2. Канатно-скреперные установки

Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В.Плеханова
(технический университет)
Ю.Д.ТАРАСОВ, А.К.НИКОЛАЕВ
ГОРНО-ТРАНСПОРТНЫЕ МАШИНЫ
ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ
Допущено Учебно-методическим объединением вузов
Российской Федерации по образованию в области горного дела
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных
заведений, обучающихся по специальности «Горные машины
и оборудование» направления подготовки дипломированных
специалистов «Технологические машины и оборудование»
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2005
УДК 621.86 (075.80)
ББК 33.16
Т191
Изложены основы теории и расчета горно-транспортных машин периодического действия. Рассмотрено основное и вспомогательное оборудование локомотивной откатки, широко используемой на угольных и рудных шахтах в качестве
магистрального транспорта полезного ископаемого, а также для транспортирования
материалов и людей, канатно-скреперных установок, самоходного транспортного и
погрузочно-транспортного оборудования. Приведена методика расчета и выбора
параметров этого оборудования. Рассмотрены узлы сопряжения транспортных
средств в рудниках.
Учебное пособие предназначено для студентов всех форм обучения специальности 170100 «Горные машины и оборудование» направления 651600 «Технологические машины и оборудование».
Научный редактор проф. И.П.Тимофеев
Рецензенты: кафедра подъемно-транспортных машин и оборудования Северо-Западного государственного заочного технического университета; Ю.М.Энкин
(генеральный директор ОАО «Гипронеруд»).
Тарасов Ю.Д.
Т191. Горно-транспортные машины периодического действия: Учеб. пособие / Ю.Д.Тарасов, А.К.Николаев. Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет). СПб, 2005. 115 с.
ISBN 5-94211-139-1
УДК 621.86 (075.80)
ББК 33.16
ISBN 5-94211-139-1
2
 Санкт-Петербургский горный
институт им. Г.В.Плеханова, 2005 г.
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
О ГОРНО-ТРАНСПОРТНЫХ УСТРОЙСТВАХ
Наряду с транспортными машинами непрерывного действия – конвейерами различных типов (ленточными, скребковыми,
пластинчатыми, ковшовыми, винтовыми, инерционными), гидро- и
пневмотранспортными установками, самотечными установками,
кольцевыми канатными дорогами – на горных предприятиях широко используются и транспортные машины периодического действия в качестве самостоятельных или вспомогательных транспортных средств.
К транспортным средствам периодического действия, получившим большое распространение на угольных и рудных шахтах,
относится следующее оборудование: локомотивная откатка, подземный автомобильный транспорт, погрузочные машины различных
типов, погрузочно-доставочные машины, опрокидыватели, толкатели, канатно-скреперные установки, а в качестве вспомогательного
оборудования локомотивной откатки – компенсаторы высоты, подвагонные цепи, испытательные горки и др.
Транспортные машины и устройства периодического действия могут быть стационарными (опрокидыватели), передвижными
(погрузочно-доставочные машины), переставными (толкатели); выполнять основные функции (локомотивная откатка) или вспомогательные (погрузочные машины, толкатели).
Отличительными особенностями транспортных машин и
устройств периодического действия являются: цикличность транспортных операций, наличие холостого хода (за исключением нереверсивных круговых опрокидывателей и цепных толкателей), наличие временных пауз внутри цикла и между циклами.
Для подавляющего большинства транспортных устройств
периодического действия характерен ярко выраженный неустановившийся режим работы с преобладанием, в ряде случаев, динамического характера нагружения над статическим (толкатели, опрокидыватели, погрузочные машины и др.).
Для всех транспортных машин основного назначения характерна зависимость производительности от протяженности трассы
3
транспортирования (рис.1), что следует из общей формулы эксплуатационной производительности для транспортных машин с циклическим перемещением грузов (в тоннах в час):
Qэ = (60GKиспKм)/Тц = (60GKиспKм)/(KцL/Vср),
(1)
где G – номинальная грузоподъемность машины, т; Kисп – коэффициент использования грузоподъемности, Kисп ≤ 1; Kм – коэффициент
машинного времени, Kм < 1; Тц – продолжительность цикла, мин; L –
протяженность трассы транспортирования, м; Vср – средневзвешенная скорость перемещения груза, м/мин; Kц – коэффициент, учитывающий затраты времени в пунктах погрузки и выгрузки, Kц > 1.
Функциональная зависимость Qэ(L) близка к гиперболической. При L → ∞ производительность Qэ → 0. Поэтому область использования той или иной транспортной машины периодического
действия ограничивается приемлемой величиной Qэ в диапазоне от
Qэ1(L1) до Qэ2(L2). Для малых транспортных машин длина трассы
транспортирования L2 (рис.1) ограничивается всего лишь несколькими десятками метров (канатно-скреперные установки).
Qэ2
Qэ1
Qэ, т/ч
0
L1
L2
Рис.1. Зависимость производительности устройств
периодического действия от протяженности трассы
транспортирования
4
L, м
Для других транспортных машин (локомотивная откатка)
максимальная протяженность трассы транспортирования L2 может
составлять до 10 км и более. Правда, это достигается увеличением
грузоподъемности G и использованием значительного числа транспортных средств (при локомотивной откатке – числа пар поездов).
Кроме того, использование транспортных устройств периодического
действия при большой протяженности трассы транспортирования
часто вызвано просто отсутствием эффективных транспортных
средств непрерывного действия для заданных условий эксплуатации. Такими условиями могут быть, например, наличие искривленных в плане горных выработок, исторически сложившаяся схема
механизации горных работ на предприятии и другие условия. Но
указанные исключения не отменяют общего принципа при выборе
способа транспортирования насыпных (и других) грузов: с увеличением протяженности трассы транспортирования все более целесообразным становится использование транспортных средств непрерывного действия. Вообще же, выбор транспортных средств есть задача
экономическая, решаемая на основе сравнивания альтернативных
вариантов. А критерием выбора является, как правило, минимум
приведенных затрат или максимальная прибыль, которую можно
получить при использовании данного транспортного средства.
При анализе формулы (1) и графика Qэ(L) (рис.1) можно
предположить, что при малых L целесообразно использовать только
транспортные машины периодического действия. Это не так.
Например, при длине транспортирования в несколько метров (или
десятков метров) весьма эффективными оказываются конвейеры
ленточные, винтовые, скребковые, а в качестве питающих
устройств – винтовые и вибрационные конвейеры.
Таким образом, выбор транспортных средств является серьезной технико-экономической задачей, при решении которой следует учитывать множество факторов и требований, часто даже взаимоисключающих. Их правильная оценка и нахождение оптимального
решения невозможны без знания всех возможных технических
средств и методов расчета и выбора их параметров.
5
2. КАНАТНО-СКРЕПЕРНЫЕ УСТАНОВКИ
2.1. НАЗНАЧЕНИЕ, УСТРОЙСТВО
И ТРАНСПОРТНЫЕ СХЕМЫ
Канатно-скреперные установки относятся к простейшим
горно-транспортным машинам периодического действия, основанным на перемещении насыпных грузов волочением по почве выработки с помощью рабочего органа – скрепера.
В подземных условиях скреперные установки используют
для захвата и перемещения отбитой горной массы (руды, породы) до
подземного перегрузочного пункта (рудоспуска, люка, бункера) для
погрузки в вагонетки или на другие транспортные средства.
На поверхности канатно-скреперные установки широко используются на складах полезного ископаемого как для формирования склада штабельного типа, так и для обратной подачи к месту
погрузки полезного ископаемого на средства внешнего транспорта
(железнодорожного, автомобильного, водного) или для дальнейшей
переработки на обогатительную фабрику.
Канатно-скреперная установка состоит из скрепера, головного (одного или двух) и хвостового (одного или двух) тяговых канатов, скреперной лебедки, отклоняющих блоков для направления канатов, разгрузочного полка для перегрузки транспортируемого груза
в бункер, люк, рудоспуск.
Тяговые усилия создаются лебедкой специальной конструкции – скреперной лебедкой. Внедрение скрепера в горную
массу и его заполнение горной массой происходит в процессе движения скрепера. С помощью этой же лебедки скрепер возвращается в исходное положение для осуществления следующего цикла
транспортирования.
Канатно-скреперные установки (рис.2) различают по назначению – подземные (рудные и угольные) и складские; по числу тяговых канатов – двухканатные с приводом от двухбарабанных скреперных лебедок; трехканатные с приводом от трехбарабанных скреперных лебедок.
6
а
2
б
г
6
x
1
6
5
4
5
в
4
2
2
1
3
1
Рис.2. Схемы канатно-скреперных установок: а – двухканатной, б – трехканатной
с одним головным и двумя хвостовыми канатами, в – трехканатной с двумя
головными и одним хвостовым канатами
1 – лебедка; 2 – отклоняющий блок; 3 – разгрузочный полок; 4, 6 – головной
и хвостовой тяговый канаты; 5 – скрепер
Канатно-скреперные установки имеют следующие достоинства:
 простота конструкции и высокая надежность при эксплуатации в сложных горно-геологических условиях на горном предприятии;
 возможность транспортирования особо крупнокусковых грузов
(до 1 м в поперечнике) и углах наклона скреперной дороги до 30-40;
 простота обслуживания, не требующая высокой квалификации оператора;
 относительно низкая первоначальная стоимость оборудования;
 относительно невысокие эксплутационные расходы;
 простота изменения параметров трассы транспортирования
(траектории и длины);
7
 совмещение операций захвата, транспортирования и погрузки горной массы в другие транспортные средства.
К органическим недостаткам канатно-скреперных установок
следует отнести следующие:
 резкое уменьшение производительности с увеличением
длины транспортирования (см. рис.1);
 высокая энергоемкость транспортирования, вызванная одним из самых несовершенных способов перемещения грузов – волочением по негладкой поверхности;
 интенсивный абразивный и усталостный износ тяговых
канатов.
2.2. ОСНОВНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
КАНАТНО-СКРЕПЕРНЫХ УСТАНОВОК
2.2.1. Скреперы
Несущим рабочим органом канатно-скреперной установки
является скрепер. По конструкции скреперы подразделяются на
ящичные; гребково-ящичные; гребковые и многогребковые (рис.3).
Для крупнокусковых грузов используют гребковые скреперы, для мелкокусковых грузов – ящичные скреперы, а для среднекусковых грузов – многогребковые или гребково-ящичные.
Эффективность использования скрепера как рабочего органа, предназначенного не только для транспортирования груза с его
удержанием, но и для захвата груза путем внедрения в него рабочей
кромки, зависит от правильного выбора следующих параметров
скрепера: вместимости V (в кубических метрах), формы (соотношение длины, ширины и высоты), веса Gc, угла внедрения  и приведенного веса скрепера Р.
Для ящичных скреперов  = 3035, для гребковых  = 5055.
Приведенный вес скрепера определяет способность к внедрению и
удержанию горной массы в пределах скрепера в процессе транспортирования:
Р = Gc /B,
где Gс – вес скрепера, кН; В – ширина скрепера, м.
8
В зависимости от физико-механических свойств горной массы как объекта транспортирования, Р = 314 кН/м
(бóльшие значения принимают при транспортировании крупнокусковых грузов
большой плотности).
Линейные
размеры
скрепера выбираются в зависимости от принятой (заданной) вместимости скрепера:
a
l
3
2
h
1

3
B
2
1
б
h  0,853 V ; В = 1,73 V ;
l  2,153 V ,
2
где h, l – высота и длина
скрепера, м.
Вес скрепера при
выбранном значении Р и
определенном В
Gc = РВ.
Gc  (0, 4  0,6)G,
1
в
4
1
3
2
Полученное значение
Gc должно быть проверено
из условия выполнения неравенства:
3


Рис.3. Конструкции скреперов ящичного (а),
многогребкового (б), гребкового (в) типов
1 – скрепер; 2, 3 – головной и хвостовой
канаты; 4 – соединительное звено
где G – вес перемещаемой скрепером горной массы, кН.
Ширина скрепера, используемого в подземных условиях,
проверяется по ширине выработки, по которой будет осуществляться транспортирование горной массы:
B  (0,4  0,5) Bвыр ,
где Ввыр – ширина выработки в свету, м.
9
2.2.2. Скреперные лебедки
В зависимости от используемой транспортной схемы применяют скреперные лебедки двух- и трехбарабанные с соосным и параллельным расположением двигателя и барабанов. Все скреперные
лебедки имеют одну кинематическую схему и способ включения
барабанов, реализуемый с помощью фрикционных планетарных
муфт, и отличаются лишь размерами отдельных элементов. Типоразмерный ряд отечественных скреперных лебедок разработан институтом «Гипроникель».
Кинематическая схема двухбарабанной скреперной лебедки
показана на рис.4. Трехбарабанная лебедка отличается от нее дополнительным (третьим) барабаном.
Приводной электродвигатель и вал лебедки жестко кинематически связаны через двухступенчатый редуктор. Вал с помощью
закрепленных на нем солнечных зубчатых колес кинематически связан с водилом каждого барабана с помощью сателлитов (по три на
каждый барабан). Водило жестко связано с канатным барабаном, а свободно установленные на водилах сателлиты постоянно сцеплены с
внутренними зубчатыми венцами тормозных шкивов. Последние сво1
2
lб
3
4
5
7
6
8
9
11
Dш
Dб
Dр
10
13
12
Рис.4. Кинематическая схема двухбарабанной скреперной лебедки
1, 5 – барабаны; 2, 4 – водило; 3, 7 – ленточный тормоз; 6 – сателлит; 8 – тормозной
шкив с внутренним зубчатым венцом; 9 – солнечное колесо; 10 – двухступенчатый
редуктор; 11 – электродвигатель; 12 – рама; 13 – приводной вал
10
бодно установлены на центральном валу и снабжены ленточными тормозами, являющимися механизмами включения канатных барабанов.
Изменение направления движения скрепера осуществляется
без изменения направления вращения вала двигателя путем включения того или иного барабана и отключения барабана со сматывающимся канатом.
Ленточный тормоз обеспечивает также предохранение от перегрузки лебедки благодаря проскальзыванию обода относительно
ленты тормоза при увеличении тягового усилия сверх нормативного.
Передаточное отношение одноступенчатого планетарного редуктора каждого канатного барабана выбирается в зависимости от заданной скорости движения скрепера (при рабочем или холостом ходе).
Двух- или трехбарабанные лебедки комплектуются с различным
числом унифицированных блоков канатных барабанов. Способ управления скреперной лебедкой может быть ручной или дистанционный. В последнем случае ленточные тормоза (механизмы включения барабанов)
оснащаются пневмо- или гидроцилиндрами, электрогидравлическими
или электровинтовыми приводами в системе управления.
Диаметр барабанов скреперной лебедки Dб = 220450 мм,
диаметр тяговых канатов dк и диаметр навивки барабанов связаны
соотношением Dб = 18dк.
Канатоемкость барабана L = mpmc(Dб + mcdк), где mp, mc –
число рядов и слоев каната на барабане при полной навивке каната
на барабан.
Число рядов и слоев каната на барабане
mp 
Dр  Dб
lб
; mc 
,
2d к
dк
где lб – длина барабана, м; Dp – диаметр реборды барабана, м.
Расчетная тормозная сила ленточного тормоза (в ньютонах)
Рт  S max
Dб
,
Dш
где Smax – максимальное рабочее натяжение тягового каната, Н; Dш –
диаметр тормозного шкива, м.
11
Натяжения тормозной ленты в точках сбегания и набегания
на тормозной шкив (в ньютонах)
Т сб 
Рт е fα
Рт
;
,
Т

нб
(е fα  1)
(е fα  1)
где f – коэффициент трения между тормозным шкивом и лентой;  –
угол обхвата лентой тормозного шкива, рад.
2.2.3. Тяговые канаты
В качестве тяговых канатов используются стальные проволочные канаты двойной свивки (открытые) с мягким сердечником
при максимальном диаметре проволок, формирующих наружный
слой каната. Предел прочности на разрыв не более 1600 МПа.
2.3. РАСЧЕТ КАНАТНО-СКРЕПЕРНОЙ УСТАНОВКИ
2.3.1. Вместимость скрепера и производительность
канатно-скреперной установки
Техническая производительность канатно-скреперной установки как транспортного устройства периодического действия (в тоннах в час)
3600
(2)
Q
V,
Тц
где Тц – продолжительность цикла, с; V – вместимость скрепера, м3;
 – насыпная плотность горной массы, т/м3;  – коэффициент заполнения скрепера.
В зависимости от крупности и формы кусков горной массы,
гранулометрического состава  = 0,61.
Время цикла Тц = tз + tр + tx + tп, где tз, tр, tx, tп – время заполнения скрепера горной массой, рабочего и холостого хода и паузы, необходимой для переключения барабанов (реверса скрепера) и
разгрузки скрепера (в секундах),
12
tз 
( L  Lз )
Lз
L
; tр 
; tх 
;
Vp
Vx
Vз
Vз, Vр, Vx – скорость движения скрепера при его заполнении, рабочем
и холостом ходах, м/с; L – длина скреперной дороги, м; Lз – путь, на
котором происходит заполнение скрепера, м.
Расчетное значение tп = 35 с.
Скорость скрепера при рабочем ходе обычно Vp = 11,3 м/c,
а при холостом ходе Vx = 1,51,8 м/с. Рекомендуемое соотношение
между скоростями рабочего и холостого ходов Vx = (1,31,5) Vp.
Из формулы (2) следует, что показатель Q резко уменьшается с увеличением времени цикла Тц, а последнее пропорционально
длине скреперной дороги (см. рис.2).
Поэтому область рационального использования канатноскреперных установок – доставка грузов на расстояние не более 100 м.
Обычно длина скреперной дороги L составляет 40-60 м, что вполне
достаточно, например, при доставке руды из камер при камерной
системе разработки месторождений.
В том случае, когда задана эксплуатационная производительность Qэ канатно-скреперной установки, выбирается потребная
вместимость скрепера (в кубических метрах)
V
QэТ ц
,
3600 kм
где kм – коэффициент машинного времени.
Полученное значение V проверяется по кусковатости транспортируемой горной массы. В этом случае должно выполняться
условие V  кVк, где к – коэффициент пропорциональности, к = 28
– в зависимости от максимальной крупности кусков (минимальные
значения принимаются для крупнокусковой горной массы); Vк –
объем куска, м3; например, при Vк = 0,010,03 м3 к = 48; при
Vк = 0,10,4 м3 к = 22,5.
Вес размещаемого в скрепере транспортируемого груза (в
килоньютонах) при  = 1
G = gV.
13
2.3.2. Тяговые усилия в течение цикла транспортирования
Тяговые усилия на ободе барабанов скреперной лебедки меняются в течение цикла транспортирования и определяются следующим образом (рис.5).
При рабочем ходе максимальное натяжение тягового каната
Sp  K[G(f cos  sin) + Gc(f0cos  sin)],
где G, Gc – вес горной массы в скрепере и вес скрепера, кН; K – коэффициент, учитывающий сопротивления движению тяговых канатов (двух или трех, в зависимости от типа скреперной лебедки –
двух- или трехбарабанной), вызванные трением канатов о почву и
стенки выработки, а также потерями на отклоняющих блоках; f, f0 –
коэффициент трения (сопротивления движению) груза и скрепера по
почве выработки;  – угол наклона скреперной дороги.
а
1
Vр
2
3
4
Vх
5
Lз
7
6
L
б
2
3
Vр
4
5
6

