王 群，張瑞新,2，石 寧，呂帥康

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；2.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，河北 廊坊 065201；3.中冶京誠(湘潭)礦山裝備有限公司 市場部，湖南 湘潭 411100)

露天礦礦用自卸車憑借機(jī)動(dòng)靈活、爬坡能力強(qiáng)及適應(yīng)于各類復(fù)雜地形條件等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外露天礦擁有著極為廣泛的應(yīng)用[1]。但在長期的運(yùn)輸作業(yè)中也逐漸暴露出燃油消耗大、運(yùn)輸成本高等亟待優(yōu)化的關(guān)鍵問題。以中煤某礦區(qū)為例，統(tǒng)計(jì)2016—2018年礦用自卸車燃油消耗的總成本占比、單位油耗、礦用自卸車燃油費(fèi)用在3個(gè)露天礦占總成本比例較大，最高可達(dá)22%。礦1的運(yùn)距、提升高度和單耗平均值分別為2.9 km，60 m，0.64 kg/m3；礦2的運(yùn)距、提升高度和單耗分別為4.4 km，200 m，1.23 kg/m3；礦3的運(yùn)距、提升高度和單耗分別為2.7 km，35 m，0.55 kg/m3；礦2所屬的礦用自卸車運(yùn)距和提升高度遠(yuǎn)大于礦1和礦3，且礦2的單耗急劇增加至1.23 kg/m2。因此，為降低露天礦礦用自卸車的燃油消耗，需在礦用自卸車的燃油消耗監(jiān)測、燃油消耗估算、燃油消耗規(guī)律等方面開展研究，為露天礦科學(xué)評估礦用自卸車的燃油消耗量，提升運(yùn)輸系統(tǒng)的智能化和科學(xué)化提供依據(jù)。

目前露天礦礦用自卸車燃油消耗監(jiān)測方法主要包括油箱液位監(jiān)控[2-4]、發(fā)動(dòng)機(jī)ECU監(jiān)控[5-6]、人工計(jì)量[7]，存在計(jì)量精度不高或推廣性不強(qiáng)的問題，進(jìn)而無法對礦用自卸車油耗規(guī)律進(jìn)行深度挖掘。

在高精度油耗監(jiān)測手段缺失前提下，當(dāng)前礦用自卸車燃油消耗估算的研究方法主要包括模擬分析、回歸分析、機(jī)器學(xué)習(xí)?；诎l(fā)動(dòng)機(jī)牽引特性和道路縱斷面參數(shù)模擬礦用自卸車發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗[8-9]，但未考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的非行駛功率；文獻(xiàn)[10-12]提出利用發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載系數(shù)估算自卸車燃油消耗，但發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載系數(shù)因受設(shè)備性能、道路參數(shù)、載重影響而難以準(zhǔn)確獲取；文獻(xiàn)[13-15]采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法預(yù)測礦用自卸車燃油消耗，但僅有少量統(tǒng)計(jì)樣本；利用多元回歸或機(jī)器學(xué)習(xí)方法構(gòu)建礦用自卸車的燃油消耗預(yù)測模型[16-20]，僅考慮礦用自卸車作業(yè)時(shí)間和載重影響因素，未能考慮運(yùn)距及提升高度。此外，露天礦礦用自卸車燃油消耗規(guī)律實(shí)驗(yàn)中普遍存在考慮影響因素少、樣本容量小、持續(xù)時(shí)間短的問題，忽略載重、速度等因素對燃油消耗產(chǎn)生影響[5-6,11]。

綜上所述，筆者以某露天礦220 t礦用電動(dòng)輪自卸車為研究對象，首先，在車輛動(dòng)力學(xué)建?；A(chǔ)上，應(yīng)用自卸車發(fā)動(dòng)機(jī)功率平衡分析，歸納得出發(fā)動(dòng)機(jī)功率的主要組成成分；其次，結(jié)合車輪—牽引系統(tǒng)—?jiǎng)恿D(zhuǎn)換系統(tǒng)的后向建模，建立一種精確的礦用電動(dòng)輪自卸車燃油消耗率估算模型，并從理論上確定自卸車發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率的多維特征參數(shù)，并量化多維特征參數(shù)對發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率、單耗的影響規(guī)律；最后，以某露天礦220 t自卸車為案例，引入高精度、高可靠的容積式油耗傳感器，實(shí)現(xiàn)自卸車的實(shí)時(shí)燃油消耗與累計(jì)燃油消耗精準(zhǔn)計(jì)量，驗(yàn)證燃油消耗率估算模型的精度。研究成果可應(yīng)用于制定合理的燃油消耗考核指標(biāo)、成本預(yù)算方案。

