Выбор, расчет и обоснование буровых и выемочно-погрузочных работ

Рисунок 3 – Схема расположения ковша рукояти механической лопаты в период копания (а – период копания; б – период поворота груженого ковша на разгрузку; в – период поворота порожнего ковша в забой)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4 – Нагрузочные диаграммы механической лопаты (а – механизм подъема; б – механизм напора; в – механизм поворота)

 

Усилие, которое возникает  в подъемном канате мехлопаты и обусловливает нагрузку двигателя подъемного механизма при копании, вычисляем из уравнения моментов, создаваемых сопротивлением породы копанию, весом ковша с породой и весом рукояти относительно оси опорного вала. В общем виде это усилие определяем по формуле:

 

N_п.л. = =

                            (113)

= = 546801 Н,

 

где  N_1п – сопротивление породы копанию,

 

N_1п = = = 96000 Н,               (114)

 

где  k_к.л. – удельное сопротивление породы копанию, зависящее от характера породы, Па (табл. 12);

        L_з – высота забоя, принимаемая равной высоте расположения напорного вала относительно уровня стояния экскаватора, м;

        k_р – коэффициент разрыхления породы (табл. 11);

 

         l₁, l_к, l_р, l_п – длины плеч приложения сил относительно оси напорного вала, который расположен на середине стрелы, м;

        G_к+п – вес ковша с породой,

 

G_к+п = g ∙ (m_к.л. + m_пор) ∙ 10³ = 9,8 ∙ (13,8 + 21,1) ∙ 10³ = 342020 Н;       (115)

 

где  g – ускорение свободного падения, м/с;

 

       α – угол между рукоятью и горизонтом, град;

        G_р – вес рукояти,

 

G_р = g ∙ m_р ∙ 10³ = 9,8 ∙ 6,2 ∙ 10³ = 60760 Н;              (116)

 

       β – угол между подъемным канатом и рукоятью, град.

 

Усилие, возникающее в  напорном механизме при копании, обуславливается действующими вдоль  оси рукояти силами: отжимающим усилием  породы, составляющей усилия в подъемном  канате и составляющей веса рукояти  и ковша с породой. В общем  случае при различных положениях рукояти и ковша во время копания усилие в напорном механизме лопаты определяем по формуле:

 

N_н.л. = N_2л + N_п.л. ∙ cosβ ± G_к+п ∙ sinα ± G_р ∙ sinα =

       (117)

= 76800 + 546801 ∙ cos90 + 342020 ∙ sin0 + 60760 ∙ sin0 = 76800 Н,

 

где  N_2л – отжимающее усилие породы,

 

N_2л = k_нап ∙ N_1п = 0,8 ∙ 96000 = 76800 Н,               (118)

 

где  k_нап – отношение усилия напора к сопротивлению породы копанию (k_нап =  = 0,5–1,05).

 

Усилие, возникающее в  подъемном механизме лопаты при  повороте платформы на разгрузку, определяем из уравнения моментов, создаваемых  весом ковша с породой и  весом рукояти относительно оси  напорного вала:

 

= =

       (119)

= = 567718 Н.

 

При возвращении платформы  с порожним ковшом в забой усилие в подъемном механизме лопаты находим из уравнения моментов, создаваемых  весом ковша без породы и весом  рукояти:

 

= = =

       (120)

= 249935 Н,

 

где  G_к – вес порожнего ковша,

 

G_к = g ∙ m_к.л. ∙ 10³ = 9,8 ∙ 13,8 ∙ 10³ = 135240 Н.

 

Двигатель напорного механизма  при повороте платформы с груженым ковшом на разгрузку будет работать большую часть времени в тормозном  режиме, преодолевая сопротивления, создаваемые составляющими веса ковша с породой, веса рукояти  и усилия в подъемном механизме. Усилие в напорном механизме лопаты при этом будет равно:

 

= ∙ cosβ + (G_к+п + G_р) ∙ sinα =

       (121)

= 567718 ∙ cos42 + (342020 + 60760) ∙ sin22 = 572781 Н.

