МИНИСТЕРСТВО УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ УССР

ДОНЕЦКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ОСНОВНЫЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАСЧЕТА ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК В ШАХТНОМ ПОЕЗДЕ И ПРИВОДНЫХ СТАНЦИЯХ БЕЗЛОКОМОТИВНОЙ ОТКАТКИ

ДОНЕЦК - 1982

МИМСТЕРСТВО УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ УССР ДОНЕЦКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Утверждаю

Заместитель начальника Энергомеханического управления Минутлепрома УССР

B. А.Сидоренко 26 марта 1982 г.

Согласовано Заместитель директора института геотехнической механики

C. А.ПолуянскиЙ 30 марта 1982 г.

ОСНОВНЫЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАСЧЕТА ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК В ШАХТНОМ ПОЕЗДЕ И ПРИВОДНЫХ СТАНЦИЯХ ВЕЗЛОКОМОТМВНОЙ ОТКАТКИ

Донецк - 1982 г.

Ю

Правая часть уравнения (I) также, как и при локомотивной откатке, включает в себя разность усилий в сцепных приборах впереди и позади вагонетки и силы сопротивлению движения. В рассматриваемой системе откатки на каждую вагонетку в какой-то момент времени воздействует тягоЕое усилие приводной станции, которое также должно быть включено в правую часть уравнения (I). Кроме того, каждая вагонетка при прохождении ею активной зоны приводной станции испытывает дополнительное сопротивление движению, силы которого необходимо учесть в правой части. Причем, тяговое усилие приводной станции и усилие дополнительного сопротивления должны принимать значения для данной вагонетки только на время нахождения ее в активной зоне приводной станции. В общем случае как тяговое усилие, так и усилие дополнительного сопротивления зависят от координаты вагонетки, т.е. от степени перекрытия ею активной зоны приводной станции.

Таким образом, уравнение (I) можно записать в виде

mi di = f F_T(*i) -    ♦

^    %i+l)    _f    (4.2)

где r_T(Xi)- закон изменения тягового усилия приводной станция;

закон изменения силы дополнительного сопротивления;

^Ь/Роби*- единичные функции, принимающие значения 0 или I в зависимости от координаты , для момента входа вагонетки в приводную станцию я выхода из нее соответственно;

П&Г У^сляая» возникающие в сцедны~ приборах впереди и позади Еагонетю*. соответственно;

VW- силы сопротивления движению вагонетки.

Сили сопротивления движению вагонеток определяются по формуле

ИVi - iru-g-(A+6 IVil)signt£ tm, gl/_K^ н.з)

где д - ускорение силы тяжести;

коэффициенты, постоянные для данного типа вагонеток;

DJ - скорость i -Я вагонетки;

(А - уклон пути.

Уоилие, возникающее в ( 1+1 )-й связи в процессе движения предварительно осаженного шахтного поезда, можно списать также, как и в работе 19] ■■

F_M = [c A*i -x₍n,)-S) + <*■($- T. (K- -x_(i+,_r8)+

+ [c (*i ~X(iH))    (4.4)

где С - жесткость упругой связи;

<A- вязкость связи или коэффициент вязкого сопротивления; f - зазор в сцепке, соединяющей L -ю и ( i+i )-ю вагонетки;

- единичные функции Усилие в ( l+1)-Vi связи в процессе движения предварительно растянутого поезда равно

=[C (Xi-X_(M,)+<* (Vi(*«„)-*<)+

-Хм*)    +8). ⁽⁴-⁵⁾

Запишем дифференциальные уравнения движения предварительно осаженного шахтного поезда

т,а, = [F_Tt(f)-vr.■,(!)]■в-.(х,-х,_н+/<) г.(х,_м-+Л-х,) + +[F_n(4-W«/0] ъ(х,-х_т-£+/,) e-'(x_w+b+J_K-x<) +

в;(х,-х,)+-

+F, -Ft -т, д[U_K +(А +&lvj)tignV<];

