Продуктивнысть машини

Теоретичну продуктивність секції робочого органа по виносу грунту визначаємо за формулою

П₀ = V_б×n_p×e,

де V_б – об’єм між сусідніми виносними балками;

n_p – кількість розвантаження виносних балок в одиницю часу;

e - коефіцієнт, який враховує заповнення грунтом об’єму між сусідніми балками.

Знайдемо ці складові.

V_б = В×h×Te_мv = 0,546×0,183×0,625×0,82 = 0,0512 м³,

де В – ширина балки. В = 0,546 м;

h – висота балки. h = 0,183 м;

Т - крок розстановки балок на ланцюгу. Т = 0,625 м;

e_м – коефіцієнт, який враховує об’єм металоконструкції балок. e_м = 0,82.

де V_л – швидкість ланцюга робочого органа. V_л = 1,68 м/c.

Коефіцієнт e залежить від грунтових умов та кута нахилу робочого органа до горизонту [1]:

де a - кут нахилу робочого органа. a = 50°;

j - кут природного схилу грунту. Приймемо j = 40°.

Теоретична продуктивність двох секцій робочого органа

П₂₀ = 2 П₀ = 2×0,0512×2,9×0,7 = 0,208 м³/c = 748 м³/год.

Технічна продуктивність робочого органа

де D - коефіцієнт, який враховує втрати грунту при перенесенні його скребками та зворотному падінні в траншею. Для V_л = 1,68 м/c D = 0,8;

k_р – коефіцієнт розпушення грунту. Для різних грунтів коливається в межах k_р = 1,1…1,3.

Розрахункова робоча швидкість машини буде

де F_Т – площа поперечного перерізу розроблюваної траншеї. Якщо машина забирає і

грунт, розроблений підкопом, то для труби Æ 820 мм

для труби Æ 1220 мм

Без транспортування грунту, розробленого підкопом, розрахункова робоча швидкість машини складає:

Для труби Æ 820 мм

для труби Æ 1220 мм

3 Розрахунки балансу потужності

3.1 Схема трансмісії МВТ-2М

На відміну від серійної машини розкриття трубопроводів МВТ з механічною трансмісією приводів (рис. 3.1) машина МВТ-2М має гідравлічну трансмісію (рис.3.2).

Від двигуна DEUTZ BF8M1015C через редуктор STIEBEL 4382 приводяться насоси з регульованим робочим об’ємом:

-A4VG125 - (2 шт) для приводу ланцюгового робочого органа та гусеничного рушія (в транспортному режимі);

- A10VG18 - 2 насоси живлення гідромоторів гусеничного рушія;

- А4VG71 – насос живлення гідромоторів конвеєра;

- A10 VSO18 – насос гідроциліндрів робочого обладнання.

Привід конвеєра здійснюється гідромотором GMV-500, який живиться від насоса A4VG71.

Кожна з секцій ланцюгового робочого органа приводиться двома гідромоторами MCR15F1780, які з’єднані жорстким валом через муфту.

Кожна фреза активного копіра приводиться гідромотором МСR10 F1340, котрий послідовно включений у гідравлічний контур одного з гідромоторів робочого органа.

Таблиця 3.1

Агрегат	Крутний момент Т, Н×м	Потужність Р, кВт	Оберти ном. n, об/хв	Ккд загальн. h	Об'єм робо-чий Vg cм3/об	Тиск p, МПа
ном	макс	ном	макс	ном	макс
Насос A4VG125		656 1)		152 2)		0,91
Насос А10VG18		92 1)		22 2)		0,65
Насос A4VG71		248 1)		63 2)		0,9
Насос А10VSO18		74 1)		-		0,8
Гідромотор A6VE160		813 2)				0,86 0,3 3)
Гідромотор MCR15F1780				-		0,9
Гідромотор MCR10F1340						0,8
Гідромотор GMV 500		1360 4)				0,82

