Подвижной состав железнодорожного транспорта

КАРЬЕРНЫЕ ТРАНСПОРТНЫЕ СИСТЕМЫ ГЛАВА 2. ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЙ ТРАНСПОРТ Железнодорожный транспорт (ЖТ) получил большое применение на карьерах и разрезах страны и СНГ. Как правило, он используется при мощных и средних грузопотоках горных предприятий. Глубина разработки с применением железнодорожного транспорта достигает 250 м. На карьерах железнодорожный транспорт используется как самостоятельно в течение всего срока разработки месторождения, так и в сочетании с автомобильным транспортом, когда он применяется в основном при развитии верхних горизонтов. Для железнодорожного транспорта характерны большой фронт работ, сравнительно прямолинейные забои, малые уклоны путевых трасс на горизонтах. Достоинствами железнодорожного транспорта являются высокая надежность, возможность перевозить практически любые насыпные грузы, малая зависимость от климатических условий, относительно низкие удельные затраты на транспортирование, большой срок службы оборудования. Железнодорожный транспорт оказывает незначительное негативное воздействие на окружающую среду. Недостатками ЖТ, ограничивающими область его применения, являются большая протяженность фронта работ (не менее 300-500 м), значительные радиусы поворота (не менее 80-100 м), незначительные подъемы (40 ‰), существенные затраты на перемещение коммуникаций и контактной сети, большие капитальные затраты и другие. Широкое распространение ЖТ получил в составе комбинированного транспорта. Комбинированный автомобильно-железнодорожный транспорт применяется на многих крупных карьерах значительной глубины: карьерах Казахстана, КМА, Кривбасса (Украина), Уральских карьерах. В настоящее время комбинированный автомобильно-железнодорожный транспорт является самым распространенным транспортом на карьерах, глубина которых составляет более 150-200 м. 2.1. Подвижной состав железнодорожного транспорта К основным средствам подвижного состава ЖТ карьеров относятся: электровозы различного типа, тепловозы, тяговые агрегаты различного типа, вагоны-самосвалы и полувагоны. 2.1.1. Вагоны-самосвалы В составе транспортных систем карьеров для перевозки ГМ в основном используются вагоны-самосвалы (думпкары) различной грузоподъемности. На крупных горных предприятиях вагонный парк достигает до 500 единиц, а за35 траты, связанные с ремонтом и содержанием думпкаров (Д), – 20-30 % стоимости транспортирования ГМ. Удельный вес Д достигает 70-85 % всего вагонного парка. Можно отметить следующие основные тенденции в развитии отечественного думпкаростроения: - грузоподъемность выпускаемых думпкаров повысилась с 40 до 180 т; - геометрическая вместимость кузова возросла с 15,3 до 58 м3; - количество осей возросло с 4 до 8; - возросло давление оси на рельс с 16,1 до 30,2 т; - снизился коэффициент тары более чем в 2 раза. Думпкары классифицируются по следующим основным признакам: - по грузоподъемности: малой (до 50 т), средней (до 100 т) и большегрузные (130-160 т); - по количеству осей в ходовой тележке: двухосные, трехосные и четырехосные (две спаренные двухосные); Рис. 2.1. Вагоны-самосвалы: а – ВС-100 грузоподъемностью 100 т; б – ТВС-165 грузоподъемностью 165 т; 1 – тележка; 2 – цилиндр разгрузки; 3 – тормоз; 4 – продольный борт; 5 – нижняя рама; 6 – верхняя рама; 7 – лобовая стенка; 8 – воздухораспределитель; 9 – воздухозамедлитель; 10 – автосцепка 36 - по нагрузке на рельс от колесной пары: легкие (до 200 кН), нормальной нагрузки (от 200 до 300 кН), тяжелые (свыше 300 кН); - по конструкции механизма открывания борта: с поднимающимся и с откидывающимся бортом; - по системе разгрузки: пневматические и гидравлические. Для примера на рис. 2.1 приведены две конструкции вагонов-самосвалов. Основное отличие в том, что думпкар ВС-100 включает две трехосные тележки (см. рис. 2.1, а), а думпкар ТВС-165 – четыре двухосные тележки, объединенные в четырехосную тележку (см. рис. 2.1, б). Конструкции также отличаются количеством и месторасположением разгрузочных пневмоцилиндров. Думпкары (Д) с поднимающимся бортом чаще используются для транспортирования вскрышных рыхлых, заглиненных пород, а также угля. Более распространены Д с откидывающимся бортом. Они лучше приспособлены для транспортирования скальных пород и руд, более прочны и надежны в работе, но они имеют меньшую высоту бортов. В табл. 2.1 приведены основные технические характеристики отечественных вагонов-самосвалов. Подробное описание конструкций Д и их характеристик изложено в работе [25]. Таблица 2.1 Основные характеристики думпкаров ВС-85 ВС-100 2ВС-105 ТВС-165 2ВС-180 Грузоподъемность, т Масса тары, т Коэффициент тары Вместимость кузова, м3 Число осей Длина вагона по осям автосцепок, мм Высота борта, мм Высота вагона от головки рельса до верха борта пола, мм Максимальная ширина вагона, мм Угол наклона кузова при разгрузке, град. Число цилиндров для разгрузки Нагрузка от оси на рельсы, кН 5ВС-60 Показатели 4ВС-50 Вагон-самосвал 50 30,6 0,612 23,2 4 60 29,4 0,49 26,3 4 85 35 0,41 38,0 4 100 49,5 0,495 44,6 6 105 48,5 0,46 48,5 6 165 85 0,51 53,0 8 172 67,7 0,396 58,0 8 12020 11720 12170 16758 14900 17630 17580 900 960 1280 1097 1280 1300 1315 2560 2868 3180 2907 3226 3220 3285 1661 1700 – 1836 – – 2965 3200 3275 3520 3485 3320 – 3660 45 4 200 45 4 220 45 4 295 45 6 245 45 6 250 45 8 307 45 8 295 Зарубежные фирмы изготавливают Д различной грузоподъемности: фирма «Магор» и «Вестерн» (США) – 60-90 т и 45-90 т соответственно; фирмы «Оренштейн Коппель», «Линке Гофман», «Крупп» (ФРГ) – 90-180 т, 180 и 200 т 37 соответственно; фирма «Мицубиси» (Япония) – 60 т. Вместимость кузова колеблется от 30 до 114 м3, количество осей – от 4 до 8. В конструктивном отношении Д зарубежного производства мало отличаются от Д отечественных. 2.1.2. Тяговые средства железнодорожного карьерного транспорта На открытых горных работах основное применение получили два типа локомотивов – электровозы и тепловозы. С помощью электрической и тепловозной тяги выполняется 70-80 % перевозок горной массы. За последние десятилетия произошло коренное переоснащение карьерного ЖТ, в первую очередь введены прогрессивные виды тяги. Выявлены наиболее характерные условия применения различных видов современных тяговых средств на карьерах: электровозов, тяговых агрегатов, тепловозов. На рис. 2.2 приведены характерные структурные схемы компоновки локомотивов. Электровозы (Э) При электрической тяге постоянного тока с напряжением в контактной сети 1,5 кВ на карьерах применялись и продолжают применяться Э отечественного и зарубежного производства (табл. 2.2) [30]. Область применения таких Э – карьеры сравнительно небольшой производительности (15-25 млн т в год) и глубины. Масштабы ЖТ, большие пространственные параметры и глубина разработки позволили перейти в крупных карьерах на напряжение в контактной сети 10 кВ и ввод в эксплуатацию Э переменного тока со сцепным весом до 100 кН. Небольшой сцепной вес таких Э ограничивал область их применения в карьерах глубиной до 200 м с объемами перевозок до 25 млн т в год. Рассмотрим особенности структуры электровозов на примере рис. 2.2: - Электровозы Д94 и Д100М (схема а). Механическая часть Э состоит из двух одинаковых двухосных несочлененных тележек 3. Тяговая передача индивидуальная, двухсторонняя. Кузов Э будочного типа 2 цельнометаллический, сварной конструкции с центральной кабиной машиниста, имеет несущую раму 3, в буферных брусьях которой монтируются автосцепки 4. Эти электровозы переменного тока, понижение напряжения сети осуществляется тяговым трансформатором, для выпрямления тока на Э установлены кремниевые выпрямители. На Э установлены тяговые электродвигатели типа НБ-406Б. Они оборудованы центральным и боковыми токоприемниками 1. - Электровоз EL-2 (схема б). Кузов будочного типа 2 не имеет несущей рамы и опирается на две двухосные тележки 5, сочлененные при помощи шарнирного соединения 6. Рессорная система тележки сбалансирована. В буферных брусьях тележек закреплены автосцепки 4. - Электровоз EL-1 (схема в). Кузов 2 – двухсекционный, вагонного типа со скосами 7 с обеих сторон, не имеющий мощной несущей рамы, опирается на три двухосные тележки 5, сочлененные между собой. В буферных брусьях крайних тележек устанавливаются автосцепки 4. 