矿用机车及车辆.ppt

矿用机车及车辆 煤矿 重点 电机车的种类及适用范围 列车运行的三种状况 列车运行理论 机车运输的列车组成计算 了解内容 轨道的结构及标准矿车的种类机车的结构组成 3 1概述一 矿用电机车的作用矿用电机车主要用于井下运输大巷和地面的长距离运输 它相当于铁路运输中的电气机车头 牵引着由矿车或人车组成的列车在轨道上行走 完成对煤炭 矸石 材料 设备 人员的运送 二 原理 使用条件牵引电机驱动车轮转动 借助车轮与轨面间的摩擦力 使机车在轨道上运行 在这种运行方式下 它的牵引力不仅受牵引电机功率的限制 还受车轮与轨面间的摩擦制约 机车运输能行驶的坡度有限制 一般为3 局部坡度不能超过30 三 矿用电机车的形式及分类 按电能来源电机车分为矿用直流架线式电机车 ZK型 和矿用蓄电池式电机车 XK型 按电机车的黏着质量分类 架线式电机车有 1 5t 3t 7t 10t 14t 20t几种 蓄电池式有2t 2 5t 8t 12t几种 按电机车的轨距分为600mm 762mm 900mm三种按电压等级 架线式电机车有100 97 V 250V 550V三种 蓄电池式电机车有40 48V与110 132V两个等级 目前我国煤矿使用的电机车都是直流串激电动机 按供给直流电源的方式分 有架线式和蓄电池式两种 交流电在变流所整流后 正极接在架空线上 负极接在轨道上 架空线是沿运行轨道上空架设的裸导线 机车上的受电弓与架空线接触 将电流引入车内 经车上的控制器和牵引电动机 再经轨道流回 因此架线式电机车的轨道必须按电流回路的要求接通 图4 l架线式电机车的供电系统1 牵引变流所 2 馈电电缆 3 受电弓 4 架空线 5 机车 6 轨道 7 回馈点 8 回馈电缆 9 矿车 1 架线式电机车的工作过程 蓄电池式电机车的工作过程 蓄电池提供的直流电经隔爆插销 控制器 电阻箱进入电动机 驱动电动机运转 电动机通过传动装置带动车轮转动 从而牵引列车行驶 架线式电机车运行时 受电弓与架空线间难免产生火花 煤矿安全规程 规定 只能在低瓦斯矿井进风 全风压通风 的主要运输巷道内使用 巷道支护必须使用不可燃性材料 蓄电池式电机车由车上携带的蓄电池供电 运输线路不受限制 但需要充电设施 蓄电池放电到规定值时需更换 煤矿安全规程 的有关规定 1 全风压通风的低瓦斯矿井的主要运输巷道内 可以使用架线电机车 但巷道支护必须使用不燃性支护 2 在高瓦斯矿井的主要运输巷道内 应使用矿用防爆特殊型蓄电池式电机车 如果使用架线电机车 必须采取特殊措施以满足 煤矿安全规程 的一系列规定 3 在瓦斯突出的矿井和瓦斯喷出区域中 进风主要巷道内或主要回风巷道内 都应用矿用防爆特殊型蓄电池式电机车 并必须在机车内装设瓦斯自动检测报警仪 蓄电池式电机车有防爆安全型和矿用防爆特殊型两种 增安型的电动机 控制器 灯具 电缆插销等为隔爆型 蓄电池和电池箱为安全型 允许用于全风压通风的低瓦斯矿井主要运输巷道 掘进岩石巷道 防爆特殊型的电动机 控制器灯具 电缆插销等为隔爆型 蓄电池为防爆特殊型 主要用于瓦斯矿井的主要回风道和采区进风及回风道 对蓄电池的要求有别 四 矿用电机车的优 缺点优点 牵引力大 机车采用直流串激牵引电动机 该电机特性能使机车获得较大的牵引力 维护费用小 电机车运行速度较高 最高可达26km