Фрагмент электронной книги проф.Мухопада М.Д. по курсу "Горный транспорт", размещенной:
http://donntu.ru/russian/strukt/kafedrs/wgzt_l/strMUHOPAD/book5/09_MODUL_5.htm

5.2. ЗАСОБИ ПЕРЕРВНОЇ ДІЇ

5.2.1. Локомотиви

Щоб визначити типи і кількість машин та устаткування локомотивного транспорту, потрібних для шахти, необхідно скласти гірничотехнічне обґрунтування. Для цього збираються такі основні дані: категорія шахти (рудника) по пилу і газу, довжина транспортування, характеристика вагонеток, стан відкаточних виробок, план і профіль рейкових колій, змінна продуктивність пунктів завантаження.

Вибір типу рейкових колій, розміщення яких зумовлюється площею перерізу гірничих виробок, проводиться згідно з правилами безпеки у вугільних і сланцевих шахтах — залежно від маси рухомого складу і вантажопотоку. Відповідно до норм технологічного проектування підземних споруд для магістральних виробок використовують рейки з лінійною густиною 33...38 кг/м, для головних відкаточних виробок—24...33 кг/м, вентиляційних та інших допоміжних — 18...24 кг/м.

Так, в основних відкаточних виробках, похилих стволах, бремсбергах і уклонах при використанні вагонеток місткістю до 2 м³ укладають рейки типу Р24, а при великих розмірах посудин — РЗЗ і Р38. Рейки Р18 настилають тільки в проміжних вентиляційних виробках.

Вагонетки для перевезення насипних матеріалів вибирають з врахуванням вантажопотоку, довжини відкатки в тих чи інших виробках і площі їхнього перерізу, виду використовуваного транспорту, в тому числі й у стволі.

На ново-проектованих і реконструйованих шахтах доставку гірничої маси доцільно проводити: у магістральних виробках—секційними поїздами з донним розвантажуванням, а із підготовчих забоїв — вагонетками типу ВДК. При підготовці нового горизонту допускається застосування посудин з глухим кузовом.

Для конкретних умов оптимальні тип і вантажопідйомність вагонеток визначають за техніко-економічними розрахунками. Критерієм в даному випадку є мінімум зведених витрат на локомотивну відкатку, включаючи витрати на посудини і тягові засоби, устаткування навантажувальних і обмінних пунктів, спорудження і підтримку гірничих виробок (якщо площа їхньою перерізу обумовлюється видом транспорту) та ін.

Тип локомотива вибирають із ряду машин, що випускає промисловість (див. табл. 3.3), керуючись нормами проектування, основними технічними напрямами розвитку галузі і діючими правилами безпеки на гірничо-видобувних підприємствах. Для негазових шахт приймають контактні електровози, а для решти—акумуляторні. У магістральних виробках з великим вантажопотоком використовують, як правило, важкі локомотиви, а на вентиляційних горизонтах (при виконанні допоміжних транспортних операцій) — машини ередньої маси.

Кількість локомотивів визначають із відношення потрібної змінної продуктивності до продуктивності одного із них або шляхом детального розрахунку, для чого попередньо знаходять масу поїзда, можливе число рейсів однієї машини за зміну та ін.

Розрахунок в основному зводиться до вибору типу локомотива, визначення маси состава і необхідної кількості машин.

Якщо сила тяги F₀ обмежується потужністю двигунів локомотива, максимальна маса состава, т,

m_c=F₀ /[(w₀ ±w_i)g]-m_л,                           (5.1)

де w₀, w_i – питомі опори руху і від уклону, Н/кН; m_л – маса локомотива, т.

Коли ж сила тяги обумовлюється зчепленням коліс з рейками (F₀ = 1 000 m_лgΨ), то

m_c=1000m'_лY/(w₀±w_i)-m_л.                    (5.2)

Тут m'_л – зчіпна маса локомотива (маса, яка припадає на приводні скати), т. У зв'язку з тим що у підземних електровозів усі скати приводні, m_л' = m_л.

Масу состава під час запуску з допустимим прискоренням а_п = 0,03... 0,05 м/с² при F₀=l 000 m_лgΨ знаходимо за формулою

m_c=(1000m_лY/(w₀±w_i+108a_п))-m_л.                  (5.3)

Коефіцієнт зчеплення Y залежно від стану рейкових колій береться рівним 0,07...0,24. Питомий опір w₀ = 6...12Н/кН. Він зменшується при збільшенні вантажопідйомності вагонетки.

Слід мати на увазі, що підготовлений для переміщення поїзд повинен бути таким, щоб при гальмуванні він міг зупинитись, пройшовши віддаль не більшу нормативного гальмового шляху. Довжина останнього згідно з правилами безпеки для навантаженого состава не перевершує 40 м, а при перевезенні людей – 20 м.

Гальмовий шлях обчислюється за формулою

l_г=l_п+l_q,                                                   (5.4)

де l_п; l_q – відстані, пройдені поїздом під час підготовки гальм до дії і в період безпосереднього гальмування, м.

