露天矿双能源卡车运输系统设计方法

张秋园，王忠鑫，赵 明

（1.内蒙古平庄煤业（集团）有限责任公司 元宝山露天煤矿，内蒙古 赤峰 024070；2.中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015）

随着国家层面双碳目标的提出，各行业积极履行国家战略，实施绿色、环保、低碳发展道路。实现碳减排是露天矿山企业绿色低碳发展必经之路，是履行社会责任，积极应对气候变化的内在要求。由于卡车运输具有机动灵活、工况适应性强、运输系统建设周期短等特点，一直以来是我国露天矿运输的主导方式，每年由卡车完成的矿岩运输量约占全国露天矿采剥总量的85%以上[1]。露天矿自卸卡车类型主要为燃油矿卡，矿卡柴油消耗的尾气排放是矿山企业碳排放量的主要来源。改变矿卡能源消耗模式，采用双能源卡车，减少柴油消耗，增加电能消耗，是降低露天矿碳排放的重要途径。

双能源卡车运输系统是用于传统卡车的新型动力系统，该系统是传统卡车经过技术改造后，与建设在矿山道路上架线辅助供电系统相配合，由传统燃油驱动方式转变为以电力驱动方式为主，兼燃油驱动为辅的双驱动卡车运输系统。针对双能源卡车的研究包括架线辅助系统设计[2-3]；双能源卡车适应性评价[4-5]；应用研究及效果预测[6-9]；设计参数优化；运输系统移设[10-11]。为此，提出双能源卡车运输系统设计方法，分析系统设计原则、系统优缺点及适用条件，提供系统设备选型及设计方案。

1 系统设计原则和适用性

双能源卡车与传统卡车相比有诸多优点，但前提是要满足双能源卡车的正常运行，使其优势可以充分发挥。双能源卡车运输系统在设计过程中需要遵循的基本原则：①路面平坦；②为双能源卡车提供专用线路；③在矿区重载上坡路段架设接触网；④为双能源卡车提供足够的转弯半径；⑤架空线路不准设计在其他采矿设备经过的线路上。

1）双能源卡车与传统卡车运行状态不同，相比较的优势如下：①生产效率提高；②运输成本低；③对环境更友好。

2）双能源卡车同样也有缺点，双能源卡车与传统卡车相比较的劣势如下：①架线路段限制性较多；②项目初期投资费用较大。

3）双能源卡车运输系统的适用条件主要有以下几点：①大型中深露天矿；②矿岩需要从低水平向高水平排放；③架线辅助运输比传统卡车运输费用低；④在较长时期内有大量的矿岩需要排放。

2 系统设备选型及设计方案

2.1 卡车控制系统

卡车控制系统由主控系统、主回路高压电气设备、架线控制电气柜、驾驶室操作指示面板组成。

1）主控系统由控制主机和显示处理机组成，分别安装在卡车电气柜和驾驶室内。

2）主回路高压电气设备柜安装在甲板上，与架线控制电气柜独立安装，以防止高压电器由于拉弧放电感应等原因干扰低压电器设备。

3）有关架线控制的低压外围部件集中安装在架线控制电气柜内。

4）驾驶室操作指示面板安装在驾驶室内的仪表盘上。

2.2 受电弓装置系统

受电弓装置安装在双能源卡车的车头前部，是将接触网上的电能平稳引入卡车的装置。受电弓装置系统主要由弓头、底座、上下弓臂、驱动器、控制阀组等部件组成。

1）弓头。受电弓类型分为双臂弓和单臂弓。单臂受电弓噪声低，故障时也较不易扯断接触网，更安全环保，宜采用单臂受电弓。

2）底座。底座通过支持绝缘子和安装座将受电弓安装在车顶上。

3）上下弓臂。下弓臂长度决定受电弓的工作高度。

4）驱动器。受电弓的驱动形式分为液压驱动和气压驱动，露天矿空气环境差，宜采用液压驱动；可采用独立液压系统或卡车液压系统，独立液压系统系统简单，宜采用独立液压系统。

5）控制阀组。独立液压系统每架受电弓配备1 个液压缸。

受电弓装置系统担负着从接触网系统取电的任务，为满足弓网接触稳定，主要设计要求为：①在正常条件下的降弓时间，从开始降弓时刻起，受电弓降到电压绝缘距离的最小值小于3 s，受电弓降到落弓位小于10 s；②接触网-受电弓最大接触力为300 N；平均接触力范围70～140 N。

2.3 架线接触网系统

架线接触网系统支柱布置在上坡道路坡底线一侧（采场端帮路段、外排土场固定帮路段）或重车运行一侧（露天矿主干道的上坡路段），接触网工程两头需延长设下锚区域。架线接触网系统主要由接触悬挂、接触线、支持装置、定位装置、支柱与基础组成。

