CC BY
24
УДК 621.311.086.5:621.3.001.57
О.Н. Синчук, В.А. Федотов, В.Л. Дебелый, В.П. Степаненко
О НЕОБХОДИМОСТИ ВНЕДРЕНИЯ В ПРАКТИКУ РАБОТЫ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ ШАХТ КОМБИНИРОВАННЫХ ВИДОВ ЭЛЕКТРОВОЗОВ
Изложены результаты исследований по анализу состояния и поиска путей решения проблемы необходимости повышения показателей функционирования внутришахтного транспорта подземных железорудных предприятий. Обосновано и показано, что основным видом транспорта по доставке железорудного сырья, материалов и горнорабочих в подземных горных выработках данных видов шахт, в отличие от угольных, есть и будет в ближайшие 35—50 лет оставаться электровозный. Определена тактика повышения эффективности и безопасности функционирования электровозосоставов путем создания для железорудных производств базового — комбинированного вида электровозов и структур современных энергоэффективных тяговых электромеханических комплексов. Приведена сравнительная оценка вариантов автономных источников электрической энергии и методика расчета их параметров для питания тяговых электромеханических комплексов комбинированных видов электровозов.
Ключевые слова: рудничный электровоз, тяговые электромеханические системы, энергоэффективность.
Введение
Украина, как РФ и ряд других стран постсоветского пространства, относится к числу стран устойчивого развития природных ресурсов, основным из которых является железорудное сырье (ЖРС) и уголь [1]. При этом около 70% ежегодных валютных запасов Украины пополняются за счет экспорта ЖРС, которое поставляется более чем в 50 стран мира [2]. В силу ряда факторов, именно ЖРС на ближайшую минимум полувековую перспективу будет отведена ведущая роль, как одного из базовых продуктов экспорта.
Обоснование актуальности
и направлений исследований
К сожалению, динамика колебаний мировых цен на ЖРС лишена положи-
DOI: 10.25018/0236-1493-2017-10-0-84-99
тельной тенденции. Так, по сравнению с 2011 г. в 2015 г. цены на ЖРС на мировом рынке сырья снизились более, чем на 60% [2]. Горнорудным предприятиям Украины в борьбе за рынки сбыта ЖРС приходится прикладывать больше усилий с целью сохранения и расширения объемов как внутренних, так и экспортных поставок. И это в условиях, когда себестоимость добываемого ЖРС по всем без исключения горнорудным предприятиям из года в год растет, а стоимость его реализации, о чем отмечено выше, лишена такой динамики [2].
Наибольшим постоянством увеличения сегмента затрат в долевом участии при формировании комплекса показателей себестоимости добычи ЖРС, наряду с энергозатратами, претерпели и пре-
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 10. С. 84-99. © О.Н. Синчук, В.А. Федотов, В.Л. Дебелый, В.П. Степаненко. 2017.
1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 Рис. 1. Объемы добычи железорудного сырья в Украине за 1990—2015 гг.
терпевают затраты на транспортировку (доставку) ЖРС [2]. Так, за последние два десятилетия этот показатель в общей себестоимости добываемого ЖРС увеличился в 4 раза (рис. 2) при одновременном увеличении более, чем на
20% расхода электрической энергии на доставку сырья [2].
При этом логично, что основные направления повышения эффективности добычи ЖРС, куда органически входит и комплекс доставки, в перспективе, долж-
2010 2011 2012 2013 2014 2015
Рис. 2. Основные составляющие себестоимости железорудного сырья по ПАО «Криворожский железорудный комбинат»
Рис. 3. Существующие и прогнозируемые глубины ведения горных работ на железорудных предприятиях Украины с подземным способом добычи ЖРС
200000' 160 000120 ООО 80 00040 000-О-
миш
2010 2011
2012 2013 2014 2015
2016
| "Родина" | "Октябрьская" Ц "Гвардейская" Ц им. Ленина
Рис. 4. Годовые показатели производительности электровозов К14, 14КР на ряде отечественных железорудных шахт
ны быть дополнены соответствующей эффективной схемой транспортировки внут-ришахтным транспортом (ВШТ). Однако, в настоящем и в ближайшие десятилетия, реальной конкуренции существующему способу транспортировки ЖРС по подземным выработкам железорудных шахт — электровозному, ожидать не следует.
Между тем естественно, что в связи с увеличением длин транспортировки, по факту понижения глубин добычи, затраты на доставку ЖРС в общем комплексе себестоимости добываемого ЖРС будут и в дальнейшем иметь тенденцию естественного роста, ибо на отечественных подземных горнорудных предприятиях Украины глубины ведения горных работ, приближаются к «запроектным» показа-
телям: 1700—2500 м и более (рис. 3). Наряду с неутешительными показателями функционирования ВШТ железорудных шахт (рис. 4) настораживает также факт наличия в ходе его функционирования значительного количества электротравм горнорабочих и, к сожалению, как правило с 100% летальным исходом (рис. 5), т.е. по сути формулируется двуединая задача: повышение эффективности и безопасности функционирования ВШТ железорудных шахт.
Для поиска путей улучшения параметров функционирования ВШТ необходимо проведение исследований вышеот-меченного процесса и, прежде всего, с учетом специфики технологии доставки ЖРС в подземных горных выработках
Рис. 5. Количество поражений горнорабочих электрическим током в подземных железорудных предприятиях Украины
анализируемых видов предприятий. Это вызвано тем, что последние, известные авторам фундаментальные исследования в анализируемой проблеме и именно с акцентом на железорудные предприятия, в силу существующих специфических условий функционирования ВШТ в них в отличие от угольных, в основе своей, относятся еще к 70-м годам прошлого столетия [3—6] и, естественно, в большинстве своем утратили уровень реальности по ряду объективных причин. Вместе с тем, проблемы ВШТ железорудных шахт оставаясь прежними по составу, но с тенденцией повышения уровня своего отрицательного влияния на показатели добычи ЖРС, одновременно обрели и новые возможности их устранения [7—10].
