JP4630241B2 - 掘出運搬システム - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１台の掘削建設車両と複数台の荷台装着車両との編成で土砂あるいは土石の掘り出しと運搬が行われる掘出運搬システムに関する。

露天掘りの鉱山などにおいて、１台の大型のショベル（ショベルローダ）に対して複数台のダンプカーがセットになって、土砂を掘り出す露天掘り作業が行われている。この露天掘り作業は、１台のショベルが、土砂の掘り起こし作業と、一のダンプカーへの積み込み作業を行い、このダンプカーの運搬作業中に他のダンプカーに積み込み作業を行うものである。すなわち、複数台のダンプカーを用いることにより１台のショベルが効率的に連続的に使用される。また、このようなダンプカーは、自然保護の観点から電気駆動式のダンプカーが使用されることが多くなってきている。
ところで、電気自動車に搭載された着脱自在な蓄電器を簡単に取り外し、外部の充電設備によって適宜に充電する充電装置の技術は種々開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平９−９８５１７号公報（段落番号００２２〜００２５、及び図１、図２参照）

ここで、蓄電池又はキャパシタを搭載した電気駆動式のダンプカーを露天掘り鉱山などに適用する場合は、屋外に充電設備を設置して蓄電池又はキャパシタを充電しなければならない。また、鉱山などの環境によっては充電設備を屋外に設置したり、充電したりすることが困難な場合もある。また、ダンプカーに搭載された蓄電池又はキャパシタを充電するための待ち時間が必要になり、その時間はダンプカーを走行させることができないので、ダンプカーによる運搬作業が一時的に中断するなどして露天掘りシステム全体の稼働率が低下してしまう。さらに、特許文献１に開示された技術によってダンプカーから蓄電池又はキャパシタを容易に着脱できたとしても、蓄電池又はキャパシタを充電するための待ち時間の問題などは依然として解消されない。

本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、システム全体の稼働率を低下させないようにダンプカーに搭載された蓄電池又はキャパシタを充電することができる掘出運搬システムを提供することを課題とする。

本発明の掘出運搬システム（例えば、露天掘りシステム）は、エンジンを搭載した少なくとも１台の掘削建設車両（例えば、ショベルローダ）に対して、蓄電池又はキャパシタを搭載した電気駆動式の複数台の荷台装着車両（例えば、ダンプカー）を用いて、掘削建設車両は、荷台装着車両に搭載された蓄電池又はキャパシタを充電する充電器を備えていることを特徴とする。

これによれば、掘削建設車両が１台の荷台装着車両に土砂を積み込んでいる間、その時間を利用して、掘削建設車両に備えられた充電器がその荷台装着車両に搭載された蓄電池又はキャパシタを充電することができる。これによって、荷台装着車両が充電だけのために停車する時間を少なくすることができるので、露天掘りシステムの稼動効率を向上させることができる。また、荷台装着車両が掘削建設車両の周囲のどの位置に停車しても、容易に蓄電池又はキャパシタを充電できるような充電端子をショベル側に設けることにより、充電待ち時間を短縮して掘出運搬システムの稼動効率をさらに向上させることができる。

本発明によれば、システム全体の稼働率を低下させないように荷台装着車両に搭載された蓄電池又はキャパシタを充電することができる。

《発明の概要》
本発明の露天掘りシステムは、１台のショベル（ショベルローダ）と、蓄電池又はキャパシタを搭載した電気駆動式の複数台のダンプカーとによって編成されている。そして、ショベルは、少なくとも、エンジンと、エンジンによって駆動される発電機と、発電機の交流電力を直流電力に変換してダンプカーに搭載された蓄電池又はキャパシタを充電する充電器と、充電器の直流電力を任意の方向から取り出すことができる充電端子とを備えている。なお、充電器は蓄電池又はキャパシタを最適に充電するようにＤＣ／ＤＣコンバータによって制御され、充電端子は、ショベルに対してダンプカーがいずれの位置に停車しても蓄電池又はキャパシタを充電器に接続しやすいように配置されている。