/П, Os ~ i (&) Verify]    A^u)    A

*    / F_ri(*) - \Мт»(*)]ъ(*й-х»н~£ +£) ъ (x*h<jL+jCk~x)+

•    •#••#•'••*#.. , •• • • ₍ • «

+/Frj Ш -    (*)) <i(*-XiHii-4C +jU>    <*,н+(г<&+£

+ F, -r, - m, g [Цс +(A+b tVtDUnnV»],

m, a, = IF_ria>-Mr,Mje.fr-*»->£) <*.₍%_H+J*-Xi) *

+[£$(0-v(i,M^s.fr -*ы-£-+£} G-.fr*+£+£-*,) ■+ +№/0-ЩМ}в; & -Хш ■(/--fr.)    +s* fr)    *

+ F< - F_(i,0-m_t g (Li+(* +3 iHDsynVi] ;

in,, a„-[F_t, (n) -VfiJn)) s~.(y_n -у_яы +£) a-. (x„„ +jt_K - и) y-

* I K_tM) ~ VitrlM)]' б.(Х_П-Упм~£⁺Лл) ве(Хпн+ЛсЛ£    +

4Fr/n) -»1ly(n)] e.(Xn-x_M-Q-j£+jQ    +<j х_л)<

+ Fn -F_Cn„, -/H, g [V* +(AiBlnl)fignt(,] >

где K,(i), Ft(i)> ■■■    %/0)    -    тяговое    усилие I-й, 2-й,

. . .j-Я приводной станции, воздействующее на I-ю вагонетку в завис; мости от ее координаты соответственно;

Wmd), WrtiV, .    (/¹ - сила дополнительного сопротивле

ния движению I-й вагонетки в I-Й, 2-й, . . . J. й пригодной станции соответственно;

единичные функции;

текущее значение координаты (пути) i-й вагонетки;

Х{_Ы- начальное значение координаты i-й вагонетки относительно первой станции по ходу движения;

J - номер приводной отанцг.и;

/с- расстояние между приводными станциями;

Ли - длина активной зоны приводной станции;

Л*- длина кузова вагонетки.

Число вагонеток в поезде ( i ) может быть от I до п , число приводных отанций ( J ) от i до к . Количество дифференциальных уравнений равно числу вагонеток в поезде. Гели принять допущение, что массы всех вагонеток одинаковы (АП, *    . /Ц»^я /Г?).

и в начальных условиях принять усилил в голове и хвосте состава равными нулю ( F, * О;    ),    ™    все    дифференци

альные уравнения будут однотипными по структуре, а олагаеше в правой чаоти для каждой вагонетки зависят только от координаты этой вагонетки. Это позволяет значительно сократить запись уравнений при решении их на ЭВ1п.

Система дифференциальных уравнений (4.6) решается на ЭЦВМ "ЕС-ЮЭО" или ^ИЕС-Ю22^И чгсленным методом Рунге-Кутта, имеющем удовлетворительную точность. Для решения необходимо привести систему (4.6) к нормальному виду:

(4.7)

н

4*(г>=М f/Д-иУ    -W];

<r.b,i W*-£„_rW/;

*ИГ*Мфо

Для решения систем! дифференциальных уравнений (4.7) составлена программа расчета на языке ФОРТРАН с использованием стандартной программ* метода Рунге-Кутта. Блок-схема решения представлена на рис. 4.1. Разработанная программа позволяет определять мгновенные значения текущей координаты х_% величины усилия в буферно-сцепных устройствах, скорость движения, ускорение для каждой Еагонетки состава, состоящего из десяти, двадцати и тридцати вагонеток. Принципиально программа позволяет решать задачу я для большего числа вагонеток в составе, для чего требуется заменить несколько карт.

Путем изменения значений величин, ьходящкх е правые части дифференциальных уравнений, в результате решения получаются рациональные параметры режима трогания и торможения.