G
Gс
Рис.5. Расчетная схема канатно-скреперной установки: а – схема скреперной
установки; б – схема для определения сопротивления движению скрепера
1 – скреперная лебедка; 2, 5 – головной и хвостовой тяговые канаты; 3 –
транспортируемый груз; 4 – скрепер; 6 – скреперная дорога; 7 – разгрузочный полок
14
Учитывая некоторую неопределенность условий работы
скреперной установки, принимают K = 1,41,5.
При холостом ходе максимальное натяжение тягового каната
(в килоньютонах)
Sx = KGc(f0cos  sin).
При зачерпывании горной массы натяжение тягового каната
Sзач = SpKз, где Kз – коэффициент зачерпывания, в зависимости от
крупности, формы кусков и насыпной плотности горной массы,
Kз = 1,52,2.
Коэффициенты сопротивления движению горной массы и
скрепера по почве выработки соответственно f = 0,60,8; f0 = 0,40,6.
2.3.3. Мощность двигателя привода скреперной лебедки
При ярко выраженной неравномерности нагружения привода
скреперной лебедки в течение цикла потребную мощность двигателя
привода следует подсчитывать как среднеквадратичную величину
мощностей, развиваемых двигателем в отдельные периоды цикла:
при заполнении скрепера в начале рабочего хода, движении загруженного скрепера после его заполнения и при возвращении порожнего скрепера в исходное положение за новой порцией горной массы (в киловаттах):
N дв 
N з2t з  N з2t р  N з2t x
Tц
,
где Nз, Nр, Nx – мощность привода в периоды времени tз, tр, tx, кВт,
Nз 
SрVр
SзVз
SV
, Nр 
, Nх  х х ;
п.м
п.м
п.м
п.м – КПД передаточного механизма лебедки (одноступенчатого
планетарного и двухступенчатого редукторов); при этом можно
принимать Vз  Vp.
15
3. ОБОРУДОВАНИЕ ЛОКОМОТИВНОЙ ОТКАТКИ
3.1. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЛОКОМОТИВНОЙ ОТКАТКИ
К рельсовой локомотивной откатке относятся следующие
основные элементы:
 рельсовые пути с комплексом вспомогательных устройств;
 рудничные вагонетки;
 тяговая сеть;
 преобразовательные и зарядные подстанции.
Тяговая сеть необходима при откатке контактными и индукционно-высокочастотными электровозами. Преобразовательные
подстанции используются при откатке контактными электровозами,
а зарядные подстанции – при откатке аккумуляторными электровозами (зарядка батарей), гировозами (раскрутка маховика) и пневмовозами (смена баллонов со сжатым воздухом).
3.2. РУДНИЧНЫЕ РЕЛЬСОВЫЕ ПУТИ
3.2.1. Характеристика рельсовых путей
Расположение рельсового пути в пространстве определяется
трассой, планом и профилем.
Трасса – ось пути, нанесенная на карту (на план выработки)
или разбитая на местности с помощью реперов.
План пути – проекция трассы на горизонтальную плоскость.
Профиль пути – проекция развернутой (не искаженной по
длине) трассы на вертикальную плоскость.
Рельсовый путь состоит из двух основных частей: нижнего
(основания) и верхнего строений.
К нижнему строению относится земляное полотно с искусственными сооружениями (мостами, путепроводами, акведуками), а
для подземных путей – почва выработки с соответствующими продольными и поперечными уклонами и водоотливными канавками.
Верхнее строение составляет балластный слой, шпалы, рельсы,
рельсовые скрепления и различное путевое оборудование.
16
2
3
1
Sк
Sр
Рис.6. Схема взаимодействия ходовой части подвижного состава
с рельсовым путем
1, 3 – рельсы; 2 – колесная пара или полускат
Рельсовые пути, представляющие собой две нити скрепленных между собой рельсов (рис.6), характеризуются шириной рельсовой колеи Sp, которая измеряется расстоянием между внутренними
поверхностями головок рельсов.
Колесная колея Sк – расстояние между наружными (рабочими) кромками реборд колес подвижного состава (локомотивов и вагонеток). Связь между рельсовой и колесной колеей следующая:
S p  S к  x,
где x – игра колеи, обеспечивающая центрирование колесных пар
(или полускатов) в движении и предотвращающая возможность расклинивания реборд колес между головками рельсов, для подземных
рельсовых путей x = 10 мм.
Что касается ширины рельсовой колеи, то она для угольных
шахт может быть 600 и 900 мм, для рудников – 750 мм. На поверхности, в карьерах, чаще используется нормальная колея Sp = 1524 мм.
Колея меньше 1524 мм называется узкой колеей. Допуски на колею для подземных рельсовых путей – 2 + 4 мм.
17
Для рудничного рельсового транспорта применяют рельсы с
различными линейными массами: 18, 24, 33 кг/м и более. Выбор типа рельса определяется величиной нагрузки на колесную пару от
подвижного состава и степенью ответственности рельсового пути. В
последнее время применяют, как правило, тяжелые рельсы.
Балластный слой предназначен для распределения давления
от шпал на возможно бόльшую площадь нижнего строения, образования под шпалой упругой подушки, предупреждения относительного смещения шпал, дренажа воды и создания постоянного уклона
на участках рельсового пути.
Для формирования балластного слоя используют щебень
из изверженных пород фракции 20-40 мм и дробленый гравий
фракции 3-20 мм.
Шпалы предназначены для укрепления на них рельсов и передачи давления от рельсов на балластный слой. Применяют шпалы
деревянные (предварительно пропитанные антисептиком), металлические и из предварительно напряженного бетона.
Рельсовые скрепления служат для соединения смежных
рельсов в стыках и для прикрепления рельа
сов к шпалам, стык располагают между

сближенными шпалами.
Для перевода отдельных вагонеток
с
одного
пути на другой применяют плиты
б

и поворотные круги, а для перевода составов используют стрелочные переводы или
в
съезды (рис.7), которые характеризуются

маркой крестовины
г

Рис.7. Схемы устройств
для перевода подвижного
состава на другой путь:
а, б, в – правый, левый и
симметричный стрелочные
переводы; г – съезд (правый)
18
M  2tg

,
2
где  – угол между осями сходящихся путей.
В зависимости от направления ответвления боковых путей различают правые,
левые и симметричные стрелочные переводы
(рис.7 а, б, в). Для соединения параллельных
путей применяют съезды (рис.7, г).
6
2
3
4
5


1
9
10
7
8
Рис.8. Схема стрелочного перевода
1, 2 – перья; 3, 9 – рамные рельсы; 4, 8 – контррельсы; 5 – крестовина;
6 – габарит приближения подвижного состава; 7 – предельный столбик;
10 – привод перевода
Для стрелок используют следующие переводные механизмы (рис.8):
 ручные индивидуальные;
 ручные групповые;
 с дистанционным управлением.
3.2.2. Особенности укладки рельсовых путей на закруглениях
На закруглениях рельсовые пути укладывают с превышением наружного рельса над внутренним и с уширением колеи.
Укладка наружной нитки с превышением (рис.9) обеспечивает прохождение равнодействующей силы тяжести и центробежной
силы через ось симметрии пути и вагонетки. Благодаря этому исключается сход подвижного состава с рельсов на закруглениях пути.
Из расчетной схемы (рис.9) находим превышение (в миллиметрах) наружного рельса над внутренним:
19
h  100
Pц
v2
,
R / Sp
где v – скорость движения подвижного состава (вагонетки), м/с; R – радиус криволинейного участка, м; Sp –
рельсовая колея, м.
Уширение рельсовой колеи на
закруглении (рис.10) производится за
счет сдвижки внутрь кривой внутреннего рельса из условия вписывания
реборд колес подвижного состава при
заданной жесткой базе B в рельсовую
колею на участке закругления пути.
Величина уширения (в миллиметрах):
h
G0
Sp
Рис.9. Расчетная схема
к определению превышения
наружного рельса
над внутренним
S p 
3000
.
( R / B) 3
B
Lp
Sp
R
Lp
Sp
Рис.10. Схема укладки рельсового пути на закруглении
20
Разгон уширения и превышение наружного рельса над внутренним осуществляют постепенно на примыкающих к кривой с обеих сторон участках, длина которых (в метрах) Lp = (1/31/10)h.
Радиус закругления для подземных рельсовых путей
R = (710)B.
3.3. РУДНИЧНЫЕ ВАГОНЕТКИ
3.3.1. Классификация, основные элементы
и требования к вагонеткам
Рудничные (шахтные) вагонетки различаются по следующим
признакам:
 по назначению – грузовые, людские (пассажирские), специальные (вспомогательные);
 по грузоподъемности (или вместимости кузова) – малой
(до 1 т или 1,25 м3), средней (1-2 т или 1,25-2,8 м3); большой (больше 2 т или 2,8 м3);
 по типу кузова и способу его разгрузки – с глухим неопрокидным, с саморазгружающимся (опрокидным, с откидными бортом, торцевой стенкой, днищами или донной разгрузкой);
 по форме поперечного сечения кузова – с прямоугольным
(рис.11, а), трапецеидальным (рис.11, б), анзеновским (рис.11, в),
полукруглым (рис.11, г), прямоугольным с утопленными колесами
(рис.11, д);
 по ширине колеи;
а
б
в
г
д
Рис.11. Формы поперечных сечений кузовов шахтных вагонеток
21
2
1
3
6
5
В
k
4
L0
Рис.12. Шахтная (рудничная) вагонетка с глухим кузовом
1 – сцепной прибор; 2 – кузов; 3 – буфер; 4 – рама; 5 – подвагонный упор;
6 – колесная пара или полускат
 по типу сцепок – с крюковыми вращающимися, штыревыми вращающимися, автоматическими (замыкание автоматическое,
размыкание вручную с помощью тяги);
 по устройству ходовой части – с колесными парами и полускатами.
Наибольшее распространение получили в горной промышленности вагонетки с глухим кузовом и полукруглым днищем
(61  в рудной и 96  в угольной промышленности), благодаря
высокой надежности при эксплуатации в тяжелых условиях горного производства.
Вагонетка состоит (рис.12, 13) из следующих основных элементов: кузова; рамы (имеются безрамные вагонетки с самонесущим
кузовом); полускатов (ось с двумя свободно вращающимися на ней
колесами) или колесных пар (ось с жестко закрепленными на ней
колесами); подвагонного упора (для взаимодействия с кулаками
толкателя, подвагонной цепи или компенсатора высоты); двух буферов; двух сцепных приборов.
Комплект из двух полускатов называется скатом.
22
а
5
б
4
3
2
1
6
Рис.13. Вагонетки с опрокидным кузовом (а) и с откидными днищами (б)
1 – рама; 2 – разгрузочная шина; 3 – ролик; 4 – кузов; 5 – откидной борт;
6 – секция откидного днища
К рудничным вагонеткам предъявляются следующие требования:
 безопасность сцепки и расцепки вагонеток на конечных
станциях;
 минимальные размеры и масса при заданной вместимости кузова;
 прочность и жесткость конструкции, достаточная для восприятия всех нагрузок (постоянная нагрузка – собственный вес и вес
перемещаемого груза, сила тяги при установившемся движении;
кратковременные нагрузки – центробежная сила на закруглении
рельсового пути, сила инерции при неустановившемся движении –
разгоне и торможении, удары кулака толкателя в подвагонный упор,
удары на стыках рельсов);
 устойчивость вагонетки при любом расположении груза в
кузове, плане и профиле рельсового пути;
 малые сопротивления движению;
 легкое и полное опорожнение кузова при разгрузке вагонетки;
 низкие эксплуатационные расходы.
23
3.3.2. Основные характеристики рудничных вагонеток
Основные конструктивные и эксплуатационные характеристики, определяющие уровень показателя качества рудничной вагонетки как массового средства рудничного транспорта, следующие:
1. Вместимость кузова V (в кубических метрах). Принимается из ряда (предпочтительных чисел) 1; 1,4; 2; 2,8; 4; 5; 6; 10 м3.
2. Грузоподъемность G (в тоннах). Этот показатель является
производным от вместимости кузова:
G = V,
где  – насыпная плотность транспортируемого груза, т/м3.
3. Коэффициент сопротивления движению вагонетки (рис.14).
Определяется как отношение суммарного сопротивления движению W (в ньютонах), возникающего при движении с равномерной
скоростью по прямолинейному горизонтальному пути, к полному
весу вагонетки, т.е.
w 
W
10 3 ,
gGв
(3)
где g – ускорение свободного падения, м/с2; Gв – масса вагонетки, т;
для порожней вагонетки Gв = G0, а для груженой Gв = G0 + G; G0 –
масса порожней вагонетки, т.
Расчетное
значение
коэффициента сопротивления
движению вагонетки может
W
быть найдено следующим образом. Крутящий момент, неD
d
обходимый для качения приведенного колеса по рельсам
(в килоньютонах на метр),
gG
gG0
Рис.14. Расчетная схема к определению
коэффициента сопротивления движению
вагонетки
24
d

M к  gGв  r  f  Kp ,
2

где r – коэффициент (плечо)
трения качения, м; f – коэф-
фициент трения в подшипниках (буксах) колесных пар; d – диаметр цапфы оси колесной пары, м; Kр – коэффициент трения реборд колес о головки рельсов, Kр > 1.
Суммарное сопротивление движению
W
2M к 3
10 ,
Dк
где Dк – диаметр колеса, м.
Отсюда в соответствии с формулой (3)
d

w  2 Dк1 K р  r  f  .
2

Значения очень важного эксплуатационного показателя w ,
определяющего энергоемкость транспортирования грузов, в зависимости от типа подшипников, состояния их смазки, условий эксплуатации, загруженности вагонетки транспортируемым грузом, изменяется в достаточно широких пределах: w  = 0,0050,012.
При расчете и выводе параметров локомотивной откатки часто удобнее пользоваться не коэффициентом сопротивления движению, а удельным сопротивлением движению. Его физический смысл
– усилие (в ньютонах), которое необходимо приложить для перемещения по горизонтали с постоянной скоростью один килоньютон состава.
Удельное сопротивление движению (в ньютонах на килоньютон)
w0  1000 w.
Таким образом, если w  – величина относительная (безразмерная), то w0 – размерный показатель, численное значение которого в 1000 раз превышает показатель w  .
Использование показателя w0 вместо w  связано с тем, что
сила тяги, необходимая для передвижения состава, на несколько
порядков меньше его веса, поэтому вычисления существенно
упрощаются.
25
Различают следующие показатели w  (или w0 ): для груженой вагонетки при установившемся движении wг ( w0г ), порожней
вагонетки при установившемся движении wх ( w0х ), груженой ваго (w0г.п ), порожней вагонетки при
нетки при ее трогании с места wг.п
 (w0х.п ). Ясно, что wг  w, а wг  wх . Для
ее трогании с места wх.п
этого, ходовая часть вагонетки должна быть спроектирована так,
чтобы минимальные сопротивления были при перемещении груженого состава. Чем меньше коэффициент сопротивления движению
w  или удельное сопротивление движению w0 , тем более совершенной является вагонетка.
4. Коэффициент тары. Показывает эффективность конструкции транспортного средства, используемого для перевозки груза,
K т  G0 / G.
Обычно для угольных вагонеток Kт = 0,450,7, а для рудничных Kт = 0,40,6.
Чем меньше значения коэффициента тары, тем более совершенна вагонетка (конечно, при условии выполнения всех остальных
предъявляемых к ней требований).
5. Коэффициент использования габаритных размеров
K г  V / V0 ,
где V0 – габаритный объем (прямоугольная призма, в которую вписана вся вагонетка), м3.
6. Удельная вместимость (в кубических метрах на тонну)
qV  V / G0 .
7. Линейная вместимость (в кубических метрах на метр)
q L  V / lв ,
где lв – длина вагонетки по сцепкам, м.
26
8. Коэффициент
поперечной
(боковой) устойчивости (рис.15)
Мв
 1,2,
Мo
Pц

