考虑待装时间的单斗-矿车工艺系统生产率理论计算方法及设备选型配套软件.pdf

第 48 卷 2020 年第 2 期 提运 编 辑 严 瑾 15 考虑待装时间的单斗-矿车工艺系统 生产率理论计算方法及设备 选型配套软件 赵 波，唐孟秋，李开勇，王翼鹏 四川大学机械工程学院先进制造技术四川省重点实验室 四川成都 610065 摘要以交流电传动矿车为研究对象，分别建立了单斗-矿车工艺系统中矿车和电铲生产率的计算公 式，提出一种新的矿车作业周期计算方法。在该方法中，考虑矿车待装时间并建立了其计算公式，并 利用电铲和矿车性能参数分别计算了作业循环时间中的装料时间、矿车满载运输时间和空载折返时 间；给出勺容比和车铲比的推荐公式，定量分析了勺容比、车铲比和矿车等待装料时间对生产率的影 响。最后开发出软件程序，它能在满足矿山生产目标前提下，方便快速地输出多种可供比较的单斗- 矿车工艺系统设备选型配套方案。 关键词单斗-矿车工艺系统；作业循环时间；生产率；待装时间；勺容比；车铲比；设备利用率； 选型配套方案 中图分类号TD42; TD57; N94 文献标志码Ａ 文章编号1001-3954202002-0015-09 Theoretical calculation s for cycle time and productivity of shovel-truck system considering waiting time and equipment sizing and matching software ZHAO Bo, TANG Mengqiu, LI Kaiyong, WANG Yipeng Sichuan Provincial Key Lab of Advanced Manufacturing Technology, School of Mechanical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, Sichuan, China AbstractTaking the AC electric-drive haul truck as the studying object, the paper established the calculation ula for the productivity of the truck and the electric shovel of the shovel-truck system, and proposed a new calculation for the cycle time of the truck. In the , the waiting time of the truck was considered and its calculation ula was built, and the perance parameters of the electric shovel and the truck were applied to calculate the loading time, hauling time and no-load return time of the cycle time; the recommended ulas of the number of the bucket until full of a truck and the number ratio of the truck to the shovel were offered, and the influence of the number of the bucket until full of a truck, the number ratio of the truck to the shovel and the truck waiting time on the productivity were quantitatively analyzed. Finally, the software was developed which