Одним из основных параметров является тяговое усилие приводной станции, которое б общем случае изменяется е функции пути по периодическому закону, обусловленному чередованием полного перекрытия активной зоны при прсхоздении ею кузоЕв вагонетки к частичного перекрытия пре прохождении мегЕагсннсго пространства. Например, для J-Й приводной станции с линейным электропоиЕодо::, представляющей установленные на стойках с двух сторон рельсового пути индукторы бегусе:: магнитного селя, которое икдутирует ь

Рис.Я.1 .Блок-схема ревемия щгрфереиииальнкх /равнения движения поезда

бокошх стенках вагонетки вихревые токи, взаимодействует с ними, и в результате происхс.ыт движение вагонетки (iO, II] , тяговое усилие, действующее на i-ю вагонетку, описывается уравнением

=& Z K*9Ji 1п(М Ъ+)/ШЩ+Т),    (4.8)

где Ге - тяговое усилие приводной станции при полностью перекрытой активной зоне индуктора вторичным элементом; kitj - полный коэффициент перекрытия активной воны ^ -й

станции (одновременно от двух, трех или большего числа вагонеток);

коэффициент долевого участия (-й вагонетки в общем перекрытии ^-й приводной станции.

Величина полного коэффициента перекрытия определяется суммой коэффициентов долевого участия отдельных вагонеток на данный момент времени

(4.9)

рытии ^-й станции при Ха 4 Х_к равен

реднего борта ^-й вагонетки в активную зону й станции и выход из нее;

Еф - единичные .функции, определяющие начало и конец полного перекрытия;

“ единичные (функции, определяющие вход заднего

борта I -й вагонетки в активную зону j -й станции нее.

Единичные функции описываются выражениями tyi    ~XiM    +/aj i

fjgj    "Xi    ⁺e4    L)    t

E+jl    ~-^iH    /

E$ji =6i[j(i_H+Q-i)jb +J_t -XiJ ;

Efj_t ~6ф[Х1 -Xin    +<£* ~£a ]

Силы дополнительного сопротивления движению вагонетки в приводной станции определяются перекатыванием опорных роликов по бортам вагонетки. Коэффициент сопротивления движению вагонеток от перекатывания роликов равен

где J - коэфф;щиент трения скольжения,

J-iB.KT*. . . 15ЛО^-4);

- радиус цапфы;

/ - коэффициент трения качения, /=5Л0 чв; R_p - радиус ролика.

Величина силы дополнительного сопротивления движению зависит от сил давления борта вагонетки на ролики, т.е. от сил одностороннего притяжения борта вагонетки к индуктору, отношение силы притяжения F_np к силе тяги Г_т индуктора определяется коэффициентом v

⁶ Гт    (4.13)

С учетом (4.12) и (4.13) можно записать, что для j~й привод-нон станции

ie

F_Tj(i)-W<_r/t)= 0-/и>р)Я;(0.

Энергетические затраты на перемещение поезда при воздействии на него только поочередной! станций равно

II/ - X (г-««<,,) [сп*. фш-со:*.)к_пч, ]

^w* -    пт    у    >    *^4el0j

где //*- номинальное напряжение питающей сети;

J_H- номинальный ток приводной станции при полностью перекрытой активной зоне;

С0Щ~ коэффициент мощности приводной станции при открыто?

активной зоне ( K_nj =0);

Coif и- коэффициент мощности приводной станции при полностью перекрытой активной зоне (*7у *1);

Ктр- среднее значение коэффициента перекрытия активной зоны;

Кпср - 4* Z К_пц \

^LP

ttr шаг интегрирования;

t_f- реальное время работы комплекса безлокомотивной откатки. По излояенно:» методике составлена программа расчета параметров движения поезда в комплексе безлокомотивной откатке.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОДОЛЬНО-ДИНАЛ;543lCKHX НАГРУЗОК В СЦДОШХ УСТРОЙСТВАХ ПОЕЗДА

Решение задач проводилось душ работы комплекса безлокомотивной откатки с составом вагонеток ВДК-2,5, оборудованных автосцепками. Инерция вращающихся частей учитывалась путем умножения массы вагонетки на коэффициент if+f_u) =1.03. Величина зазора в

автосцепках принята равной 10 мм.

Уассз лорсанок вагонетки I5U0 кг, груженой - SOOG кг. Жесткость амортизаторов в сцепной устройстве изменялась от 5‘10^Н/и до 3*Ю⁶ Н/м. Вязкость амортизаторов принята равной 2*1C*⁴ Н*с/м.