1) вхідний 2) вихідний 3) робочий режим 4) пусковий

3.2 Потужність на власні потреби двигуна та обслуговування насосів

3.2.1 Вихідні дані

Потужність двигуна DEUTZ BF8М1015С	N	364 кВт
Номінальні оберти дизеля	nном	1900 об/хв
Передаточне число редуктора STIEBEL 4382	u	0,706
Об’ємна стала насоса підживлення	vg	39,8 м3/об
Тиск у системі підживлення	pп	22 бар
Ккд редуктора STIEBEL	hS	0,98
Ккд об’ємний насосів	hV	0,95
Ккд гідромеханічний	hТМ	0,96
Ккд загальний	h	0,93
Потужність на привід електрогенератора	pег	4 кВт
Потужність на привід вентилятора водяного охолодження дизеля	РВВ	6 кВт
Потужність на привід вентилятора масляного охолоджувача AKG	PГВ	7 кВт

3.2.2 Потужність на привід двох насосів підживлення для насосів А4VG125

Потужність на привід насоса підживлення A4VG71

3.2.3 Потужність на власні потреби двигуна та обслуговування насосів

Визначається як сума потужностей на привід: генератора, вентилятора водяного, вентилятора масляного, насосів підживлення

P₀ = P_ег + P_вв + P_гв + Р_П + Р_П1.

P₀ = 4 + 6 + 7 + 8,2 + 2 = 27,2 кВт.

P₀ = 27,2 кВт.

3.3 Потужність на привід ланцюгового робочого органа

Потужність на привід ланцюгових робочих органів визначимо як

P_ро = P_к + P_п,

де P_к – потужність на копання грунту ланцюговими робочими органами,

P_п – потужність на піднімання грунту до місця розвантаження та його тертя по забою

та напрямних кожухах.

Потужність на копання знаходимо, використавши формулу

де П_Т – теоретична продуктивність ланцюгового робочого органа;

К₁ – питомий опір копанню. Для IV категорії грунту К₁ = 400 кПа;

h_л – коефіцієнт корисної дії ланцюгів. h_л = 0,4;

h_пл – коефіцієнт корисної дії приводу ланцюгів. h_пл = 0,8.

Технічна продуктивність ланцюгових робочих органів по забою

П_Т = V×F_к,

де V – робоча швидкість машини. Приймемо V = 100 м/год;

F_к – площа забою, який розробляють обидва ланцюгові робочі органи. F_к = 3,82 м².

П_Т = 100×3,82 = 382 м³/год.

Потужність на копання

Потужність на піднімання грунту та тертя

де - технічна продуктивність робочого органа по виносу з забою грунту, розробленого і ланцюговим органом, і активним копіром

(тут F – площа поперечного перерізу розроблюваної траншеї);

Н – глибина забою. Н = 2,9 м;

Н₀ – висота підйому грунту від поверхні до місця розвантаження. Н₀ = 2,1 м;

r - щільність грунту. r =1,8 т/м³;

m - коефіцієнт внутрішнього тертя. m = 0,84;

b - кут нахилу робочого органа. b = 50°.

Загальна потужність на ведучих валах ланцюгових робочих органів

P_ро = P_к+P_П = 132,6 + 55,6 = 188,2 кВт.

Для подальших розрахунків визначимо вертикальну R_в і горизонтальну R_г складові сил копання;

R_в = R_к (y сosb - sinb),

R_г= R_к (сosb - y sinb),

де R_к – дотична складова сил опору копання;

y - коефіцієнт, y = 0,8 [1].

Дотична складова R_к для скребкового робочого органа визначається залежністю [1].

де V_л – швидкість ланцюгів, V_л = 1,68 м/c.

Тоді

R_в= 81,08 (0,8×0,643 - 0,766 ) = - 20,4 кН,

тут знак “-” вказує на те, що сила R_в направлена вниз.

R_г = 81,08(0,643 - 0,8×0,766) = 101,8 кН.

3.4 Потужність на привід конвеєра

Потужність, необхідну для відвантаження ґрунту стрічковим конвеєром визначимо за емпіричною формулою [2]

P_к = К (0,004 Q ×g H + 0,0002 Q g L cosa + 0,04 L cosa B V_л), к. с.

