Разработка новых типов карьерной техники на ОАО «БЕЛАЗ» с применением альтернативных источников энергии

Бигель Николай Викторович, заместитель главного конструктора НТЦ УГК ОАО «БЕЛАЗ», E-mail: m.bihel@belaz.minsk.by

Повышение эффективности карьерного транспорта является одним из основных направлений работы ОАО «БЕЛАЗ». Для достижения этой цели рассматриваются варианты применения новых видов топлива, одним из которых является газ, разработка новых типов механических и электрических трансмиссий, использование новых материалов и конструктивных решений, позволяющих снизить массу транспортных средств и увеличить ресурс. Новые перспективы для разработчиков горнодобывающей техники открывают возможность применения троллейных систем и появление на рынке новых типов накопителей электрической энергии.

С каждым годом электрический транспорт все активнее внедряется в нашу жизнь. Уже трудно кого-нибудь удивить гибридным или полностью электрическим легковым автомобилем, на улицах многих больших и малых городов работают электробусы, все большее количество людей активно пользуются велосипедами, самокатами и другими средствами передвижения на электротяге. Для развития электротранспорта есть много причин. Во-первых, это способствует улучшению экологии в городах и других местах их эксплуатации. Во-вторых, при грамотном подходе государственных структур, применение электротранспорта становится выгодным для юридических и физических лиц. В-третьих, это удобно, не надо думать о периодической замене масла, охлаждающей жидкости, качестве заливаемого топлива и ряде других вопросов.

Большое разнообразие типов аккумуляторных батарей, суперконденсаторов и других источников электроэнергии дает возможность производителям создавать электрические транспортные средства с учетом стоящих перед ними задач. Для городского транспорта с небольшими пробегами между конечными остановками могут использоваться суперконденсаторы, способные заряжаться в течение нескольких минут и имеющие большое количество циклов заряда-разряда. Для перемещения на большие расстояния предпочтительнее выглядят аккумуляторные батареи или водородные топливные элементы. В некоторых случаях целесообразным может оказаться применение на одном транспортном средстве нескольких типов источников.

По мнению специалистов Белорусского автомобильного завода, в горной промышленности наиболее очевидным просматривается применение электротранспорта на аккумуляторных батареях в подземных разработках, где может быть достигнут значительный экономический эффект за счет экономии на системах вентиляции. Наиболее остро вопрос с вентилированием стоит в забоях и тупиковых шахтах, где помимо пыли в результате горных работ свою лепту вносят выхлопные газы и шум от двигателей внутреннего сгорания работающей техники. Помимо увеличения концентрации вредных веществ, двигатели внутреннего сгорания повышают температуру в месте работы, что не всегда желательно в шахтах, расположенных в условиях вечной мерзлоты, и требует дополнительных затрат на укрепление сводов и водоотведение. В мировой практике в подземных разработках нашли применение несколько типов электротранспорта, но наиболее распространенной является аккумуляторная техника и техника, работающая от тяговых подстанций через разматывающийся кабель. Однако при питании через кабель имеются некоторые серьезные недостатки:

— необходимость подведения больших мощностей электроэнергии непосредственно к месту добычи;

— небольшой радиус действия, ограниченный длиной кабеля;

— привязка к месту подключения;

— дополнительные риски и затраты по причине возможных повреждений кабеля.

3D-проект карьерного самосвала БЕЛАЗ на аккумуляторных батареях

Для подземной техники, работающей на аккумуляторных батареях, такие ограничения нехарактерны. Тягово-динамические характеристики электрической техники во многих случаях превосходят аналоги с двигателями внутреннего сгорания. Кроме того, для обеспечения высокой производительности специалисты ОАО «БЕЛАЗ» рассматривают и другие способы ее увеличения. Один из них — быстрая зарядка в течение 15–25 минут во время технологических перерывов. В связи с тем что в этом случае зарядный ток в несколько раз превышает номинальный, данный вариант требует подведения больших мощностей к месту эксплуатации. Второй способ — наличие нескольких аккумуляторных батарей и их быстрая замена с последующей более длительной зарядкой небольшими токами. Этот вариант может оказаться наиболее предпочтительным для эксплуатирующих организаций, так как позволяет увеличить количество циклов заряда — разряда и срок службы батареи, а также возможность ее зарядки без привязки к месту работы транспортного средства.

