УДК 622.684:629.113.62
Г. А. Ворошилов, канд. техн. наук (ИГД УрО РАН)
В статье приводится краткий обзор существующих видов транспорта для открытых горных работ и транспортных средств пневмоколесного автотранспорта на отечественных и зарубежных карьерах, а также анализ их технико-экономических показателей, достоинств и недостатков.
В качестве новой транспортной системы для открытых горных работ автором предлагается сборно-разборный троллейный автопоезд (ТАП), состоящий из троллейвоза-тягача, работающего постоянно в контактной сети, и карьерных автосамосвалов с электромеханической трансмиссией в качестве тяговых прицепов, соединенных жесткими сцепками между собой и троллейвозом, получающих электрическую энергию от троллейвоза по кабелям на мотор-колеса, придавая движение всему составу.
Для эффективной отработки месторождений полезных ископаемых при открытом и подземном способе добычи важнейшую роль играет перемещение горной массы от места выемки до перерабатывающих объектов или в отвал. Затраты на транспортирование достигают на отдельных предприятиях до 70 % себестоимости добычи полезных ископаемых. По этим причинам поиск эффективных транспортных систем при добыче полезных ископаемых является одной из ключевых задач оптимизации геотехнологий.
На карьерах традиционно применяют три основных вида транспорта: автомобильный, железнодорожный и конвейерный. Наибольшее распространение к настоящему времени получил автомобильный, поскольку он может выполнять функции сборочного или сборочно-магистрального при малых и средних расстояниях транспортирования, а кроме того, предполагает относительно малые капитальные затраты и минимальное время подготовки транспортных коммуникаций. Следует учитывать, что применение других видов транспорта не исключает использования автотранспорта для перевозки материалов, оборудования и прочих грузов в период строительства карьеров, а также для обслуживания транспортных объектов и коммуникаций при их эксплуатации. Эти преимущества при сложившейся экономической ситуации компенсируют основные недостатки автомобильного транспорта: сравнительно малый срок службы самосвалов, высокие эксплуатационные затраты, выделение в атмосферу большого количества выхлопных газов и пыление автодорог, потребление дорогостоящего нефтяного топлива, чьи запасы ограничены [1].
В настоящее время энергосбережение приобретает особую значимость в большинстве сфер промышленного производства. В частности, большое внимание уделяется повышению эффективности транспортирования горной массы карьерным автотранспортом, основной составляющей которой является расход дизельного топлива. Удельный расход топлива на транспортирование горной массы карьерными автосамосвалами составляет 80–150 г/ткм, а на участках с уклоном 8–10 % на подъем с грузом расход увеличивается до 200–300 г/ткм. 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 и более. В общей себестоимости транспортирования горной массы расходы на дизельное топливо составляют 15–30 % [2].
Нестабильные цены на нефтяное топливо, дороговизна доставки его в отдельные районы делают целесообразным использование на горнодобывающих предприятиях электрифицированного технологического транспорта. На перспективу 20–30 лет оформилась тенденция необходимости улучшения эксплуатационных показателей карьерных автосамосвалов: снижение энергоемкости, снижение выбросов вредных веществ с отработанными газами, увеличение производительности за счет увеличения скорости и увеличения преодолеваемых продольных уклонов автомобильных дорог. По многим направлениям совершенствования карьерных автосамосвалов на сегодняшний день просматриваются пределы возможных изменений их конструктивных параметров и эксплуатационных показателей (табл. 1).
Дизельные двигатели, применяемые на карьерных автосамосвалах, хотя в целом и отвечают сложившимся нормативным требованиям по ряду эксплуатационных характеристик (удельной мощности, расходу топлива, объему токсичных выхлопных газов, эксплуатационным затратам), требуют существенного совершенствования. А с учетом перспективных нормативов возникла необходимость использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии.
Эксплуатационные характеристики двигателей оказывают влияние на технико-экономические показатели большегрузных автосамосвалов на открытых горных работах: скорость движения, преодолеваемый продольный уклон, производительность и топливно-энергетические затраты на транспортирование. Влияние этих факторов в значительной степени уменьшается в случае создания и эксплуатации дизель-троллейвозного и троллейвозного транспорта. Перспективность применения электрифицированных систем автотранспорта для работы в глубоких карьерах увеличивается в условиях непрерывно возрастающих цен на нефтяное топливо и отработки разведанных запасов нефти в обозримом будущем.