rapidly output various comparative equipment sizing and matching schemes for the shovel-truck system. Key Wordsshovel-truck system; cycle time; productivity; waiting time; number of bucket until full of a truck; number ratio of truck to shovel; equipment utilization efficiency; sizing and matching scheme 作者简介赵 波，男，1972 年生，教授，工学博士，主要研 究方向为矿用汽车总体设计、湿盘式制动器和汽车结构分析与 CAE。 非 公路矿用汽车是指在露天矿山或大型土建工 地的专用道路上，为完成岩石土方剥离与矿石 运输任务而使用的、作短距离运输的专用载重车辆， 万方数据 第 48 卷 2020 年第 2 期 提运 编 辑 严 瑾 16 其工作特点是承载重、运程短、频繁上下坡、循环 往复于采掘点和卸矿点，常与大型挖掘机 通常是电 铲 或装载机联合作业，构成装、运、卸生产线，持 续地进行矿石、土方和废料的装卸运输工作[1]2。汽车 运输是一种有效的露天矿山运输方式，它具有灵活性 好、机动性高、适应地质条件和爬坡能力强、转弯半 径小、作业循环时间短以及配套基础设施投资少等优 点，目前绝大多数露天矿山的剥离系统均采用单斗- 矿车工艺系统 shovel-truck system[2-3]。一个采用单一 汽车运输系统的矿山，汽车运输量占矿山采剥总运量 的比例可高达 70～80，运输成本约占矿石成本的 50～60[4-5]。目前，露天矿山采矿装备呈现出大型 化、绿色化和智能化的趋势，实践证明采用大型装载 和运输设备可明显提高矿山产量，是节约矿山运输成 本的主要方式之一[6]。目前，全球矿山都在加速技术 革新的步伐，积极采用各种方式提高生产率和节约成 本，包括优化装载和运输设备的勺容比和车铲比[7-12]， 加强矿车有效装载质量的利用程度[13-14]，提高矿车和 电铲的可靠性和利用率，采用双燃料发动机[15]和无人 驾驶技术等[16]。国外露天矿山的实践表明单斗-矿 车装运系统配置实时监控系统，可使汽车运输系统处 于最佳状态，提高矿岩采剥生产率 7 23[4]。无论 对于已建、扩建还是新建的露天矿山，矿用汽车和电 铲都是最主要的标志性设备，通过它们实现对矿石的 剥离、装载和运输，最终实现目标产量。矿车和电铲 的选定应在生产总量上满足矿山生产规模的要求，同 时还要使设备的购置和运营成本最低[7]。车铲数量的 合理匹配始终是矿山重要的主题之一，它对矿车作业 循环时间、矿山生产率，以及装运设备的购置和运营 成本，乃至最终的装运系统数[8-9]都具有关键影响。 勺容比和车铲比匹配合适的矿车和电铲组合，能够缩 短矿车的作业循环时间，提高运输生产率，减少矿山 道路上的车流密度和运营成本，对单斗-矿车工艺系 统的设备匹配、选型和生产效率的研究具有较大的理 论价值和工程意义。 通常用运输单位质量物料的成本 吨成本 来衡 量矿车效率，它取决于生产率和单位时间的运行成 本，而运输矿山物料的生产率主要由矿车的额定装 载质量和作业循环时间 作业周期 来决定。在经典 教材[17]127, [18]305和以往对车铲比、生产率的相关研究 中，矿车作业循环时间主要包括电铲装料时间 含入 换定位时间、矿车满载运输时间、卸料时间和空载 折返时间，这在实际作业中存在以下不足一是未考 虑矿车等待装料的时间或电铲等候矿车的时间 即电 铲欠车时间，它几乎永远存在且不可忽略 约占作业 循环时间的 5 13；二是计算满载运输时间和空 载折返时间 二者占作业循环时间的比例高达 80[1] 时假定矿车以平均速度运行，这种粗估方法具有较大 误差。此外，在少数提及等待时间的研究[11-12]中，或 将之按经验取为常数，或无明确计算方法，不能很好 地满足矿山确定生产率的迫切需求。