h 而且只用司机一人操作就可以 所需辅助人员少 维护简单 动力消耗不大 可改善劳动条件 电机车运行不受气候的影响 由于采用电力拖动 不会产生废气 避免了空气污染 大大改善了劳动条件 保证了井下工人的安全 缺点 基建投资较大 架线式电机车要铺设轨道 安架空线 设牵引变流所 架线式电机车需要有较大的巷道断面 会产生不良的泄漏电流 杂散电流 蓄电池式电机车蓄电池组成本较高 五 电机车运输的发展方向 1 电机车运输高度自动化 2 采用大型电机车和大容积的矿车 3 使用新型电机车 如德国采用了交流工频架线式电机车 返回 3 2轨道与矿车 一 矿井轨道矿井轨道是将钢轨按一定要求固定在线路上构成的 是机车运行的基础件 一 轨道的结构组成 下部建筑 上部建筑两部分下部建筑 巷道底板和水沟 上部建筑 钢轨 联接零件 轨枕和道床 道碴层 钢轨 直接承受载荷 并经轨枕将载荷传递给道床及巷道底板 轨枕 用于固定两根轨条 并使其保持规定的轨距 防止钢轨纵向和横向移动 保证轨道的稳定性 轨枕承受钢轨的压力 并将压力较均匀地传递给道床 轨枕类型 木质钢筋混凝土道床 由道碴层组成 承受轨枕的压力 并均匀地分布到巷道底板上 轨道线路的主要参数 轨距 轨型 坡度 曲率半径 轨距 两条钢轨的轨头内缘的间距 用Sg表示 国内标准轨距有600mm 762mm 900mm三种 轮缘距 轮对两车轮轮缘外侧之间距 用S1表示 钢轨的型号 二 弯曲轨道 轨道的坡度用两点间的高差和水平距离之比表示 通常用i 表示 其数值取千分数 巷道坡度一般为3 局部坡度不能超过30 外轨要抬高 轨距要加宽 弯道半径不能太小 三 道岔 组成 基本轨 尖轨 辙叉 护轮轨 转辙轨 转辙机构及一些零件转辙机构 手动搬道器 弹簧转辙器和电动转辙机 二 矿用车辆 矿用车辆有标准窄轨车辆 卡轨车辆 单轨吊挂车辆和无轨机动车辆 单轨吊车卡轨车 无轨胶轮车 一 矿车的类型及标准规格 按结构和用途分类 1 固定车箱式矿车 2 翻转车箱式矿车 车箱能侧向翻倾卸车 0 6翻斗式矿车 脚踏式翻斗矿车 双侧卸式矿车 3 底卸式矿车 按车底开启的方向 有正底卸式和侧底卸式之分 在专设的卸载站 整列车在运行中逐个开启自卸 侧底卸式矿车 进卸载站的行车方向不受限制 卸载时的车速易控制 卸载曲轨不受撞击 底卸式矿车 装卸能力很高 能满足大型矿井的需要 4 材料车 专用于装运长材料 5 平板车 装运大件设备 6 人车它是有座位的专用乘人车 分斜井人车 平巷人车 插爪式斜井人车 抱轨式斜井人车 平巷人车 7 梭车车底装有刮板链 是在短距离内运送散料的特殊车辆 可用于掘进工作面运煤矸 8 仓式列车它与梭车的相同之处是车底装有刮板链 不同之处是由多节短车箱铰接构成的 其它专用车辆 如炸药车 水车 消防车等 二 矿车的基本参数 矿车的基本参数包括 矿车的容量 装载量 自身质量 外形尺寸 轨距 轴距以及连接器的允许牵引力等 矿车的两个重要经济技术指标 1 容积利用系数 即矿车有效容积与外形尺寸所得容积之比值 容积利用系数越大越好 2 车皮系数 即矿车质量与货载质量之比值 车皮系数越小越好 三 电机车的基本部件 矿用电机车是由机械设备和电气设备两大部分组成 电机车的机械设备组成 车架 轮对 轴承和轴箱 弹簧托架 制动装置 加砂装置 齿轮传动装置及连接缓冲装置等 