礦用車的架線輔助供電技術(shù)

在能源問題日益被關(guān)注的情況下，架線輔助供電系統(tǒng)也將逐漸受到重視。

如德國的Siemens公司可以根據(jù)礦山運(yùn)行數(shù)據(jù)如工作循環(huán)、生產(chǎn)率需求、運(yùn)輸線路坡度、油價(jià)電價(jià)等方面內(nèi)容為礦山提供架線輔助供電系統(tǒng)的可行性分析和制訂具體方案，經(jīng)驗(yàn)證明生產(chǎn)率的提高和能源、維護(hù)費(fèi)用的降低能為礦山提供可觀的收益，成本收回期一般在1到3年；還有Siemens的新型的交流驅(qū)動在輔助架線系統(tǒng)的性能更為強(qiáng)大，在運(yùn)行工況下能提供高達(dá)5200hp的動力輸出，這已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)前任何一款礦用卡車的引擎功率，使車輛的坡道運(yùn)行速度成倍提升，縮短工作循環(huán)周期、提高生產(chǎn)率，如果工作循環(huán)時(shí)間能減少20%，那么32輛卡車的工作效率就與柴油動力的40臺相當(dāng)......

相比以前的直流傳動技術(shù)，采用Siemens交流驅(qū)動技術(shù)的卡車可以在任何速度下進(jìn)入架線運(yùn)行狀態(tài)，并且不受輔助供電電壓的限制，另外，車載系統(tǒng)可以匹配當(dāng)前1400-1600V的直流線路，也可以使用新型更高效的2600V供電線路，甚至混合運(yùn)行模式，可以自動檢測線路電壓，根據(jù)電壓自動選擇驅(qū)動方式：高壓時(shí)（如2600V）直接由外部電能驅(qū)動或低壓時(shí)(如1400V)柴油機(jī)輔助驅(qū)動。目前GE等公司的直流驅(qū)動的應(yīng)用還占主要地位，不過交流驅(qū)動是將來的趨勢......

Siemens還改進(jìn)了受電弓，它裝有導(dǎo)線位置傳感器和并且延伸范圍更大、承受導(dǎo)線的起伏和反彈能力更強(qiáng)；公司還可提供架線輔助供電系統(tǒng)的組合式的地面設(shè)備，可移動性更好......

日本的Hitachi-Euclid和Komatsu一些型號的礦用車可提供工廠預(yù)裝的架線輔助供電系統(tǒng)，如Komatsu在去年發(fā)布了新型的860E AC電傳動礦用自卸車，其有效載荷為254噸，動力系統(tǒng)是2014kW的增壓引擎，此車型今年開始限量生產(chǎn)，明年將進(jìn)行批量生產(chǎn)。

可選裝原廠架線輔助供電系統(tǒng)的小松860E AC：



架線輔助供電運(yùn)行相對于常規(guī)柴油動力的優(yōu)勢比較：

◆生產(chǎn)率最大化
坡道運(yùn)行速度更快（尤其采用新型的交流驅(qū)動卡車時(shí)），上坡時(shí)的卡車速度不再由車載引擎決定，而由外部供電決定：

速度、能量關(guān)系式：速度＝能量（動力）/[車輛總重量×9.8×坡度（%）]

由于外部電能輸入遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目前的柴油發(fā)動機(jī)功率，所以卡車速度的會大大提升（如2700hp柴油發(fā)動機(jī)的卡車采用架線輔助供電時(shí)動力提升到了5200hp，所以速度相應(yīng)提高了90%），這樣就能加快工作循環(huán)或使用較少的車輛。

◆降低燃料消耗和發(fā)動機(jī)維修、保養(yǎng)費(fèi)用，延長發(fā)動機(jī)壽命
如果是常規(guī)柴油動力，那么70-80%的燃料被消耗在坡道上，而架線輔助供電可以大降降低這項(xiàng)費(fèi)用，并且發(fā)動機(jī)的維修和保養(yǎng)間隔與燃料消耗量成正比，因此此間隔能延長2-3倍。

◆延長輪馬達(dá)電樞的壽命
由于上坡速度加快，大負(fù)荷的坡道運(yùn)行時(shí)間縮短，牽引電機(jī)的發(fā)熱量大大減少。

◆對環(huán)境更友好
采用架線輔助供電時(shí)發(fā)動機(jī)基本牌怠速狀態(tài)，廢氣排放和噪音都明顯減少，提高了空氣質(zhì)量，這點(diǎn)在深凹露天礦尤為重要。

