矿山辅助运输-计算部分.ppt

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1、,矿山辅助运输计算部分 肖兴明、彭玉兴中国矿业大学机电工程学院,列车运行理论,列车运行理论是研究作用于列车上的各种力与其运动状态的关系以及机车牵引力和制动力的产生等问题。一、列车运行基本方程式 在讨论列车运行基本方程式时，为简化起见，假定电机车与矿车之间、矿车与矿车之间的联接都是刚性的，因而在运动的任何瞬间列车中各部分的速度或加速度都是相同的，把整个列车当做平移运动的刚体看待与实际情况虽有差异，但其结果对应用影响不大。,列车运行有以下三种状态：(1)牵引状态，列车在牵引电动机产生的牵引力作用下加速启动或匀速运行；(2)惯性状态，牵引电动机断电后列车靠惯性运行，一般这种状态为减速运行；(3)制动

2、状态，列车在制动闸瓦或牵引电动机产生的制动力矩作用下减速运行或停车。,(一)牵引状态的列车运行基本方程式 列车在牵引状态(加速运行)下，沿着运行方向作用在列车上有牵引力F、静阻力Fj、惯性阻力Fa。根据力的平衡原理，列车在牵引状态下的力平衡方程式为：1.惯性阻力 列车在平移运动的同时，还有电动机的电枢、齿轮以及轮对等部件的旋转运动。为了考虑旋转运动对惯性阻力的影响，用惯性系数来增大平移运动的惯性阻力。,(4-1),因此，惯性阻力Fa可用下式表示:式中：M为电机车和矿车组的全部质量，m=(P+Q)1000 kg；P为电机车质量；Q为矿车组质量；为惯性系数；a为列车加速度。将m值及值代式(42)，

3、得：,(4-3),(4-2),2静阻力 列车运行的静阻力包括基本阻力、坡道阻力、弯道阻力、道岔阻力及气流阻力等。对于矿用电机车，由于运行速度低，后三者都不予考虑，只考虑基本阻力和坡道阻力。(1)基本阻力 基本阻力是指轮对的轴颈与轴承间的摩擦阻力、车轮在轨道上的滚动摩擦阻力、轮缘与轨道间的滑动摩擦阻力以及列车在轨道上运行时的冲击震动所引起的附加阻力等。通常基本阻力是经过试验来确定的。,有了阻力系数以后，基本阻力可按下式计算：式中：F0为基本阻力,N；g为重力加速度，取9.8 ms2；为列车运行阻力系数。(2)坡道阻力 坡道阻力是列车在坡道上运行时，由于列车重力沿坡道倾斜方向的分力而引起的阻力。,

4、(4-4),设为坡道的倾角，则坡道阻力为：在计算时，如列车为上坡运行，上式右端取“+”号，如为下坡，则取-号。一般情况下，电机车运行轨道的倾角都很小，因此sintan，而tan=i。式中i为轨道坡度()。将前面两式代入式(4-5)，即得：,(4-5),(4-6),列车运行的静阻力应为基本阻力和坡道阻力之和，即：将式(4-3)和式(4-6)代入式(4-1)，便得到牵引电动机所必须产生的牵引力为：上式就是列车在牵引状态下的运行基本方程式，利用这个方程式可求出在一定条件下机车所必须给出的牵引力，或者根据电机车的牵引力求出列车中的矿车数。,(4-7),(4-8),(二)列车惯性状态的运行方程式 在惯性

5、状态下，电机车牵引电动机断电，牵引力等于零，列车依靠断电前所具有的动能或惯性继续运行。在这种情况下，列车除了受有静阻力Fj外，还受到由于减速度所产生的惯性阻力Fa。Fa与列车运行方向相同，正是它使列车继续运行。惯性状态时列车力的平衡方程式为：,(4-9),或(4-10)(4-11)由此可见，当列车运行阻力系数一定时，惯性状态的减速度取决于轨道坡度的大小和上下坡。上坡时减速度始终保持正值，直到停车为止。下坡时，如i，则变为负值，此时不再是减速而是加速运行了。可见，惯性状态是很不可靠的，操作时应予以特别注意。,(三)制动状态的运行方程式 在制动状态下，牵引电动机断电，牵引力等于零，并利用机械或电气