Расширить область применения автотранспорта можно, адаптируя конструкцию автосамосвалов к конкретным условиям, улучшая одни показатели за счет других. Так, сокращение энергопотребления на открытых горных работах может рассматриваться по двум основным направлениям:
— совершенствование техники и технологии открытых горных работ, направленное на экономное расходование нефтяного топлива;
— перевод автотранспорта на потребление восполняемых видов энергии, т. е. в конечном итоге на потребление электроэнергии [3–6].
Троллейвоз обладает повышенной производительностью, высокой надежностью, что особенно актуально в суровом климате. Троллейвоз не имеет выхлопа отработавших газов, что обеспечивает высокие экологические качества. Его низкие эксплуатационные затраты, несмотря на достаточно высокие первоначальные капитальные затраты (на строительство контактных линий и тяговых электроподстанций), обеспечивают существенное снижение себестоимости транспортирования горной массы. Эксплуатация троллейвозов в качестве магистрального транспорта на предприятиях с расстоянием транспортирования от 3 до 30 км, а в отдельных случаях до 50 км, позволяет сократить объем горно-капитальных работ, расход топлива, выбросы вредных веществ с отработанными газами, повысить производительность, а также снизить эксплуатационные затраты на транспортирование горной массы [7–8]. Использование троллейного энергопитания дает возможность создавать высокоскоростные машины большой грузоподъемности при практически неограниченной длине транспортного пути [9]. Однако широкому применению троллейвозов на горнодобывающих предприятиях препятствует их основной недостаток — невозможность отхода машины от контактной сети, то есть отсутствие необходимой мобильности и маневренности транспорта у пунктов погрузки и разгрузки. Во избежание разрушения при взрывных работах контактная сеть должна находиться на расстоянии не менее 100–150 м от забоя. Демонтировать часть троллейной линии перед каждым взрывом и вновь возводить ее нерационально, требует затрат труда и времени, что отрицательно сказывается как на себестоимости, так и на коэффициенте использования оборудования, а следовательно, и на его эксплуатационной производительности.
Троллей-автопоезд (ТАП) при определенных горнотехнических условиях может обеспечить перемещение горной массы, имея при этом следующие преимущества перед другими транспортными средствами [10–12]:
— более крутые уклоны транспортных коммуникаций (больше 8 %), а следовательно, снижение объемов работ по вскрытию месторождения;
— отсутствие загазованности благодаря использованию электроэнергии, а следовательно, меньшие затраты на систему вентиляции и простои;
— отсутствие затрат на нефтяное топливо;
— большая грузоподъемность при малых габаритных показателях (ширина – высота) благодаря автопоездной компоновке;
— большая скорость на подъеме;
— возможность автоматизации процесса транспортирования (без водителей);
— отсутствие сложного путевого развития (как при электровозном транспорте).
Однако ТАП, как и троллейвозы, имеет существенный недостаток — невозможность отхода от контактной сети, то есть отсутствие необходимой мобильности и маневренности, что обуславливает их использование только на магистральных перевозках и требует дополнительно использовать сборочный транспорт — карьерные автосамосвалы, работающие в автономном режиме транспортирования горной массы после погрузки ее экскаваторами до стационарно расположенного троллейного участка.
Дизель-троллейвоз — автосамосвал на пневмоколесном ходу имеет комбинированное энергопитание от контактной (троллейной) сети и дизельного двигателя, что позволяет ему работать автономно в рабочей зоне как обычному автосамосвалу от дизельного двигателя, а при входе в троллейный участок трассы через токосъемник получать электрическую энергию на мотор-колеса и двигаться как троллейвоз.