де К – коефіцієнт, який враховує довжину конвеєра. К = 2,5;

H – висота, на яку піднімає грунт конвеєр. Н = 1,5 м;

Q – продуктивність конвеєра. Q = 1000 м³/год;

L×сosa - горизонтальна проекція криволінійного транспортера. L×сosa = 7,0 м;

V_л – швидкість стрічки конвеєра. V_л = 6 м/c;

B – ширина стрічки. В = 0,8 м;

g - питома вага грунту. g = 1,8 тс/м³.

Р_К = 2,5 (0,004×1000×1,8×1,5 + 0,0002×1000×1,8×7,0 + 0,04×7,0×0,8×6) = 36,6 к. с = 27,0 кВт.

3.5 Потужність на переміщення машини

Потужність на переміщення машини в робочому режимі визначаємо як

де h - ККД приводу механізму переміщення. h = 0,8;

V_р – швидкість робочого режиму. V_р = 100 м/год = 0,03 м/c;

F – тягове зусилля базового шасі в робочому режимі.

F = W_Т + F_ро,

де F_ро – горизонтальне зусилля на ланцюговому робочому органі. F_ро = 101,8 кН при роботі в грунтах IV категорії (див. п. 3.3).

W_Т – опір переміщенню тягача на максимальний робочий підйом 15°.

W_Т = G (f + sin 15°) = 467 (0,1+0,26) = 168,1 кН

F = 168,1+101,8 = 269,9 кН.

Потужність на ведучих зірочках, потрібна для переміщення машини, буде

3.6 3.6 Баланс потужності

Сумарну потужність двигуна, потрібну для забезпечення робочого процесу машини МВТ-2М, знаходимо як

де h_ро, h_к, h_н – ККД гідромеханічної трансмісії приводу відповідно: ланцюгового робочого органа, конвеєра та гусеничного рушія (див. рис. 3.2 та табл. 3.1).

4 РОЗРАХУНКИ ПАРАМЕТРІВ КОНВЕЄРА

4.1 Визначення швидкості руху конвеєрної стрічки

Для прийнятої конструктивної схеми конвеєра машини МВТ-2М (рис. 4.1), визначимо діапазон можливих швидкостей руху конвеєрної стрічки, в якому забезпечується розвантаження грунту з конвеєра.

На рис. 4.1 т. О відповідає початку завантаження конвеєра грунтом з першої секції робочого органа, т. С – довантаженню грунтом з другої секції робочого органа, т. D – переходу на радіусну ділянку руху, т. Е – вильоту грунту з конвеєра в бруствер. Величина L визначає шлях, який пройшла частка грунту від початку завантаження до моменту вильоту. Коефіцієнт тертя грунту по матеріалу стрічки приймаємо f = 0,65 [3].

Рисунок 4.1

Переміщення ґрунту з робочого органу на конвеєрну стрічку відбувається в двох взаємно перпендикулярних площинах. Тому початкова швидкість ґрунту, що потрапляє на стрічку, дорівнює нулю.

Уявлення про взаємодію конвеєрної стрічки з ґрунтом у початковий період руху можна отримати з наступних міркувань[3]. Ґрунтова частка кінцевої маси, розміру та форми, що падає на конвеєрну стрічку, в момент зустрічі з стрічкою володіє певною кінетичною енергією, яка разом з роботою сили ваги переходить в роботу деформації ґрунтової частки, включаючи її подрібнення та деформацію стрічки конвеєра. Тоді сили, що виникли в результаті деформування стрічки, відштовхують частку від стрічки, тобто відбувається відскакування частки від стрічки.

При повторному падінні процес повторюється, але із значним затуханням амплітуди. У процесі цього руху нормальний тиск ґрунту на стрічку змінюється від нуля до максимальної величини в кінці деформації стрічки, перевищуючи силу ваги частки. Як і деформація стрічки, коливання сили нормального тиску затухає і невдовзі незначно відрізняється від сили ваги ґрунтової частки.