1 電動(dòng)輪自卸車燃油消耗率模型

以某露天礦220 t礦用電動(dòng)輪自卸車為研究對象，在電動(dòng)輪自卸車的動(dòng)力學(xué)模型基礎(chǔ)上，以發(fā)動(dòng)機(jī)功率主要組成為基礎(chǔ)，建立一種簡便易用的自卸車發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率的理論模型，并從理論上分析得出礦用電動(dòng)輪自卸車燃油消耗率的多維度特征參數(shù)，為露天礦電動(dòng)輪自卸車燃油消耗率估算模型構(gòu)建及燃油消耗規(guī)律研究提供理論依據(jù)。

1.1 電動(dòng)輪自卸車基本性能參數(shù)

1.1.1電動(dòng)輪自卸車基本參數(shù)

某露天礦Blaze 75306礦用電動(dòng)輪自卸車的基本性能參數(shù)見表1。

表1 電動(dòng)輪自卸車基本參數(shù)

1.1.2驅(qū)動(dòng)/電制動(dòng)性能曲線

驅(qū)動(dòng)性能曲線定義礦用電動(dòng)輪自卸車在不同工礦條件下的最大穩(wěn)定運(yùn)行速度。根據(jù)驅(qū)動(dòng)性能曲線中的總質(zhì)量及總阻力系數(shù)，確定自卸車的最大穩(wěn)定上坡行駛速度及輪邊驅(qū)動(dòng)力(圖1(a))；同理，為避免自卸車下坡時(shí)剎車過熱，根據(jù)電制性能曲線中的總質(zhì)量及總阻力系數(shù)，可得自卸車最大穩(wěn)定下坡行駛速度及輪邊驅(qū)動(dòng)力(圖1(b))。

1.2 電動(dòng)輪自卸車驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力平衡

礦用電動(dòng)輪自卸車運(yùn)行工況存在載重大、爬坡坡度大的特性，因此，車輛動(dòng)力學(xué)建模過程中需考慮自卸車的載重及道路坡度。在此基礎(chǔ)上，分析自卸車在驅(qū)動(dòng)及制動(dòng)時(shí)的縱向動(dòng)力學(xué)性能(圖2)[21]，根據(jù)車輛行駛受力平衡可知：自卸車輪邊驅(qū)動(dòng)力應(yīng)等于各阻力之和(式(1))。

Fd=Ff1+Ff2+Fw+Fa+Fi

(1)

式中，F(xiàn)d為輪邊驅(qū)動(dòng)力；Ff1和Ff2分別為前軸車輪與后軸車輪的滾動(dòng)阻力；Fw為空氣阻力；Fa為加速阻力；Fi為坡度阻力。

圖1 驅(qū)動(dòng)/電制動(dòng)性能曲線Fig.1 Curves of towing/braking performance

圖2 礦用自卸車行駛受力平衡Fig.2 Driving force balance of mining dump truck diagram

自卸車低速作業(yè)且載重大，其空氣阻力遠(yuǎn)小于滾動(dòng)阻力和坡度阻力，因此，自卸車輪邊驅(qū)動(dòng)力可簡化為滾動(dòng)阻力、坡度阻力、加速阻力之和。

Fd=Ff1+Ff2+Fi+Fa

(2)

1.3 電動(dòng)輪自卸車發(fā)動(dòng)機(jī)功率估算模型

1.3.1礦用電動(dòng)輪自卸車發(fā)動(dòng)機(jī)功率平衡

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為電動(dòng)輪自卸車惟一動(dòng)力來源，其燃料消耗與功率需求直接相關(guān)，因此，在礦用電動(dòng)輪自卸車受力平衡分析基礎(chǔ)上，結(jié)合自卸車整車結(jié)構(gòu)，對自卸車發(fā)動(dòng)機(jī)功率組成進(jìn)行分析(圖3)[22]：在考慮傳動(dòng)系統(tǒng)功率損失，忽略空氣阻力條件下，點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的柴油所產(chǎn)生的功率，主要分配為滾動(dòng)阻力功率、坡度阻力功率、加速度功率以及非行駛功率。

其中，非行駛功率主要用于驅(qū)動(dòng)冷卻、液壓等輔助系統(tǒng)，一般取發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率5%；自卸車傳動(dòng)系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)-輪邊電機(jī)存在功率損耗，其傳動(dòng)系統(tǒng)效率一般在0.86～0.90。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)功率分配Fig.3 Engine power decomposition