以下、図面を参照しながら本発明の掘出運搬システム、及びこの掘出運搬システムに適用される掘削建設車両の実施の形態を詳細に説明するが、以下の説明では、説明の便宜上、ショベル（ショベルローダ）と複数台のダンプカーとを備える露天掘りシステムについて説明する。なお、電気駆動式のダンプカーは蓄電池又はキャパシタを搭載することができるが、以下の実施形態では蓄電池を搭載した電気駆動式のダンプカーについて述べ、キャパシタを搭載する場合は蓄電池をキャパシタと読み替えることとする。

《第１実施形態》
図１は、１台の大型ショベルと電気駆動式の複数台のダンプカーとによって土砂の積み込み作業、及び運搬作業を行う本発明の第１実施形態である露天掘りシステムの概念図である。図１に示すように、この露天掘りシステム１は、ショベル２と４台のダンプカー３，４，５，６の編成で構成されている。ショベル２は、エンジン７、充電器１２、充電端子１３などを搭載した油圧ショベルである。また、ショベル２は、エンジン７と充電器１２を備えており、さらに、この充電器１２に接続され、ショベル２の外部に向けた充電端子１３を備えている。また、ダンプカー３，４，５，６は、エンジンを搭載せずに、それぞれ蓄電池３ａ，４ａ，５ａ，６ａを搭載した電気駆動式のダンプトラックである。なお、ダンプカー３，４，５，６は、蓄電池３ａ，４ａ，５ａ，６ａの代わりに、それぞれ、キャパシタを搭載してもよく、その場合はそれぞれの蓄電池３ａ，４ａ，５ａ，６ａをキャパシタと読み替えればよい。

このような構成の露天掘りシステム１において、ショベル２が土砂を掘って先頭のダンプカー３にその土砂を積み込むと、そのダンプカー３は指定された場所まで土砂を運搬して排出した後に再びショベル２のところまで戻り、最後尾のダンプカー６の後ろに着く。このような繰り返しによって土砂の積み込み作業、及び運搬作業が行われる。

さらに詳しく述べると、ダンプカー３，４，５，６のうちの１台（例えば、ダンプカー３）がショベル２の脇に停止すると、ショベル２がダンプカー３の荷台に土砂を積み込む。そして、ショベル２は、ダンプカー３に対して土砂の積み込み作業を行っている間に、積み込み中のダンプカー３に搭載された蓄電池３ａに充電端子１３を接続し、充電器１２によってその蓄電池３ａを充電する。そして、ダンプカー３に対して土砂の積み込み作業と蓄電池３ａの充電が終了した時点でそのダンプカー３は土砂の運搬先へ移動する。運搬先で土砂の排出が終わったダンプカー３は、再びショベル２のところへ戻って最後尾のダンプカー６の後ろに着く。

次に、ショベル２の脇へ２台目のダンプカー４が移動して停止するので、ショベル２は２台目のダンプカー４に対して土砂の積み込みを行うと共にそのダンプカー４に搭載された蓄電池４ａに充電端子１３を接続してその蓄電池４ａを充電する。そして、ダンプカー４に対して土砂の積み込みと蓄電池４ａの充電が終了した時点で、そのダンプカー４は土砂の運搬先へ移動して土砂を排出すると、ショベル２のところへ戻って最後尾のダンプカー３の後ろに着く。

このような繰り返しによって、１台のショベル２と４台のダンプカー３，４，５，６とを備える露天掘りシステム１において、ショベル２が休むことなく土砂の掘り出しと積み込みを行うと共に、それぞれのダンプカー３，４，５，６は途切れることなく土砂の運搬を継続して行う。この露天掘りシステム１では、据置型の充電設備を設けることなく、それぞれのダンプカー３，４，５，６は、土砂の積み込み時間を利用して自己に搭載された蓄電池３ａ，４ａ，５ａ，６ａの充電を行うことができる。