6、制动装置施加一个制动力B。这个制动力与列车运行方向相反，在力的平衡方程式中应为负值，与静阻力的性质和方向一致。在制动力和静阻力作用下，列车必定产生减速度。此时，惯性阻力Fa却与运行方向一致，即为正值。则制动状态下的力平衡方程式应为：,(4-12),所以 式中，Fa应代以减速时的惯性阻力，b表示制动时的减速度，则：将式(4-7)及式(4-14)代入式(4-13)，即可得到制动状态下列车运行方程式为：(4-15)利用式(4-15)可以求出在一定条件下制动装置必须产生的制动力；或者给定制动力，求出减速度及制动距离。,(4-13),(4-14),二、电机车的牵引力 如图4-28所示，主动轮对受到牵引电

7、动机传来的转矩M，转矩M对整个电机车而言属于内力，它不能使电机车运动。主动轮对还受到下面几个力的作用：(1)电机车分配在一个主动轮对上的那部分重力P0g，它通过中心c作用在轮对上；(2)轨面对轮对的法向反力No，它作用于O点，与P0g在一条直线上；,(3)由于M的作用，轮对将有绕中心c作顺时针方向旋转的趋势，而轮缘上的同轨面接触的那一点O，相对于轨面来说，有向左滑动的趋势，因此在轮缘上的。点受到轨面所给的切向摩擦反力F0，其方向是向右的；(4)由于摩擦阻力FO的作用，使轮缘上同钢轨接触的那一点O不会在轨面上向左滑动。理想情况下，整个轮对将以O点为瞬时中心向前滚动，即轮对作纯滚动运动。而轮对中心

8、c点则作向前的平移运动。此时，列车的一部分运行阻力将通过电机车的联接器、车架及轴箱作用在轮对的中心c点，这就是图中的Fc。,根据平衡条件得：式中：R为主动轮对轮缘半径。解上面的方程组，得到：(4-16)(4-17),由上述分析可以看出，主动轮对得到一个转矩M以后轨面对接触点o产生了一个摩擦反力F0，它的方向与列车运行方向相同。正是这个摩擦反力F0克服了列车的运行阻力FC而使列车向前作平移运动。对于电机车来说，F0是牵引列车向前运动的外力，称为牵引力或轮缘牵引力。F0与FC因大小相等方向相反，且作用在两条平行线上，形成一对力偶。该力偶与转矩M大小相等而方向相反，使转矩M得以平衡，从而使轮缘上的o

9、点不致于沿轨面滑动。这样，就使轮与轨面互相接触的那一点好像粘着在一起一样，所以F0称为粘着力。,由式(4-17)可知，当列车运行阻力增加时，必然引起转矩M的增加，也就是说牵引电动机必须给出更大的转矩。同时，轮缘牵引力也必须同时增大，以平衡列车运行阻力使列车向前运动。但是，无论是电动机的输出转矩，还是粘着力都不能无限制地增大。电动机输出的牵引力(由转矩转换成的轮缘牵引力)受到电动机的温升条件限制。,粘着力，它本质上是摩擦力，受到摩擦条件或者叫做粘着条件的限制。单个主动轮对能够产生的最大轮缘牵引力为：式中；P0为粘着质量，即电机车分配在该主动轮对上的一部分质量，t；g为重力加速度，取9.8ms2；

10、为粘着系数。,(4-18),为了使主动轮对的轮缘上同轨面的接触点在轨面不发生相对滑动，该主动轮对产生的轮缘牵引力F0应满足：这就是单个轮对的粘着条件。以上分析是就一个主动轮对而言的，对于整台电机车，能够产生的最大轮缘牵引力为：式中：Pn为机车的粘着质量，t，若电机车的全部轮对均为主动轮，则其粘着质量等于电机车的总质量。,(4-19),(4-20),整台电机车的粘着条件是：式中：F为电机车为克服列车运行阻力所必须提供的牵引力，由式(4-8)根据不同运行状态求出。公式中关键的参数是粘着系数。在理想状态下，也就是在车轮沿轨道作纯滚动运动的情况下，粘着系数应为静摩擦因数。,(4-21),三、制动力 闸