Сила тертя пов’язана з нормальним тиском прямою пропорційною залежністю. В перший період вона зростає від нуля до максимальної величини, в момент найбільшої деформації стрічки, а потім зменшується, наближуючись до певної постійної величини, що відповідає силі ваги. Якщо знехтувати силами міжмолекулярного тертя, то силу тертя можна вважати єдиною рушійною силою для частинок ґрунту на конвеєрній стрічці.

Оскільки прискорення прямо пропорційне рушійній силі, то рух ґрунту в бік розвантаження на першому етапі можна вважати зростаюче прискореним, до моменту найбільшої деформації стрічки, та уповільнено прискореним в період повернення стрічки в сталий режим.

Необхідно відмітити: при вивчені характеру руху ґрунту по стрічці виявлено, що період потрапляння перших частинок на стрічку миттєвий, тому при розрахунках період завантаження не розглядають, вважаючи силу тертя постійною по всій довжині руху, а сам рух рівномірно-прискореним.

Забезпечити рух ґрунту в напрямку розвантаження можна при умові, коли сили, що рухають частку, будуть більшими сил опору ґрунту.

Розглянемо сили, що діють на елементарну частку ґрунту (рис. 4.2).

На частку ґрунту, яка знаходиться на стрічці конвеєра в довільній точці, що характеризується кутом a_і, діють наступні сили:

Сила тяжіння частки:

G = mg.

Сила G, будучи розкладена на нормальну та дотичну, дасть:

G¢=G×sina_і та G¢¢=G×cosa_і.

Кут a_і визначає положення частки ґрунту в кожній точці пройденого шляху відносно початкової точки розвантаження.

Кут a_і знаходиться як

,

де a_о – кут, який визначає початок потрапляння ґрунту на стрічку;

х_і – пройдений часткою шлях;

r – радіус кривизни конвеєра.

У випадку коли кут a_і > 0 ґрунт рухається в зоні від початкової точки руху матеріалу до вертикальної вісі ОВ, при цьому складова сили тяжіння G×sina_і має додатній знак, сприяючи збільшенню швидкості розгону частки на стрічці. При a_і < 0 ґрунт рухається від вертикальної осі конвеєра ОВ в бік розвантаження, складова сили тяжіння має від’ємний знак, створюючи опір переміщенню частки ґрунту. При a_і < - 45° сили тертя різко зменшують швидкість руху частки.

Відцентрова сила, що виникає внаслідок наявності швидкості v_a елементарної частки ґрунту на криволінійній ділянці руху 1/r, визначається як:

.

Сила тертя Т, що виникла під дією сил G¢¢ та F і направлена в бік руху матеріалу, визначається формулою:

T=f×(F+G¢¢),

де f - коефіцієнт тертя матеріалу, що транспортується, по стрічці.

Рекомендовані значення коефіцієнтів тертя ґрунту по гумовій стрічці конвеєра наведені в табл. 4.1:

Таблиця 4.1 - Коефіцієнти тертя матеріалів по гумовій стрічці

Вид матеріалу	Коефіцієнт тертя матеріалів по стрічці	Джерело
- глина - земля ґрунтова - пісок - пісок і мінерали	f = 0,8…1,0 f = 0,8…1,0 f = 0,4…0,5 f = 0,62…0,75	[14] [14] [14] [15]

Рівняння руху частини матеріалу буде мати вигляд:

Т¢ = Т+G¢,

де Т¢ - результуюча сила, під дією якої рухається частка матеріалу.

Т¢ = f×(F+G¢¢) + G¢.

Підставляючи в останню залежність значення складових, отримаємо рівняння руху частки матеріалу на стрічці конвеєра в диференційній формі:

.

Поділивши рівняння на величину mr, отримаємо:

.

Позначимо

,

тоді рівняння руху частки ґрунту відносно конвеєрної стрічки набуде вигляду:

.