38 Рис. 2.2. Характерные структурные схемы карьерных локомотивов (обозначения в тексте) 39 Таблица 2.2 Параметры подвижного состава Параметры EL-1 1. Осевая формула 2. Сцепная масса, т 3. Напряжение контактной сети, кВ 4. Нагрузка от колесной пары на рельсы, кН 5. Длина по осям автосцепок, мм 6. Мощность часового режима, кВт 7. Сила тяги часового режима, кН 8. Скорость часового режима, км/ч 9. Сила тока часового режима, А 10. Сила тока длительного режима, А 11. Наименьший радиус вписывания в кривую, мм 12. Конструкционная скорость, км/ч Электровозы Постоянного тока EL-2 EL-21 26E Переменного тока Д100М Д94 20+20+20 150 20+20 100 20+20+20 160 20+20+20 180 20–20 100 20–20 94 1,5 1,5 1,5 1,5 10 10 245 245 261 294 245 230 21320 13820 21320 21470 15460 16400 2020 1350 2100 2480 1590 1635 242,3 161,9 242,3 311 161,9 196,2 30 30 29,7 28,7 31 30 – – – 300 – – 200 200 148 260 255 340 80 50 80 60 80 80 80 50 80 60 80 80 - Электровозы 21Е и 26Е (схема г) состоят из трех секций 8 и 9. Рамы 10 крайних секций одинаковые и соединены с рамой 11 средней секции через шарнирные сочленения. Особенностью конструкции механической части является то, что рамы 10 и 11 тележек 5 представляют собой одновременно рамы частей кузова 8 и 9. В крайних поперечных связях рам 10 и 11 закреплены автосцепные устройства 4 и приборы сочленения 6. Кабина машиниста будочного типа располагается в центральной части кузова 8. Тяговые агрегаты (ТА) Развитие открытых горных работ все более убеждало в том, что применяющиеся Э не способны обеспечить высокоэффективную работу транспорта крупных, глубоких карьеров и повышенных уклонов железнодорожных коммуникаций. Это привело к переходу многих крупных предприятий на моторвагонную тягу с использованием ТА, которые позволяют увеличить тяговое усилие не только за счет собственной массы, но и за счет ГМ, размещаемой в кузовах моторных думпкаров. Тяговые агрегаты выпускаются как постоянного, так и переменного тока. Различают следующие структурные схемы ТА: электровоз управления, моторная дизельная секция, один моторный думпкар; элек40 тровоз управления и два моторных думпкара. Для иллюстрации на рис. 2.3 приведены фотографии ТА обеих структурных схем. Тяговый агрегат – это Л, состоящий из нескольких самостоятельных секций, каждая из которых развивает часть общего тягового усилия. ТА выполняются в виде контактных или контактно-дизельных Л. Они в наибольшей степени отвечают требованиям работы в карьерах. При движении по выездным путям тяжелого профиля на затяжных уклонах тяговые двигатели всех секций ТА питаются электроэнергией от контактной сети. При движении по неэлектрифицированным забойным или отвальным путям двигатели всех секций питаются от дизель-генераторной установки, размещенной на дизельной секции. В состав ТА входят также моторные думпкары, являющиеся разновидностью подвижного состава и которые оборудуются тяговыми электродвигателями. Рис. 2.3. Общий вид тяговых агрегатов ОПЭ1Б (а) и агрегат ПЭ2М (б) Отечественной электровозостроительной промышленностью налажено серийное производство ТА постоянного тока ПЭ2М и переменного тока ОПЭ1, ОПЭ2 и ОП1А (табл. 2.3) [30]. Тяговый агрегат ПЭ2М (см. рис. 2.3, б) является базовой моделью для всех принятых к выпуску ТА постоянного тока. Он состоит из четырехосного электровоза управления и двух четырехосных моторных думпкаров. Кузов электровоза будочной формы со смещенной вперед кабиной, 41 в которой размещены два поста управления. Тележки электровоза управления и моторных думпкаров унифицированы. Опыт эксплуатации тяговых агрегатов ПЭ2М показал, что использование их наиболее рационально в составе электровоза управления и одного думпкара (сцепная масса агрегата 240 т) на карьерах с объемами перевозок 40-70 млн т, а с двумя моторными думпкарами (сцепная масса 360 т) – на предприятиях, где объем перевозок достигает 90-100 млн т при глубине разработки до 300 м и при уклонах до 60 ‰. Тяговый агрегат ОП1Б (см. рис. 2.3, а) переменного тока состоит из электровоза управления, моторной дизельной секции и моторного думпкара. Основными странами-производителями тяговых средств ЖТ являются: США (фирмы «Дженерал Моторс», «Дженерал Электрик»), ФРГ (фирмы «Крупп», «Хеншель», «Макк»), Япония (фирмы «Хитачи», «Мицубиси»). В практике открытых горных работ за рубежом мощные ТА не применяются. Например, на карьерах США в основном применяются Э постоянного тока с сцепной массой 85-125 т, с нагрузкой на ось до 312 кН. Среди тяговых средств, используемых за рубежом, выделяются самоходные вагоны грузоподъемностью до 160 т с электрическим и дизельным приводом. В ФРГ эксплуатируются самоходные вагоны с дизельным приводом грузоподъемностью 80 т, вместимостью кузова 35 м3 и массой 50 т. Рассмотрим особенности структурных схем ТА на примере рис. 2.2: - Тяговый агрегат ОПЭ1 переменного тока (схема д) состоит из электровоза управления 12, секции автономного питания 13 и моторного думпкара 14. Кузов ЭУ и ДС – вагонного типа имеет несущую раму, опирающуюся на две двухосные несочлененные тележки. Тяговые единицы агрегата сочленены между собой автосцепками усиленной конструкции. В отличие от других ТА, тележки МД – трехосные со средней немоторной колесной парой. - Тяговые агрегаты ОПЭ1А переменного тока и ПЭ3Т постоянного тока имеют структуру, соответствующую схеме д. В отличие от ТА ОПЭ1, кузов ЭУ агрегатов – будочного типа, а моторный думпкар имеет две двухколесные тележки. - Тяговый агрегат ПЭ2М постоянного тока (схема е) является базовой моделью для отечественного производства. Он состоит из электровоза управления (ЭУ) 15 и двух моторных думпкаров (МД) 16. ЭУ агрегата имеет кузов будочной формы. В уширенной кабине размещены два поста управления. Кузов имеет несущую раму и опирается на две несочлененные между собой тележки. Тележки ЭУ и МД унифицированы, двухосные. МД выполнены с верхним расположением цилиндров опрокидывания по торцам кузова. На ТА установлены тяговые электродвигатели ДТ9Н. Несущие рамы кузова ТА и нижние рамы МД на своих буферных брусьях несут автосцепное устройство. 42 Таблица 2.3 Параметры подвижного состава Параметры 43 1. Осевая формула 2. Сцепная масса, т 3. Напряжение контактной сети, кВ 4. Нагрузка от колесной пары на рельсы, кН 5. Длина по осям автосцепок, мм 6. Мощность часового режима, кВт 7. Сила тяги часового режима, кН 8. Скорость часового режима, км/ч 9. Ток двигателей длительного режима, А 10. Наименьший радиус вписывания в кривую, мм 11. Мощность источника автономного питания, кВт 12. Конструкционная скорость, км/ч Тяговые агрегаты Переменного тока ОПЭ1 ОПЭ2 ОПЭ1А EL-10 Постоянного тока ПЭ2М ПЭ3Т EL-20 3(20+20) 368 3/1,5 3(20+20) 372 3/1,5 2(20+20) 240 10 3(20+20) 372 10 3(20+20) 372 10 3(20+20) 366 10 3(20+20) 366 10 294 51306 5460/2570 681 28,9 304 54606 5400/2200 671 29 294 40260 4370 549 30 304 51306 5325 649 29,5 304 51506 5325 649 29,5 300 52300 4770 668 25,7 300 52300 5367 687 28 300 – 300 300 300 445 – 80 80 80 80 80 80 80 – 65 1471 65 1471 65 – 65 1103 65 551 50 809 50 43 - Тяговые агрегаты EL-10 и EL-20 переменного тока имеют такую же компоновочную схему, как показано на схеме е. Отличием является то, что на ЭУ размещена силовая электрическая установка, обеспечивающая питание тяговых электродвигателей ЭУ и МД, также размещена дизель-генераторная установка источника автономного питания, используемая при движении ТА по неэлектрифицированным путям. Тепловозы Тепловоз (Т) – локомотив, оборудованный