2. Проверочный расчет мощности привода

исполнительного органа комбайна

При расчете производительности комплекса (агрегата) основным параметром, который определяется условиями эксплуатации оборудования, является скорость подачи исполнительного органа на забой. Скорость подачи формирует глубину и сечение стружки, а следовательно, и загрузку привода комбайна (струга, конвейероструга). Вероятен случай, когда скорость подачи исполнительного органа, принятая при расчете производительности комплекса, не может быть обеспечена установленной мощностью привода комбайна. Возможен и другой вариант, когда привод исполнительного органа работает с недогрузкой. Поэтому возникает вопрос проверочного расчета мощности привода комбайна, определяемой условиями эксплуатации оборудования и, в первую очередь, сопротивляемостью угля резанию.

Методика расчета предполагает заданными следующие параметры: мощность разрабатываемого пласта (m); угол падения (); сопротивляемость угля резанию (А); вязкость, марка, плотность, абразивность угля; основные конструктивные параметры комбайна (диаметры шнеков, скорости резания и другие параметры, согласно примеру расчета).

Расчет основывается на определении условия, действующего на один резец, по величине которого в зависимости от количества резцов, находящихся в контакте с забоем, вычисляется мощность, расходуемая на разрушение угля раздельно для каждого исполнительного органа комбайна. Затем рассчитываются затраты мощности на погрузку и подачу комбайна. По величине суммарной мощности судят о загрузке привода комбайна (струга).

Усилие на резце в равноценных условиях определяется глубиной стружки, которая формируется в зависимости от скорости подачи комбайна.

2.1. Средняя глубина стружки может быть определена по эмпирической зависимости [4], м:

,

где D – диаметр исполнительного органа комбайна, м; V_n – скорость подачи комбайна, м/с; V_р – скорость резания, м/с V_р = Dn, где n – скорость вращения, с^-1; m_з – число резцов в линии резания.

Число резцов в линии резания в зависимости от вязкости угля принимается от 1 до 3, большее количество соответствует вязким углям. Скорость резания принимается по данным технической характеристики конкретного комбайна.

Скорость подачи комбайна, исходя из удельных энергозатрат на выемку угля и величины устойчивой мощности привода, м/с:

,

где Р_уст – величина устойчивой мощности привода комбайна, кВт; Н_w – средние удельные энергозатраты, МДж/т. Устойчивая мощность привода берется для электродвигателей с наружным обдувом типа ЭДКО: Р_уст = (0,7…0,9)Р_ч; для электродвигателей с водяным охлаждением типа ЭКВ Р_уст = (0,9…1,1)Р_дл, где Р_ч, Р_дл – часовая и длительная мощность, кВт.

Средние значения удельных энергозатрат для основных типов комбайнов в зависимости от сопротивляемости угля резанию приведены в табл. 3.

2.2. Средняя ширина среза (t_ср) может быть принята из соотношения t_у=t_ср/h_ср, равного: 1…2 – для вязких углей; 2…3 – для хрупких углей,

где t_у – удельная ширина среза. Отсюда t_ср = t_у h_ср.

Зная t_ср и h_ср можно определить число линий резания и количество резцов на каждом исполнительном органе.

Таблица3-Удельные энергозатраты на разрушение угля

Комбайны		Установленная мощность привода, кВт	Мощность пласта, м	Ширина захвата, м	Средние удельные энергозатраты
тип	Типоразмер по ГОСТ 11986-83				Нw (МДж/т)	при	кН/м
					100	200	300
2 УК	ПУ5	2х75	0,65	0,8	1,19	1,98	2,78
К-102	ПУ6	2х75	0,82	0,63	1,30	2,63	5,30
1К-101	ПУ8	100	1,05	0,8	1,12	3,53	-
МК-67	ПУ8	132	1,05	0,8	1,08	2,13	3,46
2К-52	ПУ10	125	1,3	0,8	0,94	2,02	3,68
2К-52	ПУ13	125	1,62	0,8	0,87	1,95	4,04
1ГШ-68	ПУ10	132х2	1,3	0,63	1,08	1,91	3,14
1ГШ-68	ПУ13	160х2	1,62	0,63	0,83	1,48	2,24
1ГШ-68	ПУ16	160х2	2,05	0,63	0,83	1,59	3,32
КШ-3М	ПУ16	290	2,05	0,63	0,80	1,52	2,99
КШ-3М	ПУ20	400	2,6	0,63	0,69	1,44	2,85
К-120	ПУ35	450	4,25	0,5	0,69	1,12	1,55

2.3. Количество линий резания определяется зависимостью и округляется до ближайшего целого числа

n_л = В/t_ср; n_лз = n_л – n_лк; n_лк = 1,

где В – ширина захвата комбайна, м (принимается по технической характеристике машин).

2.4. Количество резцов на исполнительном органе

n = n_лз m₃ + n_л3 m_к,

где m₃ – число резцов в одной линии резания. Принимается равным m₃ = 1…3 – для забойных резцов, m_к = m₃ + (2…4) – для кутковых.