На рис. 5.1 представлены графики изменения максимальных значении динамических нагрузок в сцопьых устройствах при трогании предварительно осаженного порожного поезда из 20 вагонеток на уклон 0,005 приводной станцией с тяговый усилием 6000 Н. При жосткости амортизаторов 5*10^Н/ы нагрузки в сцепках незначительно отличаются от величины тягового усилия привода. Наибольшее усилие по длине поезда при этом имеет место в сцепном устройстве, соединяющем I-ю и 2-ю вагонетки. С увеличением жесткости амортизаторов величина максимальных усилий повышается и при жесткости с=3*It/³ И/u, т.о. при увеличении ее в 6 раз, усилия в сцепках повышаются в 2,6...5,1 раза. Наибольшие усилия при этом наблюдаются в 6-п сцапке и составляют 4,16'IG*⁴ Н, что значительно ниже

л и

допустимого усилия в автосцепках (7*10 ^л). Таким образом, ограничений по жесткости автосцепок при пуске порожнего состава приводными станциями комплекса безлокомотивной откатки практически нет, так как жесткость автосцепок составляет но более 2*10° Н/м.

На математической подели исследовано также влияние величины тягового усилия приводных станции на значения максимальных усилий в сцепных устройствах. На рис. 5.2 представлены графики распределения максимальных динамических нагрузок в сцепных устройствах с жесткостью амортизаторов с=1,2*Ю^Н/м при трогании порожнего поезда на уклон 0,CL5 для различных значений тягового усилия. Кривая I соответствует тяговому усилию приводной станции 1*10^ Н.

Максимальные динамические нагрузки наблюдаются в 7-й сцепке и составляют 19йСи Н, что выше тягового усилия приводной станции в 1,92 раза. При увеличении тягового усилия в 2 раза максимальные нагрузки в сцепных устройствах повышаются в 1,ь раза (кривая 2);

I. ВВЕДЕНИЕ

В решениях ХХУ1 съезда КПСС предусматривается обеопечить добычу угля в 1985 году в количестве 770...880 млн.тонн. Для достижения этой цели необходимо "расширить создание и внедрении автоматизированных средств добычи угля на шахтах без постоянного присутствия людей в очистных забоях" [I ] .

Главными задачами совершенствования шахтного транспорта являются значительное повышение надежности и производительности транспортных магистралей, онижение тоудоемкости работ, ликвидация многоступенчатости и повышение нагрузки на транспортные выработки за счет применения поточных транспортных оистем, высококачественных, высокопроизводительных горных транспортных машин и механизмов.

Для транспорта полезного ископаемого угольных и рудных шахт применяются различные средства [2,3}, но и в нестоящее время главным видом транспорта по горизонтальным выработкам является локомотивная откатка. Основным видом рудничных локомотивов в нашей стране служат аккумуляторные электровозы, составляющие 85$ локомотивного парка угольной промышленности. Несмотря на продолжающийся курс повышения производительности электровозного транспорта за очет увеличения грузоподъеинооти вагонеток, сцепной маооы локомотивов, применении тяжелых рельсов, внедрения спаренных электровозов и других мероприятий, доля расходов локомотивного транспорта в общей себестоимости угля оствотся значительной по сравнению о другими видами транспорте. Кроме того, рост производительности электровозного транспорта и, соответсвенно, пропускная способность главных выработок ограничены спецификой роботы откатки с поыоцью аккумуляторных электровозов.

В связи с этим есть основания считать актуальный вопрос о создании средств непрерывного автоматизированного транспорта по глав мча горизонтальный выработка!! с болылиа pyv зопотокана.

ч

г. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Работы по созданию автоматизированных средств транспорта на горизонтальных выработках проводятся по двум направлениям.

1.    Созданио автоматизированной откатки на база существующей технологии транспорта с использованием локомотивов в качестве средств тяги.

2.    Создание автоматизированных комплексов безлокомотивной откатки на базе поточной технологии непрерывного транспорта с использованном стационарных приводных станций как средств тяги.