 

При повороте платформы с  порожним ковшом в забой максимальное усилие в напорном механизме возникает  при подъеме ковша и рукояти  из вертикального положения. Это  усилие определяем по формуле:

 

= G_к + G_р = 135240 + 60760 = 196000 Н.              (122)

 

2.2.3. Определение  мощностей двигателей главных механизмов механической лопаты

 

Мощность двигателя подъемного механизма лопаты при копании  породы определяем по формуле:

 

Р_п.л. = ∙ 10^-3 = ∙ 10^-3 = 547 кВт,              (123)

 

где  N_п.л. – усилие в подъемном механизме лопаты при копании, Н;

       υ_п.л. – скорость перемещения подъемного каната, м/с (табл. 13);

       η_п.л. – КПД подъемного механизма (η_п.л. = 0,8–0,85).

 

Мощность двигателя подъемного механизма лопаты при повороте платформы на разгрузку:

 

= (0,1–0,3) ∙ ∙ 10^-3 = 0,2 ∙ ∙ 10^-3 =           (124)

 

= 114 кВт,

 

где – усилие в подъемном механизме при повороте платформы на разгрузку, Н;

       

Мощность двигателя подъемного механизма при повороте платформы  с порожним ковшом в забой:

 

= (1,1–1,3) ∙ ∙ 10^-3 = 1,2 ∙ ∙ 10^-3 = 300 кВт,    (125)

 

где   – усилие в подъемном механизме при повороте платформы с порожним ковшом в забой, Н.

 

Мощность двигателя напорного  механизма при копании:

 

Р_н.л. = ∙ 10^-3 = ∙ 10^-3 = 58 кВт,             (126)

 

где  N_н.л. – усилие в напорном механизме при копании, Н;

       υ_н.л. – скорость перемещения рукояти, м/с (табл. 13);

       η_н.л. – КПД напорного механизма (η_н.л. = 0,75–0,85).

 

Мощность двигателя напорного  механизма при повороте платформы  на разгрузку:

 

= (0,3–0,5) ∙  ∙ 10^-3 = 0,4 ∙ ∙ 10^-3 = 172 кВт,   (127)

 

где  – усилие в напорном механизме при повороте платформы на разгрузку, Н.

 

При повороте платформы с  порожним ковшом в забой работа напорного  механизма происходит при номинальной частоте вращения двигателя. Мощность двигателя напорного механизма в этот период будет равна:

 

= ∙ 10^-3 = ∙ 10^-3 = 147 кВт,             (128)

 

где  – усилие в напорном механизме при повороте платформы с порожним ковшом в забой, Н.

 

Для построения нагрузочных  и скоростных диаграмм и определения  средневзвешенной мощности двигателей подъемного и напорного механизмов необходимо знать время выполнения отдельных операций за полный цикл работы экскаватора. Для предварительных  расчетов время цикла t_ц.л. = 32 с можно разбить на три равных периода: копания t_к.л., с, поворота платформы на разгрузку t_р.л., с, поворота платформы с порожним ковшом в забой t_з.л., с:

 

t_к.л. = t_р.л. = t_з.л. = 0,33 ∙ t_ц.л. = 0,33 ∙ 32 = 10,56 с.              (129)

 

Средневзвешенные мощности двигателей подъемного и напорного  механизмов лопаты:

 

= =             

= = 317 кВт;             (130)

 

= =

 

= = 124 кВт.             (131)

 

Для вычисления моментов инерции  вращающихся частей экскаватора  с учетом коэффициентов для определения  линейных размеров экскаваторов k_L определяем:

 

ширину платформы:

 

В_ш = k_L ∙ = 0,85 ∙ = 6,9 м;                    (132)

 

радиус задней стенки кузова:

 

R_з.с. = k_L ∙ = 0,95 ∙ = 7,7 м;               (133)

 

радиус пяты стрелы:

 

R_п.с. = k_L ∙ = 0,34 ∙ = 2,8 м;               (134)

 

длину платформы:

 

L_п = R_з.с. + R_п.с. = 7,7 + 2,8 = 10,5 м.               (135)

 

Момент инерции поворотной платформы относительно вертикальной оси вращения экскаватора:

 

J_п.п. = 0,33 ∙ m_п ∙ [(0,5 ∙ L_п)² + (0,5 ∙ В_ш)² + 3 ∙ (0,5 ∙ L_п – R_п.с.)²] ∙ 10³ =

 

= 0,33 ∙ 275,4 ∙ [(0,5 ∙ 10,5)² + (0,5 ∙ 6,9)² + 3 ∙ (0,5 ∙ 10,5 – 2,8)²] ∙ 10³ =

 

= 5,22 ∙ 10⁶ кг∙м².                     (136)

 

Момент инерции стрелы с блоками относительно оси вращения платформы:

 

J_с = m_с ∙ ∙ 10³ = 37,8 ∙ 8,2² ∙ 10³ = 2,54 ∙ 10⁶ кг∙м²,             (137)

 

где  r_с – расстояние от оси вращения платформы до середины стрелы, м.