двигателем внутреннего сгорания. Основным преимуществом тепловозной тяги является автономность. С применением Т отпадает надобность в контактной сети. Тепловозы, применяемые в карьерах, имеют электромеханическую передачу. При этом дизель вращает генератор постоянного или переменного тока, который питает энергией тяговые электродвигатели. Типы Т, применяемых в карьерах, и их характеристика приведены в табл. 2.4. Таблица 2.4 Тепловозы и их характеристика Параметры ТЭМ1 ТЭМ2 Осевая формула 30-30 30-30 Сцепной вес, кН Нагрузка на рельс, кН Длина по осям автосцепки, м Наименьший допустимый радиус кривой, м Длительный режим: - сила тяги, кН - скорость, км/ч Мощность, кВт: - дизеля - главного генератора - тягового двигателя Частота вращения вала дизеля, 1/мин Запас топлива, т Общая масса, т 1176 200 16,97 80 ТЭ3 (1 секция) 2ТЭ3 (2 секции) ТЭМ7 1200 204 16,97 80 30-30 2(30-30) 1245 210 16,97 150 (20-20) - (20+20) 1764 225 21,5 90 220 9 205 11 205 20 350 10 735 625 87 740 5,44 120 880 780 112 750 5,44 122 1470 1350 206 850 5,44 127 1470 1310 135 1000 6000 180 Отметим особенности структурных схем тепловозов на примере рис. 2.2: - Тепловозы ТЭМ1 и ТЭМ2 с электромеханической передачей. Оборудование Т монтируется на главной раме, которая устанавливается на две трехосные тележки 18. Кузов Т 17 вагонного типа закрепляется на главной раме. Т имеет одну кабину машиниста. Все оси тележек приводные и оборудованы 44 тормозами. На тепловозах ТЭМ вал дизеля соединен с валом генератора. Управляется Т при помощи восьмипозиционного контроллера. - Тепловоз ТЭ3 получил наиболее широкое применение на карьерах. Кузов тепловоза 17 вагонного типа с кабиной машиниста в передней части. Все оборудование Т монтируется на главной раме 19, которая опирается на две трехосные тележки 18. Дизель-генераторная установка с дизелем 2Д100 смонтирована на поддизельной раме и размещена в центре Т. Пульт управления Т имеет главный 16-позиционный контроллер. Тепловоз ТЭ3 оборудован прямодействующей локомотивной и поездной тормозными системами. - Тепловоз ТЭМ7 (схема з) с электромеханической передачей выполняется односекционным восьмиосным. Этот Т отвечает требованиям промышленного транспорта. Кабина Т выполнена с боковым обзором с места машиниста. Особенностью Т является то, что двухосные тележки попарно сочленены между собой. В дизель-генераторной установке применен тяговый генератор переменного тока. 2.2. Обоснование выбора подвижного состава Выбор подвижного состава (локомотивов и вагонов) выполняется студентами по рекомендациям литературных источников [3, 18, 25, 30, 32], а также в соответствии с характеристиками раздела 2.1. Основанием для выбора оборудования являются исходные данные на выполнение курсового или дипломного проекта: годовой объем перевозок, характеристика транспортируемой горной массы, тип погрузочного оборудования (вместимость ковша экскаватора), размеры карьера в плане и глубина карьера, выбранный руководящий уклон капитальной траншеи и др. Ниже приводятся основные сведения, которые следует учитывать при выборе типа подвижного состава ЖТ. 2.2.1. Локомотивы Железнодорожный транспорт (электровозы, мотор-вагоны) наиболее целесообразен в карьерах средней и большой мощности (10-100 млн т горной массы в год), при разработке обширных по площади месторождений горизонтального и наклонного залегания, а также мощных крутопадающих залежей. Наилучшие показатели железнодорожный транспорт имеет в карьерах с большим сроком существования. Он в равной степени используется для транспортирования мягких, рыхлых, скальных пород и тяжелых руд различной кусковатости. Климатические условия на работу железнодорожного транспорта существенного влияния не оказывают. Железнодорожный транспорт целесообразен при расстояниях откатки от борта карьера до отвала или фабрики более 2-3 км. Глубина карьера должна быть не более 200-250 м. Обычно расстояние откатки 3-8, реже 10-12 км. В редких случаях можно применять железнодорожный транспорт до глубины 300350 м – при значительных размерах карьера в плане на этой глубине. 45 Мотор-вагоны увеличивают возможность применения железнодорожного транспорта. Наиболее целесообразно использовать мотор-вагоны начиная с верхних горизонтов карьеров. Целесообразно использование мотор-вагонного транспорта в интервале глубины 50-250 м. На основе проведенных исследований были установлены наиболее характерные условия применения различных видов современных тяговых средств на карьерах при руководящих уклонах до 40 ‰ [3]: - при объемах перевозки 30-40 млн т и глубине разработки до 150 м применяют электровозы постоянного и переменного тока сцепным весом 10001500 кН; - при объемах перевозки 40-70 млн т и глубине разработки до 250 м – тяговые агрегаты постоянного тока сцепным весом 2400-3600 кН; - при объеме перевозки 70-100 млн т и глубине разработки до 250 м – тяговые агрегаты переменного и постоянного тока сцепным весом 2400-3600 кН; - при объемах перевозки 100 млн т и более и глубине разработки 250-350 м – тяговые агрегаты переменного тока сцепным весом 3600 кН; - область применения тепловозной тяги в карьерах значительно меньше, объем перевозок составляет не более 15 %. Основное применение тепловозная тяга получила при транспортных операциях на поверхности, межцеховых и вспомогательных перевозках, на карьерах малой и средней мощности. Таблица 2.5 Условия рационального применения электровозов и тяговых агрегатов с автономными источниками питания (АИП) Тип локомотива с АИП Контактно-дизельные электровозы сцепным весом до 120 тс с АИП мощностью 500 л. с. Электровозы сцепным весом 150-180 тс с прицепной необмоторенной секцией АИП мощностью 820 л. с. Тяговые агрегаты сцепным весом 220240 тс с прицепной необмоторенной секцией АИП мощностью 1300 л. с. То же, расположение АИП мощностью 820 л. с. на электровозе управления Тяговые агрегаты сцепным весом 360 тс с прицепной необмоторенной секцией АИП мощностью 1300 л. с. Руководящий Среднее расстояние уклон, ‰ транспортирования, км Годовой объем перевозок локомотивами с АИП, млн т До 4 До 6 До 8 До 10 До 6 До 8 До 10 До 27 До 22 До 19 До 16 До 50 До 38 До 32,5 35-45 4-12 30-70 Более 45 4-12 30-70 50 и более 4-12 50-120 30-40 30-40 46 Таким образом, для карьеров большой глубины наиболее соответствуют мощные тяговые агрегаты переменного тока. Однако на многих предприятиях сравнительно меньшей производственной мощности и глубины в ближайшие годы будут еще применяться работающие на них отечественные и зарубежные электровозы сцепным весом 1000-1500 кН. К их числу относится промышленный электровоз производства ЧССР 13Е и его усовершенствованная модификация 21Е. Эти электровозы целесообразно использовать на действующих предприятиях при объемах перевозок 15-25 млн т в год. В табл. 2.5 и 2.6 приведены показатели рационального применения электровозов и тяговых агрегатов [25]. Анализируя показатели того или иного типа локомотива и сопоставляя их с заданными исходными данными курсового проекта или по разделу дипломного проекта, студент приводит в записке свои выводы и принимает решение о выборе типа локомотива в проекте. Краткую техническую характеристику локомотива приводит в пояснительной записке. Таблица 2.6 Сравнительные показатели локомотивов при железнодорожном транспорте Железнодорожный транспорт электровозы тепловозы тяговые агрегаты Показатели Предельные уклоны, %: - на подъем - на спуск Минимальные радиусы закруглений, м Удельное сопротивление движению на горизонтальном участке, кгс/т Мощность двигателя на 1 т массы, л. с. Коэффициент тары транспортных агрегатов Средняя скорость движения, км/ч Примерная трудоемкость, чел./1000 т груза Средняя стоимость транспортирования 1 ткм, коп. (до 1984 г.) 4 4-5 60-80 3 4-4,5 80-100 6-8 – 80-100 2-2,5 1-1,2 0,4-0,8 20-30 5-10 2-2,5 1-1,2 0,5-0,9 15-25 5-10 2-2,5 0,8-1 0,4-0,6 25-30 4-8 1,5 1,7 1,2 