笔者试图提出一 种新的矿车作业循环时间计算方法，考虑了矿车待装 时间，分别建立了矿车和电铲生产率的计算公式，计 算了作业循环时间中的装料时间、矿车满载运输时间 和空载折返时间，给出勺容比和车铲比的推荐匹配公 式，分析了对生产率的影响，最后开发出软件程序和 人机交互界面，在满足矿山生产目标的前提下，快速 方便地给出多种可供比较的单斗-矿车工艺系统设备 选型配套方案。 1 矿车作业循环的路径规划和两种 生产率模型 为更好地阐明单位装运系统数 即 1 台电铲 车 铲比确定下的多辆矿车 下的矿车作业循环时间的计 算，设露天矿山共有 n 个供电铲装料的采掘点，m 个 按不同物料类型 如矿石、原矿和废石 卸载的卸料 点，其中矿石可直接运至主破碎站，原矿可运至选厂 或转运站，而废石则被运至排土场。矿车从采掘点运 输矿石和废石到合适的卸料点，理论上共有 nm 种 可能的行驶路线。在露天矿场的每条路径中，均有特 定的确定矿车作业循环时间的参数如运距、有效坡度 和路面条件等。一方面，对于不同路径参数，矿车表 现出不同的行驶性能；另一方面，矿车的运输性能 也取决于自身固有特性，包括空车自身质量 Empty Vehicle Weight，EVW 和满载总质量 Gross Vehicle Weight，GVW、发动机功率、驱动电动机的转矩和 转速、轮边减速器传动比、制动特性、传动效率及轮 胎动力半径等，还有车辆的可靠性指标平均无故障时 间 Mean Time Between Filures，MTBF 和维修性指标 平均维修时间 Mean Time To Repair，MTTR，这些 指标都决定了矿车的设备利用率，矿车利用率 出工 率 ε 由 MTBF 和 MTTR 决定[2,19]，即 ε MTBF MTBFMTTR 100。 1 可见，每辆矿车的预期生产率由相应的运输路径和矿 车的固有特性共同决定。用式 1 同样也可定义电铲 或液压铲 的设备利用率。 矿山装运系统由采装设备 电铲 和运输设备 矿 车 匹配组合而成，只有当 2 种设备同时具有作业能 力时才具有生产能力；更重要的是，只有当 2 种设备 合理匹配时，装备的效率才能充分发挥出来，从而使 生产率最大化成为可能。若电铲配备的矿车过少，电 铲会出现等待矿车的“欠车”现象，电铲效率得不到 万方数据 第 48 卷 2020 年第 2 期 提运 编 辑 严 瑾 17 充分发挥，由于电铲价格相对昂贵，通常矿山不允许 “欠车”现象发生；若配备的矿车过多，矿车会出现 待装现象，单辆矿车及车队的效率得不到充分发挥。 基于上述考虑，可以建立矿车在不同行驶路径下的生 产率计算模型。设第 k 辆矿车行驶于采掘点 i 和卸料 点 j 之间，其理论生产率 PR K W t T K W T MTBF MTBFMTTR k i j kkk k i j pk k i j k kk [ , ] [ , ][ , ] T e TT ε 55 t/h，2 式中Wk 为第 k 辆矿车的实际装载质量，t；Kk 为第 k 辆矿车的载重利用系数，取 0.9；te T 为矿车每小时内 的有效工作时间，min/h，它指除矿车加油、驾驶员 休息、吃饭和换岗等时间以外真正用于工作的时间， 这里按矿山惯例取 55 min/h[16]；εk T 为第 k 辆矿车的利 用率，由式 1 确定，其中 MTBFk 和 MTTRk 单位均为 h；Tk[i, j] 为第 k 辆矿车行驶于采掘点 i 和卸料点 j 之间 的作业循环时间，min。 则由单台矿车的运输物料量所确定的年产量 1 a 按 300 d，每天按 24 h 计算 PRD PR k k i j TT 300 24 [ , ] t/a。 3 当铲少车多时，即出现矿车待装现象，矿山的年 产量实际上取决于电铲的产量和生产率。