Первое направление в настоящее время развивается по пути полной автоматизации, т.е. без участия машинистов локомотивов в процессе транспортирования. Определенные успехи здесь достигнуты в работах ряда зарубежных фирм и отечественных организаций. Наиболее широкое признание получили средства автоматизированной откатки шведской ,]ирмы АДЕА [4]. Однако все эти работы проводится для автоматизации управлением контактными электровозами, которых на отечественных шахтах работает небольшое количество, а в дальнейшем, с переходом не более глубокие горизонты, их число будет сокращаться.

В нашей стране институтами Гипроуглеавтоматизацип, ДонУГИ, Маннам и Автоматугле^ром ведутся работы по созданию комплекса технических средств для оистемы автоматизированного управления шахтными поездами на базе применения аккумуляторных электровозов. Создание такой системы встретило определенные трудности, основными из которых являются обеспечение связи центрального пульта управления с аккумуляторными электровозами, которые должны работать без машинистов, а также автоматизация замены батареи.

Второе направленно может оказаться более приемлемым решением вопроса автоматизации рельсового транспорта [5,6j. Одним из путей развития этого направления является создание автоматизированных комплексов безлокомотивной откатки не базе существующих, се-

рийно выпускаемых типов подвижного соотава, в частности, составов вагонеток с автосцепками или секционных поездов. Новым элементом в этом споообе откатки является только стационарный привод, который заменяет локомотив.

Комплекс безлокомотивной откатки представляет ообой распределенные вдоль трассы транспортирования отационарныо приводные станции, раостояние между которыми не превывает длину поезда. Приводные станции состоят из установленных о двух сторон рельсового пути напротив друг друга движителей, воздействующих на боковые стенки кузова подвижного состава. Число движителей на приводной станции определяется требуемым тяговым уоилием для перемещения поезда заданной длины. При входе головы состава в активную зону приводной станции автоматически включаютоя движители и перемещают соотав к следующей приводной станции, которая автома тически включается при входе головы состава в ее активную зону, при этом предыдущая станция отключаетоя. Таким образом осуществляется эстафетная передача подвижного соотава от одной станции к другой. Движители могут быть цепные, канатные, реочно-зубчатые, фрикционные (пневмоиинпые), магнитно-фрикционные и электромагнитные. и качестве движителей могут также быть применены линейные индукционные двигатели (ЛИД). Приводные станции могут быть оборудованы цепными, квнатными или другими толкателями шахтных вагонеток.

При разработке комплексов безлокомотивной откатки перед проектировщиками ставится задача: необходимо так выбрать и рассчитать параметры приводных станции, чтобы нагрузки в основных узлах принятого типа подвижного состава но превышали допустимых при работе откатки. Рзсчот динамических ьэгрузок в сцепных устройствах поезда и разработка рекомендаций по расчету и выбору параметров работы безлокомотивной откатки со стационарными приводными станциями производятся в следующей последовательности:

1)    выбор и обоснование расчетной схемы шахтного поезда в комплекс^ безлокомотивной откатки;

2)    описание математической модели поезда в комплексе Ооз-локомотивной откатки;

3)    определение влияния межвагонного пространства на тяговое усилие приводной станции;

<0 составление алгоритма и программы решении дифференциальных уравнений движении поезда при работе безлокомотивной откатки;

5) расчет продольно-динамических нагрузок, действующих на буферно-сцепные устройства подвижного состава при различных режимах работы комплекса безлокомотивной откатки;

в) разработка рекомендаций по расчету и выбору параметров работы безлокомотивной откатки со стационарными приводными станциями.

3. БиЬОР И ОБОСНОВАНИЕ РАСЧЕТНОЙ CaEiJU ШАХТНОГО ПОЕЗДА Б КОМПЛЕКСЕ ЬЕЗЛОКМОТИВНОЛ ОТКАТКИ

Ори работе локомотивной откатки максимальные продольные усилия в сцепных устройствах возникают во вреия трогания и торможения поеяда. Для безлокомотивной откзтки с помощью стационарных приводных станций неблагоприятным является также и режим движения с заданной средней скоростью, так как в этом случае на одни из вагонеток поезда действуют растягивающие усилия, а на другие -сжимающие, т.е. весь поезд или отдельная его часть то сжимается, то растягивается, в результате чего происходят продольные колебания. Расчетная схема поезда должна учитывать все эти особенности.