2.2.2. Вагоны-самосвалы Вначале студент знакомится с техническими характеристиками думпкаров (раздел 2.1). При выборе типа думпкара следует учитывать взаимосвязь параметров: производительность погрузочного оборудования, соотношение вместимостей ковша экскаватора и кузова думпкара, технический и погрузочный коэффициенты тары, геометрическая вместимость кузова и др. Главными параметрами, характеризующими технические и эксплуатационные свойства вагонов, являются грузоподъемность, масса тары, коэффициент тары, вместимость кузова, число осей, нагрузка на ось. 47 Грузоподъемность вагона (q) – наибольшая, допустимая к перевозке масса груза. Эта величина определяет параметры состава (число вагонов, длину, массу). Факторами, ограничивающими увеличение грузоподъемности вагона, являются: габарит подвижного состава; нагрузка на рельсы, обусловленная состоянием верхнего строения пути; длина вагона, лимитируемая условиями вписывания в криволинейные участки пути. Масса тары ( q т ) – собственная масса вагона. Основная цель вагоностроителей – стремление к снижению массы тары при условии сохранения механической прочности вагона. Основным параметром, характеризующим техническое совершенство вагона, является технический коэффициент тары – отношение массы тары к грузоподъемности вагона: q Kт  т . q (2.1) С уменьшением этого коэффициента повышается экономичность перевозок, так как снижается доля бесполезной (относительно перевозимого груза) массы поезда. Коэффициент тары карьерных думпкаров изменяется от 0,28-0,30 до 0,5-0,65. Технический коэффициент тары не всегда отражает эксплуатационные качества вагона, так как не учитывает фактическое использование его грузоподъемности. Поэтому определяют погрузочный коэффициент тары ( K т.п ), учитывающий фактический объем груза в кузове вагона ( Wф ) и насыпную плотность транспортируемой ГМ (  н ): K т.п  qт q  т , Wф  н qK и (2.2) где K и – коэффициент использования грузоподъемности, K и = 0,9-0,95. Так как насыпная плотность горных пород в карьерах колеблется в диапазоне 1-2,5 т/м3, то для различных пород целесообразно применение разных вагонов. Наибольший эффект дает применение вагона с техническим коэффициентом тары, близким к значению погрузочного коэффициента тары. Геометрическая вместимость кузова вагона выбирается с таким расчетом, чтобы при нормальной загрузке кузова грузоподъемность использовалась полностью. Даже при тщательной загрузке вагона использовать геометрическую вместимость можно только на 90-95 % из-за неполной загрузки торцовых частей кузова и неполного использования высоты бортов во избежание просыпания груза при движении поезда. Объем шапки составляет 20-25 % геометрической вместимости кузова. Поэтому коэффициент использования геометрической вместимости кузова K и  1,1  1,2. 48 Таким образом, требуемая геометрическая вместимость кузова для грузов с насыпной плотностью (  н ) при грузоподъемности (q) определяется по формуле Wг  q . K и  н (2.3) В технической литературе приводятся рекомендации при выборе оборудования. Если по заданию известен тип экскаватора и вместимость его ковша ( Wк ), то: - вместимость думпкара должна быть в 4-6 раз больше вместимости ковша экскаватора; - для производительного использования экскаватора линейная вместимость ковша должна быть меньше или равна удельной вместимости кузова (отношение вместимости вагона с «шапкой» к внутренней длине кузова). Карьерные экскаваторы ЭКГ-5, ЭКГ-8И, ЭКГ-12,5, ЭКГ-20 имеют линейную вместимость ковшей соответственно 2,3, 4,6 м3/м. Удельная вместимость думпкаров грузоподъемностью 60, 85, 105, 145 и 180 т – 3,0; 4,1; 4,2; 4,1 м3/м [28]. При проектировании целесообразно сравнить параметры думпкаров ВС-60, ВС-85, 2ВС-105, 2ВС-180/140. Сравниваемые показатели представить в виде табл. 2.7. Таблица 2.7 К выбору рационального типа думпкара Тип сравниваемого думпкара Грузоподъемность q, т Масса тары qт, т Технический коэффициент тары Kт (ф. (2.1)) Погрузочный коэффициент тары Kтп (ф. (2.2)) Требуемая геометрическая вместимость кузова Wг, м3 (ф. (2.3)) Выбранный тип думпкара ВС-60 ВС-85 2ВС-105 2ВС-180/140 По результатам выбора сделать заключение и в записке привести краткую характеристику выбранного думпкара для проекта. 2.3. Описание схемы транспорта и определение параметров железнодорожных трасс В курсовом проекте и в разделе дипломного проекта форма и характеристика трассы выбираются студентом. Трассой называется линия, определяющая положение оси железнодорожного пути в пространстве. Проекция трассы на горизонтальную плоскость 49 называется планом пути, проекция развернутой трассы на вертикальную плоскость – продольным профилем железнодорожного пути. План трассы железнодорожного пути определяется размерами карьерного поля, глубиной карьера и элементами продольного профиля. Трасса в плане имеет простую, тупиковую и спиральную формы. На рис. 2.4 приведены примеры различных форм трасс ЖТ в карьерах. Прямые участки пути в плане соединяются круговыми кривыми различного радиуса. Рис. 2.4. Формы трассы железнодорожного пути в плане: а – простая; б – тупиковая; в – спиральная Наименьший радиус кривой назначается в соответствии с типом подвижного состава. Минимальный радиус кривых на стационарных путях дол50 жен быть не менее 200 м. На передвижных путях для движения с нормальными скоростями минимальные радиусы кривых принимаются в пределах 80-100 м. Профиль. Железнодорожный путь в вертикальной плоскости состоит из горизонтальных (площадок) и наклонных участков, называемых уклонами. В зависимости от направления движения уклон может быть подъемом или спуском. Уклон пути (i) измеряется в тысячных долях и определяется как отношение разности отметок конца и начала участка пути (Н) к горизонтальной проекции этого участка (l). Например, если Н = 40 м, а l = 1000 м, то уклон i  tg  H 40   0,040. l 1000 (2.4) Угол (β) весьма мал, поэтому длину горизонтальной проекции принимают равной длине пути. Кроме обозначения десятичной дробью, уклоны обозначаются числом тысячных (промилле); так, величина 0,040 обозначается 40 ‰. Руководящим уклоном ( iр ) называется наибольший затяжной уклон пути, по которому устанавливается масса поезда при движении с расчетноминимальной установившейся скоростью. В зависимости от заданных параметров разрабатываемого карьера, выбранных средств подвижного состава и в учебных целях, в курсовом проекте и в разделе дипломного проекта рекомендуется рассматривать один из двух вариантов схем путевого развития и применения железнодорожного транспорта: - как технологический транспорт, доставляющий весь объем ГМ из карьера на ДСФ или в отвал, загрузка локомотивосостава производится в экскаваторных забоях. В этом случае целесообразно принять схему со спиральными съездами (рис. 2.5) или с тупиковой формой трасс (рис. 2.6). При схеме путевого развития со спиральными съездами глубина карьера по заданию принимается не более 150 м; - как магистральный транспорт в составе комбинированного автомобильно-железнодорожного транспорта, загрузка локомотивосоставов в этом случае производится на перегрузочной системе, располагаемой на концентрационном горизонте. В рабочей зоне сборочные функции выполняет автомобильный транспорт. Схема условного карьера приведена на рис. 2.6. При такой схеме концентрационный горизонт располагается на глубине не более 150 м. На схемах конкретная глубина карьера определена заданием, а количество горизонтов определяется из расчета высоты уступа 15 м. При схеме транспорта в соответствии с рис. 2.5 загрузка локомотивосоставов производится в экскаваторных забоях на добычных и вскрышных уступах. Количество экскаваторных забоев ( N э ) определяется из условия заданного годового объема добычи горной массы ( Qг ): 51 Q Nэ  г , Qэ (2.5) где Qэ – годовая эксплуатационная производительность экскаватора при загрузке локомотивосоставов Qэ  60 N в q N в qtц     tоб   