При відомому радіусі кривизни конвеєра і коефіцієнті тертя матеріалу по стрічці, задавшись початковими наближеннями шляху x та швидкості , межами диференціювання від t_о до t, кількістю ділянок диференціювання N, розв'яжемо нелінійне диференційне рівняння в середовищі MathCAD.

.

У результаті розв’язку системи отримаємо залежність швидкості руху елементарної частки ґрунту від шляху пройденого по конвеєру починаючи з моменту руху порції першої ґрунту до його вильоту.

Розрахунок ведемо за методикою, представленою в [4], результати представлено на рис. 4.3.

Результати розрахунку показали, що максимально можлива швидкість стрічки, при якій виключається проковзування грунту по стрічці, дорівнює максимальній швидкості грунту .

Мінімальна швидкість стрічки не повинна перевищувати , інакше грунт не зможе виноситися до точки розвантаження Е (див. рис. 4.1).

Для формування необхідного бруствера швидкість стрічки повинна змінюватися в діапазоні 2…6 м/с [4].

Рисунок 4.3

4.2 Розрахунок ширини стрічки

Ширина стрічки залежить від заданої продуктивності конвеєра, швидкості руху стрічки, насипної ваги грунту, що транспортується і кута природного укосу матеріалу, який знаходиться в русі.

Необхідну ширину стрічки визначимо за формулою [5]

,

де П – продуктивність конвеєра, П = 1000 м³/го д;

g - кут природного укосу грунту, g = 40°;

- швидкість стрічки, 4 м/с;

r - щільність грунту, r = 1,8 т/м³.

Отже

= 0,802 м.

Згідно з стандартним рядом рекомендованих ширин стрічок приймаємо В = 0,8 м.

4.3 Розрахунок максимального натягу стрічки та кількості прокладок

Тягове зусилля на привідному барабані визначимо з умови реалізації максимальної потужності гідромотора

де N_K – потужність гідромотора конвеєра, для GMV-500 номінальна потужність N_K = 43 кВт (див. табл. 3.1);

h - коефіцієнт корисної дії двигуна, для GMV-500 h = 0,82 (див. табл. 3.1).

кН.

За формулою Ейлера [6] визначимо максимальний натяг стрічки:

де – основа натурального логарифма, = 2,718;

a - кут обхвату привідного барабана стрічкою, a = 180°;

m - коефіцієнт тертя між барабаном та стрічкою, m = 0,2 [6].

кН.

Кількість прокладок у стрічці визначимо за формулою

де р – допустиме навантаження на 1 м ширини однієї прокладки, для стрічки БКНЛ-150 р = 1500 Н/см = 15000 Н/мм [7].

Приймаємо і = 3.

Товщина стрічки

де – товщина робочої сторони стрічки, = 3 мм;

– товщина прокладки, = 1,9 мм;

– товщина неробочої сторони стрічки, = 1,5 мм.

мм.

4.4 Визначення розмірів барабанів

Діаметр привідного барабана визначимо за формулою

Довжину привідного барабана визначимо за формулою

Діаметр натяжного барабана

4.5 Розрахунок терміну служби стрічки конвеєра

Інститутом “УкрНДІпроект” запропонована формула [8] для розрахунку терміну служби стрічок, що транспортують розпушені розкривні породи,

де В – ширина стрічки, м;

L – довжина конвеєра, м;

k₁ = 1,0 та 0,95 відповідно для стаціонарного та пересувного конвеєра з жорстко встановленими роликоопорами та 1,35 і 1,3 для конвеєра з підвісними роликоопорами;

k₂ = 0,9; 1,0; 1,35 – для стрічок з сердечником із бавовняної тканини, хімічних волокон та гумоталевої стрічки;

k₃ = 1,15; 1,0; 0,9; 0,8 – для швидкостей стрічки 3,0; 4,0; 5,0; 6,0 м/c;

k₄ = 1,1; 0,9; 0,7 – при висоті завантаження 1,0; 2,0; 3,0 м відповідно;

k₅ = 1,0; 0,95; 0,9 – при куті установки конвеєра 0°; 10°; 20° відповідно.