1.3.2礦用電動(dòng)輪自卸車發(fā)動(dòng)機(jī)功率估算

在發(fā)動(dòng)機(jī)功率平衡分析基礎(chǔ)上，對車輪-牽引系統(tǒng)-動(dòng)力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行后向建模，從功率角度闡述電動(dòng)輪自卸車燃油消耗與運(yùn)輸工況參數(shù)間的邏輯關(guān)系(圖4)[23]：在傳動(dòng)效率、非行駛功率一定的前提下，隨著載重或總阻力的增加，自卸車所需的輪邊驅(qū)動(dòng)力及驅(qū)動(dòng)功率增加，自卸車發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率隨之增加，在相同時(shí)間內(nèi)自卸車發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗量增大。

圖4 自卸車燃油消耗與多維特征參數(shù)的理論Fig.4 Logical relationship between fuel consumption and multi-dimensional characteristic parameters

結(jié)合自卸車受力平衡和發(fā)動(dòng)機(jī)功率平衡分析，輪邊驅(qū)動(dòng)力Fd、輪邊驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率Pr、發(fā)動(dòng)機(jī)總功率P分別為

Fd=MgR+Ma

(3)

(4)

(5)

式中，F(xiàn)d為輪邊驅(qū)動(dòng)力，t；Pr為輪邊驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率，kW；P為礦用電動(dòng)輪自卸車發(fā)動(dòng)機(jī)所需功率，kW；M為總質(zhì)量，t；R為總阻力系數(shù)，滾動(dòng)阻力系數(shù)與坡度阻力系數(shù)之和，%；Pn為非行駛功率，kW；v為礦用電動(dòng)輪自卸車運(yùn)行速度，km/h；Te為傳動(dòng)效率，取0.88；g為重力加速度，9.8 m/s2；a為自卸車加速度，m/s2。

1.4 電動(dòng)輪自卸車燃油消耗率估算模型

礦用電動(dòng)輪自卸車正常作業(yè)時(shí)，不僅輪邊驅(qū)動(dòng)力和行駛阻力保持平衡，而且發(fā)動(dòng)機(jī)功率與行駛阻力功率、傳動(dòng)損失功率、非行駛功率保持平衡。因此，本文建立一種輸入是自卸車運(yùn)行工況參數(shù)、輸出是燃油消耗率(kg/h)的估算模型，逆向計(jì)算不同工況條件下自卸車發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率(式(6))：在非行駛功率、傳動(dòng)效率一定的前提下，礦用電動(dòng)輪自卸車發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率的多維特征參數(shù)為載重、加速度、滾動(dòng)阻力系數(shù)、坡度阻力系數(shù)、行駛速度等因素。

(6)

式中，F(xiàn)c為礦用自卸車發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率，kg/h；C為發(fā)動(dòng)機(jī)的功率-油耗轉(zhuǎn)換系數(shù)，取0.208 kg/(kW·h)。

2 礦用電動(dòng)輪自卸車油耗規(guī)律

基于電動(dòng)輪自卸車的牽引/電制動(dòng)性能曲線，確定自卸車最大穩(wěn)定運(yùn)行速度與道路坡度的變化規(guī)律。結(jié)合電動(dòng)輪自卸車燃油消耗率估算模型，量化載重、總阻力系數(shù)、速度對自卸車燃油消耗的影響規(guī)律。最后，綜合模擬不同工況下電動(dòng)輪自卸車燃油消耗率變化規(guī)律，為燃油消耗考核指標(biāo)的制定及道路設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2.1 坡度與自卸車最大運(yùn)行速度規(guī)律

通常情況下，在不超載前提下，礦用自卸車總質(zhì)量為156～376 t。結(jié)合自卸車的驅(qū)動(dòng)/電制動(dòng)性能曲線，得出不同總質(zhì)量、總阻力系數(shù)條件下的最大行駛速度的變化規(guī)律(圖5)：自卸車在上坡、下坡作業(yè)時(shí)，隨著總質(zhì)量及總阻力系數(shù)的增加，自卸車所能達(dá)到的最大穩(wěn)定行駛速度逐步降低。

圖5 最大速度與總質(zhì)量、總阻力系數(shù)的規(guī)律Fig.5 Laws of maximum speed,total weight and resistance

進(jìn)一步，在滿載及空載狀態(tài)下，自卸車在不同坡度下的最大行駛速度規(guī)律如圖6所示,自卸車采用無摩擦緩行制動(dòng)下坡，通過制動(dòng)電阻柵耗散熱能而達(dá)到自卸車電減速制動(dòng)目的，且自卸車最大行駛速度受制動(dòng)電阻柵的最大功率限制，因此，自卸車也應(yīng)嚴(yán)格遵守下坡安全限速規(guī)定。同時(shí)，運(yùn)輸?shù)缆返钠露?上坡、下坡)越大，自卸車所能達(dá)到的最大穩(wěn)定行駛速度呈減少趨勢。