K tWк K з  н  Tг K г , (2.6) где N в – количество думпкаров в составе; t ц – цикл экскавации, мин.; q – грузоподъемность думпкара; K t – коэффициент снижения производительности экскаватора при передвижке и установке думпкаров под погрузку, Kt  0,91  0,94 ; tоб – время на обмен состава при погрузке, в проекте tоб можно принимать 5÷8 мин.; Tг – время работы комплекса в году, определяется из расчета 2-сменной работы и 12-часовой смены ЖТ; K г – коэффициент готовности экскаватора, K г  0,8  0,85 . Рис. 2.5. Схема условного карьера со спиральными съездами 52 Рис. 2.6. Схема условного карьера с тупиковой формой трассы железнодорожных путей При схеме транспорта в соответствии с рис. 2.7 загрузка локомотивосоставов производится на перегрузочной системе (ПС). Студент принимает решение по выбору типа ПС, рекомендации по выбору ПС приведены в работах [32, 36]. В учебных целях целесообразно рассмотреть два типа ПС: экскаваторную и эстакадно-бункерную. Требуемое количество ПС в карьере определяется из учета годового объема перевозок ГМ: N ПС  Qг , QПС (2.7) где QПС – эксплуатационная производительность ПС. При экскаваторной ПС годовая производительность системы определяется по выражению (2.6). При эстакадно-бункерной ПС годовая производительность системы ( QПСб ) определяется по формуле QПСб  60 N в q 60 N в q Tг K г  Tг K г , (tп  tоб )  Nвq    tоб   Q K  п t  53 (2.8) где кроме известных величин Qп – производительность питателей бункерной системы, рекомендуется принимать Qп  35  50 т/мин.; K t – коэффициент снижения производительности ПС, зависит от способа загрузки состава: при непрерывной загрузке без выключения питателей Kt  0,8  0,9 ; с раздельной загрузкой думпкаров и с выключением питателей Kt  0,6  0,8 . Рис. 2.7. Схема условного карьера с перегрузочными системами В результате расчета по выражениям (2.5) и (2.7) определяется количество мест погрузки в карьере ( N э и N ПС ), а следовательно, количество трасс железнодорожного транспорта (трасса I, II, …, N т ). Трассу железнодорожного пути при схеме на рис. 2.5 рекомендуется разбить на несколько характерных участков: l1 – временные погрузочные пути в забоях, на уступах – с продольным уклоном не более 15 ‰; l2 – постоянные пути во внутренних и внешних траншеях с руководящим уклоном не более 40 ‰ при электровозной тяге и не более 20 ‰ – при тепловозной тяге; l3 – постоянные пути на поверхности (до ДСФ, до отвала), продольный уклон устанавливается в соответствии с рельефом местности; l4 – временные пути на отвале с уклонами до 10 ‰. 54 Трассу железнодорожного пути при схеме на рис. 2.7 рекомендуется разбить на участки: l1 – постоянный путь на концентрационном горизонте ПС с продольным уклоном до 2,5  5,0 ‰; l2 – постоянный путь, соединяющий погрузочный горизонт с выездной траншеей с уклоном до 30 ‰; l3 – постоянный путь выездной траншеи без учета длины тупиков с уклоном до 40 ‰, на тупиках с уклоном до 5 ‰; l4 – постоянные пути на поверхности с уклоном, соответствующим рельефу местности; l5 – временные пути на отвале с уклоном до 10 ‰. Студент обосновывает и принимает значения продольных уклонов на участках ( ii ), устанавливает высотные отметки начала и конца каждого участка ( hн , hк ) в соответствии с заданными параметрами карьера. Далее рассчитывается расстояние транспортирования ЖТ на каждом участке трассы по формуле li  (hк  hн ) K у , ii (2.9) где (hк  hн ) – высота подъема на i-м участке; K у – коэффициент удлинения трассы, который, в зависимости от типа траншеи, принимается 1,2  1,4 ; ii – величина уклона в тысячных долях (например, 10 ‰ – 0,010). Таблица 2.8 Параметры участков железнодорожных трасс Номер трассы временные пути в забоях, на уступах Участки трассы постоянные пути во постоянные пути на внутренних и внешповерхности них траншеях l 2, м iр, ‰ l3, м i3, ‰ l 1, м i1, ‰ I II . . . Nт l11 l12 . . . l1n i11 i12 . . . i1n l21 l22 . . . l2n iр1 iр2 . . . iрn Среднее значение l1ср i1ср l2ср iрср временные пути на отвале l4, м i4, ‰ В результате расчетов студент получает параметры трассы на участках, необходимые для выполнения тяговых и эксплуатационных расчетов ЖТ (табл. 2.8). 55 2.4. Тяговые расчеты при проектировании Тяговые расчеты при ЖТ проводятся с целью определения массы состава, условия и результатов торможения, установления времени и скорости движения состава по отдельным участкам пути, проверки степени нагрева тяговых двигателей и др. 2.4.1. Определение прицепной массы состава и количества вагонов в составе В карьерных условиях масса прицепной части определяется из условия равномерного движения состава в траншее по руководящему уклону ( iр ) с полным использованием сцепной массы локомотива ( Pсц ) по формуле, кН: Q Pсц (1000  0  iр ) , 0  iр (2.10) где Pсц – сцепной вес локомотива кН; ψ – коэффициент сцепления колес с рельсами, при расчетах рекомендуется принимать   0,22  0,25 [18]; 0 – удельное основное сопротивление движению локомотива по стационарным путям при движении под током, 0  1,5  0,0015V 2 (Н/кН); при движении без тока 0  4,2  0,0015V 2 (Н/кН); при движении локомотива по временным путям под током 0  3,5  0,0027V 2 (Н/кН); без тока 0  6,2  0,0027V 2 (Н/кН); 0 – удельное основное сопротивление движению думпкаров, Н/кН: - по стационарным путям 0  0,7  12  0,3V ; 0,25q 0  1,0  15  0,4V , 0,25q - по временным путям где q – грузоподъемность думпкара; V – скорость движения состава, км/ч. При расчетах рекомендуется принимать V = 20-25 км/ч – при движении на временных путях; V = 40 км/ч – при движении на стационарных путях. Рассчитанная масса прицепной части (Q) по выражению (2.10) проверяется из условия трогания груженого состава на руководящем уклоне ( iр ) в траншее, кН: Q  Pсц (1000 тр  0  тр  iр  108aтр ) , 0  тр  iр  108aтр 56 (2.11) где  тр – коэффициент сцепления колеса с рельсом при трогании с места,  тр  1,25 ; тр – дополнительное сопротивление движению при трогании состава, тр  3,5 Н/кН; a тр – ускорение поезда при трогании, рекомендуется принимать aтр  0,04 м/с2. Масса прицепной части состава в проекте принимается по меньшему значению Q и Q  по выражениям (2.10) и (2.11). Определяется количество думпкаров в составе Nд  Qмен ед., qт  q (2.12) где q т – масса думпкара (масса тары). Для справки: на отечественных карьерах, применяющих в качестве подвижного состава тяговые агрегаты и думпкары типа ВС-105, при значении руководящего уклона iр  30  40 ‰, объем ГМ, вывозимой составом за один рейс, составляет 900-1000 т, количество думпкаров в составе 9-10. 2.4.2. Расчет скорости и времени движения состава Скорость движения состава определяется с использованием электромеханической характеристики (ЭМХ) двигателей локомотива. На рис. 2.8 приведены электромеханические характеристики некоторых электровозов и тяговых агрегатов. Для других типов электровозов расчеты можно выполнить с использованием универсальной ЭМХ двигателей (рис. 2.9) [18]. Универсальные характеристики представляют собой зависимости силы тяги (F), скорости движения (V) от силы тока двигателя (J), выраженные в относительных единицах. За 100 % приняты часовые значения F, V, J. Зная часовые значения F, V и J данного электровоза, принятые за 100 % (табл. 2.9), текущие значения этих величин можно определить пропорционально процентам, указанным на осях координат на рис. 2.9. В результате пересчета представляется возможным построить ЭМХ тяговых двигателей заданного электровоза. Скорость движения состава определяется по следующей методике: - Определяется значение силы тяги, приходящейся на один тяговый двигатель при установившемся движении Л по каждому участку трассы по формуле Fi  1 Pл (0  ii )  Q(0  ii ) кН, nдв (2.13) где nдв – количество двигателей. Определяется по колесной формуле из характеристики Л и по табл. 2.9; Pл – масса локомотива; ii – продольный уклон на iм участке; знак (+) принимается при движении на подъем, знак (–) – при спуске. 