1 车架 车架是机车的主体 是安装的基础 包括 车梁 缓冲器和轴卡 车梁 矿车的主要承载部件 缓冲器 直接承受牵引力和冲击 轴卡 车架与轮对的连接体 目前多采用插销式 2 轮对 轮对是矿车的行走部分 1 轮箍和轮心热压装在一起的结构 2 整体车轮 3 轴箱 轴箱是轴承箱的简称 内有两列滚动轴承 与轮对两端的轴颈配合安装 轴箱两侧的滑槽与车架上的导轨相配 上面有安放弹簧托架的座孔 4 弹簧托架 组成 弹簧 连杆 均衡梁构成一个组件 作用 缓和运行中对机车的冲击和振动 弹簧 一付板簧或橡胶弹簧和加装液压减振缸 5 齿轮传动装置 类型 1 单级开式齿轮传动 2 两级闭式齿轮减速箱传动 6 制动装置 作用 保证电机车在运行过程中能随时减速或停车 类型 气动闸 液压闸和手动闸三种 7 撒砂装置 作用 用来向车轮前沿轨面上撤砂 以增大车轮与轨道间的摩擦系数 从而获得较大的牵引力或制动力 撒砂的方法 手动和气动两种 砂箱内装的砂子应是粒度不大于1mm的干砂 矿用电机车的加砂装置1 3 拉杆 2 摇臂 4 锥体 5 出砂导管 6 弹簧 煤矿安全规程 规定 倾斜井巷运输时 矿车之间的连接 矿车和钢丝绳之间的连接都必须使用不能自行脱落的连接装置 矿车的连接钩环 插销和无极绳运输的连接装置的安全系数都不得小于6 运送人员车辆的每一个连接器 钩环和保险链的安全系数都不得小于13 矿车连接装置至少每2年进行一次2倍于最大静荷重的拉力试验 8 连接缓冲装置架线式电机车上采用铸铁的刚性缓冲器 蓄电池式电机车上则采用带弹簧的缓冲器 以减轻电池所受的冲击 矿车车箱 车箱 矿车装盛物料的箱形容器 固定车箱式矿车的车箱多采用半圆形车底 箱底开排水口 底卸式矿车的车箱为可开启的平底 车箱下口的两侧有翼板 供卸载时支撑运行 3 3列车运行理论 1 研究作用于列车上的各种力与其运动状态的关系 2 研究列车牵引力和制动力的产生等问题一 列车运行的基本方程式假设 简化 条件 电机车与列车之间 矿车与矿车之间的连接都是刚性的 整个列车为一刚体 各部分的速度和加速度都是相同的 列车运行有三种基本状态 1 牵引状态 列车在牵引电动机产生的牵引力作用下加速启动或匀速运动 2 惯性状态 牵引电动机断电后 列车靠惯性运行 一般这种状态为减速运行 3 制动状态 列车在制动闸瓦或牵引电动机产生的制动力矩作用下减速运行或停车 达朗伯原理 动静法 设有一质点的质量为m 加速度为a 作用在质点上的合力为F 则根据牛顿第二定律 W 惯性阻力 其大小等于质点的质量与加速度的乘积 方向与质点加速度方向相反 与质点的惯性有关 如果在质点上除了作用有真实的主动力外 再假想是加上惯性阻力 则这些力在形式上组成一个平衡力系 把实际运动的体系就转换为相对静止的体系 达朗伯原理 一 牵引状态 作用在列车上的力有三个 牵引电动机牵引力F 与列车运行方向一致列车运行静阻力Wj 与运行方向相反列车加速运行惯性阻力Wa 亦称动阻力 与运行方向相反 列车在牵引状态下力的平衡方程式 Wa Wj 1 惯性阻力 列车运动 1 平移运动部分 ma 2 电动机的电枢 齿轮及轮对等部件的旋转运动部分旋转部件的转动惯性阻力用惯性系数 计入到平移运动惯性阻力中 即 ma 式中Wa 列车的惯性阻力 kN m 列车全部质量 t m P Q P 电机车质量 t Q 