Дроздова Л.Г., Курбатова О.А. Одноковшовые экскаваторы: конструкция, монтаж и ремонт

Подождите немного. Документ загружается.

101

Глава 8. ТЯГОВЫЙ РАСЧЕТ ХОДОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ

ГОРНЫХ МАШИН

Тяговый расчет ходового оборудования имеет целью определить не-

обходимые тяговые усилия, развиваемые в двигателе, и мощность его при-

водов.

8.1. Тяговый расчет рельсового ходового оборудования

Приводная мощность двигателей рельсового ходового оборудования

рассчитывается по полному сопротивлению перемещения W

(кН), опре-

деляемому из выражения

(8.1)

( )

aвчkiж

KFКptgPRGBKjGDdfGWW

23021

/sin/

тп

2 +++++==

∑∑

овбвмв

где

∑

iж

– сумма сопротивлений (кН): перекатыванию колесW

на

подъеме пути W

и движению на криволинейном участке пути W

; на ра-

бочем органе от боковой составляющей при черпании W

(учитывается для

экскаваторов, предназначенных для работы вдоль фронта уступа или

имеющих неповоротное верхнее строение); от силы ветра, действующего в

направлении против движения W

; G – вес машины с породой или равно-

действующая вертикальных сил, приложенных к машине, кН; f

– плечо

трения качения (f

= 0,04 ÷ 0,12 см для ходовых колес тележки соответст-

венно диаметром D = 31,5 ÷ 100 см); µ

т.п.

– коэффициент трения в под-

шипниках (для подшипников скольжения 0,06 – 0,09; для подшипников

качения 0,01 – 0,07); D, d – диаметры колеса и его оси, см; β

– коэффици-

ент, учитывающий извилистость пути вследствие неточности его укладки,

и зависящий от типа подшипников (для подшипников скольжения – 1,3;

для подшипников качения – 2,5); β

= 1,5 – коэффициент, учитывающий

неоднородность уклона пути (колеи) и просыпи породы на рельсы; а ≤ 6° –

максимальный угол подъема пути; Kj – коэффициент, зависящий от типа

подшипников (для подшипников скольжения 0,5; для подшипников каче-

ния 0,9); В и R

– ширина колеи и радиус закругления рельсового пути, м;

= 0,9 ÷ 1,2 – коэффициент, учитывающий величину боковой состав-

ляющей силы копания; ∑р

– сила сопротивления копанию, кН; ξ – угол

наклона траектории движения ковша относительно оси ковшовой рамы, tg

ξ = 0,25 ÷ 0,5; р

– расчетный максимальный скоростной напор ветра (до

0,4 кПа); F – площадь экскаватора в плоскости действия ветра, м

; К

– ко-

эффициент сплошности, равный для решетчатых ферм 0,4 – 0,6 и для ме-

102

ханизмов 0,6 – 0,8; К

– коэффициент аэродинамичности, равный для

трубчатых ферм 0,8 и для уголковых – 1,0.

Общая потребная мощность N

ж.г

(кВт) двигателей рельсового ходо-

вого оборудования при скорости V

, м/с определяется по формуле

ж.г

= W

ж.г

ск

η , (8.2)

где η

ск

– скоростной кпд; η

– кпд трансмиссии.

Коэффициент буксования для стальных колес на экскаваторах при

времени разгона 10 – 15 с практически равен нулю. Поэтому скорости по-

ступательного движения (теоретическая и действительная) равны и скоро-

стной кпд η

ск

= 1.

Число приводных колес n

пр

определяется из условия, что суммарная

сила тяги, создаваемая ведущими колесами, должна быть больше всех сил

сопротивления движению, т.е.

пр

= W

/ P

где Р

– сила тяги, развиваемая на приводном колесе, кН;

= (G

= G f

/n,

где G

– средняя нагрузка на колесо, кН; f

– коэффициент сцепления коле-

са с рельсом (для сухих чистых рельсов f

= 0,1; при подсыпке песка f

0,15-М),6); К

= 0,8 – коэффициент запаса; п – общее число опорных колес

на экскаваторе. Таким образом

= G n

пр

/ n.

8.2. Тяговый расчет гусеничного ходового оборудования

Тяговый расчет гусеничного ходового оборудования рассматривает-

ся для прямолинейного движения и поворота машины (движения по кри-

вой). Суммарное тяговое усилие на всех гусеницах W

(кН) в установив-

шемся движении расходуется на преодоление следующих сопротивлений:

внутренних W

вн

в гусеницах (приводных и холостых), катанию W

с уче-

том затрат энергии на деформацию основания под гусеницами, ветра W

инерции W

, подъему W

и повороту W

, т. е.

