Substantiation of performance indicators of mine monorail locomotives

Шахтный транспорт является неотъемлемой частью технологического процесса добычи полезных ископаемых. Основным видом транспорта для перемещения вспомогательных грузов и людей в пределах горного предприятия является внутренний подземный транспорт. В горизонтальных выработках преобладает локомотивная тяга, а в наклонных – канатная, что неизбежно связано с маневровыми операциями и применением многоступенчатой технологии перемещения. На шахтах, имеющих разветвленные и искривленные выработки со знакопеременным профилем, работа вспомогательного подземного транспорта особенно усложняется. Несмотря на сравнительно малый объем перевозок – до 10% от основной погрузки, доставка вспомогательных грузов и людей на сегодняшний день остается достаточно трудоемким процессом. Опыт эксплуатации подвесного монорельсового транспорта свидетельствует о тенденциях перехода к бесперегрузочной технологии транспортирования с использованием подвесных монорельсовых дорог, позволяющих перевозить в пределах шахтного поля крупногабаритные грузы массой до 32 т [1–3].

Монорельсовые транспортные системы по сравнению с остальными средствами вспомогательного подземного транспорта обладают рядом преимуществ:

• –    возможность перевозки грузов в подвешенном состоянии, что в первую очередь приводит к снижению порожней массы состава и в некоторых случаях исключает применение нетяговых подвижных единиц;

• –    работа при малых радиусах кривых и знакопеременных профилях пути до ±30º в отличие от напочвенных локомотивов;

• –    возможность демонтажа и продления монорельса при разработке новых выработок;

• –    сокращение количеств транспортных инцидентов, связанных со сходом подвижного состава с рельс;

• – уменьшение обводненности и загрязнения пути;

  – более рациональное использование пространства выработки за счет совмещения технологических процессов транспортирования вспомогательных грузов и полезного ископаемого.

Тяговыми средствами монорельсовой транспортной системы являются автономные тяговые модули, входящие в состав монорельсового локомотива. Различают два вида тяги монорельсовых локомотивов: дизельная – с применением малотоксичных дизельных двигателей, и электрическая.

Вне зависимости от типа силового агрегата все подвесные монорельсовые локомотивы имеют блочную конструкцию, состоящую из двух кабин управления, тяговых устройств, силового или аккумуляторного модуля, вспомогательных модулей и грузовых тележек или пассажирских вагонеток.

Цель и задачи исследования

Целью данного исследования является разработка универсальной методики обоснования технико-экономических показателей шахтных монорельсовых локомотивов с учетом их режимов работы.

Для достижения поставленной цели в работе определены следующие задачи:

– выполнить анализ современных монорельсовых локомотивов, определить их преимущества и перспективы применения на горнодобывающих предприятиях;

– выполнить обзор научных исследований, посвященных обоснованию технико-экономических показателей шахтных монорельсовых локомотивов;

– используя методы математического анализа, основанные на дифференциальном исчислении, разработать зависимости изменения КПД агрегатов энергетической цепи дизелевоза, а также получить универсальное уравнение для определения эксплуатационного КПД шахтных монорельсовых локомотивов;

– на основании полученных уравнений определить эксплуатационный КПД дизелевоза для опытной поездки.

2021;6(2):136–143

Анализ современных монорельсовых автономных локомотивов

С целью определения оптимальных техникоэкономических показателей шахтных монорельсовых локомотивов, рассмотрим более подробно различные виды тяги.

Монорельсовый шахтный подвесной дизельный локомотив типа DLZ210F (рис. 1) является автономным тяговым подвижным составом, предназначенным для транспортировки вспомогательных грузов или людей в горных выработках и на поверхности, в горизонтальной плоскости и при знакопеременном профиле монорельсового пути до ±30°.

Шахтный подвесной монорельсовый локомотив DLZ210F в качестве силового агрегата имеет 4-тактный дизельный двигатель мощностью 142 кВт. Коли- чество приводных единиц 4…12, максимальная скорость 2 м/с, максимальное тяговое усилие 330 кН [4].

Монорельсовый шахтный подвесной аккумуляторный локомотив типа DLZA90F (рис. 2) является автономным тяговым средством, предназначенным для перевозки вспомогательных грузов или людей в горных выработках и на поверхности, в горизонтальной плоскости и при знакопеременном профиле монорельсового пути до ±30°.