Цель исследований
Оценка показателей функционирования ВШТ железорудных шахт и обоснование направлений их повышения путем создания новых видов шахтных электровозов с энергоэффективными тяговыми электромеханическими комплексами.
Задачи настоящих исследований
• анализ основных параметров функционирования существующих видов электровозов в условиях отечественных железорудных шахт и обоснование необходимости создания нового — комбинированного вида электровоза;
• оценка направлений реинжиниринга существующих типов и структур тяговых электромеханических комплексов в направлении повышения комплекса их эффективности, в т.ч. для синергети-ческих вариантов строения применительно к комбинированным видам электровозов;
• разработка методики расчетов параметров и видов автономных источников электрической энергии, в т.ч. тяговых аккумуляторных батарей, для синерге-тических тяговых электромеханических
комплексов комбинированных по виду вариантов рудничных электровозов.
Объект исследований
и его технический аудит
В числе основных показателей функционирования ВШТ, которые необходимо и возможно улучить следующие:
• безопасность эксплуатации;
• производительность;
• энергоэффективность;
• безотказность и надежность работы;
• приближение реального срока службы слагаемых ВШТ к регламентируемому заводом-изготовителем.
В подземных горных выработках шахт и рудников Украины эксплуатируется более 3-х тысяч 20-ти типов электровозов, которые, как правило, выпускаются в двухосевом исполнении и классифицируются, как шахтные виды [11—12] (данные виды электровозов широко эксплуатируются также при строительстве подземных коммуникаций, метрополитенов, а также в ряде других производств). В свою очередь, по типу источников питания их тяговых электромеханических комплексов, шахтные виды электровозов подразделяются на контактные — получающие питание от тяговой контактной сети: контактный провод (КП) — рельсы, и аккумуляторные, питающиеся от автономных источников электрической энергии тяговых аккумуляторных батарей (ТАБ) [12]. При этом все они оборудованы неэффективными системами тяговых электромеханических комплексов (ТЭМК) с контак-торно-резистивными системами управления уровнем напряжения питания тяговых электрических двигателей (ТЭД) постоянного тока [7—11]. Применение того или иного вида электровозов в той или иной шахте определяется соответствующими законодательными документами в зависимости от уровня безопасности ведения горных работ в конкретной шахте и наличия в ее подземных горных вы-
работках взрывоопасной атмосферы [13—15]. В силу такого положения в отечественных рудных шахтах используются исключительно контактные виды электровозов, а в угольных, как контактные, так и, в основном, аккумуляторные [12].
Контактные виды отечественных шахтных электровозов выпускаются сцепной массой 7—14 т. Их достоинства — простота и надежность.
Недостатки:
• необходимость наличия КП и в связи с этим повышенная опасность поражения горнорабочих электрическим током при возможнодоступном касании ими КП;
• наличие блуждающих токов в подземных горных выработках.
• наличие факта потери контакта КП— токоприемник электровоза при движении электровоза и необходимость решения вопроса сохранения при этом постоянства режима питания ТЭД.
Аккумуляторные электровозы выпускаются сцепной массой 4,5—14 т. Их достоинства:
• отсутствие необходимости в КП;
• наличие автономного источника питания ТЭД.
Недостатки:
• значительная удельная стоимость электровоза, определяемая на 40% стоимостью тяговых аккумуляторных батарей;
• необходимость наличия энергоемких и небезопасных для подземных условий специальных зарядных станций для ТАБс соответствующим количеством обслуживающего персонала.
Общим недостатком вышеотмечен-ных видов отечественных шахтных электровозов является их недостаточная единичная сцепная масса — 14 т. Как правило, эксплуатационные службы шахт, и особенно железорудных, такая «ограниченность» не устраивает. В тоже время, повышение сцепной массы электровоза за счет увеличения их весогабаритных
размеров не реально в силу ограничения сечений подземных горных выработок. Поэтому, как выход из сложившегося положения, является применение так называемых управлений по системе многих единиц, т.е., когда состав ведется двумя электровозами одновременно, с управлением с одного. В шахтах это называется «спаркой». К сожалению, в таком варианте коэффициент использования каждого из двух электровозов не превышает 30—40% [5].
Между тем в мировой практике шахтного электровозостроения, наряду с вы-шеобозначенными видами и в отличие от нашей отечественной линейки шахтных электровозов, известны и выпускаются комбинированные виды, получающие питание как от ТКС, так и от автономного источника электрической энергии [14—17].
В частности одним из таких шахтных комбинированных электровозов является наиболее распространенный в настоящее время контактно-аккумуляторный вид [14, 15].
Достоинства данного вида:
• наличие двух не связанных и независимых источников электрической энергии;
• живучесть электровоза в случаях аварии одного из источников питания;
• возможность исключения КП в особо опасных местах;
• уменьшенная удельная стоимость по сравнению с аккумуляторными прототипами;
• возможность подзарядки ТАБ во время движения электровоза по магистральным подземным выработкам.
Недостатки:
• повышенная стоимость по сравнению с прототипами — контактными видами;
• некоторая сложность структуры си-нергетического ТЭМК;
• необходимость, хотя и в значительно меньшей степени, чем в «чисто» акку-
муляторном варианте, участка по обслуживанию ТАБ.
Вместе с тем, обобщая вышеизложенные «за» и «против», и учитывая вес такого аргумента, как безопасность горнорабочих, все же приоритет в выборе вида логично отдать варианту комбинированного вида электровоза [18].