57 - Используя ЭМХ двигателя (рис. 2.8 и 2.9), определяем значения скорости движения состава ( Vi ) и силу тока двигателя ( J i ) на каждом участке трассы. - Зная длину транспортирования на каждом участке ( l1, l2 ,..., ln ) и скорость движения состава ( Vi ), определяется время движения по участку в груженом и порожнем направлениях по формуле t двi  60li мин. Vi (2.14) Рис. 2.8. Электромеханические характеристики двигателей электровозов и тяговых агрегатов: а – тяговые агрегаты ПЭ2М, ОПЭ1А, ОПЭ2, ПЭ3Т; б – тяговые агрегаты ОПЭ1, EL-10. EL-20; в – электровозы EL-1, EL-2; г – 26Е 58 Рис. 2.9. Универсальная электромеханическая характеристика карьерных электровозов Таблица 2.9 К построению электромеханической характеристики Тип электровоза Марка двигателя Количество двигателей Д94 26Е 21Е EL-1 ПЭ-2М EL-10 ОПЭ-1 EL-20 НБ-406Б 1AD434/6Et AD-039115fT 4 6 6 6 12 12 12 12 ДЕ9Н GBMW НБ412 GBMW Характеристики часового режима J, A F, кН V, км/ч 380 300 190 250 335 510 565 50,0 52,8 33,0 40,3 60,7 55,6 67,5 57,2 30,0 28,7 28,0 31,0 27,3 25,7 28,5 28,0 2.4.3. Проверка тормозных свойств и определение тормозного пути Основным видом торможения поездов на карьерах является фрикционное – путем прижатия тормозных колодок к колесам Л и вагонов. Вагоны обычно имеют одностороннее нажатие колодок на колесо (на одну ось приходится две тормозные колодки), электровозы, тяговые агрегаты, тепловозы имеют двухстороннее торможение (на одну ось приходится четыре тормозные колодки). Полная тормозная сила поезда (Вк) определяется как сумма действительных нажатий тормозных колодок (K), умноженных на действительные коэффициенты трения ( к ) Bк  1000 Kк , где  K  nкол K ; nкол – количество тормозных колодок в составе. 59 (2.15) Значения тормозных нажатий (K) различного подвижного состава можно принимать по [18], табл. 13; [28], табл. 14. С приближением значение тормозного нажатия колодок Л на ось принимается равным 80 кН, на одну колодку – 20 кН. Сила нажатия колодок на ось думпкара в груженом направлении равна 65 кН, на одну колодку – K = 32,5 кН. Для думпкара в порожнем направлении эти показатели равны 40 кН и 20 кН. Действительный (расчетный) коэффициент трения ( к ) для чугунных тормозных колодок Л и думпкаров определяется по эмпирической формуле [18], [23]: к  0,6 0,016 K  100  V  100   , 0,080K  100  5V  100  (2.16) где V – значение скорости состава из условия торможения, км/ч. В формуле (2.16) значение силы нажатия принимается в даН (1 даН = 10 Н). По известной силе Bк для Л и думпкаров по уравнению (2.15) определяется значение удельной тормозной силы ( bк ) и ( bк ): bк  Bк  K  1000 Z ,  1000к к Pл  Q ( Pл  Q) (2.17) где Z   K/( Pл  Q) – тормозной коэффициент поезда, выражающий силу нажатия колодок, приходящуюся на 1 т массы поезда. Определяется удельное основное сопротивление движению: P   Qi 0 0  л 0 , Pл  Qi (2.18) где кроме известных величин Qi – масса прицепной части состава при движении в груженом или порожнем направлениях. Скорость состава, удовлетворяющая условию безопасности при торможении ( Vт ), должна обеспечивать остановку поезда на расстоянии, не превышающем нормированную величину тормозного пути ( Lт.д = 300 м). Полный тормозной путь складывается из участков: Lт  Lп  Lд , (2.19) где Lп – подготовительный путь торможения, м: Lп  1000Vнtп  0,278Vнtп , 3600 (2.20) где t п – время приведения тормозов в действие: при пневматических тормозах составляет 4-5 с, при электропневматических – 0,5 с; Vн – начальная скорость торможения, км/ч. 60 Lд – действительный путь торможения до остановки, при Vк = 0: 4,17Vн2 . Lд  bк  0  ii (2.21) Допустимая скорость состава по условиям торможения для груженого и порожнего направлений определяется по формуле [23], км/ч: Vдопi  (ai tпр ) 2  2ai Lт.д  ai tпр , (2.22) где ai – тормозное замедление, определяемое по выражениям, м/с2: - для груженого состава при движении вверх по участку aт   0  iу  bк ; 108 - при движении порожнего состава вниз aт   (2.23) 0  iу  bк . 108 При выполнении условия Lт < 300 м параметры тормозных средств выбраны правильно. 2.4.4. Проверка тяговых двигателей на нагревание Цель проверки – убедиться, что мощность двигателей принятого в проекте Л достаточна для данных условий эксплуатации. Степень нагрева тяговых двигателей обусловливается величиной тока (J) и длительностью его протекания по обмоткам. Установлено, что ток пропорционален силам сопротивления движению локомотивосостава по трассе. Для карьерных условий пользуются упрощенным методом проверки нагрева – по «эффективному» (среднему квадратичному) току по формуле, А: J эф    J 2t tр J12t1  J 22t 2  ...  J n2t n ,  tр (2.24) где J i и ti – ток двигателя и время движения на отдельных участках трассы, ток определяется по ЭМХ двигателя; t р – время рейса (оборота) состава по трассе;  – коэффициент, учитывающий дополнительное нагревание двигателей при маневровых операциях,   1,05  1,10. Двигатели не перегреваются, если выдержано условие J эф  K з J дл , 61 (2.25) где J дл – длительный ток двигателей, задается в характеристике Л; K з – коэффициент запаса, учитывающий глубину карьера, при глубине 300 м K з  1,1  1,2. При невыполнении условия (2.25) необходимо внести коррективы в расчеты (изменить массу прицепной части состава, изменить параметры трассы на участках). Результаты тяговых расчетов по проекту оформляются в табл. 2.10. Значения усредненных показателей liср и iiср приняты в соответствии с табл. 2.8. При расчете параметров тяговых расчетов в соответствии со схемой на рис. 2.6 в столбце табл. 2.10 рассматриваются участки: постоянный путь на погрузочном горизонте; постоянный путь соединительный; постоянный путь в траншее; постоянный путь на поверхности; временный путь на отвале. Таблица 2.10 Результаты тяговых расчетов Направление движения Грузовое Порожнее Участки трассы Основное сопротивление движению ω0, Н/кН Сила тяги на один двигатель F, кН Временные пути в забоях, на уступах Постоянные пути в траншеях Пути на поверхности Временные пути на отвалах Временные пути в забоях, на уступах Постоянные пути в траншеях Пути на поверхности Временные пути на отвалах 62 Сила тока электродвигателя J, А Скорость Время движения движения состава по участVi, км/ч ку t, мин. 2.5. Эксплуатационные расчеты 2.5.1. Время рейса (оборота) локомотивосостава Особенностью работы ЖТ в карьерах является движение составов по замкнутому циклу: загрузка, движение в грузовом направлении, разгрузка, движение в порожнем направлении. Полное время рейса одного состава, t р  tпог  t дв  tраз  tман мин., (2.26) где tпог – время погрузки состава, зависит от способа загрузки, принятого в проекте. При экскаваторной загрузке, мин: tпог.э  N в qtц K tWк K з  н  tоб . (2.27) При бункерной погрузке питателями на ПС, мин: tпог.ПС  Nвq  tоб . Qп K t (2.28) Обозначения в формулах (2.27) и (2.28) пояснены в разделе 2.3 учебного пособия. Из практики известно, что при экскаваторной погрузке tпог состава грузоподъемностью до 1000 т составляет 55-60 мин., при бункерной погрузке питателями, в зависимости от организации работы ПС, – 30-35 мин. t раз – время разгрузки состава на отвале, у бункеров ДСФ зависит от числа вагонов в составе ( N в ) и времени разгрузки одного вагона ( t в ). Установлено, что в обычных условиях t в = 1,5-2мин. t раз  N вtв , (2.29) здесь t дв – расчетное время движения груженого и порожнего состава (см. табл. 10); tман – время на маневры, разгон и замедление на трассе. Обычно принимается 2-3 мин. на участке. 