Данный локомотив имеет тяговый электрический привод, получающий питание от аккумуляторной батареи. Электрическая мощность двигателей: 8 · 7,5 кВт. Количество приводных единиц: 4 (на одной единице размещено по 2 тяговых электрических двигателя). Максимальная скорость 2 м/с. Максимальное тяговое усилие 120 кН [5].

Рис. 1. Подвесной монорельсовый дизельный локомотив Ferrit DLZ210F [4]

Fig. 1. Ferrit DLZ210F suspended monorail diesel locomotive [4]

Рис. 2. Подвесной монорельсовый аккумуляторный локомотив Ferrit DLZA90F [5]

Fig. 2. Ferrit DLZA90F suspended monorail storage-battery locomotive [5]

2021;6(2):136–143

Выполненный анализ современных монорельсовых автономных локомотивов свидетельствует о том, что данный вид подземного вспомогательного транспорта является наиболее перспективным на сегодняшний день ввиду ряда преимуществ, таких как:

• –    практически неограниченное расстояние перевозки вспомогательных грузов в пределах монорельсового пути предприятия;

• –    возможность работы в разветвленных выработках со знакопеременным профилем монорельсовой дороги до ±30°;

• –    универсальность и маневренность;

• –    повышение безопасности работ.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод об актуальности задачи определения оптимальных технико-экономических показателей шахтных монорельсовых локомотивов.

Созданию и совершенствованию монорельсовых транспортных средств для угольной промышленности способствовали работы ряда научно-исследовательских организаций и предприятий, в числе которых следует отметить Гипроуглегормаш, Донгипроугле-маш, ДонУГИ, ИГД им. А.А. Скочинского, МакНИИ, ГОАО НИПКИ «Углемеханизация», ОАО «Луганскгор-маш». Среди зарубежных компаний следует выделить BECKER MINING SYSTEMS AG, BECORIT GmbH, GTA MASCHINENSYSTEME GmbH, NEUHAUSER GmbH, SMT SCHARF AG (Германия), BEVEX-BANSKY VYSKUM spol. s.r.o. (Словакия), Grupa FAMUR, SIGMA S.A (Польша), FITE a.s., FERRIT s.r.o., STAVUS (Чехия).

Методики расчета основных параметров и режимов работы шахтных подвесных монорельсовых локомотивов, приведенные в научных публикациях, не в полной мере учитывают особенности эксплуатации, которые непосредственно влияют на технико-экономические показатели тяговых единиц. Обобщить сведения и дать универсальные рекомендации по оценке эффективности различных видов тяги шахтных подвесных монорельсовых локомотивов представляется затруднительным. Выполненный обзор расчетно-теоретических основ для создания подвесных монорельсовых дорог свидетельствует о необходимости разработки новых подходов при обосновании технико-экономических показателей и режимов работы шахтных монорельсовых локомотивов.

На основании анализа конструкций шахтных монорельсовых дорог в более ранних исследованиях выявлены основные требования к обеспечению безопасного использования монорельсов при одновременном увеличении допустимой скорости движения. Определены динамические нагрузки и влияние параметров тормозной системы (время отпуска, тормозное усилие, частота применения тормоза) на подвеску монорельсовой дороги [6].

На основе анализа технических характеристик и недостатков шахтного подвесного вспомогательного транспорта рассмотрены перспективы применения литий-ионных аккумуляторных батарей в качестве тяговых на шахтных локомотивах [7]. Однако в данной работе не рассматриваются вопросы оценки и обоснования эффективности эксплуатации данного вида транспорта.

Предметом исследований становятся также технические характеристики подвесной монорельсовой дороги с локомотивным органом тяги [8]. Разработаны соответствующие методики тяговых расчетов и ходовые диаграммы подвесных дизелевозов.

Приведенные данные относятся к дизельным подвесным монорельсовым локомотивам, но для аккумуляторных нуждаются в проверке и уточнении.

Большое значение имеют работы, связанные с определением энергопотребления и пройденного пути аккумуляторным подвесным локомотивом, полученные закономерности не учитывают изменение коэффициента полезного действия энергетической цепи, которое происходит при изменении режимов работы локомотива [9].

Обоснованию параметров монорельсовых локомотивов во время движения по вертикальным и горизонтальным закруглениям пути, режимов пуска и торможения шахтной подвесной монорельсовой дороги посвящены достаточно интересные работы [10–13].

Основные положения рассмотренных работ не определяют в полной мере особенности режимов эксплуатации, поскольку не учитывают технико-экономические показатели тяговых единиц монорельсовых локомотивов.