где Мв, Мо – моменты восстанавливающий и опрокидывающий вагонетку в поперечном направлении относительно ее продольной оси, кНм,
G v2
М в  gG ; M o  в h0 ;
2
R
Sр
h0
Kб 
Mв
Mо
Gв
Sр
Рис.15. Расчетная схема
к определению коэффициента
боковой устойчивости
v – скорость движения вагонетки, м/с; R – радиус закругления рельсового пути, м; h0 – превышение центра массы вагонетки над головками рельсов, м.
Поперечная устойчивость рудничных вагонеток обычно
обеспечивается при угле устойчивости (рис.15)   22.
9. Коэффициент продольной устойчивости (рис.16)
Kпр 
Мв
 1, 2 ;
Мo
Mв
Mо
Рц.в
Ри.г
b
h
G0
В
а
Рис.16. Расчетная схема к определению продольной устойчивости
27
М в  gG0
B
; M o  Pи.в h0  gGг l  Pн.г hг ,
2
где Ри.в, Ри.г – силы инерции порожней вагонетки и находящегося в
конце кузова груза массой Gг; l – удаление центра массы груза от
ближайшей оси колесной пары, м; hг – превышение центра массы
груза над головками рельсов, м.
3.3.3. Мероприятия по повышению
долговечности вагонеток
Вагонетки являются массовым транспортным оборудованием на горном предприятии, поэтому весьма актуальны способы повышения долговечности вагонеток, что позволяет существенно снизить эксплуатационные расходы на рудничном транспорте и снизить
себестоимость добычи полезного ископаемого.
К мероприятиям по повышению долговечности рудничных
вагонеток, реализуемым при их проектировании, изготовлении и
эксплуатации, можно отнести:
 прогнозирование и учет всех возможных нормальных эксплуатационных нагрузок на конструктивные элементы вагонетки;
 изготовление кузова из низколегированных сталей (лигатура: медь, хром, марганец, никель);
 горячее оцинкование кузовов;
 окрашивание, лаковое покрытие;
 изготовление кузова из стеклопластика;
 изготовление кузова из алюминиевых сплавов (удается
снизить коэффициент тары до 0,17).
На предприятиях долговечность вагонеток и их эксплуатация при нормативных значениях коэффициентов сопротивления
движению обеспечивается при регулярной ревизии состояния ходовой части (на испытательных горках), смазке подшипников колесных пар и полускатов, очистке внутренней поверхности кузовов от
налипшего груза, неуклонном соблюдении правил эксплуатации.
28
3.4. РУДНИЧНЫЕ ЛОКОМОТИВЫ
3.4.1. Виды локомотивов и их основной показатель
Применяемые на горных предприятиях локомотивы в зависимости от способа питания двигателей энергией делятся на две группы:
1) с источником энергии на самом локомотиве (дизелевозы,
воздуховозы, аккумуляторные электровозы, инерционные локомотивы – гировозы);
2) с источником энергии вне локомотива (контактные, контактно-кабельные, высокочастотные, конденсаторные).
В ряде случаев применяются локомотивы смешанного типа
(например, контактно-аккумуляторные).
Локомотивы первой группы работают с уменьшающимся запасом энергии, поэтому периодически на специальных станциях
необходимо производить пополнение энергии.
Локомотивы второй группы не связаны со станцией, но требуют специального оборудования пути для непрерывного питания
энергией во время движения. Для электровозов различных типов –
это тяговая питающая сеть.
Наибольшее распространение получили контактные и аккумуляторные электровозы, работающие на постоянном токе с применением в качестве тяговых двигателей с последовательным возбуждением.
Основной характеристикой локомотива любого типа является его сцепной вес Р, т.е. вес, приходящийся на его ведущие оси.
Для рудничных локомотивов сцепной вес равен полному весу, так
как все оси – ведущие.
3.4.2. Классификация электровозов
Используемые на горных предприятиях электровозы можно
классифицировать по следующим признакам.
1. По способу питания – контактные, индукционно-высокочастотные, аккумуляторные, аккумуляторно-контактные, контактнокабельные.
29
2. По роду тока – постоянного и переменного тока.
3. По сцепному весу – легкие (до 5g кН), средние (от 5 до
10g кН), тяжелые (больше 10g кН).
4. По назначению – магистральные, маневровосборочные.
5. По ширине колеи.
6. По конструктивному исполнению кузова – рамные (колесные пары установлены на раме) и тележечные.
7. По конструктивному исполнению ходовой части – с индивидуальным приводом на каждую колесную пару (основной тип локомотивов) и с групповым приводом (от одного тягового двигателя
через коробку передач).
8. По способу управления – с непосредственной (контроллерной) и косвенной (контакторной) системами управления тяговыми
двигателями.
9. По способу торможения – с механическим; с механическим и электрическим реостатным; механическим, электрическим
реостатным и электромагнитным торможением.
10. По типу привода механических тормозов – с ручным,
пневматическим и гидравлическим приводами.
3.4.3. Конструкция электровоза, его основное
оборудование и параметры
Простейший электровоз рамной конструкции (рис.17) состоит из следующих элементов: рамы с кабиной; двух колесных
пар с их рессорным подвешиванием к раме; тяговых передач; колодочных тормозов с системой привода из кабины машиниста
(может быть две кабины с разных сторон электровоза); буферов
со сцепными устройствами; песочниц для подсыпки песка на
рельсы при трогании локомотива с места (под каждое колесо);
токосъемника (пантографа) для контактного электровоза и съемной аккумуляторной батареи для аккумуляторного электровоза;
устанавливаемой на роликах рамы электровоза; пускорегулирующей аппаратуры и осветительной арматуры во взрывобезопасном
исполнении.
30
3
2
5
4
6
1
12 11
10
9
8
7
Рис.17. Конструктивная схема шахтного (рудничного) электровоза
1 – буфер; 2 – батарейный ящик (для аккумуляторного электровоза); 3,4 – контактный
провод и токосъемник (для контактного электровоза); 5 – кабина машиниста; 6 – контроллер или контактор; 7 – рама; 8 – кузов; 9 – букса; 10 – механическая тормозная
система; 11 – колесная пара; 12 – рессорное подвешивание кузова
Рама электровоза изготавливается в двух исполнениях, в зависимости от этого может быть наружной и внутренней (по отношению к колесам). Толщина боковых и торцевых стенок рамы выбирается из условия обеспечения заданного сцепного веса – для контактных электровозов и из условия обеспечения прочности – для аккумуляторных.
Буфера могут быть жесткие, полужесткие и эластичные.
Каждая колесная пара состоит из оси, двух колесных центров и надетых на них (при горячей посадке) стальных бандажей
наружным диаметром 680 или 760 мм.
Подшипники колесных пар размещены в буксах, которые
упруго связаны с рамой через систему рессорного подвешивания
(рис.18).
Рессорная подвеска рамы (рис.19) может быть индивидуальная, балансирная – с продольными и поперечными балансирами.
Рессоры выполняют из спиральных или листовых пружин.
Наиболее распространенный тип тяговой передачи с индивидуальным приводом выполняется по схеме так называемой трам31
в
б
а
Рис.18. Варианты подвески кузова с помощью одиночных рессор (а),
продольных (б) и поперечных (в) балансиров
4
3
5
2
1
6
Рис.19. Схема рессорного подвешивания кузова (рамы)
1 – букса; 2 – кузов (рама); 3 – рессора (пластинчатая); 4 – серьга;
5 – хомут; 6 – упор
вайной подвески двигателя. В этом случае двигатель, жестко соединенный с редуктором, со стороны двигателя с помощью спиральных пружин, опирается на кронштейны рамы, а тихоходный вал
редуктора является одновременно осью колесной пары. При этом
в качестве тяговых используют тихоходные (рис.20) или быстроходные (рис.21) двигатели.
Расположение тяговых двигателей относительно осей колесных пар (расстояние между ними – жесткая база В электрово32
за) может быть наружное, последовательное и внутреннее
(рис.22).
33
6
1
2
3
7
4
5
8
В
Рис.20. Тяговые передачи электровоза с тихоходным двигателем
1 – двигатель; 2 – шестерня; 3 – зубчатое колесо; 4 – колесная пара; 5 –
моторно-осевой подшипник; 6 – пружинная подвеска двигателя; 7 – рама;
8 – носовой прилив двигателя
4
2
5
3
6
7
1
Рис.21. Тяговая передача с быстроходным электродвигателем
1 – двигатель; 2 – пружинная подвеска; 3 – двухступенчатый редуктор;
4 – букса; 5 – колесная пара; 6 – рельсовый путь; 7 – осевой подшипник
34
а
б
В1
в
В2
В3
Рис.22. Схема расположения тяговых передач электровоза: а – внешнее;
б – последовательное; в – внутреннее
Минимальная жесткая база В1 соответствует наружному расположению тяговых двигателей, максимальная В3 – внутреннему. В
этом случае маневренность электровоза с увеличением жесткой базы
уменьшается, а устойчивость – увеличивается. Поэтому расположение тяговых двигателей определяет важные эксплуатационные возможности и недостатки электровозов, что должно учитываться при
выборе конструкции локомотива в соответствии с условиями его
эксплуатации (состоянием путевого хозяйства, радиусами рельсовых
путей, горно-техническими и другими условиями).
В настоящее время магистральные контактные электровозы
выпускаются со сцепными весами 7, 10, 14, 28g кН, а аккумуляторные – 10, 14, 20g кН. Скорость движения обычно не более 20 км/ч.
Напряжение контактной сети 250 и 500 В, а на выходе аккумуляторной батареи от 40 до 160 В. Аккумуляторные батареи щелочные,
железоникелевые типа ТЖН, реже – свинцовые.
Частота вращения якоря тяговых быстроходных электродвигателей от 900 до 1100 об/мин.
3.4.4. Пневмовозы, гировозы
и специальные типы электровозов
Пневмовозы (воздуховозы) и гировозы относятся к локомотивам с убывающим запасом энергии. В первом случае необходимо
периодически менять баллоны со сжатым воздухом, а во втором – на
специальной станции производить раскрутку маховика для сообщения ему дополнительной кинетической энергии.
35
3
6
4
5
2
7
9
8
1
10
Рис.23. Принципиальная схема воздуховоза
1 – устройство для снижения давления сжатого воздуха, поступающего из сменных
баллонов 10; 2, 5 – воздухонагреватели высокого и низкого давления; 3, 9 – колесные
пары; 4 – шатун; 6, 8 – цилиндры высокого и низкого давления с золотниковыми
устройствами; 7 – выхлоп пневмосистемы локомотива
Колесные пары пневмовоза (рис.23) приводятся во вращение
с помощью кривошипно-шатунных механизмов с взаимным угловым смещением кривошипов с правой и левой стороны локомотива.
Привод каждого кривошипно-шатунного механизма осуществляется
от силовых цилиндров высокого и низкого давления. Площади
поршней цилиндров обратно пропорциональны давлению воздуха
в них: диаметр цилиндра высокого давления меньше диаметра цилиндра низкого давления.
Цилиндр высокого давления питается от съемных баллонов
сжатого воздуха через редукционный клапан, понижающий давление с (175-225)105 до 16  105 Па. Воздух проходит через воздухоподогреватель (расширяющийся воздух подогревается при движении
локомотива встречным потоком рудничного воздуха). Выхлоп цилиндра высокого давления (давление воздуха около 6  105 Па) через
воздухоподогреватель низкого давления направляется в цилиндр
36
низкого давления, из которого, после совершения работы, выбрасывается в атмосферу.
Сцепные веса пневмовозов от 8 до 10g кН, скорость их движения 3-4 км/ч, развиваемая ими сила тяги около 7,5 кН, а суммарная мощность, развиваемая двумя пневмоцилиндрами, 30-40 л.с.
Источником энергии гировоза является размещенный на вертикальной оси маховик, который через коробку передач связан с колесными парами локомотива. Параметры испытанного гировоза:
диаметр маховика 940 мм, начальная частота его вращения после
раскручивания 3000 об/мин, развиваемая мощность 30 л.с. при скорости движения локомотива от 3 до 12 км/ч. Сцепной вес гировоза
около 57 кН. Время зарядки (раскручивания маховика) 12 мин при
давлении сжатого воздуха в сети (4,9-5,9)105 Па (5-6 атм).
Кроме рассмотренных типов локомотивов, существуют разработки в области создания альтернативных локомотивов на электрической тяге. К ним можно отнести рудничные электровозы с гидроприводом – сочетание нерегулируемого электродвигателя и регулируемой
гидропередачи объемного типа с гидродвигателями. По такой схеме
выполняются как контактные, так и аккумуляторные электровозы.
Известны результаты испытания конденсаторного электровоза. Тяговый двигатель – однофазная электрическая машина с двумя обмотками статора и короткозамкнутым ротором. Одна из обмоток присоединяется к сети непосредственно, а другая – через конденсатор, обеспечивающий необходимый сдвиг фаз для реализации
крутящего момента на валу тягового двигателя.
Известно также техническое решение, обеспечивающее бесконтактную передачу энергии от питающего кабеля к электродвигателю (бесконтактный высокочастотный электровоз). Частота тока
3000 Гц. На электровозе имеются выпрямители, питающие двигатели постоянного тока.
37
3.5. ОСНОВЫ ТЯГОВОГО РАСЧЕТА
3.5.1. Уравнение движения поезда
Движение поезда (локомотива с прицепленным к нему составом), как и всякого материального тела, может быть описано
дифференциальным уравнением
F  W0  Kи  103
P  Q dv
,
g dt
где F – сила тяги, развиваемая локомотивом, Н; W0 – суммарные
статические сопротивления движению поезда, Н; Р – вес (сцепной
вес) локомотива, кН; Q – вес прицепной части поезда (состава), кН;
Kи – коэффициент, учитывающий инерцию вращающихся масс поезда; dv/dt – ускорение движения поезда, м/с2.
Коэффициент инерции
K и 1 
РK э  QKв
,
РQ
где Kэ, Kв – коэффициенты, учитывающие инерцию вращающихся
масс локомотива и вагонеток; обычно KЭ = 0,036÷0,04; KВ = 0,03÷0,04.
Для поезда Kи = 1,06÷1,08.
Дифференциальное уравнение называется основным уравнением движения поезда, оно позволяет найти необходимую величину
силы тяги при различных режимах работы локомотива как тягового
агрегата.
Сила тяги при неустановившемся режиме работы в период
пуска (трогания поезда с места)
F  W  Kи 103
P  Q dv
,
g
dt
где W – статические сопротивления движению, W0 = W; в этом
режиме dv/dt > 0.
При равномерном движении dv/dt = 0, а уравнение движения поезда
F  W ,
38
т.е. потребная сила тяги численно равна суммарным статическим
сопротивлениям движению.
При торможении поезда, когда тяговые двигатели выключены
и F = 0, к силам естественного сопротивления движению W добавляется искусственное сопротивление – тормозная сила В. Тогда W0 =
= W + B. В этом случае уравнение движения поезда примет вид
  W  B   Kи  103
P  Q dv
,
g dt
в котором dv/dt < 0.
При свободном выбеге, когда торможение поезда осуществляется только за счет естественных сопротивлений движению W,
т.е. В = 0 (W0 = W), уравнение движения поезда
W  Kи 103
P  Q dv
.
g dt
Режим свободного выбега может быть реализован, когда
W > 0, так как только в этом случае dv/dt < 0, т.е. поезд будет двигаться с замедлением и рано или поздно остановится без искусственного
его подтормаживания. Если же W < 0, то после выключения двигателей локомотива (F = 0) поезд начнет двигаться с ускорением, что совершенно недопустимо. В этом случае должно быть применено искусственное торможение (3-й режим).
Для того, чтобы использовать полученные уравнения при
практических расчетах локомотивной откатки, должны быть выявлены механизмы реализации силы тяги F и тормозной силы В, а
также найдена зависимость, определяющая величину статических
сопротивлений движению поезда W.
3.5.2. Механизмы реализации силы тяги и тормозной силы
При движении поезда с включенными двигателями локомотива сила тяги F может быть получена только за счет работы тяговых двигателей. При этом внутренние силы тяги реализуются во
внешнюю (по отношению к поезду) силу тяги F через взаимодействие с рельсами колесных пар локомотива.
39
M
Dк
F
F
P
Fсц
v
Fсц max
Рис.24. Расчетная схема к определению тягового усилия,
развиваемого локомотивом
Внутренней по отношению к поезду силой тяги является
крутящий момент М (в ньютон-метрах), развиваемый двигателем
(через редуктор) на ведущих колесных парах, и который может быть
реализован (рис.24) только в виде пары сил (в ньютонах)
F  2M / Dк ,
где Dк – диаметр колеса, м.
Силы F приложены в двух точках: к колесу (приведенному)
в месте его контакта с рельсом и к подшипникам колесной пары.
Первая сила F уравновешена силой сцепления Fсц колеса с
рельсом, являющейся реактивной силой, возникающей поскольку
действует сила F. Вторая сила F (приложенная к подшипнику) остается неуравновешенной, а потому вызывает качение колеса (колесной пары) по рельсам и, следовательно, поступательное движение
локомотива и соединенного с ним состава. Эта сила F и является
силой тяги.
Таким образом, реализация внутреннего крутящего момента М во внешнюю силу тяги F возможна лишь при наличии внешней
силы Fсц сцепления колес с рельсами, если F = Fсц.
Но с другой стороны, Fсц не может быть беспредельной, а ограничена коэффициентом сцепления ведущих колес локомотива с рельсами  и усилием Р прижатия ведущих колес локомотива к рельсам, т.е.
40
Fсц max  1000P .
Отсюда и максимально возможная сила тяги Fmax также
ограничена Fсц, так как F = Fсц. Тогда из условия сцепления колес
локомотива с рельсами
F max  1000P .
С другой стороны, сила тяги F ограничена мощностью тяговых
двигателей N (в киловаттах), поэтому из условия использования полной
мощности тяговых двигателей максимально возможная сила тяги
  3,6
Fmax
N
т.п ,
v
где v – скорость движения поезда, км/ч; ηт.п – КПД тяговой передачи.
Если сила тяги при использовании полной мощности тяговых двигателей меньше силы тяги из условия сцепления, т.е.
  Fmax , то локомотив называют недомоторенным, если
Fmax
  Fmax , то локомотив называют перемоторенным.
Fmax
Современные локомотивы обычно перемоторены. Это вызвано стремлением увеличить среднеходовые скорости движения
поездов (за счет быстрого разгона) и обеспечить работу тяговых
двигателей без перегрева. Однако при использовании перемоторенных локомотивов не исключено буксование колесных пар, сопровождаемое износом бандажей колес и рельсов.
При торможении поезда к его тормозным колесным парам
(они же – ведущие) прикладывается тормозной момент Мт (рис.25)
за счет тяговых двигателей при электрическом или электродинамическом торможении противотоком и использования тормозных
колодок при механическом торможении.
Внутренний (по отношению к поезду) тормозной момент Мт
также реализуется в виде пары сил В, одна из которых приложена к
рельсам, а вторая – к подшипникам колесных пар, а значит, и к раме
локомотива и ко всему поезду.
Как и сила тяги F, тормозная сила В ограничена максимально возможным значением силы сцепления Fсц max колес локомотива с
рельсами, т.е. всегда
41
Mт
Dк
v
B
Fсц max
P
Fсц
B
Рис.25. Расчетная схема к определению тормозной силы
В  Fсц ,
а максимально возможное значение тормозной силы по условию
сцепления
Вmax  1000 P .
Для условий рудника расчетное значение коэффициента
сцепления колес с рельсами  = 0,10÷0,28.
Попытка превышения силы тяги, определяемой сцеплением
колес с рельсами, приводит к буксованию колес, при котором коэффициент сцепления μ снижается примерно на 30 %, а поэтому снижается и реализуемая сила тяги F. С точки зрения кинематики условие буксования можно представить в виде неравенства
vо  vп ,
где vо, vп – окружная и поступательная скорости движения колеса.
Характер износов бандажа и рельса при буксовании показан
на рис.26, а.
Попытка превышения тормозной силы, определяемой также
сцеплением колес с рельсами, приводит к так называемому юзу –
движению невращающихся колес по рельсам скольжением. При
этом предельное значение тормозной силы снижается. Кроме того,
42
б
а
vп
vo
v
+
2
v
2
интенсивно и, самое главное,
неравномерно
изнашиваются
бандажи колес, а также рельсы
(рис.26, б.). В общем случае
условие возникновения юза
v0  vп .
1
Пути повышения силы
тяги по сцеплению и тормозной
Рис.26. Режимы буксования (а)
силы следующие.
и юза (б) колес локомотива с харакДля увеличения силы
терными картинами износа головок
тяги
пока
найден только один
рельсов (1) и бандажей колес (2)
способ – подмагничивание ведущих колес путем установки намагничивающей катушки внутри
колеса. В результате возникновения магнитного поля в системе колесо – рельс колесо дополнительно прижимается к рельсу, поэтому к
сцепному весу Р добавляется еще сила магнитного прижатия Рм. В
этом случае
1
Fmax  1000( Р  Рм )  .
Для увеличения тормозной силы могут применяться специальные тормозные вагонетки, оборудованные колодочными тормозами, и электромагнитные рельсовые тормоза, устанавливаемые на
локомотиве (электровозе).
В первом случае
Вmax  1000( P  g Gт )  ,
где ΣGт – общая масса тормозных вагонеток, т.
Во втором случае
Вmax  1000 P   nPм f ,
где Рм– сила нажатия одного башмака с электромагнитным приводом на рельс, Н; n – число одновременно включенных башмаков; f – коэффициент трения между башмаком и рельсом,
f = 0,09÷0,15.
43
33
44
55
66
22
1
1
Р
Рмм
7
7
Рис.27. Увеличение тормозной силы с помощью подвесного
электромагнитного башмака
1 – рельс; 2, 6 – колесные пары; 3 – рама; 4 – пружинная подвеска
башмака 7; 5 – направляющие
Электромагнитный рельсовый тормоз (рис.27) состоит из
двух башмаков, кинематически связанных поперечинами и подвешенных на пружинах между колесными парами электровоза. При
включении электромагнитов башмаки, преодолевая сопротивление
пружин, прижимаются к рельсам и обеспечивают дополнительную
тормозную силу.
3.5.3. Статические сопротивления движению поезда
При движении поезда в установившемся режиме (с постоянной скоростью) на произвольном участке пути в соответствии с его
профилем (см. п.3.2.1) на поезд (рис.28, а) действуют следующие силы: вес поезда (P + Q); синусоидальная составляющая веса
(P + Q)sinβ, где β – угол наклона рельсового пути на рассматриваемом
участке и сила сопротивления движению, вызванная трением качения
колес по рельсам и в буксах колесных пар. В соответствии с известным законом Кулона (P + Q)sinβ = (P + Q)wcosβ, где w – коэффициент сопротивления движению подвижного состава (см.п.3.3.1).
Таким образом, при движении поезда на прямолинейном
участке пути статические сопротивления движению поезда
44
a
W  ( P  Q) 
v
v