Выбор автономного источника
питания
При варианте комбинированного вида электровоза, автономным источником питания электрической энергией ТЭМК электровозов могут быть различные виды накопителей энергии: аккумуляторы, суперконденсаторы и т.п. (в ходе исследований авторами превентивно выбран и рекомендуется как примат-база для отечественного шахтного контактно-аккумуляторного электровоза, контактный электровоз типа К14) [16].
Вариант тяговых аккумуляторных батарей. Остановимся на аккумуляторных тяговых источниках питания, а также выборе параметров ТАБ и типов аккумуляторов для их формирования. При этом подчеркнем, что во многом именно от этого процесса будет зависеть «быть или не быть» контактно-аккумуляторному виду шахтного электровоза.
Вместе с тем следует понимать, что тактика подхода к формированию структуры контактно-аккумуляторных электровозов может иметь два направления. Первый, это когда напряжение формируемой ТАБ равно напряжению тяговой сети, и второй — напряжение ТАБ меньше напряжения контактной сети, и его уровня достаточно лишь для кратковременного передвижения электровоза на низкой скорости при перестановке вагонеток при погрузочно-разгрузочных операциях. Исследования авторов для условий железорудных шахт показали, что размещение ТАБ с уровнем напряжения питанием тяговых двигателей напряже-
нием 250 В (как и в случае питания от тяговой контактной сети) невозможно в существующих габаритах рудничных типов контактных электровозов, а увеличение их габаритов невозможно из-за ограничений размеров горных выработок. В соответствии с этим возникает двуединая задача выбора ТАБ — минимально необходимой емкости и минимально возможных габаритов.
Выбор параметров ТАБ предлагается осуществляеть исходя из требований по выполнению технологических операций электровозной откатки: перестановки вагонеток под пунктами погрузки (люками), движения по погрузочной выработке, питания двигателя мотор-компрессора и освещения. Общий расход емкости ТАБ за период нагрузка составит:
Ое = 01 + О + О + О
где 01 — емкость ТАБ, расходуемая на выполнение перестановок вагонеток под люками; 02 — емкость ТАБ, расходуемая на проезд подвижного состава по погрузочной выработке; 0э — емкость батареи, расходуемая на питание двигателя компрессора электровоза; 04 — емкость батарей, расходуемая на работу осветительных приборов электровоза.
При работе электровоза можно осуществлять подзарядку ТАБ, продолжительность которой может составить в среднем 0,8 ч за один рейс. Тогда ток подзарядки будет определяться:
9± = 15 0,8
Напряжение подзаряда для никель-металлической батареи при ие = 1,6 В на одном элементе и их количества п = = 60 будет равна:
иэ = п • ие = 60 • 1,6 = 96 В.
В ходе исследований авторами установлено, что для условий железорудных шахт при использовании электровоза типа К14У необходима емкость аккумуляторной батареи для одного рейса
= ^ = ^ = 94 д.
при длине нагрузочного выработки в среднем около 200 м может составить 27,8 А ■ ч, при движении по погрузочной выработке — 16,7 А ■ ч. Для питания компрессора двигателя необходима емкость ТАБ может составить 3 А ■ ч, а для цепей освещения пути электровоза — 1,5 А ■ ч. С учетом КПД и дополнительных расходов емкости ТАБ течение рейса электровоза будет необходима общая емкость батареи около 70 А ■ ч [19].
Приведенная методика расчетов является несколько приближенной и должна быть уточнены в ходе дополнительных исследований с учетом фактических значений параметров рейсовой работы электровозов в условиях конкретных шахт (предприятий). Так емкость может быть еще и уменьшена до 60 А ■ ч путем увеличения продолжительности заряда за счет времени пересменок — заряд не только во время рейса, но и в интервалах между сменами. Если учесть снижение емкости ТАБ в процессе ее эксплуатации, то ее номинальная емкость для выполнения 6—7 рейсов за одну смену может составлять 400 А ■ ч.
Важным фактором для формирования ТАБ в комплексе с тяговым электрооборудованием шахтного электровоза является правильный выбор типа аккумуляторов [16]. Широко используются для шахтных электровозов никель-железные аккумуляторы, параметры которых приведены в табл. 1. Никель-железные аккумуляторы дешевле никель-
кадмиевые аккумуляторы не со-
держат токсичный кадмий, имеют долгий срок службы и высокую механическую прочность. Однако они характеризуются высоким саморазрядом, низкой отдачей по энергии, практически неработоспособны при температуре ниже -10 °С.
Существуют также три основных вида никель-кадмиевых аккумуляторов: негерметичные с ламельными (ламельные аккумуляторы) и спеченными электродами (безламельные аккумуляторы) и герметичны.
Наиболее оптимальными по стоимости являются ламельные никель-кадмиевые аккумуляторы характеризуются плоской разрядной кривой, высокими ресурсом и прочностью, но повышенной удельной энергией. Удельная энергия, скорость разряда аккумуляторов с спеченными электродами выше, они работоспособны при низких температурах, но дороже, характеризуются эффектом памяти и способностью к тепловому разгону. Герметичные аккумуляторы характеризуются горизонтальной разрядной кривой, высокими скоростями разряда и способностью действовать при низких температурах, но они дороже герметизированных свинцовых аккумуляторов и характеризуются эффектом памяти. Недостатком никель-кадмиевых аккумуляторов является применение токсичного кадмия.