１台のショベル２と４台のダンプカー３，４，５，６とで編成された露天掘りシステム１の具体的な一例について述べる。例えば、電気駆動式のダンプカー３，４，５，６が土砂を積み終えてから運搬先で土砂を排出して最後尾のダンプカー３，４，５，６の後ろに戻ってくるまでの一巡の時間を２０分とし、そのダンプカーに搭載された蓄電池の定格放電時間率を１時間とすると、２０分間の走行で消費される蓄電池容量（つまり、残量）は、約５分の充電時間で元の充電容量の状態（例えば、満充電状態）まで回復できる。したがって、ショベル２が１台のダンプカー３，４，５，６に対して土砂の積み込みと蓄電池の充電を５分間で行えば、ダンプカー３，４，５，６が１日中稼動していても蓄電池容量は減少することなく、かつダンプカー３，４，５，６は充電だけのために停車することはないので、本実施形態の露天掘りシステムを高い稼働率で運用することができる。

なお、蓄電池の定格放電時間率は鉛蓄電池やリチウムイオン電池などの蓄電池の種類によって異なり、また、ショベル２がダンプカー３，４，５，６に土砂を積み込むための積み込み時間も鉱山の環境などによって異なり、さらに、ダンプカー３，４，５，６が一巡してくる時間も土砂の排出場所や交通事情などによって異なる。したがって、土砂の積み込み時間と蓄電池の充電時間を同じにして露天掘りシステム１の稼働率を高める場合は、必要に応じて、充電器の充電電圧（出力電圧）を蓄電池の開放電圧より５０％以上高くして急速充電を行うこともできる。但し、急速充電を行うと電極の劣化が早くなるので過度な急速充電を行わないことが望ましい。

また、前記のように１台のダンプカーに対して土砂の積み込みと蓄電池の充電を同時に行うのではなく、例えば、土砂の積み込みを行っているダンプカーの後ろで待機しているダンプカーを充電する方法もある。例えば、図１において、ショベル２がダンプカー３に対して土砂の積み込みを行うのと同時に、ショベル２は待機中のダンプカー４に搭載された蓄電池４ａに対して充電を行い、ダンプカー３への土砂の積み込みが完了すると同時にダンプカー４に搭載された蓄電池４ａへの充電を完了するようにしてもよい。

図２は、ショベル２に搭載される駆動・充電機構の構成を示すブロック図である。図２に示す駆動・充電機構１８は、整流器１０とＤＣ／ＤＣコンバータ１１とからなる充電器１２、エンジン７、発電機８、油圧ポンプ９、及び充電端子１３を備えた構成となっている。なお、図中で、ブロック間の太線は機械系の伝達経路を示し、ブロック間の細線は電気系の伝達経路を示している。

このような構成において、エンジン７によって発電機８と油圧ポンプ９とを駆動する。油圧ポンプ９は、ショベル２のアームやバケットを動かすための油圧アクチュエータや走行用の油圧モータを駆動するための機構である。発電機８から出力される交流電圧は、整流器１０によって直流電圧に変換され、さらに、その直流電圧はＤＣ／ＤＣコンバータ１１によって蓄電池（つまり、図１の各ダンプカー３，４，５，６に搭載されたそれぞれの蓄電池３ａ，４ａ，５ａ，６ａ）を充電するのに都合のよい電圧に変換される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１の出力は、充電端子１３を介して図１に示す各蓄電池３ａ，４ａ，５ａ，６ａに順次接続される。なお、この接続作業は、各ダンプカー３，４，５，６の運転手が運転席から降りて行う。

すなわち、エンジン７からの出力エネルギは、機械系において発電機８及び油圧ポンプ９で消費されると共に、電気系においては、発電機８、整流器１０とＤＣ／ＤＣコンバータ１１からなる充電器１２、及び充電端子１３を経由して図示しないダンプカーの蓄電池（又はキャパシタ）を充電するために消費される。したがって、図１のショベル２はダンプカーに土砂を積み込んでいる間に、ショベル２が図２の駆動・充電機構１８の電気系を通電させて、充電器１２から充電端子１３を介して図示しないダンプカーの蓄電池（又はキャパシタ）を充電することができる。

以上説明したように本実施形態によれば、露天掘りを行う鉱山に据置型充電器を設置する必要がなくなると共に、ショベル２がダンプカー３，４，５，６に土砂を積み込む時間を利用して充電を行うことができる。このため、ダンプカー３，４，５，６の充電待ち時間を短縮することができ、結果的に露天掘りシステムの稼動効率を向上させることが可能となる。