= W

вн

+ W

. (8.3)

Одновременное действие всех приведенных в выражении (8.3) со-

противлений в расчет не принимают.

В тяговом расчете определяют два значения тягового усилия: макси-

мальное и минимальное (реактивное). Первое необходимо для выбора дви-

103

гателей передвижения, второе определяет способность незаторможенной

машины сопротивляться внешним силам, способствующим ее угону

(инерции, ветра, составляющей веса на уклоне).

При определении минимального сопротивления угону значения W

вн

и W

принимаются минимальными, а значения W

и W

– максимальными

со знаком минус.

Сопротивление силы инерции W

преодолевается за счет запаса кру-

тящего момента двигателя (в действительности оно составляет 1 – 2 % веса

экскаватора и может не учитываться в расчетах применительно для экска-

ваторов, имеющих скорости передвижения менее 1 км/ч).

Прямолинейное движение. Максимальное тяговое усилие W

тп max

(кН) при прямолинейном равномерном движении на подъем двух- и мно-

гогусеничных машин с достаточной для практики точностью можно опре-

делить по формуле

тп max

= W

вн

+ W

= Gf

+ p

max

/(2p

) + p

+ Gsinα , (8.4)

где G – вес машины с породой или равнодействующая вертикальных сил,

приложенных к машине, кН; f

– приведенный коэффициент сопротивле-

ния перекатыванию машины (при установке опорных катков, натяжных и

ведущих звездочек на подшипниках скольжения f

=0,1, на подшипниках

качения f

= 0,05); p

max

– максимальное давление под гусеницами, кПа; b –

ширина гусеницы, м; n

– число гусениц, движущихся по самостоятельной

колее; р

– коэффициент сопротивления смятию породы, кН/м

(для наибо-

лее слабых пород на отвалах р

= 2 · 10

кН/м

); р

– наибольший рабочий

скоростной напор ветра, при котором допускается эксплуатация машины

(р

= 0,25 кПа); F

– расчетная площадь наветренных поверхностей маши-

ны, м

; а – наибольший угол подъема, градус.

Более детальный расчет внутренних сопротивлений W

изложен в

работе [4].

Благодаря одинаково жестким механическим характеристикам дви-

гателей передвижения тяговое усилие гусеницы, встречающей меньшее

сопротивление движению, может передаваться через раму машины гусе-

нице, встречающей большее сопротивление. Поэтому можно считать, что

при прямолинейном движении суммарное тяговое усилие распределяется

поровну между всеми приводными гусеницами независимо от различия в

вертикальных нагрузках, приходящихся на тележки гусеничной системы, и

в сопротивлениях передвижению отдельных гусениц.

Потребное тяговое усилие S

(кН) в одной приводной гусенице при

числе приводных гусениц n

г.п

, в системе будет

= W

тп max

/ n

г.п

104

Поворот машины. В двухгусеничной системе момент поворота соз-

дается разностью тяговых усилий в забегающей и отстающей гусеницах

при неизменном направлении этих усилий.

Уравнение тягового баланса для забегающей гусеницы при устано-

вившемся движении по кривой при повороте имеет вид

тр max

= W’

вн

+ W’

+ M

/ B, (8.5)

где W

тр max

– максимальное тяговое усилие, кН; W’

вн

, W’

– со-

противления соответственно внутренние, катанию, ветра и подъему, кН;

– момент сопротивления поворота, кН·м; В – ширина колеи гусенично-

го хода, м.

Ниже приводятся значения этих сопротивлений.

Внутренние сопротивления

W’

вн

= G

= 0,5 G f

(1+2 r / В), (8.6)

где К

– коэффициент увеличения внутренних сопротивлений при поворо-

те под действием поперечных сил на катки (К

= 1,2 ÷ 1,3 при R ≤ 5L,

= 1 при R > 5L, здесь R и L – соответственно средний радиус разворота

и длина гусеницы, м); r – выбег равнодействующей G сил веса, приблизи-

тельно равный радиусу опорно-поворотного круга платформы, м; G

– на-

грузка на забегающую гусеницу, кН.

Сопротивление катанию W

= W’

Сопротивление ветра

W’

= р

(0,5 +a

/ B), (8.7)

где р

– расстояние от центра тяжести опорной поверхности машины до

точки приложения равнодействующей ветровой нагрузки (до центра па-

русности машины), м.