类似地，可 写出在第 i 个采掘点作业的电铲生产率理论值 PR Kt B t KB K t MTBF MTBFMTTR i ii i B i i B i ii E ue E l E u l δρεδρ50 t/h， 4 其中 ρl ρ/Kl， 式中Ku 为铲斗类别系数，对电铲取 1，对液压铲取 1.11[20]；δ 为满斗系数，也称装填系数 filling factor， 一般情况取 90[3]，具体地，对容易挖掘的物料， 取 95 105，对中等挖掘条件的物料，取 90 95，对困难挖掘条件的物料，取 80 90，对非 常困难挖掘条件的物料，取 70 80[18]257，针对不 同种类物料，表 1 给出具体的推荐数值；teE 为电铲 每小时内的有效工作时间，min/h，它指除矿车入换 定位、加油、驾驶员休息、吃饭和换岗、走车、修整 段肩、清理底板、处理大块等时间以外，真正用于装 载的时间，这里取 50 min/h[17]164；Bi 为第 i 台电铲的 铲斗容积，m3；ρ 为装载物料的实方容重 也称表观 密度，bank weight of unit volume，t/m3；ρl 为装载 物料的虚方容重 也称松散密度，loose weight of unit volume，t/m3，Kl 为物料松散系数，一般可取 1.4， 它们的推荐数值如表 2 所列；εi E 为第 i 台电铲的利 用率，由式 1 确定；ti B 为第 i 台电铲每斗的作业循 环时间，min，它取决于铲斗最大吊挂载荷、悬臂长 度、物料的可挖掘程度和回转角，回转角为 90 时， 该值在 27 40 s 之间，回转角每增加 9 ，该值增加 1 s[17]，常见数值如表 3 所列。 表 2 常见物料的密度和松散系数值[18]99 Tab. 2 Values of density and loose coefficient of various common materials[18]99 物料种类 干黏土 湿黏土 干土 湿土 石土混合物 干碎石 湿碎石 石灰石 爆破后的细碎岩石 干砂 湿砂 页岩 表观密度 ρ/t m-3 1.6 1.78 1.66 1.895 1.895 1.66 2.02 2.61 2.49 1.542 1.6 2.075 松散密度 ρl /t m-3 1.185 1.305 1.325 1.528 1.575 1.475 1.765 1.63 1.565 1.34 1.4 1.47 松散系数 Kl 1.35 1.36 1.25 1.24 1.20 1.13 1.14 1.60 1.59 1.15 1.14 1.41 表 3 不同挖掘设备每铲的作业循环时间 tB Tab. 3 Cycle time tB of a bucket of various shoveling equipments s 设备型号 395BI 395B WK35 WK35 L-2350 WK55 PH4100XPB 495HR 铲斗容积/m3 0.76 2.87 2.29 3.06 3.06 4.21 4.59 5.35 10.7 17.58 26.2 岩石 32.0 岩石 35.0 岩石 49.2 煤 55.0 煤 56.0 岩石 58.0 煤 60.4 岩石 电铲[3] 45 45 45 55 60 50 34 50 液压铲 反铲[18]278* 15 22 20 22 24 轮式装载机[18]278 27 30 30～33 33～36 36 42 *液压铲挖掘深度为最大挖深的 40 60，回转角30 60，装载 工具与液压铲处于同一水平面。 表 1 常见物料的满斗系数值[18]258* Tab. 1 Values of filling coefficient of various common materials[18]258* 物料种类 路堤黏土、泥土 岩土混合物 爆破后的大块岩石 爆破后的中等岩石 爆破后的细碎岩石 页岩、筑路砂石 湿壤土、砂黏土 砂石 坚硬黏土 混合湿集料 一般土壤 胶黏料 电铲 正铲 100 110 105 115 85 100 100 110 85 100 液压铲 反铲 40 50 60 75 100 110 95 110 80 90 轮式装载机 100 120 80 95 75 90 60 75 100 110 95 100 80 100 85 95 履带式装载机 100 120 80 95 75 90 60 75 100 120 95 100 80 100 85 100 *数据来源卡特彼勒公司 万方数据 第 48 卷 2020 年第 2 期 提运 编 辑 严 瑾 18 与矿车配合时，电铲生产率的详细计算公式非 常复杂，与电铲自身的固有性能和作业过程的挖掘、 回转、倾卸等众多因素均有关系，具体见文献 [20] [22]。