На открытых разработках полезных ископаемых, по мнению специалистов ОАО «БЕЛАЗ», также может быть рассмотрен вопрос применения электрических накопителей в качестве источника движения карьерного самосвала. Один из главных вопросов, решаемых при этом, — экология, что является особенно актуальным для глубоких карьеров. В связи с небольшой удельной емкостью конденсаторов наиболее предпочтительно для наземного транспорта выглядит применение литиевых аккумуляторных батарей. Возможное количество используемых батарей ограничено объемами, где они могут быть установлены, их типом и массой. Чаще всего батареи устанавливаются на места расположения дизельного двигателя, его системы охлаждения, тягового генератора и топливного бака. Одним из актуальных вопросов для наземного электрического транспорта в горной промышленности является его производительность. Ввиду относительно небольшого объема для установки батарей и их емкости при перемещении груза снизу вверх после нескольких циклов «загрузка — транспортировка — разгрузка» требуется проведение зарядки в течение 20–25 минут. Это ведет к снижению производительности в зависимости от условий работы и способа зарядки: величины зарядного тока, времени подключения к зарядной станции и отключения от нее. Однако в горнодобывающей промышленности имеются предприятия, где транспортировка груза осуществляется сверху вниз. Это позволяет обеспечить более глубокую зарядку батареи за счет рекуперации во время движения с породой на спуск. Предварительная оценка показывает, что возможны ситуации, когда заряженной в начале рабочего цикла батареи хватает на всю смену с последующей зарядкой при пересменке экипажа или в обеденный перерыв. Для такого случая можно говорить не только об экологическом эффекте, но и возможной экономической эффективности.

3D-проект дизель-троллейвоза

Интересным видится применение электротранспорта при перевозке породы на длинные расстояния с использованием троллейного режима и получением энергии от электрических тяговых подстанций. В этом случае имеется потенциальная возможность для зарядки батареи во время движения под контактной сетью, а после выезда из-под нее дальнейшие маневры совершать на электрической тяге от батареи. Но для обеспечения полноценной зарядки требуется, чтобы протяженность контактной сети была более половины расстояния перевозки. Также при этом придется учитывать значительное увеличение нагрузки на подстанцию, контактную сеть, токо-съемное устройство и системы самосвала.

Успешному развитию электрической карьерной техники в горнодобывающей промышленности могли бы поспособствовать более высокие технические характеристики накопителей энергии. В первую очередь хотелось бы увидеть значительное увеличение удельной мощности батарей, расширение диапазона рабочих температур, продление срока службы и снижение стоимости. Интересным является путь развития электротранспорта в восточно-азиатском регионе, где разработчики пошли по пути применения водородных источников электроэнергии. Это позволило решить вопрос производительности: как правило, одной заправки бака хватает на весь технологический цикл или пробег транспортного средства, аналогичный бензиновому или дизельному варианту. Помимо автотранспорта в начале 2000-х годов японские инженеры изготовили и опробовали поезд на водороде. Далее работы были приостановлены и в последующем продолжены в 2017 году. Достаточно успешно работы по применению водородных источников ведут французские и немецкие инженеры на железнодорожном транспорте в Германии. Намерение приступить к разработке локомотивов на водороде озвучила российская компания «Трансмашхолдинг». Но высокая стоимость такой технологии пока не позволяет обеспечить ее широкое распространение.

Серьезным вопросом, вызывающим особое внимание экологов и государственных структур, является утилизация использованных накопителей энергии. Несмотря на то что на первом этапе использование батарей, отслуживших свой срок на электротранспорте, возможно в энергетических системах с более щадящими режимами работы, рано или поздно возникает вопрос прекращения их эксплуатации. С большой долей вероятности для решения этого вопроса потребуется строительство новых предприятий по переработке вредных отходов. Вопрос экологичности водородного транспорта тоже выглядит неоднозначно, так как для производства водорода приходится затрачивать большое количество энергии. Но при движении такого транспортного средства в окружающую среду выделяется только вода.

В настоящее время бурное развитие электрических транспортных средств продолжается практически во всех сферах: велосипеды, самокаты, мотоциклы, легковые автомобили, грузовики, поезда, летательные аппараты. Во многих случаях, особенно с поддержкой государственных структур, удается достичь экологического и экономического успеха. Есть надежда, что с улучшением характеристик электрических накопителей и уменьшением их стоимости более широкое применение они найдут и в карьерном транспорте.

В настоящее время с целью создания высококонкурентоспособной карьерной техники работы по применению альтернативных источников энергии активно ведутся и на ОАО «БЕЛАЗ».

Среди основных разработок:

— электрический самосвал — карьерный самосвал грузоподъемностью 90 т, который в качестве источника энергии использует тяговые аккумуляторные батареи;

— дизель-троллейвоз — карьерный самосвал грузоподъемностью 220–240 т, который на определенном участке карьерной дороги использует внешний источник электрической энергии, за счет этого увеличивается скорость карьерного самосвала, уменьшаются выбросы в окружающую среду и экономится дизельное топливо, которое является одним из основных источников затрат при добыче полезных ископае-мых открытым способом;

— самосвал, использующий газ в качестве топлива.

Для демонстрации потребителям преимуществ троллейвозной техники и проведения исследовательских работ на территории заводского полигона планируется установить контактную троллейную линию общей протяженностью 504 м.

По мнению специалистов ОАО «БЕЛАЗ», применение новых видов источников энергии на карьерной технике позволит нашим заказчикам решать стоящие перед ними задачи по повышению производительности, снижению выбросов вредных веществ в окружающую среду при добыче полезных ископаемых и уменьшению затрат на перевозку горной массы.

БелАЗ 75476 с газопоршневым двигателем Кунгур-550. В качестве топлива используется сжиженный природный газ (метан)

Подписи к рисункам:

Поделиться статьёй