《第２実施形態》
図３は、第２実施形態のショベルに搭載された駆動・充電機構の構成を示すブロック図である。なお、第２実施形態においても露天掘りシステムの構成は図１と同じである。図３に示す駆動・充電機構１９は、図２に示す駆動・充電機構１８の構成に対して、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１４及びショベル側蓄電池１５（又はショベル側キャパシタ１６）が追加された構成となっている。すなわち、充電器１２の内部の整流器１０とＤＣ／ＤＣコンバータ１１の接続ラインに双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１４が接続され、さらに、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の先にショベル側蓄電池１５（又は、ショベル側キャパシタ１６）が接続された構成となっている。

エンジン７からの機械的出力は、発電機８及び油圧ポンプ９で消費され、発電機８の発電電力は、整流器１０とＤＣ／ＤＣコンバータ１１からなる充電器１２、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１４を介して充電されるショベル側蓄電池１５（又はショベル側キャパシタ１６）、及び充電端子１３を経由して図示しないダンプカーの蓄電池（又はキャパシタ）を充電するために消費される。これによって、図１のショベル２がダンプカーに土砂を積み込んでいる間に、そのショベル２は図３の駆動・充電機構１９の電気系を通電させて、充電器１２から充電端子１３を介して図示しないダンプカーの蓄電池（又はキャパシタ）を充電することができる。

また、発電機８の最大出力能力が小さい場合には、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、ショベル側蓄電池１５（又はショベル側キャパシタ１６）を充電する方向に半導体素子を動作させる。したがって、油圧ポンプ９のパワーや図示しないダンプカーの蓄電池（又はキャパシタ）への充電電流が小さい場合は、ダンプカーの蓄電池（又はキャパシタ）への充電と並行して、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１４からショベル側蓄電池１５（又はショベル側キャパシタ１６）を充電することができる。

また、エンジン７の最大出力能力に対して、前記の機械系の出力パワー及び電気系の出力パワーが大きい場合には、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１４はショベル側蓄電池１５（又はショベル側キャパシタ１６）を放電する方向に半導体素子を動作させる。したがって、油圧ポンプ９のパワーや図示しないダンプカーの蓄電池（又はキャパシタ）への充電電流が大きい場合は、整流器１０とＤＣ／ＤＣコンバータ１１からなる充電器１２を介してダンプカーの蓄電池（又はキャパシタ）を充電すると共に、ショベル側蓄電池１５から双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１４及びＤＣ／ＤＣコンバータ１１を経由してダンプカーの蓄電池（又はキャパシタ）を補助充電することができる。

すなわち、ショベルの脇にダンプカーが停車して、そのダンプカーへ土砂の積み込みと蓄電池(又はキャパシタ)への充電を同時に行っているときはエンジン７の負荷率は最大になっていて、それ以外のときにはエンジン７の負荷率は小さくなっている。したがって、図１に示す露天掘りシステム１の構成によれば、例えば、ショベル２がダンプカー３に対して土砂の積み込みと蓄電池３ａへの充電を同時に行っているときは、エンジン７の負荷率は最大になっている。このため、図３のような駆動・充電機構１９によって、整流器１０とＤＣ／ＤＣコンバータ１１からなる充電器１２を介してダンプカー３の蓄電池３ａを充電すると共に、ショベル側蓄電池１５（又はショベル側キャパシタ１６）から双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１４とＤＣ／ＤＣコンバータ１１を経由してダンプカー３の蓄電池３ａを補助充電することが可能となる。

このように、第２実施形態による駆動・充電機構１９の構成によれば、エンジン７の最大能力以上で、油圧ポンプ９の動作とダンプカーの蓄電池（又はキャパシタ）の充電を行うことができる。したがって、エンジン７の容量を大きくすることなく、エンジン７の容量を補助する充電エネルギをショベル側蓄電池１５（又は、ショベル側キャパシタ１６）からダンプカーの蓄電池（又はキャパシタ）へ供給することができるので、ダンプカーの蓄電池（又はキャパシタ）を充電するための充電時間をさらに短縮することが可能となる。

