VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

На отечественном горном транспорте эксплуатируются локомотивы, большая часть которых разработана до 1990 года и не отвечает современным требованиям энергоэффективности и экологической безопасности. Наиболее эффективными и экологически безопасными являются электровозы и тяговые агрегаты, питающиеся от электрических контактных сетей. Однако значительные трудности при эксплуатации тяговых агрегатов и рудничных контактных электровозов возникают вследствие непостоянства мест погрузки и разгрузки горной массы, материалов и оборудования. Кроме того, на рудниках и подавляющем большинстве карьеров разработка горных пород проводится с применением взрывных работ, а погрузка грузовых вагонов и думпкаров производится экскаваторами. При использовании экскаваторов существует опасность касания ковша экскаватора к контактному проводу. Для уменьшения повреждений тяговой сети контактный провод на время проведения взрывных работ демонтируется, укладывается на землю и защищается или проводятся комбинированные действия. Эти технологические операции приводит к увеличению трудоемкости и снижению производительности на транспорте. Там, где питание тягового подвижного состава от электрических сетей невозможно, на поземных горных работах используются аккумуляторные электровозы, на открытых работах - тяговые агрегаты с дизельными секциями[1-7].

Основным недостатком тяговых агрегатов с тепловозной секцией является загрязнение окружающей среды [8,9,10].. Массы вредных веществ в выхлопных газах дизельного двигателя мощностью 1470 кВт дизель-генераторной установки 14ДГУ-2, при движении тягового агрегата ОПЭ-1на передвижных путях в режиме 50% мощности в кг/ч приведены в табл. 1. Суммарная масса выбросов равна 8,56 кг/ч. Кроме того, в воздух выбрасывается ненормируемые вещества оксиды серы SO_x.. Если при движении по электрифицированному участку дизельный двигатель не выключается и продолжает работать в режиме холостого хода, то в атмосферу дополнительно выбрасывается 0,93кг вредных веществ в час. [10].

В последние годы заметно снизилось применение контактно-дизельных тяговых агрегатов на карьерах, но не в связи с внедрением новых экологически безопасных транспортных машин, а вследствие существенного подорожания горюче-смазочных материалов. Новый экологически безопасный тяговый агрегат НП-1 хотя и имеет реализуемую силу тяги на 8% больше, но в его штатном составе отсутствует тепловозная секция или накопитель энергии.

Табл. 1. Вредные компоненты в выхлопных газах дизельного двигателя

Вредные выбросы	Количество, кг/ч
окиси углерода CO	1,603
оксидов азота NOx	6,105
углеводорода CH	0,642
углерода C	0,208

Техническая характеристика экологически безопасных контактно-аккумуляторных электровозов ВЛ-26 приведена в табл.2.

Табл. 2. Характеристика контактно-аккумуляторного электровоза ВЛ- 26

Сцепная масса	150 т
Мощность часовая	6х235 (1410) кВт
Напряжение в контактной сети	3300 В
Номинальное напряжение тяговых двигателей	750 В
Номинальное напряжение щелочной тяговой аккумуляторной батареи 672 ТНЖШ-550	840 В
Энергоемкость аккумуляторной батареи в 5-часовом режиме разряда	462 кВтч
Масса аккумуляторной батареи	25 т
Объем аккумуляторной батареи	34,4 м³

На отечественных карьерах и в настоящее время широко применяются тяговые агрегаты, технические характеристики которых приведены в табл.3.

Карьерные тяговые агрегаты постоянного тока ПЭ2М, ПЭ2У и переменного тока ОПЭ-1АМ состоят из электровоза управления ЭУ и двух моторных думпкаров МД и не могут автономно передвигаться на участках рельсового пути, необорудованных контактной тяговой сетью [9,10]. Тяговые агрегаты ОПЭ-1 и ОПА-1А оснащены контактно-дизельными КЭСУ и состоят из трех секций: ЭУ (электровоз управления), МД (моторный думпкар), ДС (тепловозная секция). На секции ДС установлена дизель-генераторная силовая установка ДГУ, от которой на участках рельсового пути, необорудованных контактной тяговой сетью, питаются основные и вспомогательные потребители тягового агрегата. В настоящее время срок эксплуатации многих тяговых агрегатов значительно превышает нормативный и они по своему техническому уровню не обеспечивают эффективную эксплуатацию в глубинной зоне карьеров, а также в условиях Крайнего Севера.