Сопротивление подъему

= 0,5 G sin α (1+2 r /В). (8.8)

Момент сопротивления при повороте

= k µ’ GL

/ (L+0,15R)B, (8.9)

где k – коэффициент, равный 0,25 для двухгусеничного оборудования с ба-

лансирной подвеской опорных катков или для трех- и четырехопорных гу-

сеничных систем и 0,5 для двухгусеничного оборудования с жесткой под-

веской опорных катков; µ’ – коэффициент сопротивления повороту (глины

сухие 0,6 – 0,9; глины влажные 0,25 – 0,35; бурый сухой уголь 0,55 – 0,7).

105

Режим поворота – решающий в тяговом расчете, поскольку потреб-

ная сила тяги в гусенице при повороте двухгусеничной машины в несколь-

ко раз превышает силу тяги при прямолинейном движении.

Одновременный учет всех составляющих сил сопротивления по фор-

муле (8.5) приводит к завышению необходимой силы тяги.

8.3. Тяговый расчет шагающего ходового оборудования

Привод шагающего механизма расходует энергию на подъем экска-

ватора массой т

(т), преодоление сил трения базы о грунт при перемеще-

нии экскаватора и на перенос ходовых башмаков. Последнюю составляю-

щую можно не учитывать из-за ее относительно малой величины.

Работа А

(кДж), расходуемая на подъем экскаватора, определяется

= gm

К h

пц

, (8.10)

где К = 0,9 ÷ 0,85 – коэффициент, показывающий, какая часть веса экска-

ватора (G

= gm

, кН) передается на башмаки при шагании; h

пц

– высота

подъема центра тяжести экскаватора, м.

Работа А

(кДж), расходуемая на преодоление сил трения базы о по-

роду, определяется из выражения

= g m

S [(1 – К) µ

+ sin α], (8.11)

где S – длина шага, м; µ

= 0,5 ÷ 1,0 – коэффициент трения базы о породу;

α – угол подъема пути, градус.

Если принять продолжительность одного шага Т (с), то привод за

время, примерно равное 0,25T, произведет подъем экскаватора и его пере-

мещение, а за время, равное 0,5Т, осуществит перенос башмаков.

Мощность N

(кВт) привода ходовой части определим, как

= (A

+ А

) / (0,25Tη) =

= g m

[Kh

пц

+ Sµ

(1 – К) + S sinα] / (0,25Tη), (8.12)

где ц = 0,5 ÷ 0,7 – кпд механизма шагания.

Скорость хода V

(км/ч) шагающих экскаваторов определяется по

формуле

= 3600 S К"/Т, (8.13)

106

где К" = 0,7 ÷ 0,9 – коэффициент, учитывающий проскальзывание башма-

ков по грунтовому основанию в начале и конце шага, ведущее к уменьше-

нию фактической длины шага.

8.4. Тяговый расчет шагающе – рельсового ходового

оборудования

Суммарное сопротивление передвижению экскаватора по лыжам

складывается из сопротивлений, возникающих при движении экскаватора по

рельсам лыж W

при движении экскаватора на подъем W

и от ветра W

Тяговое усилие при передвижении экскаватора по рельсам лыжи пре-

одолевает упомянутые выше сопротивления W

(кН).

Сопротивление передвижению экскаватора по лыжам, приходящееся

на один двигатель:

= G

(2 / f

+ d µ

т.п

) D

n, (8.14)

где G

– вес перемещающихся по лыжам частей экскаватора; f

– плечо

трения качения 0,08 ÷ 0,22 см; µ

т.п

– коэффициент трения в подшипниках:

качения – 0,01 ÷ 0,07 и скольжения – 0,06 ÷ 0,09; n – количество двигате-

лей; µ

– коэффициент трения реборд ходовых, колес о головку рельса при

движении 1 – 2; d и D

– диаметры оси и ходового колеса, см.

Сопротивление передвижению лыж складывается из сопротивлений

перекатыванию лыж по ходовым колесам тележки W'

и перекатыванию

опорных катков лыж по рельсам W”

пл

= W’

+ W”

= n

(2f

+ d

т.п.

) / nD

+ n

(2f

+ d

ок

т.п

) / nD

ок

, (8.15)

где G

и G

– вес, соответственно лыж и катков, кН; f

– плечо трения ка-

чения по лыжам 0,08 – 0,12 см; D

, D

ок

, d

, и d

ок

– диаметры, соответст-

венно ходовых и опорных колес и их осей.

При работе роторного экскаватора в забое время, соответствующее

передвижению экскаватора по лыжам t

эл

, разбивается на отдельные перио-

ды, продолжительность которых при отработке забоя вертикальными

стружками равна времени перемещения экскаватора к груди забоя на тол-

щину стружки (см. гл. 15) с промежутками времени, достаточными для от-

работки одной ленты по всему фронту подуступа. Время копания, в свою

очередь, зависит от длины ленты забоя и скорости поворота роторной

стрелы.