矿车组质量 t 惯性系数 对矿用电机车一般取 0 075 也可近似取 0 10 a 列车加速度 一般取0 03m s2 0 05m s2 将 值和m值代入上式可得Wa 1 075 P Q akN 2 静阻力列车运行的静阻力包括 基本阻力 坡道阻力 弯道阻力 道岔阻力及气流阻力等 对于矿用电机车 由于运行速度低 后三者都不予考虑 只考虑基本阻力和坡道阻力 1 基本阻力Wo基本阻力 轴颈与轴承间的摩擦阻力 车轮在轨道上的滚动摩擦阻力 轮缘与轨道间的滑动摩擦阻力以及矿车在轨道上运行时的冲击振动所引起的附加阻力等 基本阻力是通过试验测定列车运行阻力系数 基本阻力与矿车总重之比 来确定的 基本阻力 式中W0 列车运行的基本阻力 N 列车运行基本阻力系数 g 重力加速度 取10m s2 2 坡道阻力Wi坡道阻力 列车在坡道上运行时 由于列车重力沿坡道倾斜方向的分力所引起的阻力 式中 坡道倾角 电机车运输时 角很小 因此sin tan i i为轨道坡度 一般取平均坡度3 上式中的sin 用i代入得 在计算时 列车上坡运行上式取 号 下坡运行取 号 列车运行全部静阻力为基本阻力与坡道阻力之和 即 将各式代入式平衡方程式中 整理得出列车在牵引状态下必须产生的牵引力为 列车在牵引状态下的基本方程式利用这个方程式可求出在一定条件下电机车必须给出的牵引力 或根据电机车额定的牵引力计算出列车中的矿车数 基本阻力 静阻力 牵引力 二 惯性状态 在惯性状态下 电机车牵引电动机断电 牵引力等于零 列车依靠断电前所具有的动能或惯性继续运行 在这种情况下 列车除了受有静阻力Wj外 还受到由于减速度所产生的惯性阻力Wa Wa与列车运行方向相同 正是它使列车继续运行 惯性状态时列车力的平衡方程式为 4 9 question 怎样求此时的减速度 Wa Wj P Q 或 4 10 4 11 由此可见 当列车运行阻力系数一定时 惯性状态的减速度取决于轨道坡度的大小和上下坡 上坡时减速度 始终保持正值 直到停车为止 下坡时 如i 则 变为负值 此时不再是减速而是加速运行了 可见 惯性状态是很不可靠的 操作时应予以特别注意 三 制动状态制动状态下 牵引电动机断电 牵引力等于零 并利用机械或电气制动装置施加一个制动力B 这个制动力与列车运行方向相反 在力的平衡方程式中应为负值 与静阻力的性质和方向一致 在制动力和静阻力作用下 列车必定产生减速度 此时 惯性阻力Wa却与运行方向一致 即为正值 则制动状态下的力平衡方程式应为 4 12 question 怎样求制动力呢 Wa Wj 所以式中 Wa应代以减速时的惯性阻力 b表示制动时的减速度 则 将式 4 7 及式 4 14 代入式 4 13 即可得到制动状态下列车运行方程式为 式中b 制动减速度 m s2 该式已考虑a的方向 计算时只代入绝对值即可 i 轨道坡度 上坡制动时取 号 下坡制动时取 号 4 13 4 14 4 15 制动状态 利用上式可求出在不同条件下制动装置产生的制动力 或者给定制动力 求出减速度及制动距离 二 电机车牵引力 取电机车的一个主动轮对为隔离体 根据力 力矩 的平衡条件得 式中R 主动轮对轮缘半径 m P0 电机车分配在该主动轮对上的质量 又称黏着质量 t M 电动机传递到该主动轮对的转矩 N m 解方程组得 结论 主动轮对得到一个转矩M以后 