2.2. Энергетический расчет проходческого комбайна бурового типа

2.2.1. Первая задача

Построить диаграмму распределения мощности приводов отдельных механизмов проходческого комбайна с соосными роторами при заданной производительности.

Основные исходные данные:

масса комбайна m = 61000 кг;

сечение выработки – арочное;

площадь сечения S = 9,4 м²;

диаметр внешнего ротора (бура) D₂ = 3,0 м;

диаметр центрального бура D₁ = 2,4 м;

диаметр бермовых фрез d₃ = 0,6 м;

диаметр отрезных коронок d₄ = 0,6 м;

частоты вращения, об/мин:

– внешнего ротора n₂ = 7,05;

– центрального бура n₁ = 13,3;

– бермовых фрез n₃ = 21;

– отрезных коронок n₄ = 42,2.

Производительность (массовая) составляет G = 4,2 т/мин, при плотности породы в массиве ρ = 2000 кг/м³. Общий вид комбайна и схема основного исполнительного органа представлены на рис. 2–3.

Таблица 1

Исходные данные для расчета производительности очистного комбайна

№ вари-анта	Масса комбайна m, кг	Мощность двигателя N, кВт	Плотность породы ρ, кг/м3	Ширина захвата B, м	Диаметр шнека D, м	Угловая скорость шнека ω, рад/с	Угол подъема лавы φ, град	Коэф-т сопротивления перемещению ком­байна kf	К-т, учит. затр. мощн. на подъем породы	Удельные затраты мощ­ности ep Вт·с/кг	К-т пропорц. между силами резания и подачи kn	К-т трения перемещаемой породы относительно почвы f	Длина переме- щения породы l, м	КПД
														η1	η2	η3
1	29000	250	1800	0,75	1,20	4,5	5	0,3	1,2	3200	0,5	0,5	0,5	0,7	0,8	0,8
2	30000	260	1850	0,80	1,25	4,6	7	0,4	1,3	3400	0,6	0,6	0,55	0,75	0,7	0,65
3	31000	265	1900	0,85	1,30	4,7	6	0,45	1,2	3600	0,7	0,55	0,6	0,8	0,7	0,7
4	32000	270	1950	0,75	1,35	4,8	8	0,35	1,3	4000	0,8	0,65	0,4	0,8	0,7	0,8
5	28000	275	2000	0,70	1,40	4,9	9	0,5	1,3	3800	0,9	0,6	0,4	0,6	0,7	0,8
6	28500	280	2050	0,80	1,45	5,0	10	0,45	1,35	3900	0,95	0,6	0,5	0,7	0,6	0,8
7	29500	285	2100	0,85	1,50	5,1	11	0,4	1,25	3850	0,85	0,5	0,55	0,8	0,6	0,7
8	30500	290	2150	0,80	1,45	5,2	12	0,45	1,2	3750	0,75	0,65	0,5	0,7	0,7	0,8
9	31500	295	2200	0,70	1,40	5,3	13	0,35	1,3	3400	1,0	0,55	0,5	0,6	0,8	0,7
10	32500	300	2000	0,75	1,35	5,4	14	0,45	1,35	3450	0,65	0,7	0,45	0,8	0,7	0,7
11	33000	305	1900	0,90	1,30	5,5	15	0,4	1,25	3500	0,75	0,65	0,45	0,8	0,6	0,7
12	33500	310	1950	0,80	1,25	5,2	12	0,35	1,4	3550	0,8	0,65	0,6	0,6	0,7	0,8
13	34000	315	1800	0,90	1,20	5,3	12	0,4	1,25	3600	0,85	0,55	0,5	0,8	0,7	0,6
14	34000	320	1850	0,85	1,30	5,1	10	0,45	1,2	3650	0,9	0,5	0,6	0,7	0,7	0,8
15	34500	325	2100	0,90	1,40	5,0	10	0,5	1,15	3200	1,2	0,6	0,6	0,8	0,6	0,8

Рис. 2. Проходческий комбайн ПКС-8

Объемная производительность

м³/мин. (17)

Переходим далее к основным единицам системы СI. Тогда объемная производительность

м³/с.

Теоретическая скорость подачи

м/с. (18)

Рис. 3. К расчету геометрических параметров процесса разрушения породы

исполнительным органом. Расположение зубков Д-6-22 на трехлучевом буре,

четырехлучевом роторе с ковшами, а также на бермовых фрезах и отрезных

коронках соосного исполнительного органа проходческого комбайна ПКС-8М:

1 – центральный забурник; 2 – трехлучевой бур; 3 – четырехлучевой ротор;

4 – ковши; 5 – цилиндрический кожух; 6 – загрузочная воронка; 7 – рабочая ветвь конвейера; 8 – бермовые фрезы; 9 – отрезные коронки

Средняя толщина стружки, снимаемая резцами органов разрушения.

Толщина стружки, снимаемая резцами центрального бура,

, (19)

где z₁ – число резцов в линиях резания центрального бура (рис. 3).