南非Grootegeluk煤礦的常規(guī)動力與架線供電對比：

1967年美國Kennecott Copper銅業(yè)公司在新墨西哥州的Chiao進(jìn)行了第一次采用架線輔助供電系統(tǒng)的大型電傳動自卸車可行性研究和樣機(jī)試驗(yàn)，所用的車型是Unit Rig的M100，它裝備了700hp的發(fā)動機(jī)和GE的推進(jìn)馬達(dá)，結(jié)果證明采用架線輔助運(yùn)行能讓這個(gè)裝載了123短噸的大家伙在7%的坡道上提高車速136%，不過當(dāng)時(shí)柴油機(jī)功率有限，自卸車的速度都不高。 

1967年的M100：



根據(jù)KCC的經(jīng)驗(yàn)，加拿大Quebec Cartier礦業(yè)公司在它的Lac Jeaniae鐵礦，于1971年將整個(gè)生產(chǎn)都改為架線輔助運(yùn)行，車型包括85短噸KW Dart和Unit Rig M85以及100短噸的Unit Rig M100，直到1977年該礦因鐵礦石采盡為止，整個(gè)系統(tǒng)使用期間，實(shí)現(xiàn)了提高生產(chǎn)率27%，在坡道上減少燃油消耗87%。



南非的Palabora礦山公司在經(jīng)過論證實(shí)地測試后，于1981年將其75臺170短噸的Unit Rig卡車改裝成架線輔助供電方式，供電電壓為1200V，由位于駕駛室上前方的氣動集電桿連接到卡車...

復(fù)雜的集電裝置：

簡單了解一下此技術(shù)的發(fā)展以及誰使用了它：

車輛通過外部供電行駛的想法由來已久，早在1869年，移居到美國的Charles J.Van Depoele發(fā)明了一臺集電桿受電的有軌道電車系統(tǒng)，并在1882-1883年的芝加哥工業(yè)博覽會上進(jìn)行了短軌運(yùn)行，這個(gè)概念在許多鐵路上采用，應(yīng)用于許多國家的鐵路上和電車上；在歐洲，因1882年在柏林做了水平雙導(dǎo)線供電的車輛運(yùn)行試驗(yàn)，Werner Von Siemens被認(rèn)為是“電車之父”...

1889年時(shí)的電車：



意大利北部Valtellina的水電站大壩建設(shè)時(shí)曾使用了電車系統(tǒng)，當(dāng)時(shí)工地中有16車三軸的卡車和4車雙軸的牽引車，它們直接由高架線提供的650V直流電進(jìn)行驅(qū)動，運(yùn)行時(shí)間為1938-1962年。

1940年的電車：

International Salt公司在密西根州的地下礦，通過將直流電動機(jī)直接安裝在差動器上將一批20短噸的Euclid改裝成了電驅(qū)動形式，并且將發(fā)動機(jī)換成了蓄電池，在沒有外部能量輸入時(shí)驅(qū)動車輛，這些設(shè)備從1939年開始成功使用了二十余年。

1956年，Riverside水泥公司把4輛30短噸的Kenworth機(jī)械傳動后卸式自卸車，通過安裝一臺350HP牽引電動機(jī)到差動器上，取代機(jī)械傳動變?yōu)殡妭鲃樱芫€系統(tǒng)通過集電桿裝置把電力送到牽引電動機(jī)，供電電壓為550V，使用輔助供電系統(tǒng)后，車輛的坡道運(yùn)行速度增加了一倍，另外由于工作地點(diǎn)的特殊性還使用了電纜卷盤，這個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行了15年直到車隊(duì)退役。