Использование свинцово-кислотных аккумуляторов для контактно-аккумуля-
Таблица 1
Типы аккумуляторов FL350 (ТНЖ350 V5) FL500 (ТНЖ500^5
Номинальная емкость, А ■ г 350 500
Габаритные размеры, мм 165 х 167 х 538 165 х 167 х 538
Масса с электролитом, кг 20,6 24,0
Масса без электролита, кг 16,8 20,2
Ток заряда, А 70 100
Время заряда, ч 8,0 8,0
Конечное напряжение, В 1,6 1,6
торных электровозов имеет свои преимущества и недостатки. Так среднее разрядное напряжение свинцово-кислот-ных аккумуляторов составляет — 2,1 В на один элемент, тогда как щелочных — 1,1 В. Энергия разряда кислотных аккумуляторов, по некоторым оценкам, может в 1,4—2,1 раза превышать энергию щелочных аккумуляторов. Но стоит указать, что во время зарядки свинцово-ак-кумуляторных батарей в контактно-аккумуляторных электровозах (торможение с электрической рекуперацией энергии, подзаряд батарей во время движения электровоза) протекающие химические реакции, могут быть опасными, особенно в случае высокой интенсивности зарядки. В свинцово-кислотных батареях может происходить выделение водорода и кислорода в результате гидролиза воды, повышают риск возникновения провокации взрыва в горных выработках. Для этого случая система подзарядки должна эффективно контролировать процесс заряда батарей и не допускать выделения водорода и кислорода.
В литий-ионных аккумуляторах для отрицательного электрода применяют углеродный материал, в который вмонтированы ионы лития. Активным материалом положительного электрода служит оксид кобальта, в который также вмонтированы ионы лития. Электролитом является раствор соли лития в неводной растворителе. Аккумуляторы имеют высокую удельную энергию, высокий ресурс и способны работать при низких температурах. Благодаря высокой удельной энергии их производство в последние годы резко увеличилось. В литиевых аккумуляторах есть только два существенных недостатка — высокая цена и необходимость иметь специальную (обычно встроенную) систему контроля заряда/разряда, предотвращающую склонность литиевых аккумуляторов к самовозгоранию и даже взрыву при нарушении условий эксплуатации.
По удельному энергии после литий-ионных аккумуляторов на второе место выходят натрий никель-хлоридные аккумуляторы, которые больше приспособлены к работе в тяжелых условиях эксплуатации. Также у этого вида аккумуляторных батарей есть свои преимущества и недостатки. К достоинствам можно отнести: высокую удельную емкость, сравнимую с литий-ионными аккумуляторами, низкую стоимость и широкую доступность основных материалов аккумулятора, большое время жизни аккумулятора — более 1000 полных циклов заряда/ разряда и более 7 лет активной эксплуатации, устойчивость к выходу из строя отдельных аккумуляторных элементов в батарее через очень низкое сопротивление вышедших из строя элементов (до 5% потерь), высокая экологическая безопасность (основные компоненты натрий никель-хлоридных аккумуляторов мало экологически опасные).
К недостаткам натрий никель-хлорид-ных аккумуляторов можно отнести: необходимость наличия интеллектуальной системы управления батареей, необходимость поддержания высокой рабочей температуры внутри батареи (на уровне 300 °C и около 100 Вт мощности для поддержания этой температуры), для разогрева холодной батареи и приведения ее в рабочее состояние необходимо не менее суток.
Длительный срок эксплуатации и высокие показатели циклирования ставят натрий никель-хлоридные аккумуляторы на одно из первых мест среди существующих аккумуляторов. На данный момент единственной существенной помехой является значительная стоимость ТАБ сформированных на базе этих видов элементов. Как только произойдет снижение цены одного киловатт-часа емкости батареи до уровня 300 USD, что реально может быть достигнуто (себестоимость производства составляет менее
150 USD за 1 кВт ■ ч), то использование их в электротранспорте, в том числе и в рудничных электровозах, станет реальностью.
Основные технические и экономические показатели аккумуляторов различных электрохимических систем приведены в табл. 2.
Как было изложено в тексте предварительно, при проектировании контактно-аккумуляторных видов электровозов приходится решать вопрос выбора типа аккумулятора с учетом массо-габаритных показателей и энергоресурса. Проведенный анализ в этом направлении показал, что в ближайшей перспективе наиболее целесообразным будет применение литий-ионных и натрий никель-хлоридных видов аккумуляторов, в которых удельный весовая энергия будет составлять более 200 Вт ■ ч/кг при ресурсе 3000 циклов (против 1000 циклов на сегодняшний день) и стоимости 0,12 $/Вт ■ ч.
Кроме проанализированных видов есть и другие перспективные разработки аккумуляторов в таких странах, как США, Япония, Швеция и другие.
Поиски и разработки, направленные на снижение стоимости по дорогих групп ТАБ, безусловно, продолжаются и будут продолжаться в дальнейшем. Снижение уровня цен на литий-ионные, натрий ни-кель-хлоридные аккумуляторы в сочетании с решениями, позволяющими предложить безопасные и большие емкости
ТАБ на основе аккумуляторов этих электрохимических систем, могут создать еще более привлекательные условия для расширения их применения в качестве ТАБ для комбинированных видов шахтных электровозов.
Между тем, следует учитывать и тот факт, что в последние годы разработаны новые типы аккумуляторов, в т.ч. сверхъемкие — графеновые, точнее графено-магниевые, которые по всем параметрам значительно превосходят все ныне существующие накопители энергии. Важно, что эти аккумуляторы изготавливаются из недефицитных и недорогих материалов — графита и магния, которые безопасны, как для обслуживающего персонала, так и окружающей среды. В этих аккумуляторах используются нано-технологии, позволяющие изготавливать слои графита толщиной в один атом с высокой прочностью и проводимостью. Графеновые аккумуляторы имеют в несколько раз большую энергоемкость по сравнению с литий-ионными при цене в несколько раз меньшей — это открывает огромные перспективы в развитии и использовании накопителей энергии, на транспорте и в других отраслях.