当铲少车多时，根据单台电铲装填物料量所确 定的年产量 PRDiE 30024PRiE t/a。 5 考虑上述 nm 种行驶路线中任意一条矿车运输 路径，假定运距保持不变，考虑 1 套装运系统数，即 1 台电铲和多辆矿车匹配的情况，下面给出该种情况 下式 2 中的矿车作业循环时间 Tk[i, j] 的计算方法。 2 矿车的作业循环时间计算 单台矿车在采掘点和卸料点之间的作业循环过程 如图 1 所示。矿车实际作业循环时间 T 由 5 个部分组 成，即装料时间 tl、满载运输时间 th、卸料时间 td、 空载折返时间 tr 和等待装料时间 tw，单位均为 min。 理想情况下，假定装运系统数内矿车数量 N 和电铲匹 配合适、调度管理精准高效，理论上每辆矿车的待装 时间 tw 等于 0，定义这种情况的矿车作业循环时间为 理想作业循环时间，记为 T0，则 T0 tl tk td tr min， 6 T T0 tw min。 7 2.1 装料时间 绝大多数矿山的车铲匹配均属于铲少车多的情 况，一般不存在电铲“欠车”时间，则装料时间 tl 由 2 个部分组成，矿车入换定位时间和电铲装料时间。 通常矿车入换定位时间与电铲实际为矿车装料的时间 相比很短，实行双侧折返装载时可忽略不计，假定入 换定位时间为 0.5 min，实际装料时间 tl 等于电铲每一 铲斗的作业循环时间 tB 与铲数 n 的乘积，则 t nt l B 0 5 60 . min ， 8 式中tB 为电铲每一铲斗的作业循环时间，s，对于 斗容 B 超过 10 m3 以上的岩石电铲，推荐拟合公式 tB 2 520.B ρ；n 为电铲装满矿车货箱时的铲数， 理论上等于勺容比。 勺容比也称斗容比，系指矿车货箱容积 Vb 这里按 SAE 2∶1 堆装容积计 与铲斗容积 B 之比，即 n Vb/B。 由于矿车载重报警系统的存在，根据铲斗数量 n 最终确定的装料量既不能超过矿车的堆装容积 Vb 单 位为 m3，也不能超过矿车的额定装载质量 Wr 单位 为 t，因此可定义修正过的体积勺容比 n1 和重量勺容 比 n2 如下 n V B b 1 δ ，n K KW B plr 2 δρ 。 n 应当取 n1 和 n2 中的较小者，且为整数，即 n [min n1，n2]。 9 式 9 中方括号“[ ]”代表取整，下同。通常认为 n 处于 3 6 范围内是合理的，不同额定装载质量推荐 配套的电铲铲数如表 4 所列。n 圆整后，则矿车的实 际装载容积 V 单位为 m3 和实际装载质量 W 单位为 t 分别为 V nBW nB K K pl δ ρδ , 。 10 2.2 满载运输时间 从采掘点到卸料点的运距一般有水平道路 含直 道和弯道，也有上下坡道，典型的矿山道路组成参 见文献 [1]。为了计算简单起见，这里假定所考虑的 运距 L 仅由一段直坡道组成 对于多段不同坡度的直 路和水平路面的计算方法类似，无论矿车在上坡和 下坡行驶时均保持匀速行驶，且忽略起步加速和停车 制动所用的加速和制动时间 因为这些时间太短，与 匀速行驶所花的时间相比可忽略不计。下面以交流 电传动矿车满载上坡、空载下坡的典型作业工况为 例，讨论满载运输时间 th 的计算方法。 