С середины 1970-х годов интерес к дизель-троллейвозному транспорту начал быстро расти [13]. Это объяснятся многими причинами, главным образом ухудшающимися горнотехническими условиями с углублением карьеров, повышением загазованности внутрикарьерного пространства, резко возрастающей стоимостью дизельного топлива, а также созданием и внедрением в это время в производство автосамосвалов с электромеханической трансмиссией, которые могут служить базовыми машинами для дизель-троллейвозов при относительно простом их дооборудовании. За рубежом работы по созданию и внедрению дизель-троллейвозного транспорта также имели определенную историю и увенчались успехом. До настоящего времени дизель-троллейвозы используются на карьерах Африки и Северной Америки [14]. Опытно-промышленные испытания отечественных дизель-троллейвозов и опыт их применения за рубежом показали определенные их преимущества:
— экономия дизельного топлива от 30 до 80 %;
— увеличение скорости движения дизель-троллейвозов по сравнению с автосамосвалами на 20–50 %;
— повышение производительности на 10–20 %;
— увеличение уклонов автодорог и вследствие этого уменьшение разноса бортов в конечном контуре карьера;
— уменьшение загазованности внутрикарьерного воздушного пространства;
— возможность применения рекуперации электроэнергии при движении дизель-троллейвоза под уклон и более плавного электродинамического торможения;
— достаточная надежность и безопасность работы в зимних условиях, возможность безгаражного содержания, удобство организации электроподогрева двигателя и др.
Вместе с отмеченными достоинствами у дизель-троллейвозов по сравнению с автосамосвалами имеется ряд недостатков:
— более сложная конструкция с дополнительным оборудованием ввиду наличия двух источников энергии;
— необходимость строительства тяговых электроподстанций и троллейной системы;
— возрастание расходов на обслуживание двух силовых установок;
— повышенный износ шин, но пропорциональный производительности;
— необходимость расширения автодорог и улучшенного их содержания;
— частичная утрата автономности, снижение маневренности и более сложная организация движения на пересеченных транспортных коммуникациях;
— несовершенство применяемых токосъемников, ведущее к ослеплению водителей;
— питание вспомогательного оборудования (рулевого управления, отопления кабины, освещения и сигнализации) осуществляется только при включенном дизельном двигателе даже в троллейном режиме работы дизель-троллейвоза.
Основными недостатками дизель-троллейвозов являются их повышенный вес, стоимость (до 25 % больше, чем автосамосвала), уменьшенная автономность и мобильность [15].
В качестве новой транспортной системы для открытых горных работ автором предлагается сборно-разборный троллейный автопоезд, состоящий из карьерных автосамосвалов, которые после погрузки экскаватором в автономном режиме транспортирования горной массы подходят к стационарно расположенному троллейному участку, где соединяются в состав, управляемый троллейвозом-тягачом, постоянно работающим в контактной электросети посредством штангового токосъемника. От троллейвоза к соединенным жесткими сцепками автосамосвалам по кабелям со штепсельными разъемами от одного к другому последовательно передается электроэнергия на мотор-колеса автосамосвалов с электромеханической трансмиссией, придавая движение всему составу. В троллейном режиме в составе автопоезда автосамосвалы работают в роли тяговых прицепов. В конечной точке троллейного участка автосамосвалы расцепляются и в автономном режиме двигаются к месту разгрузки, после чего вновь соединяются между собой и троллейвозом для движения в обратном направлении в троллейном режиме.
Сборно-разборный троллейный автопоезд (рис. 1) объединяет два звена транспортной системы карьера:
— сборочный автотранспорт, где карьерные автосамосвалы работают в автономном режиме транспортирования горной массы после ее погрузки экскаваторами в рабочей зоне до стационарно расположенного троллейного участка;
— доставочный (магистральный) транспорт, где автосамосвалы в качестве тяговых прицепов соединяются между собой и троллейвозом в состав на троллейном участке для транспортирования горной массы до бункеров дробильно-обогатительных фабрик, перегрузочных складов или отвалов вскрыши.
Перед разгрузкой автосамосвалы разъединяются от ТАП для повышения мобильности и маневренности на фронтах разгрузки.