1）接触悬挂。接触悬挂包括接触线、吊弦、承力索以及连接部件。①接触悬挂可分为简单悬挂和链型悬挂，为保证接触线高度和弛度要求，宜采用链型悬挂；②链型悬挂按照悬挂点处吊弦分为简单链型悬挂和弹性链型悬挂，简单链型悬挂就可满足双能源卡车弓网接触要求，宜采用简单链型悬挂；③链型悬挂按照张力补偿方式分为全补偿链型悬挂、半补偿链型悬挂和未补偿链型悬挂，半补偿链型悬挂和未补偿链型悬挂的接触网张力变化大，无法满足弓网取流要求，宜采用全补偿链型悬挂；④链型悬挂按照线索的相对位置分为全斜链型悬挂、半斜链型悬挂和直链型悬挂。直斜链型悬挂施工经验丰富，调整支柱跨距就可满足受风偏斜的要求，宜采用直斜链型悬挂。

2）接触线。接触线材质包括铜、铜合金和钢铝，铜合金接触线导电性可满足要求，受电弓滑板采用碳材料，接触线宜采用铜合金材质。承力索材质包括铜、钢、铝包钢和铜合金。承力索与接触线采用同类材质，可改善接触网的性能，简化施工，提高施工精度，免去电气连接类线夹的特殊处理程序，并可降低运营维护的工作量。接触线采用铜合金材质，承力索宜采用铜合金绞线。吊弦分为环节吊弦、弹性吊弦、滑动吊弦和整体吊弦。螺栓可调式整体吊弦安装精度高，强度高，导流式结构，载流能力强，耐腐蚀，寿命长，有利于吊弦线长度控制，宜采用有载流环的螺栓可调式整体吊弦。附加悬挂包括馈线、回线和架空地线等，附加导线宜采用铝包钢芯铝绞线。下锚补偿装置：全补偿时，接触线与承力索两端均带补偿器。承力索补偿器则采用三滑轮组式，传动比为1∶3。

3）支持装置。支持装置包括双线路悬梁、斜拉索、棒式绝缘子等。

4）定位装置。定位装置包括定位立柱、固定绳和定位器。

5）支柱和基础。接触网支柱，按其使用材质分为预应力钢筋混凝土支柱和钢支柱2 大类。接触网需移设，宜采用钢支柱。钢柱宜采用现浇混凝土或钢筋混凝土基础。

接触网设计应遵循以下要求：①直线区段：接触线应“之”字行布置，曲线区段，接触线一般由受电弓中心向外侧拉出，并宜使接触线与受电弓中心点的轨迹相割或相切；②接触线预留适当弛度，可使受电弓的运行轨迹更趋平滑，有利于改善弓网受流质量，不宜大于350 mm；③架线接触网系统工作支悬挂点距地面高度选取主要考虑卡车高度、受电弓工作范围、空气绝缘距离、冰雪附加荷载、公务维修、施工误差等；④接触网锚段长度应根据补偿的接触线和承力索的张力差、补偿器形式以及补偿导线的高度等综合确定，接触线、承力索的张力差均不得大于其额定张力的10%，接触线最小张力为10 kN；⑤支柱跨距应根据悬挂类型、曲线半径、导线最大受风偏斜值等综合确定，并根据现场的实际情况，对支柱跨距进行调整，相邻两跨距之比不大于1∶1.25，困难地段可为1∶1.5，简单链型悬挂最大允许跨距不大于65 m。

2.4 供电电源系统

供电电源系统主要由高压柜、整流变压器、整流柜3 大部分组成。供电电源系统有接地保护、放雷击保护等；高压回路采用综合保护器做过压、过载及短路保护。移动变电站电能总耗量系数符合下列规定：双能源卡车自用电系数宜为1.15；牵引网综合损耗系数宜为1.15～1.25。

2.5 架线道路系统

根据双能源卡车的车辆机构及架线要求，架线道路的道路规格设计要求如下：

1）位置。架线道路应选择在上坡路段，架线道路可以保持长时间固定。道路尽可能在同一直线上，以便缩短架线长度。

2）宽度。架线道路宽度选取主要考虑以下因素：卡车运输宽度、架线接触网系统基础宽度、安全挡墙宽度、安全距离。

3）竖曲线。竖曲线有凸型和凹型2 种。竖曲线半径采用最小半径的1.5～2.0 倍。坡度较小时，采用较大竖曲线半径，竖曲线长度也很短，容易产生急促变坡的感觉，同时对行车造成冲击，竖曲线长度应满足3 s 的行车距离。

4）过渡段。在双能源卡车驶入或驶离架线辅助运输路段处均需设置一定长度的过渡段，以便司机切换双能源卡车的驱动模式。过渡段长度满足设计速度和升降弓时间内的行程。

5）曲线半径。曲线半径大于250 m 和车速10 km/h 以下可不设置超高。中型、大型矿用卡车运输干线、支线道路曲线半径不宜小于40 m。曲线半径取最小半径的1.5～2.0 倍，应取整数。卡车运输道路曲线半径小于250 m 时，应设置加宽。