矿山满载上坡时，后桥的 2 个驱动电动机在恒功 率区工作，输出的驱动力 Ft 等于滚动阻力与坡度阻力 图 1 矿车作业循环过程 Fig. 1 Operational cycle process of mining truck 表 4 不同额定装载质量推荐配套的电铲铲数[1]4 Tab. 4 Recommended number of bucket until full of a truck matching to various rated loading mass[1]4 铲容/m3 吨位/t 108/109 136 154/172 186/190 217/220 326 363 10 6 7 8 16.5 4 5 6 6 7 6 18 3 4 4 5 5 6 5 6 7 22 3 4 4 5 4 5 5 6 26 3 3 4 4 4 5 6 7 7 8 34 3 3 3 4 5 6 6 45 3 4 5 4 5 51.2 3 4 4 5 62.7 2 3 3 3 4 万方数据 第 48 卷 2020 年第 2 期 提运 编 辑 严 瑾 19 之和，由驱动力 Ft 可求得后桥单侧驱动电动机的输出 转矩 M Fr i mgr fi i t 22 00 ηη N m， 11 其中 i tan α， 式中Ft 为作用在电传动矿车后车轮上的轮缘牵引 力，N；r 为后桥驱动轮的滚动半径，m；i0 为轮边 减速器的总传动比；η 为轮边减速器的机械传动传 动效率，取 0.94；m 为车辆满载总质量，kg；g 为重 力加速度，取 9.81 m/s2；f 为滚动阻力系数，一般取 0.02；i 为坡度；α 为矿山道路的坡度角，rad。 根据电动机功率 P MnT /9 549，易求得矿车满 载上坡时的车轮线速度 v rn i P r Mi h T 2 60 9 549 30 00 pp ， 12a 式中vh 为矿车满载上坡时的行驶速度，m/s；P 为 矿车后桥单侧驱动电动机功率，kW；nT 为电动机转 速，r/min。 将式 11 代入式 12a，有 v P mg fi h 2 000η ， 12b 因此，满载运输时间 t L v mgL fi P h h 1 000 60120 η min， 13 式中L 为运距，km。 2.3 卸料时间 卸料时间 td 是指矿车在卸料区进行倾卸物料作业 的时间，其一方面与矿车货箱采取的倾卸类型以及自 身液压执行机构作动时间有关，另一方面还与卸料区 环境条件如路面条件、维护保障水平和车辆拥堵状态 等有关。底卸式矿车能在行进中卸料，而后卸式矿车 卸料前需制动停车，然后进行倒车和定位等操作，故 所花时间会更长些。不同作业条件下的卸料时间如表 5 所列，通常 td 取一个典型平均值。目前矿车多为后 卸式，这里取平均条件下的 1 min，即 td 1 min。 14 2.4 空载折返时间 空载折返时间 tr 的计算与 th 类似，主要区别有 3 点① 矿车质量由 GVW 变为 EVW；② 下坡时道路 阻力变为 mg f - i；③ 当坡度大于 2 矿山道路平均 坡度为 8 10 时，重力沿矿车前进方向的分量大 于车辆滚动阻力，需采用持续电缓行制动使车辆保持 匀速行驶，取矿山要求的安全车速 vr 30 km/h。因 此，坡度大于 2 时的空载折返时间 t L v L L r r 6060 30 2 min。 15 2.5 待装时间 1 台电铲配备 N 辆矿车联合作业时，不考虑备用 矿车[19]，在车铲比匹配合理的理想情况下，每辆矿车 经一个作业循环从采掘点出发到返回采掘点时，无需 等待即能进入下一个作业循环。因此理想情况下，1 个电铲应配备的矿车数量 N 即车铲比 为 N T t tttt t ttt t 0 1 l lhdr l hdr l 。 16a 但是，按式 16a 计算得到的 N 实际不太可能恰好为 整数，此时会出现 2 种情况① 向下取整，这会造成 车少铲多形成所谓 “欠车” 现象，导致价格昂贵的 电铲的利用率得不到充分发挥，应予避免；② 向上 取整，这会导致车多铲少，从而造成矿车等待电铲装 料的情况出现。此外，每次矿车行驶和电铲作业的循 环过程实际上都带有一定的随机性，受车队调度系统 影响很大，而且司机们的操作必然存在驾驶熟练性和 经验等因素的差异。从这个意义上说，矿车出现待装 现象几乎是必然的，它在作业循环中的时间占比不可 忽略。在车多铲少的情况下，式 16a 中的车铲比 N 应向上取整，即 N [T0/Nl] 1。 16b 由式 16a 推导出矿车待装时间 tw Ntl - T0， 17 式中车铲比 N 由方程 16b 确定。 