當(dāng)年30短噸的Kenworth：



在尋找高負(fù)載坡道運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)方案時(shí)，Berkeley露天銅礦認(rèn)為電驅(qū)動的運(yùn)輸車比機(jī)械驅(qū)動的效率更高，于是在1958年，它們向有電驅(qū)動車輛生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的R.G.LeTourneau求助，兩年后，一臺以過測試后的60短噸非路面卡車被送到了Berkeley，這臺車用柴油機(jī)帶動車載直流電機(jī)發(fā)電驅(qū)動輪轂電機(jī)行走，后來R.G.將電驅(qū)動技術(shù)向前推進(jìn)了一步，于是出現(xiàn)了架線輔助供電的車型，這臺原型車就是TR-60，為大型露天礦的坡道運(yùn)行而設(shè)計(jì)，它是一臺60短噸承載能力的鉸接式車型，最初裝有一臺335hp的Cummins發(fā)動機(jī)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在脫離架線時(shí)動力不足，后來改成了雙引擎，動力增加了一倍，載重量也提高到了75短噸，TR-60的整個(gè)工作生涯都在Berkeley的露天銅礦度過，現(xiàn)如今保存于Butte Mining礦山博物館。

工程機(jī)械領(lǐng)域的傳奇人物---R.G.LeTourneau先生：

美國內(nèi)華達(dá)州的Barrick Goldstrike Mines的輔助系統(tǒng)開始于1993年，它的架線系統(tǒng)由Siemens提供，Caribou公司進(jìn)行安裝，此系統(tǒng)也參照了Palabora的模式，不過尺寸進(jìn)行了放大以適應(yīng)該礦較大型號的190短噸卡車，為高負(fù)載的懸吊架線結(jié)構(gòu)，1994年10月時(shí)有50臺Komatsu 685E投入使用，后來又增加到了74臺，線路長度也加長到了4.5千米，但是由于礦山計(jì)劃的改變，這此車可能在8年之前退役。

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同樣屬于南非ISCOR的Grootegeluk煤礦也使用了此技術(shù)，并于2001年改為交流驅(qū)動，其電桿的跨度為50米，移動整流站接收11千伏的交流電并向兩根高架線提供電能用于驅(qū)動卡車，主要車型有Komatsu 730E、Maranthon_LeTourneau 2200和Euclid R280AC。



贊比亞的Lumwana銅礦是非洲大陸上最大的單體銅礦，2007年時(shí)Siemens為提供了27臺卡車的架線輔助供電系統(tǒng)，采用新型的交流驅(qū)動技術(shù)。

南非ISCOR（南非鋼鐵公司）的Sishen鐵礦在1979年時(shí)，由于油價(jià)飛漲和南非政府呼吁減少礦物燃料的使用，建造了7.7千米的輔助供電線路，并于1982年初完成了66臺170短噸的卡車的改造。由于此礦山的使用需要，這個(gè)系統(tǒng)在以前經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了重新的設(shè)計(jì)，使車輛能在任何地點(diǎn)進(jìn)入或退出架線運(yùn)行狀態(tài)，并且相關(guān)電力設(shè)備的可移動性增強(qiáng)，此系統(tǒng)供電線路的電壓為1200V。

這里運(yùn)行有較多型號和數(shù)量的卡車：



納米比亞Nchanga露天礦的部分車型也在上個(gè)世紀(jì)的80年代使用了輔助供電的方式，這些卡車都是GE的驅(qū)動系統(tǒng)，使用集電桿進(jìn)行連接，目前都已退役。



力拓集團(tuán)的納米比亞Rossing Uranium鈾礦是Palabora的兄弟礦，在Palabora使用了輔助架線之后，該礦也參照此模式進(jìn)行了安裝。目前有24臺730E使用架線輔助供電方式，還有3臺小松的PC5500-6液壓鏟。

總的來說架線輔助供電在全球的應(yīng)用還很少，除了確實(shí)不適用的礦山之外，其不夠普及可能是什么原因？

◆不熟悉、不了解
許多用戶并不知道架線輔助供電所能提供的優(yōu)勢。

◆認(rèn)為系統(tǒng)建設(shè)、維護(hù)和車輛安裝的輔助設(shè)備費(fèi)用高、回收投資其長
生產(chǎn)率的提高，尤其對于交流驅(qū)動卡車，能源和車輛修保養(yǎng)費(fèi)用的節(jié)省，通常能在1-3年收回設(shè)備投資。

◆靈活性不如常規(guī)動力車型
這一點(diǎn)可以說是其最大不足，導(dǎo)致許多現(xiàn)有的露天礦不適用于架線輔助供電，不過每個(gè)新礦山在設(shè)計(jì)時(shí)都可以考慮使用此技術(shù)。