圖6 最大速度與總阻力系數(shù)規(guī)律Fig.6 Law of maximum speed and total resistance coefficient

2.2 載重對自卸車燃油消耗影響規(guī)律

在同一總阻力系數(shù)條件下，自卸車發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率隨著載重的增加而增加，燃油消耗率曲線的斜率卻逐步減少(圖7(a)，8(a))；載重比為載重與總質(zhì)量的比值，載重比越大，用于克服自重的無效燃油消耗比例越小，運(yùn)輸?shù)V巖的單位油耗越小。在考慮運(yùn)距(1 km)情況下，自卸車的單耗隨著載重的增加而呈減少趨勢。因此，自卸車應(yīng)盡量滿載作業(yè)以充分發(fā)揮效能(圖7(b)，8(b))。

圖7 載重對燃油消耗的影響(驅(qū)動(dòng)上坡)Fig.7 Influence of load on fuel consumption(driving at uphill)

圖8 載重對燃油消耗的影響(制動(dòng)下坡)Fig.8 Influence of load on fuel consumption (breaking at downhill)

2.3 總阻力系數(shù)對自卸車燃油消耗影響規(guī)律

該露天礦的220 t級電動(dòng)輪自卸車配套27 m3電鏟聯(lián)合作業(yè)，自卸車平均質(zhì)量一般為200 t。假定自卸車往返運(yùn)距為1 km，如圖9所示,運(yùn)輸?shù)缆菲露?上坡、下坡)越大，自卸車燃油消耗量呈現(xiàn)增大趨勢；當(dāng)自卸車空載下坡，且滾動(dòng)阻力與坡度阻力大小相等、方向相反時(shí)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速狀態(tài)，自卸車的燃油消耗量最??；最后，總阻力系數(shù)8%的道路上重載上坡行駛時(shí)，自卸車的燃油消耗大約是水平運(yùn)輸?shù)?倍，且總阻力系數(shù)每增加1%，每公里燃油消耗增加2.5～3.0 kg。

圖9 總阻力系數(shù)與燃油消耗規(guī)律Fig.9 Rolling resistance coefficient and fuel consumption law

2.4 速度對自卸車燃油消耗影響規(guī)律

在同一總阻力系數(shù)條件下，自卸車的單耗與行駛速度呈現(xiàn)非線性規(guī)律，且單耗曲線的斜率隨著速度的增加而增加(圖10)。同理，在同一運(yùn)行速度條件下，自卸車的單耗隨著總阻力系數(shù)的增加呈增大趨勢，因此，單耗對總阻力系數(shù)及速度較為敏感。

2.5 礦用自卸車燃油消耗率規(guī)律

從理論上分析可知，影響自卸車燃油消耗率的多維特征參數(shù)為載重、速度、滾動(dòng)阻力系數(shù)、坡度阻力系數(shù)等。為此，根據(jù)自卸車實(shí)際作業(yè)工況，選取載重(156～220 t)、速度(5～35 km/h)、總阻力系數(shù)(4%～10%)等參數(shù)范圍，模擬自卸車在不同載重、速度、總阻力系數(shù)條件下發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率，得出礦用電動(dòng)輪卸車燃油消耗率規(guī)律(圖11)：不同的總阻力系數(shù)曲面代表不同運(yùn)輸?shù)缆?，量化不同運(yùn)輸?shù)缆返淖孕盾嚾加拖穆剩煌缆返钠露葘ψ孕盾嚾加拖穆十a(chǎn)生差異。模擬結(jié)果可為運(yùn)輸?shù)缆啡加拖目己酥笜?biāo)的制定提供參考依據(jù)，提高燃油消耗考核指標(biāo)值的精準(zhǔn)度。

3 案例驗(yàn)證及應(yīng)用

3.1 礦用電動(dòng)輪自卸車油耗傳感器

采用容積式非圓齒輪流量計(jì)，具有較高的計(jì)量精度和較寬的量程比，其計(jì)量精度高達(dá)±0.5%。該流量計(jì)由進(jìn)油過濾、燃油計(jì)量、回油冷卻、回油排氣等四大機(jī)構(gòu)組成。此外，柴油密度隨溫度變化率為±0.000 86/℃，礦區(qū)溫差每超過11 ℃時(shí)，柴油體積變化1%，故燃油計(jì)量裝置需具備溫度檢測功能。