 

Момент инерции ковша  с породой относительно оси вращения платформы:

 

J_к+п = m_к+п ∙ ∙ 10³ = 34,9 ∙ 20,4² ∙ 10³ = 14,52 ∙ 10⁶ кг∙м².           (138)

 

Момент инерции порожнего  ковша относительно оси вращения платформы:

 

J_к = m_к.л. ∙ ∙ 10³ = 13,8 ∙ 20,4² ∙ 10³ = 5,74 ∙ 10⁶ кг∙м².            (139)

 

Суммарные моменты инерции  экскаватора относительно оси его  вращения при повороте с груженым и порожним ковшом определим по формулам:

 

∑J_г = J_п.п. + J_с + J_к+п = (5,22 + 2,54 + 14,52) ∙ 10⁶ = 22,28 ∙ 10⁶ кг∙м²;  (140)

 

∑J_п = J_п.п. + J_с + J_к = (5,22 + 2,54 + 5,74) ∙ 10⁶ = 13,5 ∙ 10⁶ кг∙м².          (141)

 

Средневзвешенная мощность двигателя поворотного механизма  определяется выражением:

 

N_пов.св = = =

       (142)

= 336 кВт,

 

где  ω – угловая скорость вращения поворотной платформы, рад/с;

       t_р – время поворота платформы экскаватора на разгрузку, с.

 

По полученным данным можно  построить нагрузочные диаграммы  главных механизмов экскаватора (рис. 4).

 

2.2.4. Расчет производительности  и парка механических лопат

 

Под производительностью экскаватора  понимают объем горной породы, отделяемый от массива и перемещаемый экскаватором на заданное расстояние, определяемое его рабочими параметрами, в единицу  времени.

Различают теоретическую (паспортную), техническую и эксплуатационную производительности экскаватора.

Теоретическая производительность определяется по формуле:

 

Q_теор = 60 ∙ Е ∙ n_z = 60 ∙ 12 ∙ 1,9 = 1368 м³/ч,              (143)

 

где  Е – вместимость ковша, м³;

       n_z – частота разгрузок ковша,

 

n_z = = = 1,9 мин^-1,                  (144)

 

где  t_ц – продолжительность цикла мехлопаты, с.

 

Техническую производительность определяем из выражения:

 

Q_тех = Q_теор ∙ ∙ = 1368 ∙ ∙ 0,83 = 730 м³/ч,            (145)

 

где  k_н – коэффициент наполнения ковша (k_н = 0,8–1,1);

       k_р – коэффициент разрыхления породы в ковше (k_р = 1,1–1,5);

       t_р – длительность непрерывной работы экскаватора с одного места установки, с;

       t_п – длительность одной передвижки, с.

 

Для практических расчетов принимаем:

 

 = 0,8–0,85.                  (146)

 

Эксплуатационную производительность определяем по формуле:

 

Q_э = Q_тех ∙ Т_с ∙ k_в = 730 ∙ 8 ∙ 0,9 = 5256 м³/смену,             (147)

 

где  Т_с – длительность смены, ч;

       k_в – коэффициент использования экскаватора во времени (для экскаваторов, работающих с погрузкой в железнодорожные вагоны k_в = 0,5–0,8; для экскаваторов, работающих с погрузкой в автосамосвалы, на конвейеры и в отвал k_в = 0,8–0,9).

 

Годовая эксплуатационная производительность:

 

= Q_э ∙ (N – n_р) ∙ n = 5256 ∙ (305 – 50) ∙ 3 = 4020840 м³,             (148)

 

где  N – число рабочих дней в году;

       n_р – число ремонтных дней в году (n_р = 45–60);

       n – число смен в сутки.

Необходимое количество экскаваторов:

 

N_э = ∙ k_р = ∙ 1,3 = 3,7,                (149)

 

где  А_г – годовой объем экскаваторных работ,

 

А_г = = = 11454546 м³;               (150)

 

        k_р – коэффициент резерва, учитывающий нахождение машины на капитальном ремонте (k_р = 1,2–1,3).

 

Окончательно принимаем  для разработки вскрышных пород  экскаватор ЭКГ-12Ус в количестве 4 единиц.