Визначимо термін служби стрічки при швидкості руху 3 м/c

Інститутом гірничої справи Мінчормету СРСР запропонована формула для визначення терміну служби конвеєрних стрічок, призначених для транспортування кускових матеріалів [8],

де k_л – коефіцієнт, що залежить від виду сердечника стрічки (k_л= 0,9; 1,25; 1,6 відповідно для стрічок з прокладками із звичайного бавовняного бельтінга Б-280, прокладками з комбінованої тканини ЛХ-120, прокладками з хімічних волокон або гумово-тросовим сердечником);

а – максимальний розмір куска (в ребрі), м;

g - щільність матеріалу в цілику, т/м³;

h - коефіцієнт використання конвеєра по продуктивності (h = Q_ф/Q_т – фактична та теоретична продуктивність конвеєра, т/год);

(М = М_ф /8760 < 1; М_ф – фактичний термін робот конвеєра за рік);

Розрахуємо термін служби стрічки при швидкості руху 3 м/c

Визначимо термін служби в годинах

N_д – кількість днів в місяці;

t_р – кількість годин в день.

Результати розрахунків за обома методиками для різних швидкостей стрічки наведені в табл. 4.1.

Таблиця 4.1

Швидкість стрічки, м/c	Розрахунковий термін служби стрічки
Методика УкрНДІпроекту	Методика ІГС МЧМ СРСР

Оскільки конвеєр машини МВТ-2М призначений для транспортування не кускових порід, а розпушеного ґрунту, то результати розрахунку за формулою Укр НДІпроекту більше відповідають умовам експлуатації цього конвеєра.

Зважаючи на жорсткіші умови роботи стрічкового конвеєра мобільної машини МВТ-2М можна прогнозувати термін служби його стрічки 1000…1200 год.

5 Розрахунки на міцність шарнірів рами опирання конвеєра

Поворот робочого обладнання в плані здійснюється відносно двох вертикальних шарнірів – верхнього С і нижнього С¢ (див. рис. 5.1 та 5.2) з однаковими діаметрами пальців d = 200 мм.

До горизонтального шарніра В в площині xoy прикладені зусилля R_yB = 376 кН і R_xB = 422,3 кН, а в точці Д з’єднання штока гідроциліндра з проміжною рамою діє сила F_c = 871,2 кН.

Розглянемо силу F_c по осях x і y (див. рис. 5.2):

R_дy = F_c sina = 871,2 sin 8° = 121,2 кН,

R_дx = F_c cosa = 871,2 cos 8° = 862,7 кН.

З рівнянь рівноваги проміжної рами

SМ₀ = 0; - R_B×l₂ + R_xB×l₂ - R_yB×l₃ + R_дy×l_y + R_дxh = 0,

S x = 0; - R_н + R_b - R_xB + R_дx = 0,

знайдемо вирази для зусиль R_в і R_н в центрах верхнього і нижнього вертикальних шарнірів:

R_н = R_b - R_xB + R_дx.

Після підстановки значень силових і геометричних параметрів отримаємо:

Рисунок 5.1

Рисунок 5.2

R_н = 430 - 422,3 + 862,7 = 870,4 кН.

Максимальні згинаючі моменти М_в і М_н відповідно в верхньому і нижньому пальцях дорівнюють:

Припускаємо, що момент М_б від бокової сили F_б (див. рис. 5.1) сприймає тільки верхній шарнір.

М_б = F_бН = 65,7×5,544 = 364,2 кНм,

де F_б = 65,7 кН.

Момент у середньому перерізі верхнього пальця дорівнює 0,5 М_б.

Сумарний згинаючий момент М у верхньому пальці дорівнює геометричній сумі моментів М_в і М_б:

Напруження в пальцях:

- верхньому

- нижньому

При виготовленні пальців із сталі 45 (границя текучості s_Т = 360 МПа), коефіцієнти запасу міцності будуть:

- для верхнього пальця

- для нижнього

6 Вибір опорно-поворотного пристрою