При швидкості руху υ, м/с, гальмовий шлях

l_п= υ t_г.                                                   (5.5)

Тут t_г – час підготовки гальм до дії, с. За даними Дніпропетровського гірничого університету,

t_г=1,4+t_х,                                                (5.6)

де t_х – час холостого ходу гальмової системи локомотива, с.

Значення t_х вибирають залежно від типу гальм: наприклад, для колодкових гальм з пневматичним приводом t_х=2с, а з ручним– t_х = 3,5с.

При постійній гальмовій силі В_г, Н, процес гальмування протікає рівноуповільнено і шлях l_q можна знайти із рівняння

l_q=υ²/(2a_г).                                              (5.7)

Тут а_г – гальмове уповільнення, м/с².

Значення а_г для поїзда, що рухається із швидкістю υ, визначається таким чином. Оскільки при гальмовому режимі сила тяги F₀ = 0 i прикладена сила В_г, формула (2.48) прийме вигляд

В_г =(m_л+m_с)g(w₀-w_i-108a_г) .                             (5.8)

Пробуксовка коліс (рух юзом) не спостерігається, якщо сила В_г не перевищує сили зчеплення коліс з рейками.

При гальмуванні локомотива механічними гальмами сила

В_г =1000m_гg Y,                                    (5.9)

де m_г – гальмова маса локомотива, яка припадає на колеса, оснащені гальмами, т.

Оскільки на електровозі всі колеса забезпечені гальмами, m_г=m_л. Взявши В_г=1000m_гgY і перетворивши рівняння (5.8) одержимо:

а_г=(w₀-w_i+1000m_лgY/(m_л+m_с))/108.                (5.10)

Якщо гальмова сила перевищує силу зчеплення коліс з рейками, виникає рух юзом, тобто транспортна установка переміщується із застопореними колесами, що спричиняє посилений знос коліс і втрату керування електровозом.

Якщо поїзд неможливо зупинити на гальмовому шляху t_г, необхідно зменшити масу состава або обмежити швидкість руху шляхом переводу двигунів з паралельного на послідовне з'єднання або за допомогою періодичного відключення.

Кількість вагонеток в составі

z= m_с/(m+m₀),                                         (5.11)

де m, m₀ – маси вантажу і порожньої вагонетки, т.

Сила тяги F_н, для рухомого навантаженого состава

F_н=(m_л+z(m+m₀))g(w₀-w_i),                                (5.12)

а для порожнього –

F_п=(m_л+zm₀)g(w₀+w_i).                                   (5.13)

Визначивши силу тяги на один двигун за характеристикою, наведеною на рис. 5.1, знаходять швидкість руху поїздів з вантажем υ_н і без нього υ_п, а також силу струму при переміщенні составів І_н і І_п. Послідовність розв'язання задачі, що відповідає визначенню υ_н, υ_п, І_н, І_п на графіку (див. рис. 5.1), показана стрілками. Ці ж значення можна встановити і аналітичним шляхом:

υ_н = a—bF_н+сF²_н—dF³_н;                                   (5.14)

υ_п = a—bF_п+сF²_п—dF³_п;                                   (5.15)

І_н = a₁—b₁υ_н+с₁υ²_п—d₁υ³_п;                               (5.16)

І_п = a₁—b₁ υ_п+с₁υ²_п—d₁υ³_п.                              (5.17)

Рис. 5.1. Характеристика тягового двигуна електровоза

У формулах (5.14..5.17) розрахункові коефіцієнти а, b, с, d, a₁, b₁, c₁, d₁ приймають залежно від типу локомотива і способу з'єднання двигунів.

Оскільки із зміною профілю і траси колій швидкість підвищується або знижується (тобто не постійна), в подальших розрахунках беремо υ^с_н=0,75υ_н; υ^с_п=0,75υ_п.

При довжині транспортування L, км, тривалість руху, хв, для навантаженого состава

t_н = 60L/ υ^с_н,                                           (5.18)

а для порожнього —

t_п = 60L/ υ^с_п.                                           (5.19)

Повний час рейсу, хв,

Т_р = t_н + t_п + t_м,                                     (5.20)

де t_м – тривалість маневрів на кінцевих пунктах, t_м = 10...20 хв. Ефективна сила струму двигуна, А, за рейс становить

І_еф = k_д .                               (5.21)

Тут k_д — коефіцієнт, що враховує допоміжний нагрів двигунів, під час маневрів, k_д = 1,1...1,25.

За умовами нагрівання тягових двигунів маса поїзда вважається допустимою у випадку

І_еф ≤ І_тр,                                                  (5.22)

де І_тр – сила струму при тривалому режимі роботи двигуна, А. Якщо відома сила струму при годинному режимі становить І_г, то

І_тр = (0,4...0,45) І_г.                                        (5.23)

Кількість можливих рейсів одного локомотива за зміну

р = 60Т/Т_р.                                             (5.24)

Тут Τ — час його роботи, Τ = 5... 5,5 г.