（第３実施形態）
前記各実施形態の駆動充電機構に設けられ、ダンプカーを充電するための充電端子１３を適宜変更することができる。
図４は充電端子が両側面に設けられたショベル２を示す上面図である。図４に示すように、ショベル２の両側面に充電端子１３ａ，１３ｂが設けられている。したがって、ダンプカーがショベル２のいずれの側面に停車しても、いずれかの充電端子１３ａ又は１３ｂによって図示しないダンプカーのコネクタへ容易に接続することができる。

図５は回転駆動式の充電端子が設けられたショベル２を示す上面図である。図５に示すように、回転駆動式の充電端子１３ｃが例えばショベル２の上部に設けられている。したがって、ダンプカー３，４，５，６がショベル２のいずれの位置に停止しても、ショベル２からの充電端子１３ｃをダンプカーのコネクタへ容易に接続することができる。

図６は可動式の充電端子が設けられたショベル２を示す上面図である。図６に示すように、長いケーブルが自在に可動する可動式の充電端子１３ｄが、例えばショベル２の後部に設けられている。したがって、ダンプカーがショベル２の後部のいずれの側に停車しても、可動式の充電端子１３ｄによって図示しないダンプカーのコネクタへ容易に接続することができる。

本実施形態によれば、充電端子がショベル２の周辺を自在に移動できるように構成されているので、ショベル２の掘り進み状況や地形の状況などによって、ショベル２に対するダンプカー３，４，５，６の停車位置が変化しても、充電端子１３をダンプカー３，４，５，６の蓄電池又はキャパシタの充電用コネクタに容易に接続することが可能となる。これにより、さらに充電待ち時間を短縮することができる。

（比較例）
以下、シリーズハイブリッド式のダンプカーと、電気駆動式のダンプカーを用いた場合の露天掘りシステムを、比較例として記述する。
図７は、１台の大型ショベルとシリーズハイブリッド式の複数台のダンプカーとによって土砂の積み込み作業及び運搬作業を行う比較例の露天掘りシステムの概念図である。図７に示すような露天掘りシステム２１は、エンジン２２ａを搭載した１台のショベル２２に対して、それぞれのエンジン２３ａ，２４ａ，２５ａ，２６ａを搭載した４台のダンプカー２３，２４，２５，２６がセットになって土砂の掘り出し・積み込み作業及び運搬作業を行っている。このとき、ショベル２２が土砂を掘って先頭のダンプカー２３にその土砂を積み込むと、そのダンプカー２３は指定された場所まで土砂を運搬した後にショベル２２のところまで戻り、最後尾のダンプカー２６の後ろに着く。このような繰り返しによって土砂の積み込み作業及び運搬作業が行われる。このとき、土砂を運搬する距離を考慮した上で最も効率的に作業が進められるようにダンプカーの台数が決められている。つまり、ショベル２２が休むことなく土砂を掘り続けられるようにダンプカーの台数が決められている。一般的には、鉱山などの露天掘り作業においては、１台のショベルに対してダンプカーは２台から５台程度が必要となる。

図８は、１台の大型ショベルと電気駆動式の複数台のダンプカーとによって土砂の積み込み及び運搬作業を行う従来の露天掘りシステムの概念図である。図８に示すように、この露天掘りシステム３１は、ショベル２２、ダンプカー３３，３４，３５，３６、及び、据置型充電器３７によって構成されている。ショベル２２はエンジン２２ａを搭載する油圧ショベルであり、ダンプカー３３，３４，３５，３６は、エンジンを搭載せずに、それぞれ蓄電池３３ａ，３４ａ，３５ａ，３６ａを搭載した電気駆動式のダンプトラックである。なお、電気駆動式のダンプカー３３，３４，３５，３６は、それぞれ、蓄電池の代わりにキャパシタを搭載してもよく、その場合は、図８において蓄電池３３ａ，３４ａ，３５ａ，３６ａをキャパシタと読み替えればよい。また、据置型充電器３７は、ダンプカー３３，３４，３５，３６のそれぞれに搭載された蓄電池３３ａ，３４ａ，３５ａ，３６ａを充電するための設備である。このように、蓄電池３３ａ，３４ａ，３５ａ，３６ａをそれぞれ搭載した電気駆動式のダンプカー３３，３４，３５，３６を使用する場合には据置型充電器３７を屋外に設置し、必要に応じて、各ダンプカー３３，３４，３５，３６に搭載された蓄電池３３ａ，３４ａ，３５ａ，３６ａを据置型充電器３７によって充電する必要がある。