Большая грузоподъемность ТАП позволяет увеличить производительность и уменьшить парк автосамосвалов. ТАП имеет высокую маневренность благодаря конструктивным особенностям: система управления обеспечивает движение всех звеньев (автосамосвалов на жестких сцепках) след в след с соблюдением траектории головного звена (троллейвоза управления), внешний радиус поворота всего состава не превышает радиус поворота отдельного автосамосвала в сцепке, кабина управления троллейвоза позволяет ему двигаться в прямом и обратном направлении под контактной сетью без отключения штангового токосъемника при смене направления движения. За счет троллейного питания и электрических тяговых двигателей (мотор-колеса автосамосвалов) ТАП способен преодолевать крутые уклоны (до 10–12о) с относительно высокой скоростью, экономить топливо, значительно уменьшить загрязнение атмосферного воздуха карьера выхлопными газами, снизить затраты на транспортирование горной массы за счет исключения перегрузок в технологической схеме карьера. Дополнительным преимуществом использования ТАП является возможность автоматизации процесса транспортирования без водителей автосамосвалов при их движении в составе троллейного автопоезда.
Предлагаемый троллейный автопоезд является новой транспортной системой, собранной из известных транспортных средств: троллейвоз и автосамосвалы с небольшими доработками при заводском изготовлении, позволяющими подключать «напрямую» электродвигатели мотор-колес через кабели со штепсельными разъемами к источнику электропитания — троллейвозу управления. При этом система, состоящая из транспортных средств, имеющих свои свойства, приобретает дополнительные качественно новые свойства, присущие новой системе.
В настоящее время подготовлена заявка на изобретение нового устройства — сборно-разборного троллейного автопоезда для открытых горных работ.
Список литературы:
1. Яковлев В. Л., Тарасов П. И., Журавлев А. Г. Новые специализированные виды транспорта для открытых горных работ. — Екатеринбург: УрО РАН, 2011. — С. 33–63.
2. Белозеров В. И. Расчет расхода горючего карьерным автотранспортом / В. И. Белозеров //Технологические процессы открытых горных работ и их совершенствование — М., 1982. — С. 59–64 — (науч. сообщ. /ИГД им. А. А. Скочинского. — вып. 211).
3. Смирнов В. П. Обоснование и оптимизация параметров технологического автомобильного транспорта рудных карьеров: дис. … д-ра техн. наук / В. П. Смирнов, ИГД СО РАН. — Якутск, 1990. — 359 с.
4. Васильев М. В. Эксплуатация карьерного автотранспорта /М. В. Кулешов, В. П. Смирнов, А. А. Кулешов. — М: Недра, 1979. — 280 с.
5. Зырянов И. В. Транспортный комплекс акционерной компании «Алроса» /И. В. Зырянов // Горный журнал. — 2005. — № 7. — С. 114–118.
6. Казарез А. Н. Эксплуатация карьерных автосамосва-лов с электромеханической трансмиссией /А. Н. Каза-рез, А. А. Кулешов. — М: Недра, 1988. — 264 с.
7. Фиделев А. С. Троллейный и дизель-троллейвозный транспорт /А. С. Фиделев. — М: Недра, 1966. — 87 с.
8. Alan Kennedy The Kiruna Electric Truck — A New Concept in Ramp Haulage / Alan Kennedy// Mining Magazine. — 1985. — Vol. 153. — № 6. — P. 491–497.
9. Преимущества троллейной системы дизель-троллейвозов [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://hutnyak.com/trolley.html. — (29.05.2009).
10. Тарасов П. И. Троллей-автопоезда — транспорт для комбинированной разработки месторождений полезных ископаемых /П. И. Тарасов, В. А. Черепанов //Горная промышленность. — 2008. — № 5(81). — С. 72–79.
11. Описание конструкции автопоезда компании Powertrans//International Mining/ — 2008. — JUNE. — P/ 38–46.
12. Описание работы подземного автопоезда The Powertrans Powertruckтм and Powertrailerтм [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://www.ptrans.com/au.index.htm. — (25.05.2010).
13. Дизель-троллейвозный транспорт на карьерах / В. Л. Яковлев, В. П. Смирнов, Ю. И. Лель, Э. В. Горшков. — Новосибирск: Наука СО, 1991. — 104 с.
14. Где используются дизель-троллейвозы сегодня [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://www2.sea.siemens.com/Industry+SoLutions/Mining/mining-sotutions/Trolley-Assist-Users.htm?languagecode=en. — (29.05.2009).
15. Еремеев В. И. Перспективы применения дизель-троллейвозов на глубоких карьерах АК «Алроса» /В. И. Еремеев, В. В. Забелин //Горный журнал. — 2001. — № 1. — С. 70–72.