該容積式油耗傳感器安裝在礦用自卸車發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)油管與回油管之間(圖12)，通過監(jiān)測油路管道中的柴油流量來測算發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)耗油量和累計(jì)耗油量，實(shí)現(xiàn)露天礦自卸車的實(shí)時(shí)燃油消耗與累計(jì)燃油消耗精準(zhǔn)計(jì)量，解決現(xiàn)有燃油消耗計(jì)量精度不高的問題。

3.2 實(shí)驗(yàn)道路基本信息

從2020-01-15—2020-03-15，選取3條典型運(yùn)輸?shù)缆犯删€，其起點(diǎn)為A，終點(diǎn)分別為B1,B2,B3，3條運(yùn)輸干線的總阻力系數(shù)分別為7.3%,4.0%,5.8%，其基本信息見表2。

3.3 自卸車燃油消耗率估算模型驗(yàn)證

對電動(dòng)輪自卸車在重載加速、重載減速、空載加速、空載減速階段的加速度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并取平均值，結(jié)合本文提出的燃油消耗率預(yù)測模型，計(jì)算電動(dòng)輪自卸車在加速階段、減速階段的燃油消耗(表3)。

圖10 速度對燃油消耗的影響Fig.10 Influence of speed on fuel consumption

圖11 多維特征參數(shù)燃油消耗規(guī)律Fig.11 Fuel consumption law of multidimensional parameters

圖12 油耗傳感器安裝Fig.12 Fuel consumption meter installation

表2 典型運(yùn)輸路線信息

表3 自卸車加減速燃油消耗估算

結(jié)合實(shí)際作業(yè)的平均速度，分別估算3條不同運(yùn)輸干線道路上礦用自卸車的燃油消耗率，結(jié)合實(shí)際單循環(huán)作業(yè)時(shí)間計(jì)算電動(dòng)輪自卸車的單耗，并與實(shí)際值進(jìn)行對比驗(yàn)證(表4)，結(jié)果顯示：在平均載重200 t的條件下，自卸車燃油消耗率模型估算的單耗均大于實(shí)測單耗。3條運(yùn)輸干線的礦用電動(dòng)輪自卸車單耗預(yù)測誤差分別為4.18%,0.96%,5.88%，從而驗(yàn)證本文提出的燃油消耗估算模型的可行性，且滿足現(xiàn)場單耗估算的精度要求，為露天礦提供一種簡便易行的礦用電動(dòng)輪自卸車的燃油消耗估算方法，可消除不同運(yùn)輸?shù)缆分衅露?高差)對燃油消耗產(chǎn)生的影響，為不同運(yùn)輸?shù)缆分贫ㄈ加拖目己酥笜?biāo)提供依據(jù)。

表4 自卸車單耗估算模型驗(yàn)證

4 結(jié) 論

(1)在礦用電動(dòng)輪自卸車的驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力平衡、發(fā)動(dòng)機(jī)功率平衡分析基礎(chǔ)上，利用車輪—牽引系統(tǒng)—?jiǎng)恿D(zhuǎn)換系統(tǒng)的后向建模，從理論上闡述礦用電動(dòng)輪自卸車發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率的多維特征參數(shù)為載重、速度、滾動(dòng)阻力系數(shù)、坡度阻力系數(shù)、加速度。

(2)礦用電動(dòng)輪自卸車發(fā)動(dòng)機(jī)功率主要由滾動(dòng)阻力功率、坡度阻力功率、非行駛功率、加速功率、傳動(dòng)系統(tǒng)功率損耗等組成。在此基礎(chǔ)上，筆者提出一種簡單易行的礦用電動(dòng)輪自卸車燃油消耗率估算模型，結(jié)合電動(dòng)輪自卸車的驅(qū)動(dòng)/電制動(dòng)性能曲線，量化載重、速度、總阻力系數(shù)對燃油消耗率、單耗的影響。

(3)以某露天礦為例，引入適用于露天礦礦用自卸車的容積式非圓齒輪流量計(jì)，解決現(xiàn)有燃油消耗計(jì)量精度不高的問題，同時(shí)驗(yàn)證自卸車燃油消耗率估算模型的精度，結(jié)果表明：礦用電動(dòng)輪自卸車單耗誤差在10%以內(nèi)，驗(yàn)證該方法的可行性，滿足現(xiàn)場單耗估算的精度要求。

(4)筆者提出的電動(dòng)輪自卸車燃油消耗率估算模型，該方法綜合考慮載重、坡度阻力系數(shù)、滾動(dòng)阻力系數(shù)、速度對燃油消耗率的影響，研究成果可應(yīng)用于考核指標(biāo)制定、運(yùn)輸調(diào)度、最佳駕駛行為識別及道路優(yōu)化設(shè)計(jì)等。