2.5. Количество резцов, находящихся в контакте с забоем:

для опережающего исполнительного органа:

n_Р = 0,5n;

для отстающего исполнительного органа принимается пропорционально мощности пласта, приходящейся на исполнительный орган:

,

где D, D - диаметры опережающего и отстающего исполнительных органов.

2.6. По эмпирической зависимости определяется среднее значение усилия резания на передней грани резца (кН)

,

где - сопротивляемость угля резанию*, кН/м (определяется по прибору ДСК-2); в – ширина режущей кромки резца, м;  - угол бокового развала борозды резания, …^о. Для вязких углей и антрацитов ; для хрупких ;

К_ψ – коэффициент, учитывающий влияние хрупко-пластичных свойств угля; К_з – коэффициент обнажения забоя; К_у – коэффициент, учитывающий влияние угля резания; К_от – коэффициент учитывающий степень отжима угля; К_ф – коэффициент, учитывающий влияние формы передней грани резца; β – угол наклона резца к направлению подачи, …^о.

Ширина режущей кромки (в) в зависимости от типа резца может быть равной 0,3-1,4 см. Меньшие значения соответствуют резцам широкозахватных комбайнов. Рекомендуется принимать ширину режущей кромки резца по табл. 4.

__________________________________

* Принято считать, что для вязких углей для хрупких - для весьма хрупких - А<180.

Таблица 4-Основные параметры резцов

Типы зубцов	Применяемость	Параметры, мм
		ширина режущей кромки	вылет	длина
ЭКЗ	ВНК, «Кировец», «Комсомолец», «Урал-33»	9,5	40	95
И90В	11Ш-68, 2К-52, БКТ, ВНК	12,5	65	120
БК-01	1К-58М, БК-52	9,0	54	117
И-79Б	КШ-1КГ, 1К-58М, 1ГШ-68, «Темп-1»	11,0	80	160
УМК-90	МК-67	8,0	45	90
М К1-1-4-14А	МК-67	8,0	65	140
3Р1.80	2К-52, К-101, 1ГШ-68	11,0	80	145
3Р2.80	МК-67	20,0	80	145
ИТ-2С (танген-циальный)	1ГШ-68, 2К-52, 1КГ-101	22,0	125	210
ШБМ2с-1-1-04	ШБМ-2, ПК-8, К-7/15М	10,0	33,5	97
БВУ-3	Буровые коронки	9,0	32,0	64
РПП	Прох. комбайны	12,0	70,0	130

Коэффициент обнажения забоя определяется

.

Эмпирические коэффициенты р, q, r вычисляются

р = 126 h_ср + 2,26;

q = 1,36 – 22 h_ср;

r = 0,33 + 0,0019/h_ср.

Коэффициент К_у, учитывающий влияние угла резания на формирование усилий на переднию грань резца, определяется по данным табл. 5.

При применении механизированных крепей расчетную величину коэффициента отжима следует увеличивать на 10-15%, но принимать не более единицы.

Таблица5-Значение коэффициента К_у

Характеристика углей	Значения коэффициента Ку в зависимости от угла резания α (…о)
	40	50	60	70	80	90
Вязкие	0,98	1,0	0,9	0,93	1,08	1,24
Хрупкие	0,96	1,0	0,92	1,06	1,26	1,34

Коэффициент отжима К_от угля вычисляется по эмпирическим зависимостям, приведенным в табл. 6.

Таблица 6- Значение коэффициента отжима К_от

Характеристика углей	Вязкие марок Г и Ж (Карагандинский, Кизиловский бассейны)	Вязкие марок Г и Д (Донецкий, Кузнецкий бассейны)	Хрупкие марок К, Т и Ж (Кузнецкий, Донецкий бассейны)
Формулы вычисления коэффициента отжима

Коэффициент формы передней грани резца (К_ф) принимается:

для резцов с плоской передней гранью … 1;

для резцов с выпуклой передней гранью … 0,90-0,95;

для резцов с клиновидной гранью … 0,85-0,90.

Угол наклона оси резца к направлению подачи комбайна (β) определяется конструкцией исполнительного органа и принимается в пределах от 0^о до 45^о. Основная часть резцов на исполнительном органе, исключая боковые, имеет β = 0^о.

2.7. По величине усилия на передней грани резца рассчитывается суммарное значение силы резания (кН)

Z_ср = Z_n +f΄(у₁ – у₀),

где у₁ – сила, отжимающая резец от забоя, кН; f΄ - коэффициент сопротивления резанию (принимается в пределах 0,38-0,44, причем меньшие значения соответствуют углям с высокой сопротивляемостью резанию); у₀ – средняя сила подачи на остром резце, кН. Определяется

у₀ = К_п Z_n.

Здесь К_п – коэффициент влияния пластичных свойств угля на усилие подачи, равный для вязких углей 0,7; для хрупких – 0,6; весьма хрупких – 0,5.