2.5.2. Определение количества подвижного состава Суточная производительность ( Qс ) одного локомотивосостава по вывозке ГМ из карьера определяется по формуле, т/сут.: Qс  60Tсут tр Nвq  63 1440 Nвq , tр (2.30) где кроме известных величин Tсут – время работы ЖТ в сутки (по нормам Tсут = 24 ч). Отношение Tсут / t р в формуле (2.30) определяет количество рейсов, которое может выполнить один локомотивосостав за сутки. Требуемое количество рабочих локомотивов для перевозки заданного годового объема ГМ, ед.: Q K Nл  г н , Tг Qс (2.31) где Qг – годовой объем добычи ГМ в карьере, т; Tг – режим работы технологического ЖТ. Нормами установлен режим 2-сменный по 12 часов в смену; K н – коэффициент неравномерности движения поездов, K н  1,1  1,2. Инвентарный парк локомотивов определяется по формуле, ед.: N и  N л  N рем  N рез  N хоз , (2.32) где N рем , N рез , N хоз – число Л соответственно находящихся в ремонте, находящихся в резерве и занятых на хозяйственных работах. По практическим данным, N рем  0,15N л , N рез  (0,05  0,1) N л , N хоз  2. Количество рабочих думпкаров определяется числом рабочих локомотивов и вагонов в каждом составе, ед.: (2.33) N р.д  N в N л . Инвентарный парк думпкаров, ед.: N и.д  N р.дK д , (2.34) где K д  1,25  1,3 – коэффициент, учитывающий думпкары, находящиеся в ремонте, резерве и др. 2.6. Пример расчета параметров железнодорожного транспорта в карьере Числовой пример приводится с соблюдением последовательности по содержанию раздела дипломного проекта, перечисленного в разделе 1.1 учебного пособия. При изложении примера, с целью сокращения текста, вводная часть, обоснование выбора локомотива, описание схемы транспорта не приводятся. Задание. Выполнить расчет параметров железнодорожного транспорта при транспортировании известняка из карьера до бункеров дробильносортировочной фабрики. 2.6.1. Исходные данные на проектирование - Годовая производительность карьера Qг  6,5 млн т. 64 - Глубина карьера 75 м. Добычные горизонты располагаются на высотных отметках H 3  60 м и H 4  75 м условного карьера. - Путевое развитие карьера – схема со спиральными съездами в соответствии с рис. 5 условного карьера. - Загрузка составов – экскаваторами, с вместимостью ковша Wк  4,0  5,0 м3. Время цикла экскавации 28-30 с. - Транспортируемая ГМ – известняк, насыпная плотность  н  2,5 т/м3. - Режим работы ЖТ: количество рабочих дней в году 300, число смен в сутки nсм  2 , продолжительность смены транспорта Tсм  12 ч . - Пункт разгрузки – бункера ДСФ. 2.6.2. Выбор оборудования Студент приводит обоснование выбора локомотива. В примере обоснование не приводится. К расчету принимается локомотив – электровоз 26Е (см. табл. 2.2). Характеристика электровоза: сцепная масса 180 т; осевая формула 20  20  20 ; сила тяги часового режима 311 кН; сила тока часового режима 300 А; сила тока длительного режима 260 А; скорость часового режима 28,7 км/ч; мощность часового режима 2480 кВт. При годовой производительности карьера 6,5 млн. т и заданном типе экскаваторов ЭКГ-4,6 или ЭКГ-5 рационально рассмотреть и сравнить параметры думпкаров с грузоподъемностью 60, 80 и 105 т. Параметры думпкаров приведены в табл. 2.1. Для расчета принят экскаватор ЭКГ-4,6, вместимость ковша Wк  4,0 м3. Результаты сравнения и выбора думпкаров сведены в таблицу по подобию табл. 2.7. Тип сравниваемого думпкара Вместимость кузова Wд, м3 Грузоподъемность q, т Масса тары qт, т Технический коэффициент тары Kт Погрузочный коэффициент тары Kт.п Требуемая геометрическая вместимость кузова Wг, м3 ВС-60 ВС-85 2ВС-105 26,3 38,0 44,6 60 85 105 29,4 35 48,5 0,49 0,41 0,46 0,53 0,44 0,50 20,0 28,4 35,1 Выбранный тип думпкара ВС-85 Коэффициент использования грузоподъемности принят K и  0,92 , коэффициент использования геометрической вместимости принят K и  1,15. Сравнение показывает, что меньшие значения коэффициентов K т и K т.п достигаются при применении думпкара ВС-85. При этом значения K т и K т.п наиболее близки друг другу. В проекте принимается думпкар ВС-85. 65 2.6.3. Схема транспорта и определение параметров железнодорожных трасс Студент дает описание схемы транспорта применительно к заданным исходным данным в соответствии с рис. 2.5. Рисунок приводится в записке. Определяется годовая производительность экскаватора ЭКГ-4,6 по формуле (2.6) из расчета: количество смен в сутки 3, продолжительность смены 8 ч, время работы комплекса в году Tг  300  8  3  7200 ч. Qэ  60  5  85  7200  0,7  3600 тыс. т в год.  5  85  0,5   7   0,94  4  0,8  2,5  Годовая производительность экскаватора определена из предположения, что количество думпкаров в составе N в  5. В дальнейшем расчете этот показатель будет уточнен. По известной годовой производительности экскаватора определяется количество экскаваторных забоев ( N э ) или количество железнодорожных трасс для перевозки известняка на ДСФ по формуле (2.5): Nэ  6500  1,8 заб. 3600 В проекте принимаем две железнодорожных трассы с условным обозначением трассы I и II. По заданию трасса I начинается на горизонте с отметкой -60 м от экскаватора № 1 и заканчивается у бункеров ДСФ с высотной отметкой +8,0 м. Трасса II начинается на горизонте с отметкой -75 м от экскаватора № 2 и заканчивается в той же точке системы. Трассы I и II каждая разбиваются на три характерных участка: l1 – временный путь на уступе; l2 – постоянный путь в траншее; l3 – постоянный путь на поверхности. Высотные отметки участков приведены в таблице по подобию табл. 2.8. Параметры участков трассы Номер трассы I II l1, на уступах высотные уклон, длина, отметки ‰ м -60, -55 -75, -68 0,005 0,005 Ср. 1200 1680 1440 Участок l2, в траншее высотные уклон длина, отметки iр, ‰ м -55,0; 0,0 -68,0; 0,0 0,035 0,035 Ср. 1885 2330 2107 l3, на поверхности высотные уклон, длина, отметки ‰ м 0, +8,0 0, +8,0 0,004 0,004 Ср. 2400 2400 2400 В соответствии с рекомендациями раздела 2.3 в проекте принимаются следующие величины продольных уклонов на элементах трассы: на участках l1 – 5 ‰, на участках l2 – 35 ‰, на участке l3 – 4,0 ‰. По формуле (2.9) рассчи66 тываются расстояния транспортирования на каждом участке. Для примера, расстояние l1 трассы I, м: l1  (60  55)  1,2  1200. 0,005 2.6.4. Тяговые расчеты Величина прицепной части состава определяется по формуле (2.10) из условия равномерного движения состава по траншее с руководящим уклоном iр  35 ‰ Q Pсц (1000  0  iр ) . 0  iр Из характеристики Л (см. табл. 2.2) МР сцепной вес Pсц  1800 кН; значение коэффициента сцепления принято ψ = 0,22; удельное основное сопротивление движению Л по стационарным путям под током, Н/кН: 0  1,5  0,0015  202  2,1, удельное основное сопротивление движению думпкаров по стационарным путям, Н/кН: 0  0,7  12  0,3  20  1,54 , 0,25  85 руководящий уклон в траншее принят iр  35 ‰, скорость движения состава V  20 км/ч: Q 1800  (1000  0,22  2,1  35)  9009 кН. 1,54  35 Рассчитывается величина прицепной части состава из условия трогания груженого состава на руководящем уклоне в траншее по формуле (2.11). При расчете принято:  тр – коэффициент сцепления колес с рельсами при трогании (при подсыпке песка),  тр = 0,26; тр – дополнительное сопротивление движению при трогании состава, тр = 3,5 Н/кН; ускорение поезда при трогании aтр  0,04 м/с2 Q  1800  (1000  0,26 - 2,1 - 3,5 - 35 - 108  0,04)  8727 кН. 1,54  3,5  35  108  0,04 67 Определение количества думпкаров в составе ( N в ) выполняется по формуле (2.12). Для расчета принимается меньшее значение прицепной части Q  8727 кН Nв  8727  7,27 ед. 350  850 Окончательно в проекте принимается 7 думпкаров в составе. Следовательно, прицепная часть груженого состава составляет 7  (35  85)  840 т, порожнего состава 7  35  245 т. Скорость движения состава по участкам определена в соответствии с методикой раздела 2.4.2. Значение силы тяги, приходящейся на один тяговый двигатель, определено по формуле (2.13). При количестве тяговых двигателей у электровоза 26Е равном 6, сила тяги определяется для каждого участка при движении состава в груженом и порожнем направлениях. Например, при движении груженого состава по траншее (участок l2 ) под током сила тяги 1 F2г  [1800  (2,1  35)  8400  (1,54  35)]  62,2 кН. 6 По ЭМХ двигателя (см. рис. 2.8) определяется скорость движения состава по участку V2г  20 км/ч, J 2г  360 А. Сила тяги, приходящаяся на один двигатель, при движении порожнего состава без тока по траншее 1 F2п  [1800  (4,8  35)  2450  (1,54  35)]  22,7 кН. 6 Знак (–) показывает, что режим движения состава тормозной. Скорость движения состава на этом участке следует принять из условия допустимой скорости движения по постоянным путям трассы, V2п  40 км/ч. По известным значениям расстояния транспортирования по траншее (участок l2 ) и скорости движения по участку V2 рассчитывается время движения ( t дв ) по формуле (2.14): t дв.