這是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，也許不適合于所有的礦山，用還是不用，這是個(gè)問題，當(dāng)然要專業(yè)公司進(jìn)行可行性論證和分析。有多少用戶會對它有興趣很難說，是常規(guī)柴油動力還是架線輔助供電運(yùn)行，你想好了嗎？

架線輔助供電曾在上個(gè)世紀(jì)70年代南非得到較多應(yīng)用，其主要原因是石油禁運(yùn)和相對便宜的電價(jià)；80年代的能源危機(jī)，也使架線輔助供電的應(yīng)用得到了進(jìn)一步的發(fā)展，以減少能源的消耗。最初的系統(tǒng)主要由礦山的內(nèi)部工程人員開發(fā)，因?yàn)楫?dāng)時(shí)沒有哪個(gè)廠家提供現(xiàn)成的設(shè)備，在今天，許多的礦用卡車制造商都可以提供原廠的架線輔助供電版本的車型。

除了經(jīng)濟(jì)性的要求之外，也有一些礦山為了其它目的如降低噪音和污染的目的來使用架線系統(tǒng)，包括Barrick Mine和澳大利亞新南威爾士的Mount Arthur North煤礦等。

以上是全球礦山正在使用或曾經(jīng)使用過架線輔助供電系統(tǒng)的部分礦山和大型工程。另外在我國的寶日希勒露天礦，為降低生產(chǎn)成本和改善礦坑內(nèi)的大氣環(huán)境，符合目前國家節(jié)能減排的產(chǎn)業(yè)要求，也準(zhǔn)備采用架線輔助供電技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)......



架線輔助運(yùn)行系統(tǒng)的原理并不復(fù)雜，在一條坡道上配有二根接觸導(dǎo)線，自卸車通過受電弓(或集電桿)接到接觸導(dǎo)線上，然后用一定的控制方式把架線電壓加到卡車的直流或交流牽引電機(jī)，架線輔助運(yùn)行系統(tǒng)由主要有下幾個(gè)部分：

1、電源供電設(shè)備 
2、集線裝置
3、受電器裝置 
4、自卸車系統(tǒng)

◆電源供電設(shè)備——是接收、變換、分配電能的環(huán)節(jié)，包括線路隔離開關(guān)、變壓器、整流器、流斷路器等。從理論上，供電系統(tǒng)可以是直流或交流，目前的應(yīng)用大都采用直流供電系統(tǒng)，利用切換串聯(lián)降壓電阻調(diào)節(jié)車速，控制系統(tǒng)相對交流供電簡單。但隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，PLC技術(shù)的應(yīng)用，交流供電控制復(fù)雜的問題已經(jīng)很好解決。交流供電系統(tǒng)造價(jià)低、效率高的優(yōu)點(diǎn)很明顯。

供電設(shè)備的變壓器，整流器的規(guī)格要根據(jù)平均負(fù)荷和峰值負(fù)荷，并按礦內(nèi)架線運(yùn)行的自卸車數(shù)量比例進(jìn)行選擇。交直流斷路器等保護(hù)器件的規(guī)格則須根據(jù)計(jì)算出來的故障條件選定。電源供電設(shè)備應(yīng)有完整的兩套，其中一套作為備用。

◆集線裝置——常用的有導(dǎo)線懸吊架線結(jié)構(gòu)和匯流條架線結(jié)構(gòu)兩種。

導(dǎo)線懸吊架線結(jié)構(gòu)是靠導(dǎo)線自重拉緊的，在周圍環(huán)境溫度較高的條件下，為防止導(dǎo)線下垂就需要相對短的電桿跨距(與匯流條架線結(jié)構(gòu)相比較)，還需要拉緊裝置用于維修和調(diào)節(jié)弛度，此方式安裝安裝較容易、投資少。

匯流條架線結(jié)構(gòu)適用于高生產(chǎn)能力(運(yùn)輸密度大)和坡度為8％或更大的礦山條件。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是電流容量大、壽命長、電壓降小、所需變電站少，另外它的安全更好、故障率也低，但是投資較大。