11、瓦制动器的结构如前所述，制动运行时，作用在机车上的力有惯性力，静阻力和制动力。如图4-29所示，用一个制动轮对来说明制动力的产生。P0g为制动轮对所分配的电机车重力；N0为轨面对轮对的法向反力，显然，P0g=N0。当闸瓦施以正压力N1(作用在轮缘的均布力，以集中力代之)时，轮缘即产生切向滑动摩擦力T0，其方向与车轮旋转方向相反。,轮缘即产生切向滑动摩擦力T0式中：为制动闸瓦与轮缘问的滑动摩擦因数，取决于闸瓦衬垫的材料、运行速度及闸瓦比压；在T0的作用下。车轮受到一个逆时针方向的转矩。在这一转矩作用下，车轮轮缘上同轨面的接触点O有沿轨面向前滑动的趋势。因而轨面对轮缘将产生一个切向静摩擦力B0，它

12、的方向与车轮旋转方向相同，根据转矩平衡条件B0R-T0R=O得出：,(4-22),(4-23),由此可见，B0就是电机车一个制动轮所产生的制动力。在B0和静阻力Fj的作用下，轮对即列车减速运行，减速度为b，因而产生制动的惯性力随Fa、B0及Fj一起与Fa正好平衡。当T0增大时B0相应地增大，因而减速度也增加，使列车能较快地制动住。然而，制动力B0受粘着条件的限制。一个制动轮对能够产生的最大制动力为：,(4-24),整台电机车能够产生的最大制动力为：式中：P0为一个制动轮对的制动质量，t；Pz为整台电机车的制动质量，t；对于全部轮对均装有制动闸的电机车，此质量即为电机车总质量，即Pz=P；为制动

13、状态的粘着系数。在理想状况下，即在制动车轮保持纯滚动的情况下，制动状态的粘着系数值应为静摩擦因数值。,(4-25),然而，对于电机车的四个车轮来说，有的做纯滚动，有的既滚动又滑动。因此，制动状态的粘着系数值介于静摩擦因数值与滑动摩擦因数值之间。如果闸瓦的压力N1继续增加，以致使整个电机车的制动力超过式(4-25)的数值，即把车轮抱死时，则制动车轮轮缘。点将沿轨面向前滑动。这时，制动力约减少一半，制动减速度大大降低，制动距离却增大了。,因此，闸瓦压力不能过大，台理的闸瓦压力应使制动力为：如果闸瓦最大总压力为Nmax，总摩擦力为Tmax，对于整台电机车来说，式(4-22)可以变为：对整台电机车来说

14、，由式(4-23)可得到：,(4-26),(4-28),(4-27),把式(4-25)及式(4-27)代入式(4-28)，可求得：或 式中：为闸压系数。考虑到对于铸铁闸瓦，0.180.20，=0.090.17，故=0.50.94，为了保证车轮不被包死，闸压系数值不应超过0.9。,(4-30),(4-29),第六节 电机车运输计算,一、原始数据 电机车运输计算的原始数据是：设计生产率、加权平均运输距离和线路平均坡度等。二、选择电机车的粘着质量 选择电机车的粘着质量是一个技术经济问题，这个问题涉及到许多因素，其中最重要的因素是矿井年产量。年产量大，就要加大电机车的粘着质量和矿车中的货载质量。,三、

15、列车组成的计算 计算列车组成就是确定车组应由多少辆矿车组成。列车组成的计算按三个条件来进行，这三个条件是：电机车的粘着质量；牵引电动机的允许温升；列车的制动条件。按这三个条件计算的结果取其最小者。(一)按电机车的粘着质量计算重车组质量 按此条件计算时需要考虑到最困难的情况，即电机车牵引重车组沿上坡启动。,根据式(4-8)可得电机车牵引重车组沿平均坡度的直线轨道上城启动时所需给出的牵引力为：另外，根据电机车的粘着条件，即把式(4-33)代入式(4-21)之后得到：所以：,(4-34),(4-33),(二)按牵引电动机温升条件计算重车组质量 按电动机的温升条件，实质上就是按照电动机的等值电流不超过