 (w'cos   sin )103 ,
(4)
где P и Q измеряются в килоньютонах, а ΣW – в ньютонах.
При движении поезда на
б
подъем синусоидальная составi = 1 % = 0,001 = arctg 0,001
ляющая веса поезда должна быть
1м
преодолена, поэтому в уравнении стоит знак «+»; при движе1000 м
нии поезда под уклон синусоиРис. 28. Схема к определению статиче- дальная составляющая способских сопротивлений движению поезда
ствует движению, компенсируя
на прямолинейном участке пути (а) с
соотношением уклонов рельсового пути, силы сопротивления от трения
измеренных в промилле, относительных качения и в буксах колесных пар.
и угловых единицах (б)
В этом случае в уравнении sinβ
следует брать со знаком «–».
Углы наклона β рельсовых путей малы (рис.28, б), поэтому в
уравнении (4) принимают cosβ  1, а sinβ  tgβ; при малых углах β
численные значения этих тригонометрических функций с точностью
до четвертого знака после запятой одинаковы.
Тангенс угла β наклона рельсового пути к горизонту называют уклоном пути, i = tgβ.
Таким образом, статические сопротивления движению поезда могут иметь вид
P+Q
W  ( P  Q)(w ' i)103 ,
(5)
где w – коэффициент сопротивления движению поезда (в относительных единицах); i – уклон рельсового пути (в относительных
единицах).
Помимо угловых (градусы, радианы) и относительных единиц для численной оценки и измерения уклонов используют и другие показатели: уклон пути в процентах i % и в промилле i ‰. Соотношения этих показателей с величиной уклона в относительных
единицах (рис.28, б) следующие:
45
i % = 100i; i ‰ = 1000i.
(6)
Последний показатель наиболее удобен, так как он адекватен
удельному коэффициенту сопротивления движению w, измеряемому
в ньютонах на килоньютон (см.п.3.3.1). Этими показателями мы будем пользоваться в дальнейшем. Обозначим i ‰ через i (для простоты), тогда статические сопротивления движению по прямолинейной
трассе в окончательном варианте
W  ( P  Q )( w  i ) .
В плане рельсовые пути имеют, как правило, значительное
число криволинейных участков, на которых статические сопротивления движению возрастают за счет трения реборд колес о внутренние кромки головок рельсов. Поэтому при проходе поездом
криволинейных участков рельсового пути статические сопротивления (рис.29)
W  ( P  Q)( w  i  wкр ) ,
lп
lк
R
Рис.29. Схема к определению дополнительных сопротивлений
движению поезда на криволинейном участке рельсового пути
46
где  – отношение длины lк криволинейного участка к длине lп поезда,  = lк/lп; wкр – удельное сопротивление движению, вызванное
трением (скольжением) реборд колес о рельсы, Н/кН,
wкр  К
35
R
;
К – коэффициент, учитывающий способ укладки рельсового пути на
закруглении; если он уложен с превышением наружного радиуса над
внутренним, К = 1, если – нет, К = 1,5; R – радиус закругления рельсового пути, м.
3.5.4. Расчетные уравнения движения поезда
и тяговые диаграммы
Все возможные режимы движения поезда (см.п.3.5.1) с учетом пояснений, приведенных в п.3.5.3, при d v / dt  a ; K и = 1,075
могут быть описаны следующими уравнениями.
1. В период неустановившегося движения (при пуске, разгоне, ускорении в процессе движения поезда)
F  ( P  Q)(w  i  wкр  111а) .
2. В период установившегося (равномерного) движения
F  ( P  Q)( w  i  wкр ) .
3. В период торможения
0  ( P  Q)(w  i  wкр  111а  b) ,
где b – удельная тормозная сила, Н/кН, b/(P + Q).
4. В период свободного выбега
0  ( P  Q)(w  i  wкр  111а) .
В приведенных формулах при разгоне а > 0, при торможении
(замедлении) с помощью тормозных систем или при свободном выбеге а < 0.
47
а
б
F, H
0
B
t, мин
v, ср.х
v, км/ч
F = 0;
B=0
0
t, мин
F = 0; B  0
Рис.30. Примерные диаграммы потребного тягового (тормозного)
усилия (а) и скорости движения (б) поезда
Диаграммы изменения тягового усилия, развиваемого локомотивом при движении поезда между конечными пунктами, и изменение скорости движения во времени показаны на рис.30.
3.6. ВИДЫ УКЛОНОВ РЕЛЬСОВОГО ПУТИ
Расчет локомотивной откатки выполняется с учетом условий
работы локомотива на различных участках рельсового пути, связанных
с изменением уклона пути на отдельных его участках и протяженностью этих участков. В связи с этим используют понятие среднего уклона, руководящего (преобладающего) подъема и соответствующего ему
затяжного спуска, а также уклона равного сопротивления.
Средний уклон (рис.31, а) определяется как средневзвешенная величина уклонов i1, i2… на участках протяженностью L1, L2…
или как отношение превышения Н (разность в отметках) конечного
пункта 2 над начальным 1 к проекции L развернутой трассы на горизонтальную плоскость. В первом случае
iср 
во втором случае
48
i1L1  i2 L2  ...
;
L1  L2  ...
а
L4,i4
L2,i2
L1,i1
1
L6,i6
б
2
H
L3,i3
L5,i5
Wпоp
Wгp
ip.с
icp
L
Рис.31. Профили рельсового пути: а – схема к определению среднего уклона;
б – профиль пути с уклоном равного сопротивления
Н
.
L
Преобладающим (руководящим) подъемом (затяжным спуском) называют достаточно протяженный участок рельсового пути с
уклоном, близким к максимальному или равным ему. В этом случае
протяженность участка (например, L3) больше длины самого поезда
(рис.31, а).
При строительстве шахт и рудников капитальные выработки,
по которым осуществляется магистральный транспорт, стараются
пройти с уклоном в сторону ствола (вертикального или наклонного),
т.е. в сторону основного грузопотока. Это делается для того, чтобы
уменьшить энергоемкость транспортирования горной массы (угля,
руды, породы), снизить установленную мощность приводов горных
транспортных машин.
Применительно к локомотивной откатке стараются сделать
так, чтобы сопротивления движению груженого поезда ΣWгр (к стволу) и порожнего поезда ΣWпор (от ствола) были одинаковы. Уклон
рельсового пути iр.с, при котором выполняется условие ΣWгр = ΣWпор,
называется уклоном равного сопротивления (рис.31, б).
Различают уклоны равного сопротивления для отдельных
(одиночных) вагонеток и для поездов.
Уклон равного сопротивления для одиночных вагонеток
определяется из соотношения
iср 
g (G  G0 )(wгр  iр.с. )  gG0 (wпор  iр.с. ) ,
где wгр, wпор – удельные сопротивления движению груженой и порожней вагонетки, Н/кН.
49
Полагая wгр = wпор = wср, найдем
iр.с 
wгр (G  G0 )  wпорG0
G  2G0

wср
,
G
1 2 0
G
но G0 / G  K т , поэтому для одиночных вагонеток
iр.с 
wср
1  2Kт
.
По аналогии для поезда исходное уравнение имеет вид
( Р  Qгр )(wгр  iр.с )  ( Р  Qпор )(wпор  iр.с ) ,
где Qгр, Qпор – вес груженого и порожнего состава, кН.
При этом Qгр = Р + g(G + G0)z; Qпор = Р + gG0z, где z – число
вагонеток в составе.
Отсюда для поезда
iр.с 
(Qгр  Qпор ) wср
2 Р  Qгр  Qпор

wср
2Р
1  2K т 
zGg
.
3.7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕСА ПОЕЗДА
3.7.1. Решаемые задачи
Основным параметром, который определяется при расчете
локомотивной (электровозной) откатки, является вес поезда.
По определенному весу поезда может быть рассчитан вес состава (прицепной части поезда) по заданному весу локомотива и вес
локомотива (сцепной вес) по заданному весу состава.
Необходимость решения первой задачи возникает, как правило, при реконструкции предприятия и его составляющей – рудничного транспорта.
50
Вторая задача является естественной при проектировании
нового предприятия или его участка.
По найденному весу состава и заданных (принятых) грузоподъемности и типе вагонеток находят число вагонеток в составе,
число рабочих локомотивов, общий парк вагонеток, локомотивов,
показатели рудничного транспорта (расход энергии, мощность подстанций, параметры кабельной и контактной сети и др.)
В соответствии с рассмотренной выше теорией движения
поезда его вес ограничен тремя условиями:
 сцеплением ведущих колес локомотива с рельсами при силовом режиме;
 мощностью тяговых двигателей локомотива;
 сцеплением ведущих колес локомотива с рельсами при
тормозном режиме.
3.7.2. Определение веса поезда из условия сцепления
Наиболее сложный случай ограничения тяговых возможностей локомотива по условию сцепления ведущих колес с рельсами –
движение груженого поезда на преобладающем подъеме при выполнении, например, маневровых операций.
Полагая в уравнении движения в период пуска F = Fmax =
= 1000Pμ (полное использование силы тяги локомотива по условиям
сцепления); w = wп.гр (удельное сопротивление движению груженой
вагонетки при пуске); а = ап; i = iср (средний уклон, ‰); wкр = 0
(прямолинейный путь в плане); Q = Qгр (вес груженого состава), получим исходное уравнение
1000Р  ( Р  Qгр )( wп.гр  iср  111ап ) .
Отсюда находим максимально возможный по условиям
сцепления вес груженого состава по заданному весу Р локомотива:
1000 Р
Qгр 
 Р.
wп.гр  iср  111ап
51
Аналогичным образом определяется минимальный вес локомотива для заданного веса состава:
Р
Qгр
1000( wп.гр  iср  111ап )1  1
.
Значение коэффициента сцепления колес с рельсами при
пуске μ = 0,24 (с подсыпкой песка под колеса из песочниц).
Ускорение при пуске ап = 0,03÷0,05 м/с2.
При наличии затяжных уклонов, превосходящих icр, вместо
последнего в расчетных формулах подставляется значение руководящего подъема.
3.7.3. Определение веса поезда по мощности
тяговых двигателей
Тяговые двигатели электровозов, как и все электродвигатели, допускают кратковременную перегрузку (без превышения опрокидывающего момента). Поэтому определение веса поезда производится для длительного режима работы электродвигателей. Такому
режиму соответствует период установившегося движения поезда с
установившейся скоростью как в грузовом, так и в порожнем
направлениях.
Для облегчения решения задачи расчетный уклон пути принимают равным уклону равного сопротивления, которому соответствует сила тяги при устоявшемся режиме
Fуст  ( Р  Qгр )(wгр  iр.с )  ( Р  Qпор )(wпор  iр.с ) .
Чтобы тяговые двигатели не перегревались, необходимо выполнение следующего условия: потребная для движения поезда сила
тяги при установившемся режиме Fуст не должна превышать силу
тяги, развиваемую тяговыми двигателями при длительном режиме –
Fдл. Поскольку для современных тяговых двигателей сила тяги пропорциональна (в первом приближении) силе тока в обмотках двигателя, длительная сила тяги может быть определена как среднеквадратичное значение силы тяги. Справедливость этого условия под52
тверждается тем, что количество теплоты, выделяемой обмотками
двигателя, пропорционально квадрату тока, проходящего через эти
обмотки.
Таким образом, для обеспечения работы тяговых двигателей
без перегрева должно выполняться следующее условие:
Fдл  
F12t12  F22t22 
Tдв  

 F t  T
i
2 2
i
1
,
дв  
(7)
где Fi = F1, F2,  – тяговые усилия, развиваемые двигателями локомотива в периоды времени, мин, ti = t1, t2,  при прохождении
участков рельсового пути L1, L2,  с уклонами i1, i2,  (рис.31, а);
Tдв – время движения поезда на всем участке рельсового пути (между конечными пунктами и временем на погрузку (разгрузку) вагонеток), мин;  – суммарная продолжительность маневровых операций,
мин;  – коэффициент, учитывающий включение тяговых двигателей для выполнения маневровых операций локомотивом.
Время движения поезда в одном направлении
Tдв 
60L
,
vср.х
(8)
где L – длина откатки, км; vср.х – среднеходовая скорость движения
поезда, км/ч.
Параметры  и  выбираются следующим образом:
 = 1,151,4 (меньшие значения принимают для большей длины откатки);  = 3040 мин при использовании вагонеток с глухим кузовом и  = 1520 мин для вагонеток с откидными днищами, не требующими разгрузки в опрокидывателях.
Среднеходовая скорость vср.х = (0,750,9)vдл, где vдл – длительная скорость, развиваемая локомотивом, км/ч. Меньшие значения коэффициента принимаются при ограниченной длине откатки
(рис.31, б).
Если для расчета принимается уклон равного сопротивления
iр.с, то формула (7) существенно упрощается (F1 = F2 =  = Fуст):
53
2
Fдл   Fуст
Отношение
Tдв
.
Tдв  
Tдв
  называется относительной продолжиTдв  
тельностью движения.
Таким образом, длительная и расчетная силы тяги при установившемся движении связаны соотношением
Fдл   Fуст    ( P  Qгр )(wгр  iр.с ) .
Отсюда находим максимально возможный вес груженого
(аналогично и для порожнего) состава по заданному весу локомотива из условия ограничения по мощности тяговых двигателей (по допустимому нагреву):
Qгр 
Fдл
  (wгр  iр.с )
P,
а также минимальный вес локомотива по заданному весу состава:
P
Fдл
  (wгр  iр.с )
 Qгр .
Кроме того, параметры vдл (для определения vср.х и Tдв) и Fдл
берутся по тяговой характеристике двигателей локомотива применительно к длительному режиму. Характеристика представляет собой зависимость от токов якоря параметров F и v для часового и
длительного режимов для полного U (тяговые двигатели включены
параллельно) и половинного напряжения 0,5U (тяговые двигатели
включены последовательно), где U – напряжение контактной сети
или на клеммах аккумуляторной батареи.
54
3.7.4. Определение веса поезда из условия торможения
В соответствии с действующими правилами безопасности
(ПБ) тормозной путь поезда на преобладающем уклоне не должен
превышать lт = 40 м при перевозке грузов и lт = 20 м при перевозке людей.
Уравнение движение поезда для этого режима при
wкр = 0, i = iср
O  ( P  Qгр )(wгр  icр  aт )  B ,
(9)
где ат – тормозное замедление, м/с2,
aт 
2
v т2 v дл

;
2lт 2lт
vт – скорость движения поезда перед его затормаживанием, м/с; lт –
нормативный (регламентируемый ПБ) тормозной путь, м.
Принимаем vт  vдл ; значение vдл берется по тяговой характеристике.
Тормозная сила, развиваемая локомотивом, оборудованным
механическими колодочными тормозами (см. рис.25),
B  N   1000P ,
где N – сила нажатия тормозных колодок, H; φ – коэффициент трения колодок о бандажи колес, φ = 0,18÷0,20.
Наибольшая (предельно допустимая) сила нажатия колодок
N  1000 P

 1000 P ,

где δ – коэффициент нажатия тормозных колодок, δ = μ/φ; для
шахтных локомотивов принимают δ = 0,6÷0,8.
Отсюда максимально возможная расчетная тормозная сила
B  1000P ,
а удельная тормозная сила (в ньютонах на килоньютон)
55
b
1000P
.
P  Qгр
(10)
Решая совместно уравнения (9) и (10) относительно Qгр,
найдем максимально возможный вес состава из условия торможения поезда:
Qгр 
1000 P
P,
vт
55  iср  wгр
lт
а также минимальный вес локомотива из этого же условия:
Р
Qгр
1
 55v т

1000 
 iср  wгр   1
 lт

.
В ряде случаев на действующих рудниках фактический тормозной путь может превышать предусмотренные ПБ. В этом случае
должна быть увеличена тормозная сила за счет включения в состав
тормозных вагонеток или применены электромагнитные рельсовые
тормоза на электровозе.
Фактический тормозной путь lт(ф) может быть определен из
условия баланса кинетической энергии поезда, которой он обладал
перед началом торможения, и суммарной работы сил трения (сопротивления движению с учетом тормозной силы), т.е.
1000(P  Qгр )kиvт2
2g
  P  Qгр  wгр  iср  b  lт(ф) .
Отсюда фактический тормозной путь (в метрах)
lт(ф) 
55v т2
.
wгр  iср  b
Необходимая удельная тормозная сила при заданной величине тормозного пути lт (норматив)
56
b  55
vт2
 iср  wгр .
lт
Дополнительная удельная тормозная сила (реализуемая с
помощью дополнительных тормозных средств)
b  b 
1000P
.
P  Qгр
3.7.5. Выбор веса состава, локомотива
и числа вагонеток в составе
При заданном типе электровоза (и его сцепном весе Р) после
определения максимально возможного веса состава Qгр по трем
условиям, рассмотренным в п.3.7.4, выбирается минимальное значение Qгр min, которое и берется в основу дальнейшего проектирования
локомотивной откатки.
При заданном весе состава Qгр после определения минимально необходимого веса локомотива P по трем условиям из них
выбирается максимальное значение Pmax, по которому подбирается
тип локомотива.
По величине Qгр min определяется необходимое число вагонеток в составе:
Qгр min
.
z
g (G  G0 )
Потребное число рабочих электровозов
zэ  nп / nв ,
где nП, nв – потребное и возможное число рейсов в смену, nп = nгр + nл;
30Tсм
k A
; nгр  н ш ; nгр, nл – число грузовых и людских рейсов;
nв 
Tдв  
zG
Tсм – продолжительность смены, ч; kн – коэффициент неравномерности, kн = 1,25; Аш – сменная продолжительность откатки (участка,
всей шахты), т.
57
4. ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
РЕЛЬСОВОГО ТРАНСПОРТА
4.1. ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ ГОРКИ
h
Испытательные горки используются для проверки ходовых
качеств рельсового подвижного состава шахт и рудников. Испытательная горка представляет собой (рис.32) наклонную выработку,
оснащенную рельсовым путем, с точно фиксированным углом
наклона и длиной.
Испытательная горка позволяет очень эффективно оценивать
относительное качество ходовой части вагонеток, а именно состояние подшипников колесных пар и полускатов, путем сортировки
вагонеток на годные для дальнейшей эксплуатации и вагонетки, отправляемые на ревизию в механический цех для восстановления или
замены подшипниковых узлов.
Кроме того, испытательная горка позволяет определять
численное значение коэффициента сопротивления движению вагонетки w.
В основе решения первой и второй задачи лежит принцип
баланса потенциальной энергии и работы сил трения скатывающейся с горки груженой или порожней вагонеток.
l1

l2
l2
Рис.32. Схема испытательной горки
58
gGв
Уравнение баланса энергии
gGв h  gGв cos wl1  gGв wl2 ,
где Gв – масса вагонетки, т; h – разность в отметках центра масс вагонетки на испытательной горке и после скатывания вагонетки вниз, м;
l1 – длина наклонного участка испытательной горки, м; l2 – путь, проходимый вагонеткой по горизонтальному участку при скатывании
вагонетки с горки, м; β – угол наклона испытательной горки.
Фактический коэффициент сопротивления движению вагонетки (в относительных единицах)
w 
h
.
l1 cos   l2
Для сортировки вагонеток на годные к дальнейшей эксплуатации и подлежащие ремонту фиксируется (столбиком, другой какойлибо меткой) положение l2 вагонетки, соответствующее годным вагонеткам с допустимым коэффициентом сопротивления движению wн :
l2 
h
 l1cos .
wн
Если скатываемые с горки вагонетки проходят путь l2  l2 ,
их возвращают в работу, если окажется, что l2 < l2 , то вагонетку
направляют на ревизию или ремонт.
4.2. ОПРОКИДЫВАТЕЛИ
4.2.1. Назначение и классификация опрокидывателей
Опрокидыватели предназначены для разгрузки вагонеток с
глухим (жестко укрепленным на раме) кузовом. Они устанавливаются
в околоствольных дворах скиповых или конвейерных подъемов, а также в надшахтных зданиях клетевых подъемов и других местах перегрузки полезного ископаемого с транспортных устройств периодического действия на транспортные устройства непрерывного действия.
59
Используемые на горных предприятиях опрокидыватели
подразделяются по следующим признакам:
 по назначению – для разгрузки одиночных вагонеток и нерасцепляемых составов;
 по направлению опрокидывания – круговые (разгрузка через боковую стенку вагонетки) и лобовые (разгрузка через торцевую
стенку вагонетки);
 по величине угла поворота вагонетки при разгрузке –
неполноповоротные (реверсивные) и полноповоротные (нереверсивные);
 по режиму работы двигателя привода – с непрерывной работой и периодическим включением двигателя (при каждом цикле
разгрузки вагонетки);
 по числу одновременно разгружаемых вагонеток – на одну
и несколько вагонеток;
 по принципу действия привода механизма поворота – с
фрикционным и цепным приводами;
 по роду привода – с электрическим, гидравлическим или
пневматическим приводами.
Выпускаются также опрокидыватели, рассчитанные на
пропуск через них локомотивов (для сокращения протяженности
выработок в околоствольном дворе и упрощения маневровых
операций).
Наибольшее распространение имеют круговые опрокидыватели неполноповоротные с боковой разгрузкой и фрикционным механизмом поворота барабана, а также круговые полноповоротные с
боковой разгрузкой и цепным механизмом поворота барабана.
Оба типа опрокидывателей позволяют разгружать нерасцепляемые вагонетки и отличаются большой производительностью.
60
4.2.2. Круговой опрокидыватель с фрикционным приводом
Круговой опрокидыватель с фрикционным приводом
(рис.33) состоит из барабана, в который закатывается одна или несколько вагонеток.
Барабан выполнен в виде двух бандажей (колец), соединенных между собой распорными плитами и опирающихся на два
приводных (с одной стороны от оси) и два опорных (с другой
стороны от оси) ролика. Приводные ролики кинематически связаны с двигателем.
Ось вращения опрокидывателя совпадает с осью сцепки вагонетки. Для взаимодействия с тормозными башмаками барабан
снабжен приливами. Двигатель постоянно включен, а приводные
ролики вращаются. После опускания тормозных башмаков бандажи
опускаются на приводные ролики, которые и приводят барабан во
вращение. После полного оборота барабана и разгрузки вагонетки в
расположенный под барабаном бункер приливы бандажей набегают
на тормозные башмаки, барабан
5
приподнимается над приводными
6
роликами и останавливается. Разгруженная вагонетка автоматиче4
ски или с помощью толкателя
выкатывается из барабана, а вме3
7
сто нее закатывается другая ваго2
нетка. Далее цикл повторяется.
Барабан опрокидывателя
размещен в кожухе с отсосом запыленного воздуха аспирационной системой шахты.
8
1
Расчет опрокидывателя
сводится к определению мощРис.33. Круговой опрокидыватель с
фрикционным приводом барабана
ности двигателя привода, работающего в повторно-кратко1,7 – приводные и опорные ролики;
2 – тормозной башмак с приводом; 3 –
временном режиме. Из условия
прилив; 4 – бандаж; 5 – вагонетка; 6 –
равновесия системы барабан
патрубок для отсоса запыленного воздуха;
опрокидывателя с разгружаемой
8 – бункер для приема горной массы
61
вагонеткой – приводные и опорные ролики найдем (рис.34):