Сила, отжимающая резец от забоя у₁, вычисляется

у₁ = К_об R_сжS_з + К_п Z_n,

где R_сж – временное сопротивление угля одноосному сжатию, кН/м²; К_об – коэффициент влияния объемного состояния угля под задней гранью резца на величину усилия подачи, вычисляемый:

,

где а΄ - коэффициент, учитывающий влияние хрупко-пластичных свойств на объемное состояние угля (принимается равным для вязких углей 0,35; хрупких 0,30; весьма хрупких 0,25).

Временное сопротивление одноосному сжатию определяется в зависимости от сопротивления резанию по следующим выражениям:

для Ā > 240 для 240 ≥ Ā > 180 для Ā ≤ 180

Rсж = 11772 + 26,5 Ā Rсж = 6867 + 26,5 Ā Rсж = 4513 + 26,5 Ā

Проекция площадки затупления резца S_з на плоскость резания определяется

S_з = К_фр Δ_и в,

где Δ_и – линейный износ по задней грани резца, м;

в – ширина режущей кромки резца, м;

К_фр – коэффициент влияния формы режущей кромки резца на величину проекции площадки затупления резца, равный для резцов с плоской режущей кромкой 1,0, с овальной – 0,8, с клиновидной – 0,65.

Для резцов стругов величина S₃, принимается в пределах (2…4) 10^-4 м².

Коэффициент влияния толщины среза на усилие подачи К_п может также определяться по эмпирической зависимости

.

2.8. Зная усилие резания на одном резце и количество резцов, находящихся в контакте с забоем, можно рассчитывать мощность привода, затрачиваемую на разрушение угля каждым исполнительным органом комбайна, кВт:

для опережающего органа

Р_р = Z_срn_pV_h;

для отстающего

Р΄_р = Z΄_срn΄_pV΄_h,

где Z_ср, Z΄_ср – усилия резания соответственно опережающего и отстающего исполнительного органа, ккН;

V_ср, V΄_ср – скорости резания опережающего и отстающего исполнительного органа, м/с.

2.9. Суммарная мощность, расходуемая на резание (кВт)

Р_рж = Р_р + Р΄_р.

2.10. Усилие подачи комбайна определяется с учетом всех сопротивлений перемещению машины вдоль забоя (кН)

У_п = К_с[G(Sinα +f΄΄Cosα) + У_Σi],

где G – сила тяжести комбайна, кН; α – угол падения пласта …^о; К_с – коэффициент, учитывающий дополнительные сопротивления перемещению комбайна (1,3-1,5); f΄΄ - коэффициент трения (при перемещении комбайна по почве принимается равным 0,3-0,4; по конвейеру – 0,18-0,25); У_Σi – суммарная сила внедрения резцов в направлении подачи.

Сила внедрения резцов определяется, кН:

для опережающего исполнительного органа

;

для отстающего

,

где У₁, У₁΄ - силы, отжимающие резец от забоя соответственно опережающего и отстающего исполнительного органа; n_р, n΄_р – количество резцов, находящихся в постоянном контакте с забоем опережающего и отстающего исполнительных органов.

Суммарная сила внедрения резцов

У_Σi = У = У΄.

11. Мощность, расходуемая на подачу комбайна (кВт)

Р_n = У_nV_p .

11. Мощность, расходуемая на погрузку угля

опережающим исполнительным органом, кВт:

Р_пог = F_погV_p;

отстающим исполнительным органом

Р΄_пог = F΄_погV΄_p,

где F_пог, F΄_пог – сила сопротивления погрузке угля, кН:

F_пог = (С + D₂h_об) 10^-3,

где С и D₂ – постоянные, принимаются в зависимости от схемы работы комбайна; h_об – величина подачи за один оборот исполнительного органа, м.

Для шнекового исполнительного органа при работе комбайна без погрузочного щитка, С = 0, Д₂ = 10000 Н/м.

Для шнекового комбайна при работе со щитком, расположенным на расстоянии 80-300 мм от исполнительного органа С = 0, Д₂ = 35000 Н/м.

Для барабанного исполнительного органа при погрузке угля со щитком, С = 250 Н, Д₂ = 12000 Н/м.

Подача за один оборот (м)

,

где n_об – скорость вращения исполнительного органа комбайна, с^-1.

Суммарная мощность на погрузку (кВт)

Р_пог.Σ = Р_пог + Р΄_пог.

2.13. Суммарная мощность привода комбайна

Р = Р_р + Р_пог + Р_п .

Сравнивая суммарную мощность привода с установленной на комбайне, судят о возможности устойчивой работы машины. Суммарная мощность привода должна быть меньше или равна устойчивой, определяемой по выражениям, приведенным в п. 2.1. Далее необходимо не менее чем по пяти точкам построить график изменения расходуемой мощности в зависимости от скорости подачи и выделить зону рациональныхскоростей подачи

В конце расчета, беря за основу максимальную скорость подачи при условии устойчивой работы двигателя, необходимо определить производительность комбайна в соответствии с п. 1.