Работа шахтной подвесной монорельсовой дороги характеризуется несколькими режимами: реализация тягового усилия (тяговый режим); создание замедляющих усилий (тормозной режим); работа на холостом ходу (режим выбега). Все эти режимы в достаточно полной мере исследованы для напочвенных и подвесных локомотивов, но не отражают в полной мере обобщающих технико-экономических показателей работы тяговых средств шахтных подвесных монорельсовых дорог.

Результаты и их обсуждение

Рассмотрим силовую установку подвесного монорельсового дизелевоза. Известно, что основными технико-экономическими показателями дизельных двигателей являются:

• –    индикаторная мощность N_i – мощность, развиваемая рабочими газами в цилиндрах дизеля в результате давления рабочего тела, действующего на поршень;

• –    эффективная мощность N_e – мощность, получаемая на коленчатом валу дизеля. Иными словами, это разность индикаторной мощности N_i и мощности, затрачиваемой на преодоление сил трения в дизеле и приведение в действие вспомогательных устройств N_m , равная N_e = N_i – N_m ;

• –    механический коэффициент полезного действия дизеля η _m (КПД) – отношение эффективной мощности к индикаторной η _m = N_e / N_i .

Также для оценки технико-экономических показателей дизельных двигателей на практике применяется ряд характеристик (графических зависимостей нескольких параметров работы дизеля друг от друга). Вид характеристики определяется по независимой https://mst.misis.ru/

2021;6(2):136–143

переменной, в качестве которой выбирается один из эксплуатационных или конструктивных параметров, таких как: мощность, расход топлива и частота вращения коленчатого вала. Как правило, данные характеристики получают при стендовых испытаниях дизелей в специализированных лабораториях.

При проектировании транспортных машин и комплексов подземных разработок используются в основном два показателя эффективности [14].

Транспортная мощность, тм/ч:

где V – производительность транспортной машины, м³/ч; γ – насыпная масса, т/м³; L – расстояние транспортирования груза, м.

Расчетная производительность горно-транспортной машины:

k _H

Qp = Qcp , kBP где kН – коэффициент неравномерности поступления груза; kВР – коэффициент использования машины во времени; Qср – средняя часовая производительность за смену, т/ч.

Данные показатели в полной мере справедливы для горно-транспортных машин, участвующих в технологическом процессе транспортировки основного груза, однако для вспомогательных транспортных машин подвесных монорельсовых дорог требуются уточнения.

Для оценки эффективности эксплуатации шахтных монорельсовых дизелевозов целесообразно использовать комплексный показатель оценки эффективности дизельной тяги.

В работах [15–17] предложено рассчитывать сравнительную эффективность дизельной тяги с удельным расходом топлива при заданном режиме эксплуатации, г / кВт · ч,

n

∑ b i N ei τ i

W = ¹ → min,

n

∑Neiτi где bi – удельный расход топлива на i-м режиме эксплуатации, г / кВт · ч; Nei – эффективная мощность на i-м режиме эксплуатации, кВт; τi – время работы на i-м режиме эксплуатации, ч.

При решении задач оптимизации определяется целевая функция или критерий качества, в качестве которого принимается минимум расхода топлива при постоянной частоте вращения коленчатого вала, а именно W = B → min [18].

Для подвесных шахтных монорельсовых дизеле-возов предлагается следующая взаимосвязь его характеристик с силовой энергетической установкой.

КПД дизелевоза в тяговом режиме определяется произведением КПД агрегатов, входящих в его энергетическую цепь ηдв = ηе · ηсн · ηга · ηту · ηза, где ηе – эффективный КПД силовой установки (дизельного двигателя); ηсн – условный КПД вспомогательных систем и агрегатов собственных нужд; ηга – КПД гидравлического агрегата; ηту – КПД тягового устройства, ηза – КПД зубчатой передачи.

Изменение экономичности дизелевоза в процессе работы в общем случае определяется относительным изменением КПД агрегатов, а его эксплуатационный КПД:

^

+

^П Двэ ⁽ t ) = 1 ^П дв

dt . (1)

V

Оптимальной соответствует характеристика дизелевоза, для которой η _двэ будет максимальным W = η _двэ → max.