 P1 sin 1  P2 sin 2 ;
 P cos   P cos  g (G  G ), (11)
1
2
2
в
б
1
где P1, P2 – усилия нажатия бандажей барабана на приводные и
опорные ролики, кН; 1, 2 – центральные углы установки приводных и опорных роликов относительно оси барабана опрокидывателя; Gв – масса вагонетки, т; Gб –
масса барабана, т; g – ускорение
свободного падения, м/с2.
Кроме того, Gв  G0  G .
Решая систему уравнений (11),
определяем усилия нажатия бандажей барабана на приводные и
опорные ролики:
P1  g (Gв  Gб )
1
2
Р2
g(Gв + Gб)
Р1
Рис.34. Схема к расчету
кругового опрокидывателя
с фрикционным приводом
sin 2
sin 1
; P2  g (Gв  Gб )
.
sin(1   2 )
sin(1   2 )
С целью увеличения усилия нажатия бандажей барабана на
приводные ролики при одновременном обеспечении устойчивости
барабана, который свободно лежит на приводных и опорных роликах, принимают углы установки роликов 1 < 2, 1 = 30°, 2 = 45°.
Найденные усилия P1 и P2 позволяют рассчитать элементы
опрокидывателя на прочность.
Для подсчета мощности привода следует определить крутящие моменты на валу приводных роликов в период установившегося движения и в период разгона барабана с находящейся в
ней вагонеткой.
Момент сопротивления вращению на валу приводных роликов (в ньютон-метрах) при установившемся движении (с постоянной
угловой скоростью)
62
d

M1  ( P1  P2 )  k  f  ,
2

где k – коэффициент трения качения роликов (приводного и опорного) по бандажам барабана, м; f – коэффициент трения в цапфах роликов; d – диаметр цапф роликов, м.
В период разгона барабана от нулевой до номинальной угловой скорости  (рис.34) к статическому моменту M1 добавится момент, возникающий при проскальзывании приводных роликов относительно бандажей барабана до тех пор, пока окружные скорости
приводных роликов и бандажей барабана не сравняются. Следовательно, момент сопротивления вращению при пуске
Dр
d

,
M 2  ( P1  P2 )  k  f   P1 f 
2
2

где f ' – коэффициент трения скольжения бандажей барабана по поверхности приводных роликов; Dр – диаметр приводных роликов, м.
Мощность, развиваемая двигателем привода опрокидывателя
при установившемся движении (в киловаттах),
N1  M1п.р п.м 
M1nп.р
30п.м
,
где п.р, nп.р – угловая скорость (c–1) и частота вращения (мин-1) приводных роликов; ηп.м – КПД передаточного механизма привода (редуктора, муфт).
Мощность, развиваемая двигателем привода опрокидывателя
при его пуске (в киловаттах),
N2 
М 2 п.р
п.м

М 2 nп.р
30п.м
.
Период ускоренного движения кратковременен, поэтому
установленную мощность двигателя привода опрокидывателя с
фрикционным приводом барабана выбирают из соотношения
63
N1  Nдв  N2 ,
где Nдв – установленная мощность двигателя, кВт.
В качестве приводных используют обычные асинхронные
или крановые двигатели с относительной продолжительностью
включения (ПВ) 35-40 %.
4.2.3. Круговой опрокидыватель с цепным приводом
В последние годы все большее распространение получают
круговые опрокидыватели с приводом барабана через цепную передачу, кинематически жестко связывающую барабан с ротором двигателя (рис.35).
Приводной двигатель и все элементы привода опрокидывателя работают в повторно-кратковременном режиме. После каждого
цикла разгрузки двигатель отключается и затормаживается. Поскольку крутящий момент на барабан передается с помощью цепной
передачи, все ролики, поддерживающие барабан, опорные (не приводные), симметрично установлены относительно продольной оси
барабана с отклонением  = 45.
б
а
4
4
Dб
5
5
3
gGв
Rв
gGв
3
2
2


7
6
1
Р
1
Р
8
Рис.35. Круговой опрокидыватель на две вагонетки с цепным
приводом барабана: а – вид сбоку; б – поперечный разрез
1 – бандаж; 2, 6 – опорные ролики; 3 – рельсовый путь; 4 – барабан; 5 – вагонетки;
7 – приводная цепь; 8 – приводная звездочка на тихоходном валу редуктора привода
64
Крутящий (статический) момент (в килоньютон-метрах) на
валу ротора электродвигателя при установившемся движении
Мс 
Р (2k  fd ) Dp
iц iр п.м Dб
,
(12)
где Dp, Dб – диаметры опорных роликов и бандажей барабана, м;
iц , iр – передаточные отношения цепной передачи и редуктора
привода; η п.м – КПД передаточного механизма; Р – усилие нажатия бандажей барабана на опорные ролики с одной стороны от
оси барабана, кН,
Р
g (nвGв  Gб )
;
2cos 
nв – число одновременно разгружаемых вагонеток;  – угол установки опорных роликов относительно оси барабана, град.
Остальные обозначения в формуле (12) такие же, как и для
опрокидывателя с фрикционным приводом.
При пуске опрокидывателя (разгон барабана и всех элементов, включая ротор электродвигателя) двигатель должен преодолеть помимо статического Мс динамический момент сопротивления:
2
2
2

 (nвGв ) Rб  Gб Rб  с(GD )1 
 nд
,
Мд   


2 2
10
i
i

0,4
g
3
t
ц
р
п.м
p




где Rв, Rб – радиусы инерции вагонетки и барабана, м; nд – частота
вращения ротора электродвигателя, мин–1; tр – время разгона барабана до установившейся угловой скорости, с; (GD2)1 – маховый момент быстроходного вала привода, Н·м2; с – коэффициент, учитывающий инерцию тихоходных звеньев в системе привода, с  1,1.
Величина Rв зависит от расстояния центра массы груженой
вагонетки до оси барабана (или превышение центра массы вагонетки
над осью сцепного прибора). Значение Rб несколько меньше Dб/2 и
определяется конструкцией барабана.
65
Мощность двигателя привода (в киловаттах) кругового
опрокидывателя с цепным приводом барабана целесообразно выбирать по величине пускового момента Мп = Мс + Мд:
N дв 
М п nд
.
30
4.3. ТОЛКАТЕЛИ И ПОДВАГОННЫЕ ЦЕПИ
4.3.1. Назначение, классификация и устройство толкателей
h0
h
h
Толкатели предназначены для проталкивания отдельных
вагонеток или нерасцепленных составов в местах загрузки вагонеток под люком или с
а
Lт
6
4
головки (головного разгрузочного барабана) конвейера;
5
для вталкивания вагонеток (по
отдельности или нерасцепленных в составе) в опрокидыва1
2
3
тель скипового или конвейерб
ного подъема шахты или руд9
8
ника; для подачи отдельных
w0
Р
вагонеток в клеть клетевого
7
подъема.
Толкатели подразделяются на следующие виды:
10
 по типу рабочего органа – цепные, канатные, поршнеP1
5
h1
вые, тельферные;
 по направлению возРис.36. Цепной толкатель: а – план;
действия на вагонетки – нереб – схема взаимодействия кулака
с подвагонным упором вагонетки
версивные и реверсивные;
 по способу захвата ва- 1 – двигатель; 2 – турбомуфта; 3 – редуктор;
4, 6 – приводная и натяжная звездочки; 5 –
гонеток – с нижним и верхним
тяговая цепь; 7 – кулак; 8 – рама вагонетки;
расположением
толкающего
9 – подвагонный упор; 10 – направляющая
кулака;
для втулочно-роликовой тяговой цепи
66
 по роду привода – с электрическим, электрогидравлическим и пневматическим приводами;
 по способу установки в рабочей зоне – фундаментные и
бесфундаментные.
Наибольшее распространение получили цепные толкатели
нижнего действия, кулак которых взаимодействует с подвагонными
упорами вагонеток.
В качестве тягового органа чаще всего используется втулочнороликовая цепь, замкнутая в вертикальной плоскости на приводной и
натяжной звездочках. Кулак в виде углового рычага (или кулаки) шарнирно закреплен на тяговой цепи, перемещающейся по специальным
рельсовым направляющим с опиранием роликов цепи на эти направляющие. Привод оборудован турбомуфтой для предохранения элементов толкателя (а также вагонетки) от перегрузок и поломок (рис.36).
4.3.2. Расчет цепного толкателя
При расчете толкателей тяговое усилие необходимо определять, учитывая возможность прицепки к уже находящемуся в зоне
установки толкателя вновь прибывшего состава. Такая ситуация часто возникает, например, в околоствольном дворе перед опрокидывателем.
Для исключения простоев локомотивов расчет ведут на случай передвижения толкателем полутора груженых и половины порожнего (уже разгруженного) составов, состоящих из Z вагонеток
каждый (рис.37).
Расчетное усилие Р на кулаке толкателя должно преодолевать сопротивление движению W0 двух сцепленных составов, т.е.
при условии Р ≥ W0. В зоне разгрузки вагонеток рельсовые пути
укладываются с некоторым уклоном в сторону движения разгружаемых вагонеток. Поэтому сопротивление движению двух сцепленных составов, один из которых уже наполовину разгружен, с учетом
динамической составляющей (в ньютонах)
W0  gZ 1,5(G  G0 )(wг.п  i)  0,5 G0 (wп.п  i)  (1,5 G  2G0 )а 103  ,
67
vт
3
lв
5
4
g(G0 + G)
gG0
2
1
1,5Zlв
0,5Zlв
Рис.37. Расчетная схема к определению усилия на кулаке толкателя
1 – бункер; 2 – толкатель; 3 – груженая вагонетка; 4 – опрокидыватель;
5 – порожняя вагонетка
где Z – число вагонеток в составе; i – уклон пути на участке проталкивания составов, ‰; wг.п, wп.п – удельное сопротивление движению
груженой и порожней вагонеток при трогании с места, Н/кН; а –
ускорение движения сцепленных составов при их разгоне толкателем, м/с2; обычно принимают а = 0,1÷0,2 м/с2.
Тяговое усилие на приводной звездочке толкателя
(см. рис.36) складывается из найденной величины W0 и сопротивлений движению тяговой цепи толкателя на верхней и нижней ветвях с
учетом дополнительных сопротивлений, вызванных прижатием к
направляющей тяговой цепи кулака с силой Р1 = Рh/h1, где h, h1 –
плечи кулака; h1 < h0; h0 – просвет между подвагонным упором и
осью кулака для обеспечения возможности пропуска вагонеток через толкатель слева направо (рис.36, б). Кроме того, кулак поворачивается на 90, второе плечо длиной h1 поднимается вверх и не
препятствует проходу вагонеток, так как h1 < h0.
Тяговое усилие на приводной звездочке

h
Wт  W0 K 1  wц   2Kgqц Lт w 'ц ,
h1 

68
где K – коэффициент, учитывающий потери на звездочках толкателя, K  1,1÷1,2; wц – коэффициент сопротивления движению тяговой цепи по направляющим, wц = 0,06÷0,1; qц – линейная масса тяговой цепи толкателя, кг/м; Lт – длина толкателя по осям приводной
и натяжной звездочек, м.
Расчетная мощность двигателя привода толкателя
Nдв 
KзWт vт
,
1000п.м
где Kз – коэффициент запаса, Kз = 1,1÷1,15; vт – скорость движения
тяговой цепи с кулаком, м/с; п.м – КПД передаточного механизма.
В зависимости от условий работы, места установки и режима
нагружения толкателя выбирается скорость vТ.
При установке толкателя в околоствольных дворах из условия обеспечения производительности vт ≤ 0,5÷1 м/с; при установке
толкателя на других стационарных пунктах (погрузочных)
vт ≤ 0,15÷0,25 м/с. Двигатель привода выбирают кранового типа при
нагружении с ПВ = 35 %.
4.3.3. Подвагонные цепи
Подвагонные цепи служат для продвижения составов или
одиночных вагонеток и отличаются от толкателей режимом работы:
толкатель выключается после каждого хода на длину lв (рис.37) одной вагонетки, а подвагонная цепь проталкивает состав на большее
расстояние, диктуемое условиями производства.
В качестве приводных для подвагонных цепей используют
обычные короткозамкнутые асинхронные двигатели при ПВ = 100 %.
Конструкция подвагонных цепей аналогична конструкции
цепных толкателей. Выбор мощности двигателя привода производится по статической нагрузке (без учета динамической составляющей, как при расчете толкателей).
69
4.4. КОМПЕНСАТОРЫ ВЫСОТЫ
Компенсаторы высоты служат для подъема расцепленных
вагонеток на высоту, необходимую для обеспечения самокатного
движения вагонеток. Высота подъема Н определяется размером «потерянной» высоты, связанной с движением вагонеток под уклон в
пределах околоствольного двора.
Компенсаторы высоты могут быть непрерывного и циклического действия.
Компенсаторы высоты непрерывного действия обычно с
цепным тяговым органом, замкнутым в вертикальной плоскости на
приводной и натяжной звездочках. Компенсаторы высоты периодического действия выполняются в виде подъемника с кривошипношатунным приводом (радиус кривошипа равен половине высоты
подъема).
Расчетная производительность цепного компенсатора непрерывного действия (рис.38) определяется известным (заданным) количеством nв поднимаемых вагонеток за час работы.
Расстояние между вагонетками на компенсаторе (в метрах):
а
3600
vц ,
nв
где vц – скорость движения тяговой цепи компенсатора, м/с.
vц
L
gGв

Рис.38. Расчетная схема компенсатора высоты
70
Н
а
Число одновременно находящихся на компенсаторе вагонеток Z = L/a, где L = H/sinβ; здесь Н – требуемая высота подъема вагонеток, м; β – угол наклона компенсатора к горизонту.
Из условия продольной устойчивости вагонеток принимают
β ≤ 15÷20º.
Тяговое усилие на валу приводной звездочки компенсатора
(в килоньютонах)
W0  gK  ZGв (sin   w cos )  103 qц Lц wц  ,
где K – коэффициент, учитывающий дополнительные сопротивления движению на звездочках, а также в направляющих от давления
кулаков (см. п.4.3.2), K = 1,2÷1,3; qц – линейная масса тяговой цепи,
кг/м; w – коэффициент сопротивления движению вагонеток по
рельсовому пути (при Gв = G0 + G w' = wг ; при Gв = G0 w = wп ); wц
– коэффициент сопротивления движению цепи, w'ц = 0,13÷0,15; Lц –
длина цепного контура, м, Lц  2,25L; L – длина наклонного участка
компенсатора, м.
Мощность двигателя привода
N дв 
W0vц
,
п.м
где vц  0,3 м/с.
Двигатель привода компенсатора выбирается так же, как и
для подвагонных цепей.
71
5. ПОГРУЗОЧНЫЕ МАШИНЫ
5.1. НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ
Погрузочные машины относятся к группе самоходных машин и предназначены для погрузки в транспортные средства непрерывного и периодического действия полезного ископаемого и пустой породы при проведении главным образом подготовительных
выработок, т.е. при ведении горных работ в узких забоях.
Основными операциями, выполняемыми погрузочными машинами, являются захват отбитой горной массы и ее передача на
транспортное средство (вагонетку, конвейер).
Разнообразие горно-технических условий предопределяет
многообразие конструкционных типов погрузочных машин, которые
различаются по следующим основным признакам:
 по способу захвата горной массы – черпающие (с ковшовым рабочим органом) и нагребающие (с рабочим органом в виде
нагребающих лап, гребков, гребковых роторов);
 по характеру взаимодействия рабочего органа со штабелем
отбитой горной массы – с нижним, верхним и боковым захватом;
 по принципу действия рабочего органа – циклического и
непрерывного действия;
 по способу передачи загружаемой горной массы в транспортное средство – прямой и ступенчатой погрузки (рабочий орган –
конвейер или бункер – транспортное средство);
 по оборудованию ходовой части – машины на колеснорельсовом, гусеничном или пневмоколесном ходу;
 по конструкции рабочего органа (рис.39) – одноковшовые
(а), многоковшовые или элеваторные (б), лопастные (в), с нагребающими лапами (г), с цепными барабанами (д), с рифлеными дисками (е), с заборной вибрационной плитой (ж);
 по типу применяемого силового оборудования – электрические, электрогидравлические, пневматические, с двигателями
внутреннего сгорания (ДВС).
Главные отличительные признаки погрузочной машины заложены в ее марку, в которой указано ее назначение (П – погрузочная), принцип действия (П – периодического действия, Н – непре72
б
в
а
г
д
е
ж
Рис.39. Типы рабочих органов погрузочных машин
рывного действия) и характер взаимодействия рабочего органа со
штабелем горной массы (Н – с нижним захватом, В – с верхним захватом, Б – с боковым захватом).
Таким образом, все машины с указанными выше признаками
можно свести к шести группам: ППН; ППБ; ППВ; ПНН; ПНБ; ПНВ.
Наибольшее распространение на горных предприятиях получили машины периодического действия с ковшовым рабочим
органом, обеспечивающие нижний захват груза из штабеля
(ППН), а также погрузочные машины непрерывного действия с
нагребающими лапами, обеспечивающими боковой захват груза
из штабеля (ПНБ).
5.2. ОДНОКОВШОВЫЕ ПОГРУЗОЧНЫЕ МАШИНЫ
С НИЖНИМ ЗАХВАТОМ
Одноковшовые погрузочные машины с нижним захватом
горной массы (ППН) выпускаются как прямой, так и ступенчатой
погрузки.
Погрузочная машина прямой погрузки (рис.40) чаще всего
используется на рельсовом ходу, а в качестве силового оборудования применяют электрические или пневматические двигатели.
73
6
8
7
9
10
11
5
12
4
13
14
3
2
1
15
Рис.40. Кинематическая схема ковшовой погрузочной машины
с перекатывающейся рукоятью
Погрузочная машина состоит из ковша 3, жестко закрепленного на перекатывающейся рукояти – кулисе 4 с возможностью ее
перекатывания без скольжения по направляющим (дорожкам катания) 13 поворотной платформы 9.
Поворотная в горизонтальной плоскости платформа установлена на тележке 2 с ходовыми колесами 1, кинематически связанными с двигателем привода передвижения погрузочной машины.
На поворотной платформе смонтирована также кинематически связанная со своим приводом (двигателем, редуктором) бобина 11. Бобина многорядной пластинчатой цепью 7, огибающей отклоняющие блоки 8 и 12, соединена с кулисой.
Кулиса с поворотной платформой жестко связана двумя парами канатов стабилизации 6 и 14, при этом один конец каждого каната закреплен на кулисе (два в верхней и два в нижней ее части), а
второй – на платформе (два в передней ее части и два – в задней части). Кулиса 4 дополнительно рычажно-барабанным механизмом 5
74
автоматического возврата ковша кинематически связана также с тележкой 2. Этот механизм выполнен в виде ролика, закрепленного на
штыре рамы ходовой части, полого коленчатого барабана, закрепленного на поворотной платформе, и системы рычагов, которыми
ось барабана связана с рукоятью.
При подъеме ковша с помощью бобины при любой первоначальной ориентации ковша относительно оси рельсового пути 15 к
моменту разгрузки ковша при его ударе о подпружиненный упор 10
поворотная платформа с ковшом занимают соосное с рельсовым путем положение. Поэтому горная масса разгружается точно в кузов
вагонетки, прицепленной к погрузочной машине. Это обеспечивается благодаря работе механизма 5.
Подъем ковша происходит при перекатывании кулисы 4 по
направляющим 13 без проскальзывания за счет постоянно натянутых канатов стабилизации 6 и 14. При этом одна пара канатов 14
наматывается на кулису, а вторая 6 разматывается с соответствующей дуги рукояти.
Кроме того, благодаря наличию бобины подъем ковша постоянно ускоряется, что обеспечивает наиболее полное опорожнение
ковша от горной массы при соударении ковша с упорами 10.
Отскочивший при соударении с подпружиненными упорами
ковш 3 под действием собственного веса и веса кулисы 4 возвращается в исходное положение. При этом пара канатов стабилизации 6
наматывается, а канаты 14 разматываются, обеспечивая качение кулисы 4 по направляющим 13 без проскальзывания.
Разворот платформы с рукоятью и ковшом может осуществляться силовыми цилиндрами или вручную.
Цикл работы погрузочной машины складывается из следующих операций:
 движение машины с опущенным ковшом на штабель угля
или породы;
 внедрение ковша за счет напорного усилия, создаваемого
ходовой частью машины;
 зачерпывание груза при совместной работе ходовой части
и механизма подъема ковша;
 подъем ковша с грузом;
75
4
3
2
1
7
5
6
Рис.41. Принципиальная схема погрузочной машины с шарнирной рукоятью
и передаточным конвейером
1 – шарнирная рукоять; 2 – ковш; 3 – штабель; 4 – передаточный конвейер;
5 – вагонетка под погрузкой; 6 – ходовая часть; 7 – привод подъема ковша
 разгрузка ковша с отходом машины от штабеля (вагонетка
прикреплена к машине);
 опускание ковша и движение машины в сторону штабеля.
Ковшовая машина ступенчатой погрузки отличается от машины прямой погрузки тем, что она оборудуется дополнительным
передаточным конвейером (ленточным или скребковым), монтируемым на тележке машины, а ковш чаще всего закреплен на шарнирной рукояти (рис.41). Привод механизма подъема и поворота
ковша относительно рукояти осуществляется с помощью гидроцилиндров или двух барабанных лебедок планетарно-фрикционного
типа (см. лебедки п.2).
Благодаря передаточному конвейеру одновременно под погрузку может подаваться партия из нескольких вагонеток, что повышает эксплуатационную производительность машины. Однако
конструкция таких машин сложнее, чем машин прямой погрузки.
Машины прямой погрузки по сравнению с машинами ступенчатой погрузки обладают следующими преимуществами: компактностью, маневренностью (допускают поворот ковша в горизонтальной плоскости до 36 от оси машины в каждую сторону, что
увеличивает фронт погрузки), возможностью работать в выработках
с минимальными радиусами кривизны (R < 10 м), меньшей металлоемкостью и стоимостью.
76
Недостатком машин прямой нагрузки является невозможность непрерывного обмена вагонеток без применения дополнительных механизмов и устройств (перегружателей, накладных плит и т.п.),
что снижает эксплуатационную производительность машины.
Ковшовые погрузочные машины могут работать не только в
горизонтальных выработках, но и при проходке наклонных выработок при углах наклона до 25. Для этого машины оборудуются следующими дополнительными техническими средствами:
 канатным приводом передвижения (на оси колесной пары
устанавливаются канатные барабаны);
 цепным приводом (на оси колесной пары размещается
звездочка, взаимодействующая с натянутой неподвижной пластинчатой цепью);
 реечным приводом (на оси колесной пары располагаются
зубчатые колеса, взаимодействующие с неподвижными рейками);
 клиновыми колесами, обеспечивающими увеличение тягового усилия по условию сцепления в 3-4 раза по сравнению с обычными колесами при той же величине сцепного веса машины.
5.3. УСЛОВИЕ ВНЕДРЕНИЯ КОВША В ШТАБЕЛЬ
И ОПРЕДЕЛЕНИЕ СЦЕПНОГО ВЕСА
ПОГРУЗОЧНОЙ МАШИНЫ
Напорное усилие ковша Fн, которое необходимо развить
машине для обеспечения внедрения ковша в штабель загружаемой
горной массы, зависит от физико-механических свойств загружаемой горной массы, главные из которых: размер и форма кусков, гранулометрический состав, плотность и насыпная плотность, коэффициент внутреннего трения, влажность, а также в не меньшей степени
конструктивных и эксплуатационных параметров машины. К двум
последним показателям относятся: размер ковша и его форма, глубина и способ внедрения ковша в штабель.
Сопротивление внедрению ковша в штабель Wвн, которое
преодолевается напорным усилием погрузочной машины, определяется экспериментально. Для снижения сопротивления штабеля и
77
уменьшения потребного напорного усилия искусственно увеличивается подвижность горной массы в штабеле (коэффициент внутреннего трения). С этой целью ковшу сообщаются вибрации, для чего
на ковше могут быть смонтированы специальные вибровозбудители
(вибраторы). Кроме того, при внедрении ковша в штабель, с некоторым подъемом ковша в этот период, также удается уменьшить сопротивление внедрению ковша.
Для обеспечения погрузки необходимо, чтобы выполнялось
условие
Fн ≥ Wвн.
Напорное усилие ковша Fн (в ньютонах) ограничивается
условиями сцепления ведущих колесных пар машины с рельсами
(для погрузочных машин на колесно-рельсовом ходу) или машины
с почвой выработки (для машин пневмоколесных или на гусенечном ходу), т.е.
Fн  Fсц  W0 ,
(13)
где Fсц – тяговое усилие по сцеплению машины с опорной поверхностью, Н; W0 – суммарные сопротивления движению машины (статические и динамические), Н.
При этом по аналогии с локомотивной откаткой (см. п.3.7.2)
Fсц  1000Рм ,
(14)
P