本発明によれば、屋外に据置型充電器を設置する必要がないので、起伏の多い劣悪な環境にある鉱山おける露天掘りシステムにも有効に利用することができる。

１台の大型ショベルと電気駆動式の複数台のダンプカーとによって土砂の積み込み作業及び運搬作業を行う本発明の第１実施形態である露天掘りシステムの概念図である。 本発明に適用されるショベルに搭載された第１実施形態の駆動・充電機構の構成を示すブロック図である。 本発明に適用されるショベルに搭載された第２実施形態の駆動・充電機構の構成を示すブロック図である。 充電端子が両側面に設けられたショベルを示す上面図である。 回転駆動式の充電端子が設けられたショベルを示す上面図である。 可動式の充電端子が設けられたショベルを示す上面図である。 １台のショベルとハイブリッド式の複数台のダンプカーとによって土砂の積み込み及び運搬作業を行う従来の露天掘りシステムの概念図である。 １台のショベルと電気駆動式の複数台のダンプカーとによって土砂の積み込み及び運搬作業を行う従来の露天掘りシステムの概念図である。

符号の説明

１，２１，３１ 露天掘りシステム（掘出運搬システム）
２ ショベル（堀削建設車両、ショベルローダ）
３，４，５，６ ダンプカー（荷台装着車両）
３ａ，４ａ，５ａ，６ａ 蓄電池
７ エンジン
８ 発電機
９ 油圧ポンプ
１０ 整流器
１１ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１２ 充電器
１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ 充電端子
１４ 双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ
１５ ショベル側蓄電池
１６ ショベル側キャパシタ
１８，１９ 駆動・充電機構
２１ 露天掘りシステム
２２，３２ ショベル
２２ａ，２３ａ，２４ａ，２５ａ，２６ａ エンジン
２３，２４，２５，２６，３３，３４，３５，３６ ダンプカー
３３ａ，３４ａ，３５ａ，３６ａ 蓄電池
３７ 据置型充電器

Claims (5)

1. 少なくとも１台の掘削建設車両に対して、蓄電池又はキャパシタを搭載した電気駆動式の複数台の荷台装着車両を用いて、土砂あるいは土石の掘り出し、及びこの土砂あるいは土石の運搬を行う掘出運搬システムであって、
   前記掘削建設車両は、充電器を備えた車両であると共に、エンジンを用いて駆動する車両であり、
   前記充電器は、前記掘削建設車両が１台の前記荷台装着車両に土砂あるいは土石の積み込みを行っているときに、この荷台装着車両に搭載された蓄電池又はキャパシタを充電することを特徴とする掘出運搬システム。
2. 前記掘削建設車両は、自己に搭載された他の蓄電池を充電しながら、前記充電器が前記荷台装着車両に搭載された蓄電池又はキャパシタを充電することを特徴とする請求項１に記載の掘出運搬システム。
3. 前記掘削建設車両は、自己に搭載された蓄電池からの放電電流と、前記充電器からの充電電流とによって前記荷台装着車両に搭載された蓄電池又はキャパシタを充電することを特徴とする請求項１に記載の掘出運搬システム。
4. 前記掘削建設車両は、前記荷台装着車両が周辺の任意の位置に停車しているとき、前記充電器の出力端を前記蓄電池又は前記キャパシタへ接続できる充電端子を備えていることを特徴とする請求項１に記載の掘出運搬システム。
5. 前記掘削建設車両は、ショベルローダであり、
   前記荷台装着車両は、ダンプカーであることを特徴とする請求項１に記載の掘出運搬システム。

Images