Необхідна кількість рейсів для вивозу вантажу з дільниць

р_н = A_змk_н/(zm),                                      (5.25)

де А_зм – змінний вантажопотік; k_н– коефіцієнт нерівномірності, k_н=1,5...2.

Якщо довжина відкатки перевищує 1 км, передбачається деяка кількість рейсів р_л для перевезення людей. Тоді

р_з = р_н + р_л.                                            (5.26)

Тут р_з – сумарна (загальна) кількість рейсів за зміну.

Потрібна кількість робочих локомотивів Л_р, їхня розрахункова П_р і технічна П_т продуктивності (т∙км) визначаються через такі залежності:

Л_р=р_з/р,                                                  (5.27)

П_р= A_змLk_н/Л_р,                                      (5.28)

П_т=pzmL.                                               (5.29)

Інвентарна кількість машин, яку потрібно придбати,

Л₀= Л_рk_ін,                                              (5.30)

де k_ін – коефіцієнт інвентарності, що враховує машини, які знаходяться в резерві і на ремонті, k_ін = 1,15. Коефіцієнт використання локомотивів

К= П_р/П_т,                                               (5.31)

Їхнє застосування (за продуктивністю) вважається задовільним, якщо Κ ≥ 0,75.

Витрата енергії на один рейс контактного електровоза, кВт∙год,

W_pl = U_c (І_н t_н + І_п t_п)n_двk_м/(60 · 1 000).                (5.32)

Тут U_с – напруга на шинах тягової підстанції, В; n_дв – кількість двигунів локомотива; k_м – коефіцієнт, що враховує витрати енергії під час маневрових операцій, k_м=1,1...1,25.

Витрата енергії на шинах підстанції за зміну, кВт∙год,

W_зм = W_pl р_з / (η_пη_м).                                        (5.33)

де η_п, η_м – ККД перетворювального пристрою і мережі.

Питома витрата електроенергії, кВт∙год/т,

W_п.в. = W_зм/А_зм.                          (5.34)

Потужність тягової підстанції, кВт,

N_с = U_с(І_н + І_п)Л₀n_двk_од/1000.                           (5.35)

Тут k_од – коефіцієнт одночасної роботи локомотивів, k_од = 0,6...1.

Середнє падіння напруги в тяговій мережі, В,

∆U_с= I_c (R₀+r₀L_д)Л_д,                                 (5.36)

де I_c – середня сила струму електровоза в період сталого руху, А; R₀ – сумарний опір живильного і відвідного кабелів, Ом; r₀ – опір 1км мережі (контактного дроту і рейки), Ом/км; L_д – довжина тягової ділянки по один бік від підстанції, км; Л_д – зведена кількість електровозів на ділянці.

Енергоємність акумуляторної батареї, A∙г, необхідна для роботи протягом зміни,

C_б=(І_н t_н + І_п t_п) рn_двk_м/(60∙η_б).                         (5.37)

Тут η_б – ККД батареї, η_б = 0,8...0,9.

Витрата енергії, кВт∙год, на один рейс акумуляторного електровоза

W_pl = U_б (І_н t_н + І_п t_п)n_двk_м/(60∙1000η_б),                      (5.38)

а на локомотив

W_л = W_pl р,                                            (5.39)

де U_б – середня розрядна напруга батареї, В.

Для одного електровоза потрібна кількість робочих батарей

n_б= W_л/W_б,                                             (5.40)

загальна —

n_зl= n_б + n_з.                                             (5.41)

Тут W_б – паспортна енергоємність кожної із батарей, кВт·год; n_з – кількість їх під зарядкою, шт.

При наявності робочих локомотивів Л_р кількість батарей: сумарна

n_заг= n_з1Л_р+n_р,                                       (5.42)

а одночасно заряджуваних —

n_зар= n_з1 Л_р - Л_р,                                    (5.43)

де n_р — число резервних батарей, шт.

Кількість столів у зарядній камері: при Л₀≤10

n_ст= Л₀ + 2,                                             (5.44)

а при Л₀ ≥ 10

n_ст= Л₀ + 4.                                             (5.45)

У наш час у підземних умовах працюють найрізноманітніші локомотиви і відкаточні посудини. Отже, вибір оптимальних типів транспортних засобів являє собою варіаційну задачу, розв'язувати яку можна при значно менших витратах праці і часу, якщо замість ручного рахунку звернутись до зручної номограми (рис.5.2), побудованої в прямокутній системі координат з рівномірною шкалою. Порядок розв'язування завдання показаний стрілками. Якщо шукана точка виходить за межі поля номограми, це означає, що дана умова не є лімітуючою.

Рис. 5.2. Номограма для розрахунку електровозного транспорту:  а–14КР; б–14АРП; в–10КР; г–2АМ8; д–АМ8; е–7КР; ж–5АРВ

На сучасному етапі потрібні параметри локомотивного транспорту встановлюють за допомогою ЕОМ при наявності попередньо розробленої програми.