Для исследования динамики шахтного поезда при работе локомотивной откатки используются две расчетные схе^ы, предложенные И.Е.Жуковским [?]. Б первой схеме поезд с локомотивом россмат-

ривался как система абсолютно твердых тел, соединеншх упругими свяаямя. Во второй охеме поезд представлен как сплошной упругий стержень с грузом на одном из концов.

В работах Шахтаря П.С. поезд представлен в виде упругого стержня, имеющего распределенную массу, и сосредоточенных масс [8 ]. В распределенную массу стержня принята масса упругой связи - вагонетки без колесных пар и сцепного устройства. Сосредоточенные массы - это массы грузов в вагонетках и массы колесных пар. Причем, в качестве упругого стержня принята головная часть поезда. Длина стержня после каждого неродного удара возрастает на длину вагонетки с растянутыми сцепками. Допущение, что головная часть поезда представляется вагонетками с растянутыми сцепками, может быть справедливо для локомотивной откатки, когда локомотив находится в голове поезда. Такое допущение не может быть принято при безлокомотивной откатке. Кроме этого, по методике Шахтаря П.С. нельзя определить мгновенные значения параметров движения каждой вагонетки в любой момент времени, что необходимо при определении нагрузок на приводную станцию.

При выборе расчетной схем* поезда при безлокомотивной откатке за основу принимается расчетная схема шахтного поезда, предложенная Поляковым Н.С. и Новиковым Е.Е. для локомотивной откатки [9 ]. В этом случае поезд представляется в виде систем* твердых тел, соединенных связями с упругими элементами, т.е. в виде систем* с конечным числом степеней свободы.

Расчетная схема шахтного поезда при безлокомотивной откатке показана на рис. 3.1. Определяющим фактором при расчете продольных нагрузок в поезде является внешняя возмущающая сила, т.е. тяговое усилие приводной станции. На поезд одновременно могут воздействовать одна, две или большее число привооных станций. Закон изменения тягового усилия приводной станции зависит от типа

Рис.3Л.Раочетная схема аахтного поезда при безлококотивной откатке:

.../I - по рядковый номер вагонетки;

^/l?f,^т2> • ^ш‘ •    -    масса соответствующей вагонетки ;

La - длина активной зоны ;

ДГ|_М- начальная координата вагонетки;

fv_f;/Va " ^тяго*ое уоилие i-Я и <?-Я приводной станции соответственно.

Рис,3.2.Схеиа межвагоииых связей.

применяемого дв. .ителя. Межвагонные связи в расчетной схеме должны учесть, что в современных сцепных устройствах имеется зазор и амортиватор в виде пружины или резино-металлических деталей. Схема межвагонных овязей с учетом этих требований представлена на рис. 3,2.

4. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОЕЗДА В КОМПЛЕКСЕ БЕЭЛОКОМОТИВНО'1 ОТКАТКИ

При составлении математической модели для определения продольных нагрузок введем следующие допущения.

1.    Комплекс безлокомотивной откаткг. снабжен приводными станциями с движителями, имеющими одинаковые параметры*

2.    Поезд рассматривается как система твердых тел, соединенных упругими связями с некоторым зазором.

3.    В начальном положения зазоры между телами одинаковы.

4.    Удары между массами - центральные, т.е. действуют по продольной оси.

5.    Кузов жестко соединен с рамой и колесными парами вагонетки.

6.    Тяговое усилие приводной станции распределяется поровну на боковые стенки вагонетки.

7.    Уклон пути неизменен.

Система дифференциальных уравнений движения шахтного поезда, возникающего под действием силы тяги приводных станций, состоят из дифференциальных уравнений давления каждой вагонетки:

m_ia_i=zF_l)    (4>1)

где n)i - масса L -й вагонетк*;

Qi - ускорение i-й вагонетки;

суша сил, действующих на вагонетку.