Определим z₁, ω₁ и h₁:

, (20)

где b₁ = 0,06 м – ширина захвата резца центрального бура с учетом развала бороздки;

k₁ = 19 – общее число резцов центрального бура;

– радиус центрального бура, R₁ = 1,05 м.

Тогда

;

рад/с;

м.

Толщина стружки, снимаемой резцами внешнего бура,

. (21)

Число резцов в линиях резания внешнего бура

, (22)

где k₂ – число резцов внешнего бура;

b₂ = 0,06 м – ширина захвата резцов внешнего бура.

Угловая скорость внешнего бура и снимаемая толщина стружки:

рад/с; (23)

м. (24)

Средняя толщина стружки, снимаемая резцами бермовых фрез,

. (25)

Число резцов в линиях резания бермовых фрез

, (26)

где L_б = 1,28 – длина рабочей части бермовых фрез, м;

k₃ = 32 – число резцов на бермовой фрезе.

Угловая скорость вращения бермовых фрез

рад/с, (27)

м. (28)

Средняя толщина стружки, снимаемой резцами отрезных коронок,

. (29)

Число резцов в линиях резания отрезных коронок

, (30)

где k₄ =12 – число резцов на каждой коронке;

L_д = 0,45 м – ширина захвата коронки;

b₂ = 0,06 м – ширина захвата резцов внешнего бура.

Угловая скорость вращения отрезных коронок и снимаемая толщина стружки

рад/с; (31)

м.

Удельные затраты мощности для работы органов разрушения. Используем степенную зависимость

, (32)

где ;

– параметры, значения которых взяты из [2]:

Вт·с/м³;

Вт·с/м³;

Вт·с/м³;

Вт·с/м³.

Затраты мощности на разрушение массива

, (33)

– центральным буром:

= 108245 Вт = 108 кВт; (34)

– внешним ротором:

= 6450000·3,14·(1,5² – 1,1²)·0,0037 = 77933 Вт = 78 кВт. (35)

Бермовыми фрезами обрабатывается площадь забоя S₃ = 0,8274 м².

Тогда

= 43131 Вт = 43 кВт. (36)

Отрезными коронками обрабатывается площадь забоя S₄ = 0,14 м².

22360000·0,14·0,0037 = 11592 Вт = 12 кВт. (37)

Внешний ротор, помимо разрушения породы буром, вместе с бермовыми фрезами выполняют также функции по погрузке и перемещению горной породы, что требует дополнительных затрат мощности. Для внешнего ротора эти затраты мощности обусловлены зачерпыванием отбитой породы и ее подъемом для выгрузки на ленточный конвейер. Эти затраты мощности вычисляем по формуле

, (38)

где Вт·с/м³ – удельные затраты мощности на зачерпывание породы ковшами внешнего ротора;

h_n = 3 м – высота подъема породы ковшами внешнего ротора.

= 7000 +2060 = 9060 Вт = 9 кВт.

Бермовые фрезы помимо разрушения породы перемещают ее вдоль поперечной оси к центру – месту зачерпывания ковшами. Затраты мощности на перемещение породы определим по формуле

, (39)

где  – сила трения перемещаемой массы породы о почву выработки;

f = 0,7 – коэффициент трения породы о почву выработки;

f₂ = 0,5 – коэффициент трения перемещаемой породы о лопасти фрезы;

m_п – масса перемещаемой породы;

– осевая скорость перемещения породы;

φ = 0,4 – коэффициент циркуляции породы в шнек-фрезе;

h_в = 0,3 м – шаг винтовой линии лопастей шнек-фрезы;

– окружная скорость скольжения породы по лопастям;

ω_ск – относительная угловая скорость шнека по отношению к породе;

R_ск – эквивалентный радиус скольжения породы по лопасти.

Так как

, (40)

а

, (41)

где l = 0,7 м – среднее расстояние перемещения породы;

G = 4,2 т/мин = 70 кг/с – массовая производительность,

то

= Вт = 2,5 кВт.

Необходимая мощность приводных двигателей исполнительного органа. Двигатель привода внешнего и центрального буров

, (42)

где η₁ и η₂ – КПД передач от двигателя к центральному и внешнему бурам, η₁ = 0,72; η₂ = 0,7;

кВт.

Двигатель привода бермовых фрез и отрезных коронок

, (43)

где η₃ = 0,75 – КПД привода бермовых фрез;

η₄ = 0,8 – КПД привода отрезных коронок.

кВт.

Мощность для подачи исполнительного органа, перемещения комбайна и работы ленточного конвейера.

Затраты на перемещение комбайна и подачу исполнительного органа на забой

, (44)

где  – суммарное тяговое усилие гусеничных цепей;

– сопротивления перемещению комбайна;

μ = 0,03 – коэффициент сопротивления движению гусеничных цепей по почве выработки;

k = 0,05 – коэффициент, учитывающий внутренние потери в гусеницах;

m – масса комбайна;

φ = 12^о – угол подъема выработки;

P_n – сила сопротивления подаче исполнительного органа на забой;

P_кр – крюковое усилие.