Для контактно-аккумуляторных электровозов этот компактный, энергоемкий, допускающий большие токи заряда и разряда, не требующий обслуживания и имеющий низкую цену тип аккумуляторов может стать в перспективе приоритетным.
Таблица 2
Электрохимическая система аккумулятора Диапазон рабочих температур аккумуляторов, °С Удельная энергия аккумулятора, Вт • г/кг Относительная стоимость единицы энергии, грн/Вт • г Потеря емкости при хранении в заряженном состоянии, %/месяц Срок службы в режиме постоянного подзаряда, год
Свинцово-кислот-ная, герметичная -20 - +40 20-50 0,8—1,8 10-15 3-10
Никель-кадмиевая, герметичная -40 - +45 20-55 1,5—2 до 10 до 20
Литий-ионная -10 - +50 100-260 2,5—4 5-25 до 5
Никель-хлоридная -20 - +40 40-100 1,6—2,4 15-25 до 5
В дополнение отметим еще один немаловажный факт, что создание контактно-аккумуляторного электровоза на базе контактного К14 и при соответствующей тяговой электромеханической структуре, будет одновременно косвенным решением проблемы повышения сцепного веса электровоза до ожидаемых 16 т [7].
Суперконденсаторы. Еще один вид накопителей электроэнергии, на который возлагались большие надежды — иони-сторы (суперконденсаторы). По оценкам разработчиков, этот вид накопителей электрической энергии может выдерживать большие зарядные и разрядные токи, имея срок службы значительно больше, чем у существующих типах и видах аккумуляторов.
Так энергия, запасенная конденсатором:
=
С ■ и2
2 ■ 3600
где С — емкость конденсатора, F; и — напряжение на конденсаторе, В.
При емкости 3000 F и напряжении на конденсаторе 2,7 В запасенная энергия М = 3,04 В.
При цене такого конденсатора Ц1 = = 135 долл., т.е. относительная цена составит:
Ц 135 ЛЛ
Цотн = — =-= 44 долл./кВ ■ ч.
отн Ш 3,04
В тоже время, даже если учесть более продолжительный срок службы суперконденсаторов, все равно относительная цена их превышает относительную цену, к примеру, свинцово-кислотных аккумуляторов примерно в 100 раз, а литий-ионных — в несколько десятков раз.
Именно по факту столь высоких относительных ценовых показателей накопители энергии на суперконденсаторах получили ограниченное применение. Хотя это может быть охарактеризовано и, как «пока», а сейчас эти накопители энергии могут использоваться как дополнение к ТАБ для поглощения пиковых нагрузок
или для случаев в необходимости небольшого количества накапливаемой энергии [16].
К примеру, в работе [16] приведен разработанный блок питания с использованием суперконденсаторов, подключаемых параллельно аккумуляторной батарее, для снятия пиковых нагрузок с аккумулятора в ТАБ рудничного электровоза. При этом энергетическая емкость блока конденсаторов составляет менее 1% энергетической емкости аккумуляторной батареи. Т.е. в энергетическом плане емкостной накопитель не играет заметно положительной роли, но в тоже время существенно увеличивает затраты. Но это предмет отдельного исследования.
О типе и структуре тягового
электромеханического комплекса
Эффективность функционирования того или иного вида электровоза, как впрочем и всего комплекса ВШТ, во многом определяется типом и структурой его тягового электромеханического комплекса [7, 8, 10].
Т.е. говоря о реинжиниренге шахтных видов электровозов, тактику этого процесса необходимо выстраивать прежде всего с акцентом на опережающее развитие ТЭМК. При этом не лишне будет заметить, что ТЭМК должны быть универсальными по структуре и с возможностью без особых изменений в ней применять их на любых видах шахтных электровозов.
Вместе с тем, как отмечалось впереди, выпускаемые в настоящее время отечественной промышленностью шахтные виды электровозов оборудуются контактно-резисторной системой ТЭМК. Общеизвестно, что данная система давно морально устарела по целому комплексу показателей, в т.ч. по таким основополагающим, как энергоэффективность, технологичность и возможность
включения ее в перспективе в комплекс АСУ В ШТ.
Однако было бы некорректным не отметить, что основные направления реинжиниринга ТЭМК шахтных видов электровозов в основе своей известны, освещены в ряде исследований и в общем-то определены [3, 4, 8, 9, 10, 16].
Формализируя эти направления, отметим основные из них:
• замена лишь силовых контактор-ных контроллеров — наиболее повреждаемого элемента в существующей кон-тактно-резисторной структуре СУ ТЭМК на бесконтактные (тиристорно-транзи-сторно-диодные) (рис. 6);
• замена всего контакторно-рези-сторного комплекса СУ ТЭМК на бесконтактный с сохранением тяговых электрических двигателей постоянного тока;
• изменение тактики формирования структуры ТЭМК, придав вид комплексу: ПЧ-ТАД или другого типа, на основе вентильных реактивных двигателей и т.п. (рис. 7).
Первое из вышеотмеченных реали-зовывалось в свое время в экспериментальных образцах бесконтактных силовых контроллеров, в частности в довольно эффективных их видах производства ОАО «Электромашина» (г. Харьков, Украина).
В настоящее время такими видами контроллеров начата комплектация шахтных видов электровозов производства ОАО Завод «Амплитуда» (г. Донецк, Украина) (рис. 6) [20].
Вместе с тем, отдавая должную дань уважения этим прогрессивным разработкам, все же такие варианты нельзя считать решением проблемы, а лишь промежуточным, хотя и эффективным.