W0  ( Pм  gnв Gв )( wм  i )   м  nв Gв  aм  103 ,
 g

(15)
где Рм – вес погрузочной машины, кН; μ – коэффициент сцепления
машины с опорной поверхностью (рельсами, почвой выработки);
nв – число прицепленных к машине вагонеток; Gв – масса вагонетки, т; wм – удельное сопротивление движению машины по опорной
поверхности, Н/кН; i – уклон пути (выработки) в зоне погрузки, ‰;
ам – максимальное ускорение, развиваемое при движении в сторону
штабеля, м/с2.
78
Для машин на колесно-рельсовом ходу величина wм принимается примерно на 50 % больше, чем при движении по стационарному (постоянному) рельсовому пути, так как в зоне погрузки рельсовый путь загрязнен.
Решая совместно уравнения (13), (14) и (15), можем определить сцепной вес погрузочной машины:
Рм 
Wвн  nв Gв [ g ( wм  i )  aм  103 ]
.
aм 
3
10      ( wм  i )
g 

5.4. ПОГРУЗОЧНЫЕ МАШИНЫ
С НАГРЕБАЮЩИМИ ЛАПАМИ
Погрузочная машина с нагребающими лапами относится к машинам типа ПНБ. Машина состоит (рис.42) из ходовой части, рабочего
органа, конвейера для приема и передачи горной массы в транспортные
средства. Привод отдельных механизмов чаще всего индивидуальный.
4
5
6
3
2
1
7
5
4
3
2
1
6
Рис.42. Погрузочная машина с нагребающими лапами
1 – приемная плита с гидроцилиндром 7 для изменения угла ее наклона; 2 –
направляющие сухари или ролики; 3 – нагребающие лапы; 4 – ведущие диски, вращающиеся
от приводов; 5 – передаточный конвейер (скребковый); 6 – гусеничный движитель
79
lв
Рабочий заборно-погру5
6
зочный орган выполнен в виде
В
двух нагребающих лап, являюв
б
щихся элементами кривошипнокулисного или двухкривошип4

ного механизма.
а
3
г
Процесс погрузки горной
массы осуществляется за счет
д
поочередного внедрения нагре7

2
бающих лап в штабель и подачи
захваченной горной массы на
перегрузочный конвейер.
1
Непрерывно повторяеВк
мые циклы, совершаемые кажРис.43. Траектории движения кромок
дой нагребающей лапой, можнагребающих лап при захвате горной
но разделить на четыре периомассы из штабеля
да (рис.43):
1) внедрение лапы в 1 – передаточный конвейер 2 – приемная
плита; 3, 7 – диски; 4, 5 – траектории
штабель (а-б);
движения левой и правой лап; 6 – ось
2) нагребание груза на
правой лапы
приемную плиту (б-в);
3) перемещение груза по плите до перегрузочного конвейера (в-г);
4) движение лапы вхолостую с возвратом в первоначальное
положение (г-д).
От параметров загрузочного устройства, включая траектории
движения кромок нагребающих лап, формы лап, скорости их движения, зависит величина сопротивлений зачерпыванию груза из штабеля, нагрузки на машину и мощности приводов механизмов.
Положение лапы относительно штабеля и условия ее внедрения в штабель характеризуются углами α и β, где α – угол между
осью лапы и касательной к траектории ее движения в данной точке;
β – угол между передней кромкой приемной плиты и касательной к
траектории движения лапы.
80
5.5. ОРГАНИЗАЦИЯ МАШИННОЙ ПОГРУЗКИ
Эксплуатационная производительность погрузочных машин
решающим образом зависит от способов транспортирования горной
массы от забоя. Поэтому выбор оптимального в данных условиях
варианта транспортирования имеет большое значение.
Применяются следующие виды транспорта горной массы от
погрузочной машины: конвейерный транспорт, транспорт в вагонетках с конвейерной погрузкой, транспорт в вагонетках с организацией обмена вагонеток у машины.
При магистральном конвейерном транспорте с помощью
ленточных конвейеров (рис.44) подача горной массы от погрузочной
машины на конвейер производится не непосредственно, а через
скребковый конвейер, который позволяет достаточно просто изменять его длину при продвижении забоя.
Транспортирование горной массы в вагонетках, подаваемых
под погрузку партиями из 15-20 вагонеток, реализуется с помощью
передаточного звена между погрузочной машиной и вагонеткой –
ленточного портального конвейерного перегружателя (рис.45, а) или
скребкового конвейера (рис.45, б).
Транспорт в вагонетках с организацией обмена вагонеток у погрузочной машины может быть осуществлен в нескольких вариантах.
1. Применение перегружателя на 3-4 вагонетки (рис.46). В
этом случае, если время оборота вагонетки меньше или равно времени погрузки, то погрузочная машина без остановки загрузит
nв = 2z – 1 вагонеток, где z – число вагонеток в одной подаче.
1
2
3
4
5
Рис.44. Погрузка горной массы при конвейерном транспорте
1 – ленточный конвейер; 2 – скребковый конвейер; 3 – перегрузочная воронка;
4 – погрузочная машина; 5 – штабель в забое
81
а
2
3
4
1
б
3
5
4
1
Рис.45. Погрузка горной массы при транспорте в вагонетках
1 – партия вагонеток; 2 – портальный ленточный перегружатель; 3 –
погрузочная машина; 4 – штабель; 5 – скребковый конвейер
а
а
5 4 3
б
б
Рис.46. Транспорт в вагонетках с обменом
вагонеток у машины при подаче партии вагонеток (z = 3): а – схема погрузочного комплекса; б – последовательность непрерывной погрузки вагонеток через перегружатель
1, 2, 3, … 7 – номера вагонеток в подачах
82
7 8 9
Рис.47. Погрузка вагонеток с использованием накладных разминовок (а) и
накладных плит или роликовых стрелок
(б)
 движение груженых вагонеток;
 движение порожних вагонеток;
 направление откатки
Не трудно убедиться, что при z = 3 nв = 7, а при z = 4
nв = 15, т.е. без остановки может быть загружен практически полный состав, формируемый при локомотивной откатке.
2. Применение накладных разлиновок (рис.47, а).
3. Применение накладных плит или роликовых стрелок
(рис.47, б).
4. Применение перестановщиков вагонеток (талей с грузозахватным приспособлением).
5.6. ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ПОГРУЗОЧНЫХ МАШИН
Производительность погрузочных машин – это количество
горной массы (в кубических метрах), погруженное в транспортное
средство в единицу времени (в часах или минутах).
Различают теоретическую, техническую и эксплуатационную производительности.
Теоретическая (расчетная) производительность – это максимально возможное количество материала, которое может быть погружено в единицу времени при оптимальных условиях работы и
полном техническом использовании машины.
Для одноковшовой погрузочной машины теоретическая производительность (в кубических метрах в час):
Qтеор  60Vк nц ,
где Vк – геометрическая вместимость ковша, м3; nц – теоретическое
число рабочих циклов в минуту,
nц  60 / Т ц ;
Тц – продолжительность одного цикла, с.
Для машин с перекатывающейся рукоятью Тц = 8÷10 с, для
машин с шарнирной рукоятью Тц = 12÷15 с.
Техническая производительность – это производительность
машины (ее зачерпывающего механизма) в данном конкретном забое в час чистого машинного времени:
83
Qтехн  Qтеор Kз Kц Kр ,
где Kз – коэффициент заполнения ковша; Kц – коэффициент, учитывающий изменение продолжительности цикла в реальных условиях;
Kр – коэффициент, учитывающий дополнительное разрыхление горной массы в процессе заполнения ковша погрузочной машины.
В зависимости от физико-механических свойств горной массы и параметров погрузки машины Kз = 0,21÷1,2. При этом минимальное значение соответствует погрузке тяжелых крупнокусковых
пород при минимальном отношении сцепного веса машины к ширине ковша Рм/В = 30 кН/м; максимальное значение Kз соответствует
погрузке относительно легких пород средней крупности при максимальном отношении Рм/В > 100 кН/м.
В зависимости от ширины забоя, свойств горной массы и
других условий коэффициент цикла Kц = 0,6÷1. Коэффициент разрыхления Kр = 0,92÷0,96.
Эксплуатационная производительность машины с учетом
потерь времени на подготовительные и заключительные операции,
времени на обмен вагонеток, составов и различного рода простои по
организационным и техническим причинам
Qэкспл  Qтехн K м ,
где Kм – коэффициент машинного времени, который определяется
как отношение времени цикла Тц и общего времени работы для выполнения этого цикла,
Kм 
Тц
;
Т ц  tв  tс  tм  tк
tв – время смены вагонетки под погрузкой, с; tс – время на смену составов, с; tм – простои, связанные с работой машины, с; tк – простои,
связанные с креплением забоя, его проветриванием и другими операциями, не связанными с работой машины, с.
Все составляющие общего времени, необходимого для реализации цикла погрузки, отнесены к одному циклу.
Анализируя возможные значения коэффициентов, уточняющих техническую производительность машины, приходим к выводу,
84
что соотношения между численными значениями теоретической,
технической и эксплуатационной производительностей погрузочной
машины могут быть следующими:
Qтехн  Qэкспл ,
Qтеор
причем всегда Qэкспл << Qтеор, поскольку, как показала практика, значения коэффициента машинного времени Kм = 0,25÷0,78.
Техническая производительность погрузочных машин с
нагребающими лапами (в кубических метрах в час) может быть подсчитана по формуле
Qтехн  60 znлVл ,
где z – число лап; nл – число циклов нагребания в минуту (частота
вращения ведущих дисков, мин–1); Vл – объем материала нагребаемого за один цикл, м3.
Величина Vл определяется конструктивными параметрами
лапы (рис.48):
Vл  K
В
hсlв ,
2
hл
где K – коэффициент, учитывающий отход машины от забоя и эффективность захвата материала из