Мощность двигателей хода при передвижении экскаватора по лыжам

эп

= Т

эп

/η

шр

= (W

+ W

) V

пл

/η

ШР

. (8.16)

Мощность двигателей при передвижении лыж

107

= Т

пл

/ η

шр

= (W

пл

+ W

лα

) V

/η

шр

, (8.17)

где η

шр

– кпд привода шагающе-рельсового хода.

Средневзвешенная мощность при шагании

шр

св

= (N

эп

эл

+ N

пл

) / (t

эл

+ t

пл

). (8.18)

8.5. Примеры расчетов

ПРИМЕР 8.1

Определить мощность и выбрать двигатели привода рельсового хода

неповоротного цепного экскаватора с полной массой, с полезной нагруз-

кой m

= 5260 т (с полным весом G = 51012 кН), перемещающегося по

слабонаклонной (α = 5°), хорошо выровненной поверхности (β

= 1,3) по ко-

лее шириной В = 2,14 м с радиусом закругления R

= 150 м. Скорость пере-

движения экскаватора по рельсам при черпании V

= 5,25 м/мин (0,0875 м/с).

Максимальная скорость передвижения экскаватора на горизонтальном

участке пути V

х max

= 1400 м/ч.

Решение

1. Потребное количество опорных колес на экскаваторе при макси-

мально допустимой нагрузке на ось р

= 319 кН:

n = 2G / p

= 2 · 51012 / 319 = 320.

2. Диаметр колеса на подшипниках качения (µ

т.п

= 0,02) для обеспе-

чения минимального значения плеча трения качения f

= 0,04 см выбираем

D = 100 см с осью d = 20 cм.

3. Сопротивление перекатыванию колес по рельсам:

= G β

(2f

+ d µ

т.п

) / D =51012 · 1,3 (2 · 0,04+ 20 · 0,02) / 100 =

= 318,3 кН.

4. Сопротивление на подъеме пути:

= G β

sin α = 51012 · 1,5·0,08 = 6121,4 кН.

5. Сопротивление движению на криволинейном участке пути

= G В К

= 51012 · 2.Д4 · 0,9 / 50 = 655 кН.

6. Сопротивление на рабочем органе от боковой составляющей уси-

лия черпания (см. пример 15.2, откуда ∑Р

= 252 кН и tg 5° = 0,0875):

108

=β

∑Р

tg ξ = 1,2 · 252 · 0,0875 = 26,5 кН.

7. Максимальное сопротивление от силы ветра при скоростном напо-

ре ветра р

= 0,4 кПа и наветренной площади экскаватора F = 3500 м

= 0,4 · 3500 · 0,5 · 0,8 =560 кН.

8. Полное сопротивление W

(кН) передвижению экскаватора по

рельсам:

+ W

= 7674,7 кН.

9. Суммарная мощность двигателей хода экскаватора при черпании:

ж.г

= W

ж.г

ск

/η

= 7674,7 · 0,0875 · 1 / 0,75 = 895 кВт,

где η

= 0,75 – кпд привода рельсового хода.

10. Сила тяги на приводном колесе при средней нагрузке на колесо

= 195,5 кН:

= G

= 195,5 · 0,3 · 0,8 = 47 кН.

11. Потребное количество приводных колес:

пр

> W

/ Р

> 7674,7 / 47 > 164.

12. Минимальное количество ведущих осей – 82.

13. Выбор мощности приводных моторов зависит от выбранной схе-

мы размещения трансмиссий ходовых тележек. При условии, что один

двигатель приводит 4 колеса, в приводе хода экскаватора необходимо ус-

тановить 41 двигатель мощностью по 22 кВт.

ПРИМЕР 8.2

Произвести тяговый расчет двухгусеничного хода одноковшового

экскаватора с полной массой, включая полезную нагрузку (породу в ков-

ше) m = 462,8 т (вес машины G = 4540 кН) при прямолинейном движении

на горизонтальном участке со скоростью V

= 0,7 км/ч (0,194 м/с) и при

скоростном напоре ветра р

= 0,25 кПа. Максимальное давление под гусе-

ницей при передвижении р

max

= 400 кПа. Ходовая тележка: общая ширина

В'= 6,68 м при звеньях b = 1,4 м; ширина колеи В = 5,28 м; общая длина по

осям ведущей и натяжной звездочек L = 7,95 м. Наветренная площадь экс-

каватора 30 м

. Максимальный угол подъема при передвижении α = 12°,

грунт – сухие глины с коэффициентом сопротивления смятию p

= 4000

109

кПа/м и коэффициентом сопротивления повороту µ' = 0,6; средний радиус

разворота R ≤ 5L; кпд привода хода η = 0,6.