Существует второй и более перспективный из вышеотмеченных вариант — полная замена контактно-резисторной структуры на бесконтактную с ШИМ уровня напряжения на входе тяговых электрических двигателей постоянного тока.
К сожалению, и в этом направлении далее экспериментальных образцов в отечественном шахтном электровозостроении дело не дошло [3, 4, 6].
Между тем, не отрицая положительных моментов в этих разработках, а учитывая достижения производств по созданию элементной базы полупроводников, наиболее эффективным следует считать третье направление во всей его комплексности. Здесь тоже пока нечему особенно порадоваться — тоже экспериментальные образцы, тоже положительные результаты, и не далее [19]. Однако активизация научного поиска в последние десятилетия в этом направлении уже радует. На рис. 6 приведена структурная схема ТЭМК рудничного электровоза, созданная коллективом «Криворожского национального университета» и испытанная в экспериментальном варианте на ш. Родина (г. Кривой Рог, Украина).
Вместе с тем, отмечая вышеприведенные примеры создания современных энергоэффективных ТЭМК для шахтных видов электровозов на современном этапе их исторического развития не корректно было бы не отметить новые, нетрадиционные для нынешнего направления поиска, перспективные изыскания [21]. Вполне возможно, что за этими вариантами строения ТЭМК будущее.
Выводы и направление
дальнейших исследований
1. Выпускаемые отечественной промышленностью и эксплуатируемые в подземных горных выработках шахт и рудников Украины существующие виды электровозов нельзя признать достаточно эффективными в условиях современных реалий горных производств.
2. Перспективным видом электровозов и прежде всего для условий железорудных шахт следует считать комбинированные виды, когда в особо опасных и доступных для касания горнорабочих
Рис. 6. Структурная схема бесконтактного микропроцессорного контроллера производства ООО «Завод «Амплитуда» (г. Донецк, Украина) для шахтных электровозов
Рис. 7. Упрощенная структура контактно-аккумуляторного электровоза с асинхронным приводом
контактного провода местах подземных горных выработок он упраздняется, и тяговый комплекс электровоза функционирует, питаясь от автономного источника электрической энергии, которым может быть аккумуляторы, суперконденсаторы и т.п.
3. Предложенная методика сравнительной оценки различных видов накопителей энергии для условий шахтных комбинированных видов электровозов позволила установить самый затратный на данном этапе технического развития вид накопителей — емкостной, и рекомендовать к применению свинцово-кис-лотные аккумуляторы, имеющие наиболее низкую относительную стоимость. В перспективе рекомендуется применять наиболее энергоэффективных гра-феновые аккумуляторы, допускающие большие разрядные токи, характерные для режимов тяговых электромеханических комплексов именно данных видов электровозов. Более того, отмечена нецелесообразность применения в бли-
жайшей перспективе емкостных накопителей энергии на рудничных электровозах, даже в качестве дополняющих аккумуляторные батареи устройств тяговых энергетических комплексов. В тоже время в последующие периоды времени это утверждение может и должно быть уточнено.
4. Приведенный пример расчетов параметров аккумуляторов для тяговых батарей шахтных видов контактно-аккумуляторных электровозов ориентирован для условий железорудных шахт. Вместе с тем, приведенные расчеты напряжения и емкости тяговых батарей являются несколько приближенными и должны быть уточнены в ходе дополнительных исследований с учетом фактических значений параметров рейсовой работы электровозов конкретной шахты.
5. Структура тягового электромеханического комплекса комбинированного вида электровоза должна быть синерге-тической по структуре и энергоэффективной по технологии функционирования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шидловський А. К., niвняк Г. Г., Рогоза М. В., Випанасенко С.Л. Геоекономка та геопол^ика УкраУни. - Дшпропетровськ: Нацюнальний прничий унiверситет, 2007. - 282 с.
2. Бабець 6. С., Мельникова I. 6., Гребенюк С.Я., Лобов С. П. Дослщження техшко-економiчних показни^в гiрничодобувних пiдприeмств УкраУни та ефективност Ух роботи в умовах змшно'У кон'юктури свiтового ринку залiзорудноУ сировини: Монографiя / За ред. 6. С. Бабця; НДГР1 ДВНЗ «КНУ». - Кривий Рiг: вид. Р. А. Козлов, 2015. - 391 с.
3. Волотковский С.А., Ремха Ю.С., Пироженко В.Х. и др. Опыт эксплуатации рудничних контактных электровозов с импульсной системой управления // Горный журнал. - 1976. -№ 7. - С. 51-53.
4. Синчук О. Н., Гузов Э. С., Шулин Н. И., Саворский П. К. Системы управления шахтным электровозным транспортом. - К.: Техшка, 1985. - 198 с.
5. Волотковский С.А. Рудничная электровозная тяга. - М.: Недра, 1981. - 389 с.
6. Пироженко В.Х. Рудничные электровозы с тиристорным приводом. - К.: Техшка, 1981. -159 с.
7. Синчук И.О., Гузов Э.С., Дебелый В.Л., Дебелый Л.Л. Шахтный электровозный транспорт. Теорiя, конструкции, электрооборудование: учебник / Под ред. О. Н. Синчука. - Кривой Рог - Донецк: ЧП Щербатых А. В., 2015 - 428 с.
8. Лебьодюн С. В., анолиций А. Ф., Пасько О. В. Вупльна промисловють i перспективы напрямки розвитку тягових електроприводiв рудникових електровозiв (Проблеми i перспек-тиви) // Вюник Криворiзького техшчного ушверситету. Збiрник наукових праць. - 2004. -№ 4. - С. 12-15.