штабеля; В – ширина захвата
(ширина приемной плиты), м; hс –
высота слоя материала, сдвигаемого лапой, м; lв – глубина внедрения, м.
Рис.48. Конструкция нагребающей
лапы
При этом В  2Dв + Вк
(см.рис.43); hc = (1÷2)hл, где Dв –
диаметр приводного диска, м; Вк – ширина конвейера, м; hл – расчетная высота лапы, м. Обычно Dв = 200÷450 мм. Угол внедрения
лапы φ ≥ 40º, а число нагребаний nл = 30÷50 в минуту.
85
5.7. ВЫБОР МОЩНОСТИ ПРИВОДОВ
ПОГРУЗОЧНЫХ МАШИН
В настоящее время не существует достаточно точных методов расчета потребной мощности приводов погрузочных машин,
которые бы учитывали все условия эксплуатации и свойства горной
массы. Поэтому практически используют следующие методы для
выбора мощности приводов. Первый заключается в экстраполяции
или интерполяции показателей при определении мощности привода
вновь проектируемой машины. Для этого используют уже накопленный опыт проектирования и эксплуатации погрузочных машин
данного класса (ППН, ПНБ или др.).
Во втором случае мощность привода вновь проектируемой
машины может быть подсчитана с использованием удельных показателей, например, мощности, отнесенной к сцепному весу машины
(в киловаттах на килоньютон), вместимости ковша (в киловаттах на
кубический метр), ширине ковша или ширине приемной плиты (киловаттах на метр). Для этого используются показатели, рассчитанные для эксплуатирующихся машин. Таким образом, мощность привода вновь проектируемой машины (в киловаттах)
Nн  K уд Пн ,
где Пн – базовый показатель новой машины (сцепной вес, вместимость ковша или его ширина); Kуд – удельная мощность,
K уд 
Nб
;
Пб
Nб, Пб – мощность и значение соответствующего показателя известной базовой машины, наиболее близкой по своим параметрам к
вновь проектируемой погрузочной машине.
86
6. САМОХОДНОЕ
ТРАНСПОРТНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
6.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
К самоходному оборудованию транспортному относят погрузочно-доставочные машины, самоходные вагоны, автосамосвалы,
погрузочно-транспортные машины, подземные экскаваторы. Из перечисленного оборудования и самоходных буровых установок
обычно составляют добычной комплекс. Создание и внедрение самоходных комплексов обеспечивает максимальную механизацию
всех элементов при проходке или добыче.
Применение самоходного оборудования в подземных рудниках позволяет повысить скорость проведения горных выработок и
производительность труда проходчиков.
На отечественных рудниках самоходными комплексами добывается около 50 % руд цветных металлов, половина из них – при камерно-столбовой системе разработки; 15 % – при этажном и подэтажном обрушениях; 15 % – при этажно-камерной системе с отработкой
подэтажных штреков и 20 % – при системе разработки с закладкой.
На зарубежных рудниках самоходное погрузочно-доставочное
оборудование является основным средством механизации выпуска, погрузки и доставки руды практически при всех системах разработки.
Схемы доставки руды с помощью ковшовых машин зависят
от используемых систем разработки, которые можно разделить на
две группы:
 погрузка и доставка руды осуществляется в очистном пространстве;
 машины работают в выработках основания блока при использовании самоходного оборудования.
В свою очередь, схемы доставки руды можно разделить на
следующие виды:
 доставка руды в пределах очистного пространства;
 доставка руды из выработок выпуска до капитальных рудоспусков;
 доставка руды из очистных блоков (камер) до ствола или
непосредственно на поверхность;
87
 доставка горной массы из забоев подготовительно-нарезных и капитальных выработок.
Решающими факторами эффективной эксплуатации самоходного оборудования являются его высокая надежность и большая
производительность.
Комплексы самоходных машин для механизации всех звеньев технологических процессов формируют из самоходных бурильных установок, самоходных погрузочных, погрузочно-транспортных
и транспортных машин. Самоходные машины вспомогательного
назначения (топливозаправщики, машины для перевозки людей и
др.) не входят в основной комплекс самоходных машин для очистных и подготовительных работ и предназначены для обслуживания
нескольких основных комплексов.
Состав комплексов самоходных машин рекомендуется выбирать с учетом природных, технологических и экономических факторов (мощности и угла залегания рудного тела, системы разработки, крепости, устойчивости руды и вмещающих пород, схемы
транспортирования руды и производительности оборудования, капитальных затрат на приобретение, доставку и монтаж оборудования, затрат на его эксплуатацию и ремонт).
Для конкретных условий эксплуатации выбор наиболее рационального оборудования самоходного комплекса производится на
основании технико-экономического сравнения различных вариантов. Область применения самоходных комплексов определяется
конструкцией погрузочно-транспортной или транспортной машины,
входящей в комплекс.
6.2. ПОГРУЗОЧНО-ТРАНСПОРТНЫЕ МАШИНЫ
Погрузочно-доставочные машины состоят из следующих
элементов: шарнирно сочлененной несущей рамы; пневмоколесного механизма передвижения со всеми ведущими мостами; дизельного двигателя с системой нейтрализации отработавших газов или электрического двигателя с кабельным, кабельнотроллейным, аккумуляторным или троллейно-аккумуляторным
88
питанием; системы управления,
обеспечивающей движение машины вперед или назад без разво8
6
рота (по челноковой схеме).
Сборочные единицы погрузочно-доставочной машины с грузонесущим ковшом (рис.49) смон5
1
3
4
тированы на шарнирно сочленен2
ной раме, состоящей из передней 1
и задней 2 полурам, соединенных
между собой двойным шарниром 3
7
и опирающейся на пневмошинные
колеса 4. На передней полураме 1
расположен погрузочно-несущий
Рис.49. Погрузочно-доставочная ма- орган, состоящий из ковша 5, стрешина с грузонесущим ковшом
лы 6, рычажного механизма и силовых гидроцилиндров 7 (один для
подъема стрелы и два для поворота ковша). На задней полураме 2
расположены дизельный или электрический двигатель, трансмиссия,
гидропривод погрузочного органа, механизм поворота машины 8.
Доставочные машины (типа ПД), оборудованные дизельным приводом с водяным охлаждением и комбинированной очисткой отработавших газов, используют при длине транспортирования
50-400 м и площади поперечного сечения выработок от 6 до 14 м2.
Машины имеют высокую маневренность и способны преодолевать уклоны до 18, захватывать и транспортировать скальную
абразивную горную массу с коэффициентом крепости до 18 и крупностью отдельных кусков до 800 мм. Для работы предусмотрены
основной и сменный ковши: основной рассчитан на погрузку горной
массы плотностью в разрыхленном состоянии 2 т/м3, сменный предназначен для меньшей или большей плотности.
Погрузочно-транспортные машины с ковшом и кузовом (типа
ПТ), оснащенные пневмоприводом, применяют при проходке выработок
и реже – на очистных работах при длине транспортирования 30-100 м.
Автосамосвалы используют в сочетании с различными погрузочными установками: погрузочными машинами с нагребающими ла89
пами, экскаваторами, ковшовыми колесными погрузчиками, вибропитателями. Оптимальная длина транспортирования автосамосвалами до
700 м, максимальная до 3000 м, минимальная площадь поперечного
сечения выработок 16-20 м2. Большая длина транспортирования позволяет уменьшить число блоковых рудоспусков и транспортных заездов.
В определенных условиях автосамосвалами транспортируют руду от
забоев до околоствольного двора, а иногда и на поверхность рудника.
Рекомендуется совместное использование автосамосвалов и погрузочно-доставочной машины с грузонесущим ковшом, при этом машина
выполняет роль погрузчика (рис.50), или колесного ковшового погрузчика грузоподъемностью 8 т и более.
Самоходные вагоны с донным скребковым конвейером применяются при машинной отбойке калийных руд в сочетании с проходческим комбайном и бункером – перегружателем для доставки руды из
камеры от комбайнового комплекса до блокового конвейера (рис.51).
2
1
Рис.50. Комплекс самоходного транспортного оборудования
1 – автосамосвал; 2 – погрузочно-доставочная машина
1
2
3
4
Рис.51. Проходческий комплекс в забое при добыче руды
1 – скребковый конвейер; 2 – перегружатель; 3 – самоходный вагон;
4 – бункер-перегружатель; 5 – проходческо-добычной комбайн
90
5
За рубежом погрузочно-доставочные машины с ковшом выпускают фирмы «Атлас-Конко» (Швеция), «Кавасаки» (Япония),
«Эймко» (США), «Тамрок» (Финляндия) и др.
Погрузочно-транспортные машины с погрузочным ковшом и
грузонесущим кузовом используются для проведения подготовительно-нарезных выработок и на очистных работах при небольшой
производительности и длине доставки не более 100 м. В России выпускаются два типоразмера этих машин – ПТ-4 и ПТ-6. Привод машин – пневматический с питанием по шлангу.
В машине ПТ-4 ковш, закрепленный на шарнирной рукояти,
поднимается пластинчатой цепью от лебедки с планетарным редуктором и пневматическим двигателем. Кузов машины разгружается
опрокидыванием назад от пневмоцилиндра, при этом одновременно
откидывается задний борт кузова. Для амортизации ударов рукояти
при разгрузке ковша в кузов в передней части машины установлены
отбойные рессоры.
Все колеса в машинах этого типа являются ведущими. Остановку машины производят отключением пневмодвигателей, а торможение – противовключением. Разворот машины осуществляют за
счет вращения колес каждого борта в разные стороны.
Из-за низкого КПД пневмопривода, наличия шланга питания
пневмопривода, низкой маневренности машины, небольшой длины
транспортирования и высоких эксплутационных расходов погрузочно-транспортные машины этого типа не получили широкого распространения в горной промышленности.
6.3. ТРАНСПОРТНЫЕ МАШИНЫ
Автосамосвалы с дизельным или электрическим двигателем
и опрокидным кузовом широко применяются на рудниках при отработке месторождений полезного ископаемого мощностью свыше 4 м
с пологозалегающими пластами.
Подземный автосамосвал (рис.52), состоит из одноосного тягача 1, соединенного с ним шарнирной системой 2 полуприцепа 3 с
самосвальной разгрузкой назад, осуществляемой гидроцилиндрами 4.
91
2
3
4
1
Рис.52. Подземный автосамосвал МоАЗ –6401-9585
В большинстве подземных автосамосвалов грузонесущий
кузов при разгрузке опрокидывается силовыми гидроцилиндрами,
например, в автосамосвалах для опрокидывания кузова под углом до
65° применяются телескопические трехзвенные гидроцилиндры с
последовательным выдвижением звеньев.
Колесная формула автосамосвалов МоАЗ (Могилевский
автомобильный завод, Республика Беларусь) – 4  2. Первая цифра указывает общее число колес, вторая – число приводных колес.
Дизельный двигатель снабжен каталитической и жидкостной системами очистки отработавших газов. Гидромеханическая трансмиссия выполнена с автоматической блокировкой гидротрансформатора, т.е. при заблокированном гидротрансформаторе передача работает как обычная механическая. Автоматическое включение блокировки осуществляется в зависимости от частоты
вращения коленчатого вала двигателя при изменении дорожных
условий. Гидромеханическая реверсивная коробка передач обес92
печивает четыре скорости движения вперед и четыре – назад, что
позволяет использовать автосамосвал при движении по челноковой схеме.
За рубежом самоходные машины с электрическим и дизельным приводом изготавливают фирмы «Зальцгиттер» (Германия),
«Джой» (США) и др.
Наиболее современная конструкция автосамосвала – модель
ТОРО-35Д фирмы «Сандвик-Тамрок» (Финляндия) с колесной формулой 4  4. В нем использован 12-цилиндровый дизельный двигатель с турбонагнетателем и промежуточным охлаждением. Гидромеханическая трансмиссия с блокировкой гидротрансформатора и
полностью закрытые многодисковые тормоза мокрого трения с
электрическим замедлителем обеспечивают высокую безопасность
эксплуатации автосамосвала.
За рубежом разработаны и эксплуатируются дизельтроллейвозы и троллейно-аккумуляторные автосамосвалы. Дизельтроллейвозы снабжены дизельным и электрическими приводами.
При движении по выработкам автосамосвал перемещается с помощью электропривода, питаемого от троллея, подвешенного к кровле
выработки или к забою, а перемещение на короткие расстояния
осуществляется с помощью дизельного двигателя.
Фирма «Кируна Трак» (Швеция) разработала троллейноаккумуляторный подземный автосамосвал грузоподъемностью 50 т.
При движении в забое в местах погрузки-разгрузки автосамосвал отключается от троллея, после чего электроэнергия автоматически подается от аккумулятора к тяговым электродвигателям,
встроенным во все колеса машины. Аккумулятор емкостью 158 А·ч,
состоящий из 14 батарей, расположен на раме машины в отсеке
между передними колесами. От энергии аккумулятора автосамосвал
с грузом 50 т может перемещаться по горизонтальной выработке
длиной до 100 м, а в аварийных ситуациях до 2 км.
Ha троллейно-аккумуляторном автосамосвале установлен
компьютер, с помощью которого осуществляется контроль и регулирование основных узлов электросхемы, контроль подачи электроэнергии, зарядки аккумулятора, скорости движения и электрического торможения машины.
93
Отечественные самоходные вагоны согласно типажному ряду имеют грузоподъемность 5, 10, 15, 20 и 25 т.
Воронежским заводом горно-обогатительного оборудования
серийно выпускается вагон шахтный самоходный 5ВС-15М. Он состоит из самоходного шасси со всеми ведущими и управляемыми
колесами, электропривода бортовых колес, кузова с донным скребковым конвейером, электропривода конвейера и системы управления. Скорость движения вагона без груза на горизонтальном участке
составляет 9 км/ч, вместимость без дополнительных бортов 8,6 м3, а
с бортами 11 м3, максимально преодолеваемый уклон 150 ‰.
Донный скребковый конвейер имеет две пластинчатые цепи.
Привод конвейера состоит из двухскоростного электродвигателя и
редуктора с карданным валом. Кузов с донным конвейером установлен на раме ходовой части шарнирно и поджимается двумя гидроцилиндрами, обеспечивающими перемещение кузова по высоте и
разгрузку на последующие транспортные средства.
Устойчивость вагона и надежное сцепление всех колес с неровной почвой выработки обеспечивается за счет жесткого сцепления заднего моста и балансирной подвески переднего моста.
6.4. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ И ЛЮДСКИЕ
ТРАНСПОРТНЫЕ КОМПЛЕКСЫ
При напочвенных видах откатки – локомотивной и канатной по капитальным выработкам (последняя в случае проведения
двух параллельных наклонных выработок – одной для основного
грузопотока, другой – для прочих грузопотоков) – функции основного, вспомогательного и людского транспорта выполняют одни и
те же транспортные комплексы с использованием соответствующих вагонеток. В остальных случаях для вспомогательных грузов и
людей применяют специализированные машины и комплексы. Они
должны обеспечить возможность доставки всех грузов, кроме полезного ископаемого; связь с основными комплексами; механизацию погрузочно-разгрузочных работ; возможность транспортирования материалов в пакетах или в контейнерах; транспортировку
94
людей к рабочим местам с соблюдением норм безопасности, санитарно-гигиенических требований и при длительности рейса не более 45 мин.
Одно из основных направлений развития вспомогательных и
людских транспортных комплексов – бесперегрузочная и беспересадочная транспортировка. В наибольшей степени этому удовлетворяют подвесные локомотивные монорельсовые комплексы.
Согласно рекомендациям Института горного дела
им. А.А.Скочинского для вспомогательных грузопотоков необходимо предусматривать в основном следующие транспортные
комплексы:
 рельсовые – при локомотивной откатке по главным горизонтальным выработкам;
 рельсовые или монорельсовые – при конвейерном транспортировании по главным горизонтальным выработкам, участковым
штрекам, а также бремсбергам и уклонам;
 монорельсовые – при транспортировке по бортовым выработкам и при транспортировании в условиях системы разработки
столбами по падению (восстанию).
Кроме того, в отдельных случаях, где это допускают горнотехнические условия, возможно использование самоходных вагонов.
В рудных шахтах канатную откатку иногда используют для
перевозки вспомогательных грузов в вагонетках и на платформах по
наклонной выработке между горизонтами и наклонными стволами
по рельсовым путям, уложенным вдоль конвейерного подъема.
В выработках угольных шахт со сложным профилем рельсовых путей применяют напочвенные дороги с канатной тягой.
Безрельсовые напольные средства вспомогательного транспорта по конструктивному исполнению и назначению можно разделить на четыре группы:
1) промышленные автомобили, тягачи и тракторы, оборудованные системами очистки отработавших газов и приспособленные для работы в подземных условиях шахт, не опасных по
газу и пыли;
2) специализированные машины, приспособленные для перевозки одного типа грузов;
95
3) комбинированные машины, оборудованные механизмами
для выполнения такелажных, транспортных и других работ;
4) дорожно-строительные машины.
К первой группе относится оборудование на базе автомобилей и тракторов, модернизированное силами ремонтных мастерских рудных шахт; ко второй – специализированные машины для
8
9
7
10
6
11
12
5
4
13
3
1
2
14
Рис.53. Самоходные унифицированные шасси со съемным оборудованием
различного назначения
1 – самоходная подземная мастерская; 2 – машина для доставки материалов и оборудования (1ВОМА); 3 – машина для механизированного производства набрызг-бетонных
работ; 4 – машина для осмотра и механизированной оборки кровли; 5, 6 – агрегат для
крепления кровли горных выработок соответственно сталеполимерными и железобетонными анкерами; 7, 8, 9 – самоходные буровые установки различного назначения;
10 – полок самоходный для осмотра кровли; 11 – машина зарядная; 12 – кран подземный; 13 – машина для перевозки людей (1ЛВГА); 14 – машина для доставки топлива
96
перевозки людей к местам работы, длинномерных материалов; к
третьей – машины для погрузочно-разгрузочных и транспортных
работ, оборудованные кранами, грузовыми платформами, лебедками; к четвертой – легкие бульдозеры и другое оборудование, используемое при строительстве подземных дорог.
Наиболее универсальными и перспективными являются
специализированные самоходные машины на базе унифицированного шасси, на котором смонтированы установки различного
назначения (рис.53).
Самоходное шасси типа 1ВОМ-01А, выпускаемое Воронежским заводом горно-обогатительного оборудования, состоит из тягача и полуприцепа, соединенных между собой двойным шарниром,
обеспечивающим относительное смещение тягача и полуприцепа в
горизонтальной плоскости на угол до 120 с минимальным радиусом
поворота по внутреннему габариту 2,5 м, по внешнему – 4,5 м и в
вертикальной плоскости на угол 15.
6.5. УСЛОВИЯ РАБОТЫ
ПОГРУЗОЧНО-ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН
6.5.1. Способы загрузки ковша
Продолжительность заполнения грузонесущего ковша зависит от способа загрузки грузонесущего элемента, физико-механических свойств загружаемой горной массы, мощности привода, удельных усилий внедрения и вырыва.
Загрузка ковша может быть раздельной, многоступенчатой,
совмещенной, комбинированной и послойной.
Раздельный способ реализуется при поступательной движении машины, при этом ковш внедряется в штабель до упора кромки
развала в заднюю стенку ковша (рис.54, а).
Обычно загрузка ковша ведется на рабочей (пониженной)
скорости движения 2,5-4 км/ч. Внедренный ковш поворачивают до
отказа на себя без продвижения машины. После этого ковш переводят в транспортное положение и машина отъезжает от штабеля. Этот
97
б
а
в
Рп
Рв
Рп
Рп
Рвн
Рвн
Рвн
г
д
Рп
Рв
Рп Рвн
Рвн
Рис.54. Способ загрузки ковша: а – раздельный; б – многоступенчатый;
в – совмещенный; г – комбинированный; д – послойный; Рвн , Рв, Рп – соответственно усилия внедрения, вырыва, поворота
способ применим при загрузке материала с небольшой насыпной
плотностью (сланец, уголь, шлак).
Многоступенчатый способ представляет собой несколько
однократных последовательных внедрений, сочетающихся с подъемом (рис.54, б).
Совмещенный способ заключается в сочетании поступательного движения с поворотом (рис.54, в). В этом случае скорость движения машины должна быть равна средней скорости подъема режущей кромки ковша. При таком способе ковш предварительно
внедряется в штабель примерно на половину своей длины.
Комбинированный способ (рис.54, г) реализуется при сочетании совмещенного и раздельного способов загрузки ковша. Его используют в момент пробуксовки ходовой части. Этот способ обеспечивает хорошее заполнение ковша при фронтальной загрузке (поступательно движение ковша осуществляется под прямым углом к
кромке развала).
Послойный способ применяют при уборке проходческих забоев и планировочных работах. Взорванную горную массу черпают
98
слоями при непрерывном движении машины вперед (рис.54, д). После загрузки ковш устанавливают в транспортное положение и машина перемещается к месту разгрузки.
Для получения наибольшей производительности машина
должна двигаться с максимально возможной скоростью к пункту
разгрузки. Там ковш разгружают фронтально путем его обратного
поворота на угол, обеспечивающий полное освобождение от загруженного материала. После этого ковш устанавливают в транспортное положение и машину на максимально возможной скорости отгоняют в пункт погрузки. На этом полный рабочий цикл погрузочно-транспортной машины завершается.
6.5.2. Проезжая часть
Эффективность работы погрузочно-транспортных машин в
значительной мере зависит от состояния подземных дорог, особенно
при больших расстояниях доставки.
Применяется дорожное покрытие щебеночное укатанное, бетонное и асфальтобетонное.
Если подземные дороги не имеют специального покрытия,
то снижаются скорость транспортирования и производительность,
возрастают потребляемая мощность двигателя, расход топлива и
расход воздуха на вентиляцию.
Зависимость показателей транспортирования от типа покрытия подземных дорог при грузоподъемности автосамосвалов 50 т и
скорости движения 20 км/ч (по данным Ю.Г.Скорнякова) следующая:
 удельное сопротивление движению от 15 до 60 Н/кН;
 потребляемая мощность от 15 до 221 кВт;
 расход топлива от 34 до 130 кг/ч;
 расход воздуха от 7 до 25 м3/с.
Длительный опыт эксплуатации машин позволил установить, что одна из основных причин быстрого износа шин – неудовлетворительное состояние дорожного покрытия.
Доля затрат на шины от общих эксплутационных затрат на
доставку 1 т руды составляет в среднем 18-20 %. Кроме того, плохие
дороги служат причиной несчастных случаев и аварий.
99
В настоящее время существует единое мнение о необходимости сооружения на почве подземных выработок искусственного покрытия. Наиболее распространены дороги со щебеночным покрытием. Но в последнее время все чаще применяют
бетонированное, асфальтобетонное, сборное железобетонное и
другие покрытия.
Бетонированное или железобетонное покрытие дорог применяется в пунктах погрузки, на наклонных съездах, напряженных
участках транспортных горизонтальных выработок.
6.5.3. Параметры горных выработок
На предприятиях, применяющих самоходное оборудование,
все выработки в зависимости от их назначения, интенсивности и
скорости движения в них машин подразделяются на погрузочные,
доставочные, транспортные, промежуточные (поэтажные) и вспомогательные.
Пункты погрузки могут располагаться непосредственно в
проходческих забоях, камерах или на днище очистных блоков. В
днище блоков через выработки пункта погрузки выпускают отбитую
горную массу. Это их главная технологическая функция. Длина погрузочных выработок колеблется от 8 до 17 м. Дорожное покрытие
чаще всего находится в неудовлетворительном состоянии, поэтому
движение во время заполнения ковша осуществляется по неровной
скальной почве при ограниченной скорости 1,5-2,5 км/ч. Однако в
последнее время в пунктах погрузки и выработках погрузки предусматривают искусственное покрытие из бетона, асфальтобетона или
других материалов.
Доставочные выработки могут быть горизонтальными или
наклонненными под углом 6-8 и иногда до 12. Длина зависит от
системы разработки, схемы нарезных работ и порядка отработки
запасов блока. Обычно она изменяется от 30 до 500 м. Четкого
разграничения между погрузочными и доставочными выработками нет. Скорость движения машин в доставочных выработках зависит от профиля пути, состояния дорожного покрытия и длины.
100
а
4
3
2
б
5
10
6
20
1
r
r
R
500
hм
hп
hb
b
R
c
7
7
hb
х
1200
500
500
(600)
(600)
9
а
А
B
8
c
b
A
B
c
Рис.55. Поперечное сечение выработок для самоходного оборудования:
а – транспортного; б – бурового и вспомогательного
1 – магистрали сжатого воздуха и воды; 2 – знак пешеходной дорожки; 3 – подвеска
светильников; 4 – знак ограничения скорости (20 км/ч); 5 – вентиляционная труба;
6 – крепление кабелей; 7 – самоходная машина; 8 – водоотливная канавка; 9 –
пешеходный трап; 10 – знак, запрещающий движение людей
Размеры: R, r – большой и малый радиусы свода; х – минимальное расстояние между
кузовом и наиболее выступающей частью подвески (не менее 500 мм); b – ширина
машины; А – ширина проезжей части (при поворотах); а – ширина тротуара; с – минимальный зазор; общая ширина транспортной выработки В = b + 1700 мм, а вспомогательной В = А + а + с (или В = А + 1000 мм и В = b + 2с); hм – высота кузова;
hп – высота прямой стенки (не менее 1800 мм); hb – общая высота выработки, мм
(hb = hп + 2r)
При асфальтобетонном покрытии скорость груженой машины
может составлять 15-18 км/ч, а без груза 20-40 км/ч. При плохом
состоянии дорожного покрытия скорость машины с грузом не
превышает 3,5-5 км/ч, а без груза – 6-10 км/ч.
К транспортным выработкам относятся выработки основных
откаточных горизонтов: квершлаги, штреки, штольни, наклонные
стволы и спиральные спуски. По этим выработкам осуществляется
основной грузопоток руды, грузов, материалов и людей. Они проводятся горизонтально или под углом до 12, имеют дорожное покры101
тие. При отсутствии ограничений и длине выработок до 3000 м скорость машин возможна до 40 км/ч.
Промежуточные выработки располагаются выше доставочного горизонта и предназначаются для бурения и заряжания скважин при отбойке руды. Почву выработок в этих случаях присыпают
мелким щебнем и разравнивают. Скорость движения машин не превышает 12 км/ч.
Вспомогательные выработки служат для вентиляции, доставки крупногабаритного оборудования и грузов. Это могут быть
горизонтальные выработки, уклоны, съезды. Протяженность их от
15 до 5000 м, а иногда и более. Угол наклона съездов – 6-14. Скорость движения транспортных средств колеблется от 4 до 15 км/ч.
Конструктивные параметры выработок зависят от их технологического назначения (рис.55).
Уклон выработок выбирается с учетом их назначения, типа
применяемого оборудования, срока службы. С увеличением угла
наклона растут эксплуатационные расходы, особенно когда транспортирование руды идет на подъем. С другой стороны, с увеличением угла наклона резко сокращаются протяженность выработок и капитальные затраты на их проведение.
6.5.4. Узлы сопряжений
Прямая погрузка, доставка, разгрузка широко применяются
при фронтальной отработке мощных крутопадающих месторождений этажным и подэтажным принудительным обрушением. Один из
вариантов такого комплекса с применением погрузочнотранспортной машины показан на рис.56.
Входящая в состав комплекса машина осуществляет погрузку руды в забое, перемещение ее по квершлагу и подэтажному
штреку, разгрузку в рудоспуск.
Перегрузочный узел – это специально оборудованная устьевая часть вертикального или наклонного рудоспуска. Устье рудоспуска бетонируется, сверху устанавливается грохот, а по периметру – трубопровод с оросительными форсунками. Для обеспече102
6700
3
4
2200
3900
2
5
1
Рис.56. Погрузка руды из погрузочно-транспортной машины в рудоспуск
1 – проход; 2 – ляда; 3 – блок; 4 – лебедка; 5 – сопла для подавления пыли водой
250
7600
3000
500
1800
2950
3
2
2700
1
Рис.57. Перегрузка руды из погрузочно-транспортной машины в вагонетку
1 – погрузочно-доставочная машина (ПДМ); 2 – вагонетка; 3 – отбойный щит
ния безопасности и уменьшения пылеобразования устье рудоспуска
после разгрузки ковша перекрывается металлической лядой, управляемой дистанционно машинистом.
При проведении горно-капитальных и горно-подготовительных выработок в блоке с самоходными машинами или при отработке
отдельных небольших залежей, когда отсутствует рудоспуск на нижний горизонт, сооружают перегрузочный узел (рис.57, 58).
103
а
б
Рис.58. Схема перегрузки руды на конвейер: а – из ПДМ;
б – из самоходного вагона
Камера оборудована оросительной системой для пылеподавления и отбойным щитом между боком выработки и бортом
вагонетки для уменьшения просыпания горной массы на рельсовые пути.
6.6. ТЯГОВЫЙ РАСЧЕТ
Результатом тягового расчета является определение скоростей и времени движения машины на различных участках трассы при известном уклоне или выбор уклона соответствующего
участка; определение тормозного пути, пропускной способности
выработки [5].
104
Суммарное сопротивление движению