Решение

1. Максимальное тяговое усилие хода при прямолинейном движении

экскаватора с подъемом на угол α = 12° по формуле (8.2):

тп

max

= W

вн

+ W

= Gf

+ p

max

b n

/ (2 р

) + p F

+ G sin α = 4540 · 0,05 + 400

· 1,4. 2 / (2 · 4000) + 0,25 · 30 + 4540 · 0,2 =

= 1198,5 кН.

2. Максимальное тяговое усилие при развороте экскаватора по фор-

муле (8.3) с учетом формул (8.5) и (8.6). Сопротивлением ветровой нагруз-

ке пренебрегаем, т.к. она, как показал предыдущий расчет, составляет ме-

нее 1 %:

тп. max

= W’

вн

+ W’

+ M

/ B = 0,5 Gf

(l+2r/B) +

+ p

max

b n

/ (2р

) +р

(0,5+ a

/B)+ 0,5 G sin α (1+2 r / В) +

+ 0,5G B’µ’L / (L+0,15R)B = 0,5 · 4540 · 0,05 · 1,2 (1 + 2 · 1,9 / 5,28) +

+ 400

· 1,4 – 2 / (2 · 4000) + 0 + 0,5 · 4540 · 0,2 (1 + 2 · 1,9 / 5,28) +

+ 0,5 · 4540 · 6,68 · 0,6 · 7,95 / (7,95 + 0,15 · 5 · 7,95) · 5,28 = 2055 кН.

3. Суммарная мощность двух двигателей при движении экскаватора

по горизонтальной поверхности с подъемом на максимальный угол a = 12°

с учетом снижения на 40 % номинальной скорости движения V

' = 0,6 V

0,1166 м/с составляет

т.г.

= W

т.п. max

’

/µ = 1198,5 · 0,1166 / 0,6 = 234 кВт.

4. Выбираем два двигателя постоянного тока ДЭ-812 номинальной

мощностью по N

= 100 кВт при n

дх

= 750 об/мин, допускающие 2-х крат-

ную перегрузку в течение 45 мин.

5. Мощность двигателей при движении на разворот с подъемом и с

учетом снижения на 50% номинальной скорости движения V

’

= 0,5 V

0,097 м/с:

т.г

= W

т.п max

’

/ η = 2055 · 0,097 / 0,6 = 333 кВт.

6. Фактическая перегрузка в самом тяжелом режиме составляет

= 333/2 · 100 = 1,66, что позволяет эксплуатировать двигатели хода в

этом режиме в течение более 1,5 ч.

7. Диаметр ведущего колеса D

вк

= K

462,8

=0,18 · 7,73= 1,4 м.

8. Частота вращения ведущего колеса:

110

вк

= 60 V

/π D

вк

= 60 · 0,194 / 3,14 · 1,4 = 2,647 об/мин.

9. Передаточное отношение механизма хода:

i = n

дх

/ n

вк

= 750 / 2,647 = 283.

ПРИМЕР 8.3

Определить мощность привода шагающего механизма драглайна с

ковшом Е- 40 м

Решение

1. Масса экскаватора:

= К

экс

E = 85 · 40 = 3400 т,

где К

экс

= 85 т/м

выбираем из рекомендуемого диапазона 50 – 120 т/м

2. Размер стрелы:

= K

3400= 7 · 15,1 = 105,7 м,

где K

= 7 по табл. П8 приложения.

Стрелу устанавливаем под углом 30° к горизонту.

3. Радиусы задней стенки и пяты поворотной платформы:

зс

= K

3400 = 1,6 · 15,1 = 24 м; L

пс

= K

Lп

3400=0,6 · 15,1 = 9 м.

4. Длина платформы:

= L

зс

+ L

пс

= 23 м.

5. Масса стрелы с учетом коэффициента К

по табл. П7 приложения:

ст

= 0,07 · 3400 = 238 т.

6. Масса платформы:

пл

= 0,75 · 3400 = 2550 т.

7. Диаметр базы D

, исходя из среднего удельного давления на грунт

ср

= 100 кПа, достаточного для работы на породах отвала:

срэ

pgm р/2 = 100 /3,143400 9,812 ⋅⋅ =20,6 м.

8. Координата центра тяжести экскаватора относительно оси враще-

ния платформы:

х = {m

пл

· 0,5 L

) · m

ст

(0,5L

cos 30° + L

пс

)} / m

= (2550 · 24 · 0,5 · 23) · 238 (0,5 · 105,7 · 0,87 + 9)} / 3400 = 5,5 м.