16、长时电流的条件。直流串激电动机由于磁饱和的关系，正常工作时牵引力和电流是成正比的，即其比例关系是一条直线，只是在低负荷时才呈抛物线状。因此，可以按等值牵引力不超过长时牵引力的条件确定重车组质量。等值牵引力可以用均方根法来求得。即：,(4-35),为了使计算进一步简化，假定列车是在理想的等阻坡度上运行。在等阻坡度上运行，重列车下坡时的运行阻力等于空列车上坡时的运行阻力。虽然这个假定与实际情况有出入，但由于一般平均坡度与等阻坡度比较接近，所以计算还是比较准确的。因有这个假定，故上式中重列车与空列车牵引力相等，即：,(4-36),将式(4-36)代入式(4-35)，即得：因 令则式(4-37)为：,

17、(4-40),(4-38),(4-39),(4-37),而：将式(4-41)代入式(4-40)中即得：为了使牵引电动机温升不超过允许温升，电机车的等值牵引力应不大于长时牵引力，即：,(4-41),(4-42),(4-43),(4-40),将式(4-43)代入式(4-42)中，即得按牵引电动机温升条件计算的重车组质量为：列车运行时间为：,(4-44),(4-45),(三)按制动条件计算重车组质量 为了安全起见，煤矿安全规程规定：运送物料时列车的制动距离不得超过40m，运送人员时不得超过20m。这个距离是根据电机车照明灯的有效照射距离来制定的。制动距离是指从司机开始拨动闸轮或电闸手把到机车完全停止

18、的距离。在计算重车组质量时必须遵守这一规定，并应按最不利的情况，即按重列车下坡制动时的情况来计算。,列车开始制动时的速度为长时速度vch，则制动时的减速度b为：由式(4-15)可以求得当重列车沿直线轨道下坡制动时电机车的制动力为：式中：ip为平均坡度，；z为重列车运行阻力系数。,(4-46),(4-47),将式(4-26)代入上式得：由上式得出按制动条件计算重车组质量的公式为：式中：Pz为电机车的制动质量，对于矿用电机车，它等于电机车的全部质量P，t；为制动时的粘着系数，如撒砂时取0.17。,(4-48),上面按三个不同条件推导出计算重车组质量的三个公式，即式(4-34)、式(4-44)及式(

19、4-48)。在多数情况下，按制动条件求得的重车组质量小于按其他两条件求得的。在这种情况下，为了不因减少车组质量而使每列车中矿车数过少，可以采用这样的办法；在重列车下坡时两台牵引电动机由并联改为串联运行，使牵引电动机电压降低一半以降低运行速度；或者每隔一定时间切断电源，以改善制动条件。,按上述三个条件分别求出重车组质量之后，应取三者中之最小者来确定车组中的矿车数。车组中的矿车数可由下式求得：应当指出，由以上方法确定的车组中的矿车数，仅仅是从电机车牵引的技术可能性出发的，最有利的矿车数还要以实际条件和技术经济比较作为基础。,(4-49),四、列车组成的验算 按上述方法确定了重车组质量后，还要验算实

20、际的电动机的温升和列车制动距离。原因是：按温升条件计算重车组质量时，是按等阻坡度，并以加权平均运输距离为条件计算的；按制动条件计算重车组质量时，是用电机车的长时速度计算的减速度。需要按在平均坡度且在最长距离运行时，验算其等值电流是否超过长时电流。并且按实际运行速度和实际所得到的减速度验算其制动距离是否符合煤矿安全规程规定。,(一)验算实际电动机温升按平均坡度ip及最长运输距离Lmax来验算。首先，计算出牵引重列车和空列车达到全速稳态时电机车的牵引力：然后再算出每台牵引电动机的牵引力：,重列车及空列车以其平均运行速度在最长运输距离上的运行时间为：这时，便可用以下公式计算一个运输循环的牵引电动机的