9. Жеребкин Б.В. Система векторного управления электроприводом рудничных электровозов с использованием аппарата нечеткой логики. Автореф. дисс. работы на соискание уч. ст. к.т.н. - СПб., 2005. - 19 с.
10. Синчук О. Н., Синчук И. О., Юрченко Н. Н., Чернышов А. А., Удовенко О. А., Пасько О. В., ГузовЭ.С. Комбинаторика преобразователей напряжения современных тяговых электроприводов рудничных электровозов. Научное издание. - К.: 1ЕД НАН УкраУни, 2006. - 252 с.
11. Бутт Ю. Ф., Грядущий В. Б., Дебелый В.Л., Коваль А. Н., Фурман А.Л., Щука В. М., Яцен-ко В.А. Шахтный подземный транспорт: справочное издание. В 2-х тт. - Изд. 3, перераб. и доп. / Под общ. ред. Б. А. Грядущего. - Донецк, 2013. - 480 с.
12. Основные положения по проектированию подземного транспорта новых и действующих угольных шахт. - М.: ИГД им. А. А. Скочинского, 1986. - 356 с.
13. НПАОП 10.0-1.01.-05 Правила безпеки у вупльних шахтах. - Луганск: Копщентр, 2005. - 196 с.
14. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений подземным способом: распространяются на проектирование и находящиеся в эксплуатации, строительстрво и эксплуатацию предприятий, ведущих разработку указанных месторождений: утв. 31.08.1971 г. Госгортехнадзор СССР. 2-е изд., перераб. и доп - М.: Недра, 1977. - 223с.
15. ГОСТ 12.2.11-86. Транспорт рудничный электровозный. Общие требования безопасности к подвижному составу. - М., 1986. - 10 с.
16. Степаненко В. П. Повышение энергоэффективности и ресурсосбережения рудничного электровозного транспорта // Вюник Криворiзького техшчного ушверситету. Збiрник наукових праць. - 2016. - № 42. - С. 20-25.
17. Карагаев В.И. Аппаратура дистанционного управления электровозом с подачей команд по радиоканалу // Колыма. - 1979. - № 11. - С.7- 9.
18. Синчук О. Н., Гузов Э. С., Ликаренко А. Г., Животовский А. Г. Электробезопасность рудничной откатки. - К.: Техника, 1988. - 188 с.
19. Синчук О. Н., Шокарев Д. А., Скапа Е. И., Гузов Э. С., Караманиц Ф. И. Синергетический тяговый асинхронный электротехнический привод для контактно-аккумуляторного двухосного электровоза // Електромехашчш та енергозбер^аю^ системи. - 2011. - Вип. 4 (16). -С. 65-68.
20. Материалы сайта www.amplituda.com.ua.
21. Sinchuk O., Kozakevich I., Kalmus D., Siyanko R. Examining energy-efficient recuperative braking modes of traction asynchronous frequency-controlled electric drives // Eastern-European
Journal of Enterprise Technologies. - 2017. - Vol. 1, N 1 (85). - P. 50-56. - Way of Access : DOI: 10.15587/1729-4061.2017.91912. EES
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Синчук Олег Николаевич1 - доктор технических наук, профессор, Федотов Владислав Александрович1 - старший преподаватель, e-mail: vladfva@mail.com,
Дебелый Владимир Леонидович - доктор технических наук,
000 «Завод «Амплитуда», г. Донецк,
Степаненко Валерий Павлович - кандидат технических наук, доцент, МГИ НИТУ «МИСиС»,
1 Криворожский национальный университет, г. Кривой Рог, Украина.
ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 10, pp. 84-99.
UDC 621.311.086.5:621.3.001.57
O.N. Sinchuk, V.A. Fedotov, V.L. Debelyy, V.P. Stepanenko
ESSENTIALITY OF INTRODUCTION OF COMBINATION ELECTRIC LOCOMOTIVES IN IRON ORE MINING
The article presents the results of studies into the state-of-the-art and solution of the problem connected with the performance improvement of underground iron ore mine transport. It is shown and validated that the basic mode of transportation for iron ore, materials and miners in underground excavations of iron ore mines, as against coal mines, is and will be for the nearest 35-50 years the electric locomotives. The tactics for enhancing efficiency and safety of electric locomotive trains provides for creation of basic combination electric locomotives and structures of modern energy-efficient tractive electromechanical systems. The author compares alternatives of self-contained electric energy sources and presents the calculation procedure for the parameters of tractive electromechanical systems of combination electric locomotives.
Key words: mine electric locomotive, tractive electromechanical systems, energy efficiency.
DOI: 10.25018/0236-1493-2017-10-0-84-99
AUTHORS
Sinchuk O.N.1, Doctor of Technical Sciences, Professor,
Fedotov V.A.1, Senior Lecturer,
e-mail: vladfva@mail.com,
Debelyy V.L., Doctor of Technical Sciences,
LLC «Plant «Amplitude», Donetsk,
Stepanenko V.P., Candidate of Technical Sciences,
Assistant Professor,
Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS», 119049, Moscow, Russia, 1 Kryvyi Rih National University, Kryvyi Rih, Ukraine.
REFERENCES
1. Shidlovs'kiy A. K., Pivnyak G. G., Rogoza M. V., Vipanasenko S. L. Geoekonomika ta geopoligika Ukra'ini. Dnepropetrovsk, Natsional'niy girnichiy universitet, 2007, 282 p.
