：直線區(qū)段拉出值300 mm；曲線區(qū)段拉出值400 mm；懸掛點(diǎn)高度9 m；直線區(qū)段錨段長(zhǎng)度1 200 m；曲線區(qū)段錨段長(zhǎng)度500 m；雙線路懸掛點(diǎn)間距4.3 m；雙線路懸掛長(zhǎng)度12 m；支柱高度15 m；直線段支柱跨距55 m；曲線段支柱跨距25 m；接觸線懸掛弛度333 mm；承力索懸掛弛度70 mm。

4）供電電源系統(tǒng)。①牽引供電：直流1 800 A 供電，最高電壓2 000 VDC；②牽引變電站：3 臺(tái)10/1.8 kV 移動(dòng)變電站，3.6 MW，牽引變電站10 kV 電源引自12 500 kVA 35/10 kV 移動(dòng)變電站；③接地：露天礦采掘場(chǎng)10 kV 配電系統(tǒng)采用中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，為保證安全用電，坑內(nèi)用電設(shè)備外殼與配電電纜第四芯可靠連接再引至坑邊接地干線，移動(dòng)變電站10 kV 側(cè)設(shè)有過(guò)流保護(hù)、過(guò)電壓、接地保護(hù)及接地保護(hù)線連續(xù)性監(jiān)視裝置，變頻電機(jī)、電纜及變頻器做可靠、獨(dú)立接地；④防雷：移動(dòng)變電站內(nèi)設(shè)避雷器作為防入侵雷電波的保護(hù)。

5）架線道路系統(tǒng)。架線工程位于端幫斜坡道至外排土場(chǎng)固定坡道上，架線布置在上坡路線右側(cè)，道路寬40 m；上坡設(shè)計(jì)速度23.5 km/h；豎曲線長(zhǎng)28 m；豎曲線半徑350 m；曲線半徑120 m；超高橫坡度2%；路面加寬值1.5 m；縱坡坡度8%；最大縱坡坡長(zhǎng)562.5 m；緩和坡段長(zhǎng)50 m；路面平整度100 mm；路堤和路塹邊坡1∶1.5/1∶1；過(guò)渡段長(zhǎng)60 m。

4 結(jié)語(yǔ)

1）提出雙能源卡車(chē)運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)地總結(jié)了雙能源卡車(chē)運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則、優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件，提供了運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)備選型及設(shè)計(jì)方案。

2）雙能源卡車(chē)運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則要求露天礦路面平坦、設(shè)計(jì)專(zhuān)用線路、重載上坡路段架設(shè)、留有足夠轉(zhuǎn)彎半徑和架空線路避免其他設(shè)備經(jīng)過(guò)。

3）雙能源卡車(chē)運(yùn)輸系統(tǒng)具有生產(chǎn)效率高、運(yùn)輸成本低和產(chǎn)生廢氣少的優(yōu)勢(shì)；架線限制多和初期投資高的劣勢(shì)。運(yùn)輸系統(tǒng)適用于大型中深、上坡運(yùn)輸、電價(jià)低廉、年限較長(zhǎng)及運(yùn)量較大的露天礦。

4）應(yīng)用結(jié)果表明：雙能源卡車(chē)運(yùn)輸系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)結(jié)果為卡車(chē)滿(mǎn)足雙驅(qū)動(dòng)要求；受電弓降到電壓絕緣距離時(shí)間2 s，滿(mǎn)足時(shí)間要求；接觸網(wǎng)支柱跨距直線段55 m，曲線段25 m，滿(mǎn)足受風(fēng)要求；供電電源為3臺(tái)10/1.8 kV 移動(dòng)變電站，滿(mǎn)足電能消耗；架線道路曲線半徑120 m，滿(mǎn)足轉(zhuǎn)彎要求。