21、等值电流值：,(4-50),如果电动机的等值电流值不超过它的长时电流值，即：则电动机的等值电流不会发热到超过它的允许温升，故合适。如果IdIch，则需减少车组中的矿车数，并重新进行计算，直到等值电流不超过长时电流为止。,(4-51),(二)验算制动距离 按重列车运行速度及最大制动减速度验算制动距离。重列车下坡制动时，电机车必须给出的制动力可由式(4-47)求出，即：而电机车接粘着条件能够给出的最大制动力可按式(4-26)求出，即：,(4-52),令B=Bmax，则可求得制动时的减速度为：列车的制动距离为：即：,(4-53),(4-54),(4-55),上式计算出的制动距离不能超过40m，若超过

22、40m时，可采用限制列车速度或减少列车中的矿车数等措施解决。,五、电机车台数的确定 矿井(或水平)所需电机车台数，应按该矿井(或水平)投产初期和生产后期分别进行计算。投产时按前期计算的台数配置电机车台数，以后随生产的发展再陆续增添。生产后期所需的机车台数是进行供电设备(包括牵引变流所及牵引电两等)计算的依据。,(1)列车往返一次所需的时间：(2)一台电机车在一个班内可能往返的次数：(3)每班运输货载所需列车次数：k1为运输不均匀系数，1.25；k2为矸石系数，用以考虑每班外运矸石量，k2=1+每班外运矸石量/Ab,(4-55),(4-56),(4-57),(4)每班运人所需列车次数 当主要行人

23、平巷的水平距离大于1.5 km时，上下班要用车辆运送人员，矿井一般均为两翼开采，两翼每班运送人员按一次考虑，共计两次nr=2次班；运距小于1.5 km时，不用车辆运送人员nr=0。(5)每班列车运输的总次数：(6)工作电机车台数：,(4-58),(4-59),(7)矿井电机车总台数：,(4-60),六、蓄电池式电机车的计算特点 除按粘着条件、电动机温升条件及制动条件确定车组质量外，对蓄电池式电机车还应按电池组的容量来确定车组质量。(1)在一个往返周期内列车所做的功为：,(4-61),式中：Lm为最大运输距离。,(2)蓄电池组在一个往返周期内输出的能量：,(4-62),重、空列车牵引力之和可以写

24、成：矿车的车皮系数为：由此可得：,(4-63),(4-64),(4-65),(3)一台电机车在一个班内的电能消耗为：(4)蓄电池组的放电容量为：,(4-66),(4-67),(5)计算重车组质量 因为一台电机车在一个班内的电能消耗Ab必须与蓄电池组的放电容量如相等，对Qz求解，可得：此式即是接蓄电池组的容量确定重车组的最大允许质量的公式。,(4-68),作业3：一运输大巷电机车运输如图所示，试确定电机车型号和矿车型号、并确定列车组成和机车台数。（用于低瓦斯矿井）,西翼：3 3 东翼：出煤 45万t/年 井底车场 出煤 90万t/年 出矸 5万t/年 出矸 30万t/年,500m 500m 15

25、00m 3 3 5 2500m 2000m,钢丝绳牵引卡轨车运输是采用摩擦绞车牵引的往返式运输，其基本计算内容包括：列车组成、阻力、张力、绞车牵引力及功率、钢丝绳的拉紧力。(一)基本参数l.运行速度 卡轨车牵引绞车一般采用液压摩擦绞车，运行中可进行无级调速，实际运行速度的大小可根据实际运量和运距来调整。考虑到在重型设备运输时的安全稳定性目前在设计时卡轨车的最大运行速度一般均不超过2ms。,钢丝绳牵引卡轨车基本计算,2运输单元的平均有效载荷 在物料及设备的辅助运输中，运送物料的品种繁多。采用集装化运输是实现从地面供货点到井下使用点运输过程各工作环节的辅助运输机械化的基础。它可大大提高运输效率、安