◆受電器裝置——相應(yīng)有受電弓式和集電桿滑塊式兩種供選擇，兩種都是氣動上舉式，為了得到良好的電流接收而沒有電弧產(chǎn)生，受電器對架線導(dǎo)體接觸壓力有重要意義，壓力不應(yīng)小于規(guī)定數(shù)值，但同時(shí)壓力也不應(yīng)太大，以致產(chǎn)生大的磨擦損耗，受電器應(yīng)該在架線導(dǎo)體高度的工作范圍內(nèi)保證壓力變化很小。

對受電器接觸導(dǎo)體的要求是：導(dǎo)電性能良好、機(jī)械耐磨性能好、比重小，常用的材料有以下幾種。 
金屬材料：銅、鋼、鋁
粉末冶金材料：基材為銑或銅 
碳質(zhì)材料；純石墨或含金屬石墨 
其中金屬石墨性能最佳，價(jià)格也最高。

受電弓式的優(yōu)點(diǎn)是操作方便，不受入口限制，可隨時(shí)隨處進(jìn)入架線運(yùn)行狀態(tài)；集電桿滑塊式則需要入口導(dǎo)向盤，司機(jī)操作相對困難。

◆自卸車系統(tǒng)——分級電阻系統(tǒng)算是目前比較好的選擇，它在性能、可靠性、自重、尺寸和成本方面都有優(yōu)勢。

架線運(yùn)行車輛行走的線路設(shè)計(jì)和坡道寬度等方面的設(shè)計(jì)也需要注意，制造商已經(jīng)注意到了這個(gè)問題并且已經(jīng)開發(fā)出了快速安裝和拆除系統(tǒng)，不過這種情況在設(shè)計(jì)時(shí)還是要盡量避免為好。架線輔助供電的主要費(fèi)用在卡車的改裝、變電站、高架線系統(tǒng)和電力傳輸，或許可以用租賃的方式可以減少這些開銷。

早期的架線輔助供電技術(shù)主要依賴于低電價(jià)和高油價(jià)來實(shí)現(xiàn)運(yùn)行成本的減少，高性能交流傳動技術(shù)的出現(xiàn)，使得架線輔助供電的優(yōu)勢變得更大。

架線輔助供電運(yùn)行是電傳動自卸車的一大特點(diǎn)，此技術(shù)主要適用于坡度較大的深凹露天礦或者是柴油價(jià)格遠(yuǎn)高于電價(jià)的地區(qū)等，一般是在坑內(nèi)、水平路面和破碎站附近時(shí)由柴油機(jī)提供動力，坡道運(yùn)行時(shí)進(jìn)行輔助供電驅(qū)動，此時(shí)引擎僅作怠速運(yùn)轉(zhuǎn)且只需為卡車的助力轉(zhuǎn)向等能耗低的設(shè)備提供能量即可。

架線輔助供電運(yùn)行：



任何東西都不是萬能的，當(dāng)然架線輔助供電也不會例外，它也有自身的缺陷和應(yīng)用的特定條件，不過隨著技術(shù)的進(jìn)步，這方面的限制和影響會越來越小：

卡車架線輔助供電系統(tǒng)的主要問題是初次投資增加、道路靈活性受限制以及在維修和改造方面的花費(fèi)。路面平坦是采用該系統(tǒng)的首要條件。由于該系統(tǒng)采用架空電線通過集電弓向卡車電動輪供電，因此必須保證集電弓與電線的接觸良好，這就要求路面平坦，起伏在集電弓容許的范圍之內(nèi)；另一方面由于架線汽車運(yùn)行較快且受到架空線的限制，會出現(xiàn)超越其它燃油車輛的情況，就要求道路寬度較一般情況更寬以便超車，卡車的轉(zhuǎn)彎半徑也不應(yīng)小于200m，以保證轉(zhuǎn)向順利。一般情況下，應(yīng)盡量保證卡車在水平路段進(jìn)人架線系統(tǒng)；同時(shí)為充分體現(xiàn)架線系統(tǒng)的優(yōu)勢，所有重車上坡段均應(yīng)布置在架線系統(tǒng)內(nèi)。經(jīng)濟(jì)效益方面，要滿足年爬坡運(yùn)量大于1600萬t·km和每L柴油價(jià)／每kW·h電價(jià)大于4的兩項(xiàng)條件，項(xiàng)目投資就可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益；另外當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)要能提供所需負(fù)荷......

受益匪淺??！就是感覺受靈活性影響非常大！