2.6 作业循环时间 将式 8、13 15 代入式 6，即可得到理想 作业循环时间 T ntmgL fi P L 0 15 60120 2 . B η 。 18 将式 17 代入式 7，得到矿车实际作业循环时间 T T0 tw Nt。 19 由式 19 可见，考虑待装时间后的实际作业循环时 间只取决于车铲比和装料时间，这再次证明按车多铲 少原则匹配后，矿山采运生产率主要取决于电铲生产 率。 由式 18 和 19 确定了矿车作业循环时间后， 由式 2、3 可分别确定单台矿车生产率 PRT 和单台 表 5 不同作业条件下的卸料时间[18]308 Tab. 5 Dumping time in various operating conditions[18]308 min 卸料环境条件 有利 平均 苛刻 底卸式矿车 0.3 0.6 1.5 后卸式矿车 0.7 1.0 1.5 万方数据 第 48 卷 2020 年第 2 期 提运 编 辑 严 瑾 20 矿车的年产量 PRDT。设矿山规划的 总年产量为 PRD 单位为 t/a，若选 择同一型号的矿车，不包括备用矿车 数量，该矿山需要选择该吨位的矿车 总数量 NT PRD /PRDT。 20 然后，可以确定所需的电铲 假设型 号相同 总数量 N N N N t T E T T 1 。 21 3 勺容比、车铲比和生产率方案选 择 3.1 同一吨位矿车不同配套方案的作业循环 时间和生产率 由表 4 可知，一旦矿车吨位确定后，可对应多种 电铲铲容的选择；反之，若电铲铲容选定后，可选多 种吨位的矿车与之匹配。通常，最后选择的方案既要 满足生产率要求，还要使购置和运营成本尽可能低。 为了说明勺容比和车铲比对生产率方案选择的影响， 下面以实例说明矿车吨位确定后，如何确定勺容比和 车铲比。 假设矿山的需求和输入数据如下预期年产量 PRD 5.7107 t/a，物料种类为爆破后的细碎岩石， 实方容重 ρ 2.49 t/m3，松散系数 Kl 1.59，平均运 距 L 3 km，道路平均坡度 i 10，滚动阻力系数 f 2，电铲满斗系数 δ 1.1。选定额定装载质量 Wr 190 t 的某型交流电传动矿车，该矿车的主要性能参数 如表 6 所列。 根据前面第 1、2 节中建立的计算方法，首先由 表 4 得到与 190 t 级矿车匹配的电铲铲容共有 16.5、18、22、26、34 m3 5 种，然后由式 9 确定勺容比 n，随后确定矿车理想和实际的 作业循环时间 T、T0，并据此由式 16 确定 车铲比 N，最后由式 2、3 确定矿车的生 产率和年产量，计算结果如表 7 所列。 由表 7 可以看出 1 在 190 t 矿车匹配铲容 22 m3 的电 铲、勺容比 n 4、车铲比 N 8 情况下，单 表 6 某型矿车的主要性能参数 Tab. 6 Main perance parameters of a mining truck 参数 EVW/kg 额定装载质量 Wr /t 电动机功率 P/kW 滚动半径 r/m 数值 130 000 190 590 1.633 参数 GVW/kg 货箱容积 2∶1 堆装 Vb /m3 轮边减速器传动比 i0 利用率 εT / 数值 320 000 108 50.1 90 表 7 190 t 矿车与不同铲容电铲配套所对应的作业循环时间和生产率 Tab. 7 Cycle time and productivity corresponding to 190 t truck matching various shovels with various bucket volume 铲容 B/ m3 16.5 18 22 26 34 勺容比 铲数/n 5 5 4 3 2 车铲 比 N 7 7 8 10 12 作业循环时 间 T/min 27.83 28.10 27.09 27.15 24.45 待装时间 tw/min 1.58 1.04 0.86 2.62 1.61 单台矿车生产 率 PRT/t h-1 252.75 273.14 277.04 244.95 237.11 单台矿车年产量 PRDT/t a-1 1 819 781 1 966 605 1 994 696 1 763 605 1 707 177 t T w/ 5.7 3.7 3.2 9.6 6.6 tt T hr / 76.4 78.4 80.6 76.7 81.0 台矿车生产率最高，年产量可达 199.46 万 t。