В свою очередь изменение КПД агрегатов энер- гетической цепи дизелевоза, входящих в (1), опреде- ляется зависимостями:

d η _{e =} ∂η _e dn ₊ ∂η _e dN_e dt    ∂ n dt ∂ N_e dt ^;

d Лга _ дЛга dn + дЛга dPга ^ дЛга dNга .„

”dT <)n dt: dpT ”dT aNrT "tt; ’

• ^d n ту = дП ту dn ту + ЭП ту ^dp ra + ЭП ту ^dN ту ;

dt dn ту dt   dPга dt   dNту dnзп _ дЛзп dnту дЛзп dPга_|_ дЛзп dNту

”dt"”дnm dt   dP  dT dNTOdt ’ ту             га             ту где n – частота вращения коленчатого вала дизеля, с–1; Ne – эффективная мощность дизеля, кВт; Nсн – мощность агрегатов собственных нужд, кВт; Рга – давление гидравлического агрегата, МПа; Nга – мощность гидравлического агрегата, кВт; nту – частота вращения приводного вала тягового устройства, с–1; Nту – мощность тягового устройства, кВт.

В случае отсутствия зубчатой передачи в тяговом устройстве, член в уравнении (1) будет равняться 0, а выражение dt исключается из системы (2).

Установление функциональных зависимостей для всех параметров, входящих в уравнения (2), представляет собой громоздкую и трудоемкую задачу. Для анализа удобно все эти параметры разделить на следующие основные группы:

2021;6(2):136–143

и режимов ее работы – dn n, Ne, dt , dNe dt ;

– параметры, зависящие от экономических характеристик вспомогательных агрегатов – и режимов их работы – dNсн dNе dn сн , е, n, ,          ,        ;

dt dt dt

– параметры, зависящие от экономических характеристик агрегатов передачи мощности – ηга, ηту, ∂ηга ∂ηга  ∂ηга  ∂ηту  ∂ηту  ∂ηту  ∂ηзп  ∂ηзп  ∂ηзп и режимов их работы – dnту dn dPга dNга dNту

Таким образом, эксплуатационный КПД дизеле-воза в целом определяется как экономическими характеристиками всех агрегатов его энергетической цепи, так и режимами их работы. Однако если режимы работы тяговых устройств и передачи мощности целиком и полностью определяются тяговым режимом дизелевоза, то режимы работы вспомогательных агрегатов и силовой установки зависят от ее скоростных характеристик.

Приняв допущения, учитывающие технико-экономические характеристики дизелевозов и их наиболее типичные режимы работы, мы получили результаты расчетов эксплуатационного КПД для опытной поездки дизелевоза SCHARF DZ 1500 на шахте Комсомолец Донбасса (рис. 3).

Аналогичным образом, имея данные опытных поездок или определив функции параметров и режимов работы аккумуляторных автономных шахтных подвесных локомотивов, можно вычислить их эксплуатационный КПД, зная который, можно выполнить обоснование параметров и режимов эксплуатации аккумуляторных локомотивов.

Заключение

Изменение экономичности шахтных дизелевоза и аккумуляторного подвесного монорельсового локомотива в процессе работы в общем случае определяется относительным изменением КПД агрегатов. Для автономных подвесных шахтных монорельсовых локомотивов с дизельной и электрической тягой предложена взаимосвязь его характеристик с силовой энергетической установкой. Определение оптимальных технико-экономических показателей шахтных монорельсовых локомотивов целесообразно выполнять по комплексному параметру – эксплуатационному коэффициенту полезного действия локомотива.

Эксплуатационный КПД дизелевоза в целом определяется как экономическими характеристиками всех агрегатов его энергетической цепи, так и режимами их работы. Однако если режимы работы тяговых устройств и передачи мощности целиком и полностью определяются тяговым режимом дизеле-воза, то режимы работы вспомогательных агрегатов и силовой установки зависят от ее скоростных характеристик.

Определив функции параметров и режимов работы автономных шахтных подвесных локомотивов, можно вычислить эксплуатационный КПД дизельной или аккумуляторной тяги, что в свою очередь позволит выполнить обоснование параметров и режимов работы автономных шахтных подвесных монорельсовых локомотивов.

Рис. 3. И зменение эксплуатационного КПД дизелевоза SCHARF DZ 1500 для опытной поездки: η _е – эксплуатационный КПД дизелевоза, %; t – время поездки, с

Fig. 3. Varying operational efficiency factor of SCHARFDZ 1500 diesel locomotive for a test trip: η _е – operational efficiency factor of diesel locomotive, %; t – travel time, s

2021;6(2):136–143