2. Babets' E. S., Mel'nikova I. E., Grebenyuk S. Ya., Lobov S. P. Doslidzhennya tekhniko-ekonomichnikh pokaznikiv girnichodobuvnikh pidpriemstv Ukra'ini ta efektivnosti ikh roboti v umovakh zminnoi kon'yukturi svitovogo rinku zalizorudnoi sirovini: Monografiya. Za red. 6. S. Babtsya (AocAiflweHHH
техшко-економмчних показнитв гiрничодобувних пiдприeмств Укра'ни та ефективност ïx роботи в умовах змшно' кон'юктури CBiTOBoro ринку залiзорудноï сировини: Monograph. Babets' E. S (Ed.)), Krivoy Rog, vid. R.A. Kozlov, 2015, 391 p.
3. Volotkovskiy S. A., Remkha Yu. S., Pirozhenko V. Kh. Gornyy zhurnal. 1976, no 7, pp. 51-53.
4. Sinchuk O. N., Guzov E. S., Shulin N. I., Savorskiy P. K. Sistemy upravleniya shakhtnym elektro-voznym transportom (Mine electric locomotive transport control), Kiev, Tekhnika, 1985, 198 p.
5. Volotkovskiy S. A. Rudnichnaya elektrovoznaya tyaga (Mine electric traction), Moscow, Nedra, 1981, 389 p.
6. Pirozhenko V. Kh. Rudnichnye elektrovozy s tiristornym privodom (Mine electric locomotives with thyristor drives), Kiev, Tekhnika, 1981, 159 p.
7. Sinchuk I. O., Guzov E. S., Debelyy V. L., Debelyy L. L. Shakhtnyy elektrovoznyy transport. Te-oriya, konstruktsii, elektrooborudovanie: uchebnik. Pod red. O. N. Sinchuka (Mine electric locomotive transport. Theory, designs, electrics: Textbook. Sinchuk I. O. (Ed.)), Krivoy Rog—Donetsk, ChP A. V. Shcherbatykh, 2015, 428 p.
8. Leb'odkin S. V., Sinolitsiy A. F., Pas'ko O. V. Visnik Krivoriz'kogo tekhnichnogo universitetu. Zbirnik naukovikh prats'. 2004, no 4, pp. 12—15.
9. Zherebkin B. V. Sistema vektornogo upravleniya elektroprivodom rudnichnykh elektrovozov s ispol'zovaniem apparata nechetkoy logiki (System of vector control of electric locomotive motor using fuzzy logic), Candidate's thesis, Saint-Petersburg, 2005, 19 p.
10. Sinchuk O. N., Sinchuk I. O., Yurchenko N. N., Chernyshov A. A., Udovenko O. A., Pas'ko O. V., Guzov E. S. Kombinatorika preobrazovateley napryazheniya sovremennykh tyagovykh elektroprivodov rudnichnykh elektrovozov. Nauchnoe izdanie (Theory of combination of voltage converters in traction electric motors of mine locomotives. Scientific publication), Kiev, IED NAN Ukraïni, 2006, 252 p.
11. Butt Yu. F., Gryadushchiy V. B., Debelyy V. L., Koval' A. N., Furman A. L., Shchuka V. M., Yatsen-ko V. A. Shakhtnyy podzemnyy transport: spravochnoe izdanie. V 2-kh tt. Izd. 3. Pod red. B. A. Gryadu-shchego (Underground mine transport, in 2 vol., 3rd edition, Gryadushchiy B. A. (Ed.)), Donetsk, 2013, 480 p.
12. Osnovnye polozheniya po proektirovaniyu podzemnogo transporta novykh i deystvuyushchikh ugol'nykh shakht (General principles of underground transport engineering for new and operating coal mines), Moscow, IGD im. A. A. Skochinskogo, 1986, 356 p.
13. Pravila bezpeki u vugil'nikh shakhtakh. NPAOP 10.0-1.01.-05 (Coal mine safety regulations. NPAOP 10.0-1.01.-05), Lugansk, Kopitsentr, 2005, 196 p.
14. Edinye pravila bezopasnosti pri razrabotke rudnykh, nerudnykh i rossypnykh mestorozhdeniy podzemnym sposobom: rasprostranyayutsya na proektirovanie i nakhodyashchiesya v ekspluatatsii, stroitel'strvo i ekspluatatsiyu predpriyatiy, vedushchikh razrabotku ukazannykh mestorozhdeniy: utv. 31.08.1971 g. 2-e izd. (Uniform safety rules for underground mining of metals, nonmetals and placers: extendable for mine planning, design, construction and operation: approved 31.08.1971, 2nd edition), Moscow, Nedra, 1977, 223 p.
15. Transport rudnichnyy elektrovoznyy. Obshchie trebovaniya bezopasnosti k podvizhnomu sostavu. GOST 12.2.11-86 (Mine electric locomotive transport. General safety requirements for carriage rolling stock. State Standart 12.2.11-86), Moscow, 1986, 10 p.
16. Stepanenko V. P. Visnik Krivoriz'kogo tekhnichnogo universitetu. Zbirnik naukovikh prats'. 2016, no 42, pp. 20—25.
17. Karagaev V. I. Kolyma. 1979, no 11, pp. 7—9.
18. Sinchuk O. N., Guzov E. S., Likarenko A. G., Zhivotovskiy A. G. Elektrobezopasnost' rudnichnoy otkatki (Electric safety of ore haulage), Kiev, Tekhnika, 1988, 188 p.
19. Sinchuk O. N., Shokarev D. A., Skapa E. I., Guzov E. S., Karamanits F. I. Elektromekhanichni ta energozberigayuchi sistemi. 2011. no 4 (16), pp. 65—68.
20. www.amplituda.com.ua.
21. Sinchuk O., Kozakevich I., Kalmus D., Siyanko R. Examining energy-efficient recuperative braking modes of traction asynchronous frequency-controlled electric drives. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2017. Vol. 1, No 1 (85). Pp. 50—56. Way of Access: DOI: 10.15587/17294061.2017.91912.
_