W  g ( P  P )  w
0

0
a
 wк  i  1000   Wв ,
g
где g – ускорение свободного падения, м/с; Р – фактическая грузоподъемность транспортной машины, т; Р0 – масса машины; w –
удельное сопротивление движению, Н/кН; wк – удельное дополнительное сопротивление движению от кривизны трассы, wк =
= (0,05-0,08)w0; i – уклон дороги, ‰;  – коэффициент, учитывающий инерцию вращающихся масс машин (для машин с двигателем внутреннего сгорания  = 1,10, для машин с электроприводом
 = 22,25); а – ускорение движения, м/с 2; Wв – сопротивление
воздуха, Н.
В подземных условиях по сравнению с условиями работы
машины на поверхности сопротивление воздуха увеличивается в
1,5 раза:
2
 v 
Wв  1,5 g 
 ,
 3,6 
где  – аэродинамический коэффициент обтекания,  = 0,080,10;
 – площадь лобовой поверхности машины, м2; v – скорость движения, км/ч.
Скорость движения принимается по динамической характеристике машины, но не более 20 км/ч. На прямолинейных участках горизонтальной выработки длиной более 500 м допускается увеличение
скорости до 40 км/ч. Для самоходных вагонов с электроприводом
максимальная скорость с грузом 7 км/ч, порожняком 8 км/ч [7].
В зависимости от типа дорожного покрытия (щебеночное,
песчаное влажное, грунтовое укатанное, рудная залежь, бокситовая
руда, бетонное, асфальтовое, бетонное или асфальтовое с загрязнением) удельное сопротивление движению (w0) меняется от 10-15 до
90-210 Н/кН, а коэффициент сцепления колес с покрытием () колеблется от 0,6 до 0,7 (сухое покрытие) и от 0,25 до 0,6 (влажное
покрытие).
105
Сила тяги, развиваемая машиной на ободе колеса,
Fк 
3600N дв
п к о.м ,
v
где Nдв – суммарная мощность ходовых двигателей, кВт; п – КПД
передачи от вала двигателя до ведущих колес, п = 0,800,93;к –
КПД ведущего колеса,п = 0,70,9; о.м – коэффициент отбора мощности для бортовых систем.
Сила тяги, развиваемая машиной по условиям сцепления ведущих колес с почвой выработки (в ньютонах),
Fсц = 1000Рсц,
где Рсц – сцепной вес машины, кН.
Для подземных автосамосвалов и вагонов с телескопическим
кузовом
Рсц = 0,7(Р + P0)g.
Для электрических самоходных вагонов со всеми ведущими
колесами
Рсц = (Р + P0)g.
Для двухосных электрических самоходных вагонов с одной
ведущей осью
Pсц 
( P  P0 ) g
.
2
Для обеспечения движения машины в режиме тяги должно
быть соблюдено условие, при котором Fcц  W .
Уклоны дороги при выбранных скоростях движения определяются с использованием так называемого динамического фактора (силы
тяги, отнесенной к общему весу машины). Динамический фактор
D = w0 + wк ± i ± j,
где j – относительное ускорение, j = 1000 (a/g).
106
D
0,45
0,40
0,35
0,30
1
0,25
0,20
0,15
2
0,10
3
0,05
0
3
6
4
9 12 15 18 21 24 v, км/ч
Рис.59. Динамическая характеристика
автомобиля-самосвала МоАЗ-6401-9585
1-4 – номера передач
Зависимость динамического фактора от скорости
движения называется динамической
характеристикой
(рис.59). Для определения
скорости движения строят
расчетный профиль, на котором указывают длину и
уклон каждого элемента пути. Затем определяют соответствующее каждому элементу
значение динамического фактора
D = w0 ± i.
Если
w0 = 40 Н/кН, уклон i = 150 ‰
или i = 0,15 (в относительных
единицах), то удельное сопротивление
от
уклона
150 Н/кН.
По известному значению D для каждого элемента профиля
пути определяется скорость движения автосамосвала на этом элементе. Для этого откладывают значение D по оси ординат (рис.59),
проводят горизонтальную линию до пересечения с кривой и проецируют точку пересечения на ось абсцисс.
Для самоходных вагонов с электроприводом обычно задают
механическую характеристику
М, Нм
ходового электродвигателя как
150
2р = 12
зависимость крутящего момента на валу электродвигате2р = 6
100
ля до частоты его вращения
(рис.60).
2р = 4
50
Скорость движения
вагона
0
250 500 750 1000 1250 п, об/мин
n
v  3,6
rк ,
Рис.60. Механические характеристики
30i
ходовых электродвигателей АВТ-15-4/6/12,
установленных на вагонах 5ВС15 (р – число
пар полюсов)
где n – частота вращения ходовых электродвигателей, об/мин;
107
ip – передаточное отношение редукторов; rк – кинематический радиус
колеса, м.
Соответствующий скорости динамический фактор при движении по прямой
Dа
Mip
rд ( P  P0 ) g
п ,
где а – число ходовых электродвигателей; М – крутящий момент
одного электродвигателя, Н·м; rд – динамический радиус колеса, м;
п – КПД передачи от вала электродвигателя к оси колеса.
При произвольной загрузке машины (Р) фактическое значение динамического фактора приводится к значению динамического
фактора, указанного в динамических характеристиках,
D
P  P0
(w0  wк  i  j ) ,
Pном  P0
где Рном – номинальная загрузка машины, т.
При равномерном движении
D
P  P0
(w0  wк  i) .
Pном  P0
Если задан тип дорожного покрытия (w0) и уклон дороги, то
вычисляют динамический фактор и определяют скорость движения
по динамической характеристике. При известной скорости движения
и типе дорожного покрытия вначале находят по характеристике динамический фактор, затем вычисляют уклон дороги:
iD
Pном  P0
 wк  w0 .
P  P0
Кроме того, в подземных условиях максимальный уклон imах
принимается равным 100 ‰ (6).
Безопасная скорость на повороте
vбез  3,6 gR( fсц  iв ) ,
108
где R – радиус поворота, м; fсц – коэффициент бокового скольжения,
fсц = (0,30,4)iв – поперечный уклон виража, iв = 0,020,03.
По характеристике продольного профиля трассы и скорости движения машины на каждом элементе профиля определяется
продолжительность движения машины в грузовом и порожнем
направлениях:
tдв.гр  60
li
l
kр.з ; tдв.х  60 i kр.з ,
vгр i
vх i
где li – длина i-го участка трассы, км; vгр i и vх i – скорость движения
машины соответственно в грузовом и холостом направлениях на i-м
участке, км/ч; kр.з – коэффициент, учитывающий разгон и замедление машины на трассе, kр.з = 1,11,2.
В этом случае общее время движения
tдв = tдв.гр + tдв.х.
Тормозной путь машины
Lт  Lр  Lд ,
где Lр – путь, проходимый за время реакции водителя, м,
Lр = 0,28v0t0; v0 – скорость в начале торможения, км/ч; t0 – время реакции водителя, t0 = 0,71,0 с; Lд – путь, проходимый машиной за
время действия тормозов, м.
Когда тормозной вес машины Рт = (Р + Р0)g,
Lд 
v02
.
254( w0  i  )
При одной паре тормозных колес
Lд 
v02


Pт
254  w0  i 

P  P0 

,
109
где Рт – тормозной вес, Рт = 0,7(Р + Р0)g.
Интервал между движущимися машинами
l > (Lт + Lм),
где Lм – габаритная длина машины.
Пропускная способность автотранспортного уклона, тоннеля, штольни, штрека при движении автосамосвалов в одном
направлении
N
1000v
,
kl
где v – расчетная скорость движения, км/ч; k – коэффициент неравномерности движения, k = 1,21,3.
6.7. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЙ РАСЧЕТ
При эксплуатационном расчете самоходных машин определяют: расчетный грузопоток, продолжительность одного рейса, производительность машины, количество машин на участке, горизонте,
руднике, расход электроэнергии, топлива и смазочных масел 5.
Расчетный грузопоток
Qрj = kн(Qсм/Tр.см),
где Qсм – сменная производительность забоя, т; kн – коэффициент
неравномерности поступления полезного ископаемого; Tр.см – рабочее время смены, ч, Tр.см = Tсм – tпер; Tсм – продолжительность смены,
ч; tпер – время перерывов в работе транспортной установки, включающее технологические перерывы в работе забоя (взрывание, проветривание и др.), при работе самоходных машин tпер = 0,70,8 ч.
Продолжительность рейса
Tр = tдв + tпогр + tразг + tдоп,
где tдв – время движения; tпогр – время погрузки машины, которое
определяется вместимостью кузова, способом погрузки (погрузоч110
ная машина, погрузочно-транспортная машина, экскаватор, люковая
погрузка, вибропитатель и т.п.) и мощностью погрузочных средств;
tразг – время разгрузки машины; tдоп – дополнительное время на задержки в пути, tдоп = 13 мин.
Производительность одной машины при работе в забое
Qм j  60P /(Tр kнр.з ) ,
где kнр.з – коэффициент неравномерности подачи машин в забой, при
отсутствии промежуточной бункеризации kнр.з = 1,5, при наличии
промежуточного бункера kнр.з = 1,25.
Потребное количество автосамосвалов или других самоходных машин для обслуживания j-го забоя
Nр j = Qр j /Qм j .
Если машины закреплены за определенными забоями, то
Nр j округляют до ближайшего большего значения. Эти значения
суммируют.
Машины, не закрепленные за определенными забоями и обслуживающие любой забой,
Nр = Nр j.
Инвентарное количество машин
Nинв = kинвNр,
где kинв – коэффициент инвентарности парка, kинв = 1,31,4.
Расчетный расход топлива на транспортирование за один
рейс автосамосвала
h j (1  kт ) 

w
qp j  0,78 (1  2kт ) L j 0 
P ,
1000
1000 

где kт – коэффициент тары машины; Lj – расстояние транспортирования из j-го забоя, км; hj – высота подъема груза при транспортировании из j-го забоя, м.
111
Удельный расход топлива подсчитывают на 100 км пробега
или в час. Для автосамосвалов расход дизельного топлива составляет в среднем 0,4-0,5 л/кВт мощности двигателя (на 100 км пробега).
Фактический расход топлива
qф = qр j kт.г kт.м,
где kт.г и kт.м – коэффициенты, учитывающие расход топлива соответственно на внутригаражные нужды и на маневры, kт.г = 1,06;
kт.м = 1,051,1.
Расход смазочных масел составляет 8-10 % от расхода топлива. Расход топлива на один тонно-километр
qт.км = qф j /(2LjP).
Расход топлива по руднику в смену
q = qт.км Lсв Aсм.р,
где Lсв – средневзвешенное расстояние транспортирования, км;
Aсм.р – сменная производительность рудника, т.
Для электрических самоходных вагонов расход электроэнергии за один рейс
w
h (1  kт ) 

.
qp.э  2,75 (1  2kт ) L 0 
1000
1000 

112
РЕКОМЕНДАТЕЛЬНЫЙ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Волотковский С.А. Рудничная электровозная тяга. М: Недра, 1981.
2. Григорьев В.Н. Транспортные машины для подземных разработок /
В.Н.Григорьев, В.А.Дьяков, Ю.С.Пухов. М: Недра, 1984.
3. Григорянц Э.А. Проведение горных выработок с применением самоходного оборудования / Э.А.Григорянц, А.Н.Инфанотьев, М.И.Чугай. М.: Недра, 1990.
4. Кальницкий Я.Б. Безопасная эксплуатация подземного самоходного
транспорта. М.: Недра, 1990.
5. Кулешов А.А. Самоходный транспорт для подземных горных работ:
Учеб. пособие / А.А.Кулешов, В.А.Фомин; Санкт-Петербургский горный ин-т.
СПб, 1999.
6. Подземный транспорт шахт и рудников / Под общ. ред.
Г.Я.Пейсаховича, И.П.Ремизова. М.: Недра, 1985.
7. Пухов Ю.С. Транспортные машины. М.: Недра, 1987.
8. Скорняков Ю.Г. Системы разработки и комплексы самоходных машин
при подземной добыче руд. М.: Недра, 1985.
9. Тихонов Н.В. Транспортные машины горнорудных предприятий. М.:
Недра, 1985.
113
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГОРНО-ТРАНСПОРТНЫХ УСТРОЙСТВАХ ..........
3
2. КАНАТНО-СКРЕПЕРНЫЕ УСТАНОВКИ ........................................................
6
2.1. Назначение, устройство и транспортные схемы .........................................
6
2.2. Основное оборудование канатно-скреперных установок ..........................
2.2.1. Скреперы ...............................................................................................
2.2.2. Скреперные лебедки .............................................................................
2.2.3.Тяговые канаты ......................................................................................
8
8
10
12
2.3. Расчет канатно-скреперной установки ........................................................
2.3.1. Вместимость скрепера и производительность канатно-скреперной
установки.........................................................................................................
2.3.2. Тяговые усилия в течение цикла транспортирования .......................
2.3.3. Мощность двигателя привода скреперной лебедки ...........................
12
уста
12
14
15
3. ОБОРУДОВАНИЕ ЛОКОМОТИВНОЙ ОТКАТКИ .........................................
16
3.1. Основные элементы локомотивной откатки ...............................................
16
3.2. Рудничные рельсовые пути...........................................................................
3.2.1. Характеристика рельсовых путей .......................................................
3.2.2. Особенности укладки рельсовых путей на закруглениях .................
16
16
19
3.3. Рудничные вагонетки ....................................................................................
3.3.1. Классификация, основные элементы и требования к вагонеткам ....
3.3.2. Основные характеристики рудничных вагонеток ..............................
3.3.3. Мероприятия по повышению долговечности вагонеток ...................
21
21
24
28
3.4. Рудничные локомотивы ................................................................................
3.4.1.Виды локомотивов и их основной показатель ....................................
3.4.2. Классификация электровозов ..............................................................
3.4.3. Конструкция электровоза, его основное оборудование и параметры .....
29
29
29
30
114
3.4.4. Пневмовозы, гировозы и специальные типы электровозов ..............
35
3.5. Основы тягового расчета ..............................................................................
3.5.1. Уравнение движения поезда ................................................................
3.5.2. Механизмы реализации силы тяги и тормозной силы.......................
3.5.3. Статические сопротивления движению поезда ..................................
3.5.4. Расчетные уравнения движения поезда и тяговые диаграммы .........
38
38
39
44
47
3.6. Виды уклонов рельсового пути ....................................................................
48
3.7. Определение веса поезда ..............................................................................
3.7.1. Решаемые задачи ..................................................................................
3.7.2. Определение веса поезда из условия сцепления ................................
3.7.3. Определение веса поезда по мощности тяговых двигателей ............
3.7.4. Определение веса поезда из условия торможения .............................
3.7.5. Выбор веса состава, локомотива и числа вагонеток в составе .........
50
50
51
52
55
57
4. ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ РЕЛЬСОВОГО ТРАНСПОРТА ...
58
4.1. Испытательные горки ....................................................................................
58
4.2. Опрокидыватели ............................................................................................
4.2.1. Назначение и классификация опрокидывателей ................................
4.2.2. Круговой опрокидыватель с фрикционным приводом ......................
4.2.3. Круговой опрокидыватель с цепным приводом .................................
59
59
61
64
4.3. Толкатели и подвагонные цепи ....................................................................
4.3.1. Назначение, классификация и устройство толкателей ......................
4.3.2. Расчет цепного толкателя ....................................................................
4.3.3. Подвагонные цепи ................................................................................
66
66
67
69
4.4. Компенсаторы высоты ..................................................................................
70
5. ПОГРУЗОЧНЫЕ МАШИНЫ ..............................................................................
72
5.1. Назначение и классификация .......................................................................
72
5.2. Одноковшовые погрузочные машины с нижним захватом........................
73
5.3. Условие внедрения ковша в штабель и определение сцепного веса погрузочной машины .....................................................................................................
77
5.4. Погрузочные машины с нагребающими лапами .........................................
79
5.5. Организация машинной погрузки ................................................................
81
5.6. Производительность погрузочных машин ..................................................
83
5.7. Выбор мощности приводов погрузочных машин .......................................
86
115
6. САМОХОДНОЕ ТРАНСПОРТНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ..................................
87
6.1. Общие сведения .............................................................................................
87
6.2. Погрузочно-транспортные машины .............................................................
88
6.3. Транспортные машины .................................................................................
91
6.4. Вспомогательные и людские транспортные комплексы ............................
94
6.5. Условия работы погрузочно-транспортных машин.................................... 97
6.5.1. Способы загрузки ковша ...................................................................... 97
6.5.2. Проезжая часть ..................................................................................... 98
6.5.3. Параметры горных выработок .............................................................
100
6.5.4. Узлы сопряжений ................................................................................. 102
6.6. Тяговый расчет .............................................................................................. 104
6.7. Эксплуатационный расчет ............................................................................ 110
РЕКОМЕНДАТЕЛЬНЫЙ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ......................... 113
116