Эту проблему можно решить, используя различные накопители энергии - конденсаторы с двойным электрическим слоем КДЭС (суперконденсаторы), ИН-инерционные накопители (маховики), электрохимические накопители электрической энергии ЭХН (аккумуляторные батареи), сверхпроводные индуктивные накопители СПИН [11]. Высокую удельную мощность имеют накопители КДЭС, ИН и СПИН, которые могут успешно эксплуатироваться в пиковых режимах нагрузки при температурах от-70С ͦ до+70Сͦ, но их удельная энергоемкость значительно ниже, а стоимость гораздо выше, чем ЭХН. Исследованиями было установлено, что на карьерном транспорте ИН следует использовать для сглаживания нагрузки на тяговых подстанциях на напряжения 3-10 кВ, а СПИН - для аварийного питания электрических сетей напряжением 35-110-220 кВ. [3-8]. ЭХН имеют большую паспортную удельную энергоемкость, но меньшую удельную мощность, чем КДЭС. Для приема рекуперативной энергии и обеспечения автономного режима движения рациональнее ЭХН использовать в комбинированных накопителях энергии КНЭ в паре с КДЭС В комбинированный накопитель энергии КНЭ кроме суперконденсаторов и аккумуляторных батарей должно входить дополнительное оборудование: реверсивный преобразователь постоянного напряжения, автономный инвертор тока с промежуточным индуктивным звеном[3, 4,5,11]..

Доля энергии суперконденсатора в комбинированном накопителе может быть небольшой и не превышать 1-2% полного запаса энергии, которую может отдать комбинированный накопитель при разряде ЭХН накопителя номинальным током [3,5,6,11].

Табл. 3. Характеристики тяговых агрегатов

Показатели	Постоянный ток			Переменный ток
	ПЭ 2М	ПЭ2У	ОПЭ1		ОПЭ1А	ОПЭ1АМ	НП1
Напряжение сети, кВ	1,5/3,0	1,5/3,0	10, 0		10, 0	10, 0	10, 0
Состав агрегата	ЭУ + МД + МД	ЭУ + МД + МД	ЭУ + ДС + МД		ЭУ + ДС + МД	ЭУ + МД + МД	ЭУ + МД + МД
Число осей	12	12	12		12	12	12
Сцепная масса, т	368	368	360		372	368	372
Мощность, кВт	2430/5190	7000	6480		5325	7580	7600
Часовая сила тяги, кН	672	1200	810		660	1270	1200
Часовая скорость, км/ч	13/27,8	65	28,5		29,5	65	25
Автономное питание	-	-	Дизель 1470 кВт		Дизель 1100 кВт	-	-

При выполнении настоящей работы был проведен расчет величины запаса энергии накопителя для тягового агрегата, имеющего сцепную массу 360т и перевозящего состав из 10 грузовых думпкаров. Грузоподъемность думпкаров 105т, собственная масса 48т. Общая масса поезда равна 840т. В расчетах были приняты следующие условия:. 1. Горная масса перевозится вверх из карьера на поверхность без перецепок одним транспортным средством (тяговым агрегатом) с накопителем энергии.

2. По забойным и отвальным временным горизонтальным путям поезд перемещается с постоянной скоростью 15 км/ч, с постоянным тяговым усилием и совершает остановки для погрузки и разгрузки. 3. Запас энергии в накопителе должен превышать энергию, затрачиваемую на движение поезда по забойным и отвальным путям в оба конца с учетом затрат энергии на собственные нужды поезда и маневровые работы. 4. Торможение поезда в капитальных траншеях и съездах с отвалов должно производиться с рекуперацией энергии. 5. Дополнительной расход энергии на маневры под погрузкой и разгрузкой учтен коэффициентом Км, на собственные нужды - коэффициентом Ксн. Принято, что Км= Ксн = 1,2.

6. Для электрических накопителей энергии к.п.д. передачи примем равным 0,88, для инерционных накопителей кпд передачи выберем равным 0,85 и расход энергии на собственные нужды - 3,5%.

Конечные результаты расчетов запаса энергии в накопителе при длинах горизонтальных участков пути 300м, 500м и 1000м приведены в табл.4 .

Табл.4. Зависимость запаса энергии в накопителе от длины горизонтального участка.

Длина участка пути, м	300	500	1000
Запас энергии без учета расхода энергии на собственные нужды и маневровые работы, кВтч	13,2	22	44
Запас энергии с учетом учета расхода энергии на собственные нужды и маневровые работы, кВтч	23,1	38,5	77,0

Из сравнения табл. 3 и табл.4 следует, что запас энергии тяговой аккумуляторной батареи контактно-аккумуляторного электровоза ВЛ26 в 5-часовом режиме разряда превышает требуемый расчетный запас энергии, необходимый для работы в автономном режиме на участке длиной 1 км (77,0 кВтч <

Код для цитирования: Скопировать