Сила подачи исполнительного органа на забой

, (45)

где k_n = 0,6 – коэффициент пропорциональности между усилиями резания и подачи (принимается одинаковым для всех органов разрушения).

Крюковое усилие

, (46)

где m_б = 35000 кг – масса загруженного бункера-перегружателя;

f_к = 0,05 – коэффициент сопротивления движению бункера-перегружателя;

φ – угол наклона выработки.

Вычисляем составляющие суммарного тягового усилия гусеничных цепей.

Нормальная к опорной поверхности нагрузка на гусеничный ход

Н.

Составляющие суммарного тягового усилия гусениц комбайна:

= 171200 Н,

Сила сопротивления подаче исполнительного органа

Н.

Крюковое усилие

Н.

Суммарное тяговое усилие гусеничных цепей

Н = 411 кН.

Учитывая большую величину тягового усилия, примем предварительно коэффициент буксования ε = 0,1. Тогда общие затраты мощности на перемещение комбайна и подачу исполнительного органа на забой

Вт = 1,7 кВт.

Эта мощность необходима для перемещения комбайна в рабочем режиме. В режиме транспортном необходимые затраты мощности

, (47)

где Н;

v_T =180 м/час – транспортная скорость.

Принимая коэффициент буксования в этом режиме ε = 0,05 имеем

Вт = 13,6 кВт.

При раздельном приводе гусениц мощность одного двигателя

кВт, (48)

где η_п = 0,5 – КПД привода механизма перемещения.

Мощность для привода ленточного конвейера

, (49)

где Р_тк – окружное тяговое усилие на ведущем барабане;

v_б – окружная скорость барабана.

, (50)

где m_к – масса движущихся частей конвейера;

m_n – масса породы на конвейере;

k – коэффициент сопротивления движению конвейера.

, (51)

где l_к – длина конвейера;

v_к – скорость ленты конвейера.

При отсутствии скольжения ленты и следующих значениях основных величин

; k_к = 0,1; м, м/с; кг,

=

= 9,81·(485 +300)·(0,098 + 0,21) = 2356 Н; (52)

Вт = 3 кВт.

Необходимая мощность двигателя привода конвейера

кВт, (53)

где η_к = 0,6 – КПД привода конвейера.

На основании расчетов строим диаграмму распределения затрат мощности, представленную на рис. 4.

Рис. 4. Диаграмма распределения мощности при работе комбайна:

N₁ – мощность на привод центрального бура;

N₂ – мощность на привод внешнего ротора с ковшами;

N₃ – мощность на привод бермовых фрез;

N₄ – мощность на привод отрезных коронок;

N_к – мощность на привод ленточного конвейера;

N_п – мощность на перемещение комбайна

и подачу исполнительного органа на забой

Исходные данные к проектному энергетическому расчету проходческого комбайна

№ ва­рианта	Значения параметров
	Массовая производи-тельность,	Площадь сечения выработки	Диаметр внешнего ротора	Диаметр централь­ного бура	Диаметр бермовых фрез	Диаметр отрезных коронок	Частота вращения внешнего ротора	Частота вращения центр. бура	Частота вращения бермовых фрез	Частота вращения отрезных коронок	Коэффи-циенты		Плотность породы
	G, кВт	F, м2	D2, м	D1 , м	D3 , м	D4 , м	n2, об/мин	n1, об/мин	n3, об/мин	n4, об/мин	c1	c2	ρ, кг/м3
1	4,2	9,4	3,0	2,2	0,6	0,6	7,05	13,3	21	42,2	106	–0,5	2000
2	4,0	8,3	3,0	2,4	0,5	0,5	7,0	15,0	20	40	106	–0,5	2100
3	3,8	9,0	3,2	2,4	0,6	0,6	7,1	12,0	21	41	106	–0,5	2200
4	4,1	9,2	3,0	2,1	0,55	0,5	7,0	14,0	22	38	106	–0,5	2500
5	3,9	8,8	2,9	2,0	0,55	0,5	7,5	15,0	27	40	106	–0,5	2000
6	3,7	8,4	2,8	2,0	0,58	0,6	7,3	14,0	21	40	106	–0,5	2100
7	3,8	8,7	3,0	2,1	0,6	0,6	7,0	13,0	19	41	106	–0,5	2200
8	4,0	9,2	3,0	2,1	0,6	0,7	7,2	14,0	20	40	106	–0,5	2300
9	4,3	9,3	3,0	2,2	0,7	0,6	7,1	12,0	18	38	106	–0,5	220
10	3,5	8,2	3,0	2,4	0,6	0,7	7,0	13,0	20	40	106	–0,5	2100
11	3,2	7,0	2,6	1,8	0,7	0,5	7,3	14,0	22	42	106	–0,5	2200
12	4,0	8,9	2,9	2,0	0,6	0,6	7,0	15,0	22	40	106	–0,5	2200
13	4,5	9,3	2,8	2,1	0,5	0,5	7,0	14,0	20	39	106	–0,5	2100