г  60l2cp V2 t дв.п   60  2,107  6,32 мин.; 20 60  2,107  3,16 мин. 40 Результаты вычислений показателей силы тяги, скорости движения, времени движения и силы тока на каждом участке сведены в таблицу (по подобию табл. 2.10). 68 2.6.5. Проверка тормозных свойств Полная тормозная сила состава ( Bк ) определяется по выражению (2.15) Bк  1000 Kк  Knколк . Результаты тяговых расчетов Направление движения Грузовое Порожнее Участки трассы Временные пути в забоях, на уступах Постоянные пути в траншеях Пути на поверхности Временные пути в забоях, на уступах Постоянные пути в траншеях Пути на поверхности Основное сопротивление движению ω0, Н/кН Сила тяги на один двигатель F, кН Сила тока электродвигателя J, А Скорость Время движения движения состава по участку Vi, км/ч t, мин. 4,58 14,35 150 20 7,2 2,1 62,20 360 20 6,32 2,1 9,58 100 42 3,42 7,3 -0,045 20 7,2 4,8 -22,7 40 4,8 -0,76 40 3,6 ∑tдв 30,9 3,16 Количество тормозных колодок ( nкол ) определено из характеристики подвижного состава: у локомотива 26Е имеется 6 осей и по 4 колодки на каждой оси; у думпкара ВС-85 – 4 оси и по 2 колодки на каждой оси. Итого в составе из 7 думпкаров: nкол  6  4  7  4  2  80 кол. По рекомендации источника [23] силу нажатия одной колодки электровоза 26Е принимаем равной 2000 даН, силу нажатия одной колодки думпкара ВС85 при движении в груженом направлении принимаем 3250 даН, в порожнем направлении 2000 даН. Определяем расчетный коэффициент трения чугунных колодок ( к ) в соответствии с формулой (2.16): - для электровоза 26Е 69 к  0,6  0,016  2000  100 35  100   0,15; 0,080  2000  100 5  35  100 - для думпкаров в груженом направлении к  0,6  0,016  3250  100 35  100   0,125; 0,080  3250  100 5  35  100 - для думпкаров в порожнем направлении к  0,6  0,016  2000  100 35  100   0,15. 0,080  2000  100 5  35  100 При определении значения к значение скорости V = 35 км/ч. В результате подстановки расчетных показателей получим: - для груженого направления движения состава Bк  2000  6  4  0,15  3250  7  4  2  0,125  29950 даН  299,5 кН; - для порожнего направления движения состава Bк  2000  6  4  0,15  2000  7  4  2  0,15  24000 даН  240 кН. Рассчитываются значения удельной тормозной силы по формуле (2.17): - для груженого направления движения bк  299500  293 Н/т; 180  840 - для порожнего направления движения bк  240000  564 Н/т. 180  245 Определяется удельное сопротивление движения состава по формуле (2.18): - для груженого направления движения 0  180  2,1  840  1,54  1,63 Н/кН  1,63 даН/т ; 180  840 - для порожнего направления движения 0  180  2,1  245  1,54  1,77 Н/кН  1,77 даН/т . 180  245 Для определения допустимой скорости движения состава, удовлетворяющей условию безопасности движения при торможении, определяется полный тормозной путь состава. Подготовительный путь торможения определяется по формуле (2.20): - для груженого направления движения вверх по траншее 70 Lп  0,278  20  4,5  25 м; - для порожнего направления движения вниз по траншее Lп  0,278  40  4,5  50 м. Действительный путь торможения определяется по формуле (2.21): - для груженого направления движения 41,7  20 2 Lд   50,5 м; 293  2,1  35 - для порожнего направления движения 41,7  40 2  125,7 м. 564  1,54  35 Полный тормозной путь определяется по формуле (2.19): - для груженого направления движения Lд  Lт  25  50,5  75,5 м; - для порожнего направления движения Lт  50  125,7  176,2 м. Таким образом, расчетная длина торможения допустима при движении состава, так как она ниже, чем нормированная длина торможения в карьере, Lт < Lт.д < 300 м. Для расчета допустимой скорости движения состава по условию торможения определяются значения величины тормозных замедлений по формуле (2.23): - для груженого направления движения 1,63  35  293 aт    0,305 м/с2; 1080 - для порожнего направления движения aт  1,63  35  564  0,55 м/с2. 1080 Допустимая скорость движения состава по условию торможения определяется по формуле (2.22): - для груженого состава при движении вверх Vдоп  (0,305  4,5) 2  2  0,305  300  0,305  4,5  12,2 м/с  43,9 км/ч; - для порожнего состава при движении вниз Vдоп  (0,55  4,5) 2  2  0,55  300  0,55  4,5  15,86 м/с  57,1 км/ч. 71 Полученные допустимые скорости состава в обоих направлениях движения значительно превышают скорости, принятые при расчете. Таким образом, тормозные свойства состава обеспечивают безопасность движения при эксплуатации ЖТ. 2.6.6. Проверка тяговых двигателей на нагрев Проверка тяговых двигателей на нагрев в соответствии с формулой (2.24). Эффективный ток при движении состава по трассе 150 2  7,2  360 2  6,32  100 2  3,42 J эф  1,1   125 А. 78 Время рейса ( t р ) предварительно принято из расчета: t дв  31,0 мин., tпог  35 мин., t раз  12 мин. Из условия по формуле (2.25) следует J эф  125 А  J дл  260 А (по характеристике). Следовательно, двигатели не перегреваются. 2.6.7. Эксплуатационные расчеты Определяется полное время рейса состава в соответствии с формулой (2.26). При погрузке состава экскаватором с вместимостью ковша до 5 м3 и включающего 7 думпкаров вместимостью 85 т время погрузки определяется по формуле (2.27): tпог  7  85  0,5  7  38,6 мин. 0,94  5  0,8  2,5 Время разгрузки составов ( t раз ) в бункера ДСФ определено из условия, что один думпкар с учетом передвижки разгружается за время tв  1,75 мин. Тогда, в соответствии с формулой (2.29): t раз  7  1,75  12,25 мин. Время маневров состава ( tман ) принимается 2,5 мин. на каждом участке, tман  7,5 мин. В результате полное время рейса состава tр  38,6  30,9  12,25  7,5  89,25 мин. Суточная производительность Qс одного локомотивосостава определяется по формуле (2.30) 72 Qс  1440  7  85  9600 т/сут. 89,25 Требуемое количество рабочих локомотивов для перевозки заданного годового объема ГМ определено по формуле (2.31) Nл  6,5  1,15  2,6 лок. 300  9600 В проекте принимается 3 рабочих локомотива. Определяется инвентарный парк локомотивов из расчета: – количество Л, находящихся в ремонте: N р  0,15  3  0,45 лок.; – количество резервных Л: N рез  0,075  3  0,225 лок.; – количество Л на хозяйственных работах: N хоз  2. В итоге инвентарный парк Л составит 3  1  2  6 лок. Количество рабочих думпкаров N р.д  7  3  21 ед. Инвентарный парк думпкаров N и.д  21  1,3  27 ед. Контрольные вопросы к главе 2 1. Перечислите основные характеристики вагонов-самосвалов, применяемых в карьерах. 2. Какой параметр характеризует техническое совершенство вагоновсамосвалов (думпкаров)? 3. Назовите основные тяговые средства железнодорожного транспорта в карьерах. 4. Приведите примеры осевых формул локомотивов. 5. Чем отличается тепловоз от электровоза? 6. Как определяется технический коэффициент тары вагона? 7. Перечислите параметры, которые характеризуют план и профиль железнодорожной трассы в карьере. 8. Поясните понятие – продольный уклон железнодорожного пути на конкретном участке трассы. 9. Приведите формулу для расчета расстояния транспортирования на конкретном участке трассы. 10. От каких основных параметров зависит величина массы прицепной части состава? 11. Перечислите порядок (методику) определения скорости движения состава по участку трассы. 12. Какие параметры входят в выражение при расчете силы тяги, приходящейся на один двигатель? 73 13. Приведите выражение для расчета времени рейса (оборота) состава. 74