6）纵坡。纵坡间设置缓和坡段，坡度不大于3%，3%的纵坡对卡车行驶不造成困难，下坡不必刹车。

7）路面平整度。为保证受电弓与架空线之间的接触良好，运输线路路面起伏不超过100 mm，符合受电弓最大动态抬升量要求。

8）路面材料。干线道路、支线道路宜采用泥结碎石路面；路面材料宜就地取材。

3 应用实例

3.1 适用条件

以内蒙古某露天矿为研究对象，适用双能源卡车运输系统条件如下：

1）露天矿建设规模符合大型露天矿适用条件。

2）考虑使用双能源卡车运输层间剥离的深度为120 m，符合中深的适用条件。

3）剥离物从采场运往外排土场，上坡路段包括采场端帮斜坡道、地表到外排土场道路和外排土场斜坡道，符合矿岩需要从低水平向高水平排放的适用条件。

4）电力单价0.195 元/（kW·h），燃油单价7.03元/L，符合架线辅助运输比传统卡车运输费用低的适用条件。

5）传统卡车运输距离超过卡车的经济合理运距3 km。

3.2 系统设计方案

双能源卡车运输系统需要额外对受电弓、接触网和供电电源进行设计，双能源卡车设计方案包括卡车控制系统、受电弓装置系统、架线接触网系统、供电电源系统和架线道路系统5 个方面。

1）卡车控制系统。双能源卡车选用220 t 级卡车，卡车长14.4 m、宽8.35 m、高7.4 m。但要对卡车进行改造，满足电力驱动和柴油驱动双驱动要求。其他同传统卡车一致。双能源卡车数量为11 台，相比传统卡车数量可节省2 台卡车。

2）受电弓装置系统。受电弓需要满足与接触网的取流要求，进行设备类型选取和工作参数设计，受电弓装置系统参数见表1。

表1 受电弓装置系统参数表

3）架线接触网系统。架线接触网系统设计与架设地区气象有密切关系，露天矿所属区域类似中国典型气象区划区中的北方某些地区和东北地区2 个区域，结合地区气象数据和2 个类似气象区数据选取架线接触网系统气象参数。接触网需要满足弛度、张力差等要求，需要对设备及材料进行选取和对拉出值、锚段长度、支柱跨距等参数进行设计，架线接触网系统主要参数如下：直线区段拉出值300 mm；曲线区段拉出值400 mm；悬挂点高度9 m；直线区段锚段长度1 200 m；曲线区段锚段长度500 m；双线路悬挂点间距4.3 m；双线路悬挂长度12 m；支柱高度15 m；直线段支柱跨距55 m；曲线段支柱跨距25 m；接触线悬挂弛度333 mm；承力索悬挂弛度70 mm。

4）供电电源系统。①牵引供电：直流1 800 A 供电，最高电压2 000 VDC；②牵引变电站：3 台10/1.8 kV 移动变电站，3.6 MW，牵引变电站10 kV 电源引自12 500 kVA 35/10 kV 移动变电站；③接地：露天矿采掘场10 kV 配电系统采用中性点不接地系统，为保证安全用电，坑内用电设备外壳与配电电缆第四芯可靠连接再引至坑边接地干线，移动变电站10 kV 侧设有过流保护、过电压、接地保护及接地保护线连续性监视装置，变频电机、电缆及变频器做可靠、独立接地；④防雷：移动变电站内设避雷器作为防入侵雷电波的保护。

5）架线道路系统。架线工程位于端帮斜坡道至外排土场固定坡道上，架线布置在上坡路线右侧，道路宽40 m；上坡设计速度23.5 km/h；竖曲线长28 m；竖曲线半径350 m；曲线半径120 m；超高横坡度2%；路面加宽值1.5 m；纵坡坡度8%；最大纵坡坡长562.5 m；缓和坡段长50 m；路面平整度100 mm；路堤和路堑边坡1∶1.5/1∶1；过渡段长60 m。

4 结语

1）提出双能源卡车运输系统设计方法，系统地总结了双能源卡车运输系统设计原则、优缺点及适用条件，提供了运输系统设备选型及设计方案。

2）双能源卡车运输系统设计原则要求露天矿路面平坦、设计专用线路、重载上坡路段架设、留有足够转弯半径和架空线路避免其他设备经过。

3）双能源卡车运输系统具有生产效率高、运输成本低和产生废气少的优势；架线限制多和初期投资高的劣势。运输系统适用于大型中深、上坡运输、电价低廉、年限较长及运量较大的露天矿。

4）应用结果表明：双能源卡车运输系统主要设计结果为卡车满足双驱动要求；受电弓降到电压绝缘距离时间2 s，满足时间要求；接触网支柱跨距直线段55 m，曲线段25 m，满足受风要求；供电电源为3台10/1.8 kV 移动变电站，满足电能消耗；架线道路曲线半径120 m，满足转弯要求。