而铲容 较大的 26 m3 和 34 m3 电铲，由于等待时间占作业循 环时间分别近 10 和 7，以及其他匹配不合理等因 素，导致实际生产率反而最低。可见，只有匹配合 理、使用恰当，大型设备的性能才能充分发挥出来以 提高生产率。 2 满载运输时间 th 和空载折返时间 tr 占作业循 环时间 T 比例高达 76 81，因此矿车行驶运输时 间的计算方法和准确性非常关键。 3 矿车待装时间 tw 的占比为 3.2 9.6，不可 忽略，而且对生产率有重要影响。 限于篇幅，这里不考虑变量的随机分布、设备购 置成本和调度管理系统对设备选型的影响。若选择能 带来最大生产率的 22 m3 的电铲作为 190 t 矿车的配 套设备，由式 20 可确定 190 t 矿车的总需求量 NT 为 23.5 辆，向上取整为 24 辆；按照式 21 确定需要铲 容为 22 m3 的电铲数量 NE 为 3 台。 3.2 勺容比对待装时间和生产率的影响 表 7 中确定的勺容比 n，即电铲装完单台矿车的 铲数，是在同时满足不超过货箱堆装容积 Vb 和额定 装载质量 Wr 的前提下，由式 9 向下取整获得的。若 对式 9 的计算结果向上取整，取 n [min n1，n2] 1，则在相同约束条件下，要使超容、超重的多余物 料自由洒落，在矿山需求和矿车吨位不变的情况下， 得到勺容比 n 增加后的矿车作业循环时间 T、矿车待 装时间 tw 和年产量 PRDT，如表 8 所列。勺容比增加 前后单台矿车生产率、待装时间占作业循环时间的比 例的对比分别如图 2、3 所示。 表 8 勺容比增加后的作业循环时间和生产率 Tab. 8 Cycle time and productivity after addition in number of bucket until full of a truck 铲容 B/m3 16.5 18 22 26 34 勺容比 铲数/n 6 6 5 4 3 车铲 比N 7 7 7 8 10 作业循环时 间 T/min 32.70 33.02 28.75 27.63 28.07 待装时间 tw/min 4.16 4.44 0.78 0.31 1.40 单台矿车生产 率 PRT/t h-1 255.85 253.41 291.01 302.80 298.07 单台矿车年产量 PRDT /t a-1 1 842 154 1 824 518 2 095 269 2 180 161 2 146 139 t T w/ 12.7 13.4 2.7 1.1 5.0 万方数据 第 48 卷 2020 年第 2 期 提运 编 辑 严 瑾 21 由表 8 和图 2、3 可以看出 1 对于铲容 26 m3 的电铲，在勺容比 n 由 3 增加 为 4、车铲比 N 8 情况下，单台矿车生产率最高， 年产量由原来的 176.36 万 t 增加到 218.01 万 t，生 产率增幅 23.6。这是由于这种车铲参数匹配相对合 理，尤其是待装时间减少所致，注意到 tw 的占比由原 来的 9.6 骤降至 1.1。 2 勺容比增加后，大多数车 铲配置均使生产率有所提高，尤其 是较大铲容 26 和 34 m3 的电铲，这 是由于待装时间大幅减少使得大斗 容的优势发挥出来，促使了生产率 明显提高 34 m3 电铲生产率增幅 达 25.7，而铲容较小的 16.5 m3 和 18 m3 电铲由于待装时间占比大 幅增加，分别由原来的 5.7、3.7 增至 12.7 和 13.4，造成生产率几乎未变甚至降低 18 m3 电铲配 套的单车年产量降低了 14.2 万 t，降幅为 7.2，这 与以往认为的矿车只要超重运输，就会提高生产率和 产量的共识相矛盾，这是由于装载质量的增加会导致 作业循环时间