26、全性和降低劳动强度，在确定井下运输量时，根据材料、设备的重量和尺寸大小，用集装箱和捆扎的方式，将各种物品组合成一个个便于运输及装卸的运输单元。,(二)列车组成 牵引卡轨车是由牵引车、基本运输车、制动车组成的，其列车组成计算就是根据运输量或绞车的牵引能力来确定满足运输能力所需的基本运输车辆的数目。在设计运输设备能力时，要按最大负荷、最大运距考虑，并计入20的备用能力，以便适应加大采掘强度时运输能力的增加。,绳牵引卡轨车运输为往返式运输，为达到一定运输能力，每次应牵引的运输车数根据下式计算：,(5-16),式中：Z为每次牵引的运输车数；Q为每次运输需完成的运输量；G为每个运输单元有效载重量；L为运

27、输距离；Vp为平均运行速度；tp为装、卸载及调车等辅助作业时间。,若运输量以运输单元件数计，则:,(t/h)(5-17),式中：n为每小时需运送的运输单元数。,则运输车数为：,(5-18),卡轨车列车组成：一辆专用牵引车加z辆运输车加一辆制动车，或一辆兼用牵引车加(z-1)辆运输车加一辆制动车。,(三)运行阻力 钢丝绳牵引卡轨车的总运行阻力主要包括列车运行阻力和牵引绳沿线路运行时所受的各项阻力(见图5-13)。下面说明计算方法。1列车运行阻力 列车运行的静阻力主要是基本阻力和坡道阻力。基本阻力是列车运行经常承受的阻力，它由阻力系数计算，阻力系数由试验得到。坡道阻力是列车在坡道运行时，列车重力沿

28、坡道倾斜方向的分力，计算方法如下：,图5-13 绳牵引卡轨车原理图,设列车自重为 Gzi,(5-19),式中：Gzi为牵引车自重；Gz2为制动车自重；Gz3为运输车自重；ZGz4为集装箱自重；Gz5为连接装置自重。,列车有效载重为G，则:,(t)(5-20),列车运行基本阻力：,(5-21),式中：F0为基本阻力；w为列车运行阻力；为坡道最大倾角。,列车坡道阻力：,(5-23),列车运行阻力：,(5-22),2.牵引钢丝绳运行阻力 钢丝绳运行阻力主要是钢丝绳沿线路直线段和曲线段运行时，在各种托绳辊及导向辊轮上所受的各项阻力。,钢丝绳运行阻力在卡轨车计算中是接线路效率计算的，线路效率由试验得到。

29、通常按下式计算：,(5-24),式中：L为线路效率；为水平弯道转角。,3钢丝绳牵引列车总运行阻力:,(5-25),(四)钢丝绳的最大张力及拉紧力1钢丝绳的最大张力 牵引钢丝绳各点张力用逐点计算方法计算。如图5-13所示，一方面，在卡轨车牵引运输时，钢丝绳的最大张力点在8点处即绞车摩擦轮的相遇点处的张力Fy=F8，由逐点计算式知，为克服运行阻力，牵引绳相遇点最大张力与绞车摩擦轮分离点1处的张力F1有下列关系:,(5-26),即：,另一方面，钢丝绳与牵引绞车为摩擦传动，F8与F1还应满足挠性体摩擦传动的欧拉公式,同时考虑一定备用摩擦力，防止摩擦轮与牵引绳之间打滑，F8与F1有下列关系：,(5-27

30、),联立(526)及(527)两式可求出F8与F1。钢丝绳最大张力为：,(5-28),2.拉紧力计算 拉紧装置的拉紧力按拉紧装置的位置并根据计算得出的张力值计算，采用重锤张紧时其拉紧力为：,(5-29),(五)牵引钢丝绳的选择 牵引钢丝绳按最大静张力(即按式528)选择，并满足强度条件：,式中：b为钢丝绳材料的抗拉强度；A为钢丝绳中全部钢丝的截面积之和；m为安全系数。,(5-30),(六)绞车牵引力及功率 绞车摩擦轮的静圆周牵引力等于摩擦轮上钢丝绳两侧静张力差(即总运行阻力F)。P=F,(5-31),当绞车牵引列车以速度v稳定运行时，在摩擦轮轴上的功率为：,(5-32),在实际选用绞车功率时，应将计算值增加20的备用量。,