轨面对接触点O产生一个摩擦力F0 它的方向与列车运行方向相同 正是这个摩擦力F0 克服了列车的运行阻力WC而使列车向前平移运动 对于机车来说 F0是牵引列车向前运动的外力 称为牵引力 F0与WC因大小相等 方向相反 且作用在两条平行线上 形成一对力偶 该力偶与转矩M大小相等而方向相反 使转矩M得以平衡 从而使轮缘上的O点不致于沿轨面滑动 这样 就使轮缘与轨面互相接触的那一点好像黏着在一起一样 所以F0又称为黏着力 主动轮对能够产生的最大牵引力为 F0max P0g 式中F0max 一个主动轮对产生的最大牵引力 N 黏着系数为保证该主动轮对在轨道上不发生相对滑动 则必须满足 F0 P0g 单个轮对的黏着条件 对于整台电机车 能够产生的最大轮缘牵引力为F Png 式中Pn 电机车的黏着质量 t 若电机车的全部轮对均为主动轮对 则其黏着质量等于电机车的总质量P 整台电机车的黏着条件是 F Png 式中F 电机车为克服列车运行阻力所必须提供的牵引力 为了使列车能按预定的状态运行 必须满足电机车的黏着条件 黏着系数 就整台电机车而言 黏着系数值介于滚动摩擦系数值与滑动摩擦系数值之间 对于煤矿井下运输 电机车的黏着系数按表选取 三 电机车的制动力 分析 手动机械闸制动时电机车制动力的产生以及制动力的影响因素 取电机车的一个制动轮对为隔离体 作用于该轮对上的力有 重力 P0g支承反力 N0正压力 闸 N1摩擦力 闸 T0 摩擦力T0 其方向与车轮旋转方向相反 大小为T0 N1 制动闸瓦与轮缘间的滑动摩擦系数 其数值与闸瓦材料 列车运行速度和闸瓦单位面积上所受的正压力有关 对于铸铁闸瓦一般取 0 18 0 20 在T0的作用下 产生静摩擦力B0 根据转矩平衡条件B0R T0R 0得 B0 T0 0B0就是电机车一个制动轮对所产生的制动力 制动力B0受黏着条件的限制 一个制动轮对能够产生的最大制动力为B0max P0g 式中 制动状态的黏着系数 数值见表 整台电机车能够产生的最大制动力为 Bmax Pzg Pz 电机车的制动时的黏着质量 t 若电机车的全部轮对均为主动轮对 则其黏着质量等于电机车的总质量P 闸瓦压力不能过大 要受黏着条件的限制 B Pzg 如果闸瓦最大总压力为Nmax 闸瓦对轮缘的总摩擦力为Tmax 对于整台电机车Tmax NmaxBmax Tmax 或 式中 闸瓦系数 为了保证车轮不被抱死 闸瓦系数 值不应超过0 9 3 4电机车运输计算 一 原始数据电机车运输计算的原始数据是 设计生产率 加权平均运输距离和线路平均坡度等 二 选择电机车的粘着质量选择电机车的粘着质量是一个技术经济问题 这个问题涉及到许多因素 其中最重要的因素是矿井年产量 年产量大 就要加大电机车的粘着质量和矿车中的货载质量 i1 L1 i2 L2 i3 L3 ip i1L1 i2L2 i3L3 L1 L2 L3 线路平均坡度 三 列车组成的计算计算列车组成就是确定车组应由多少辆矿车组成 列车组成的计算按三个条件来进行 这三个条件是 电机车的粘着条件 牵引电动机的允许温升条件 列车的制动条件 按这三个条件计算的结果取其最小者 一 按电机车的粘着质量计算重车组质量按此条件计算时需要考虑到最困难的情况 即电机车牵引重车组沿上坡启动 车轮不打滑 根据式 4 8 可得电机车牵引重车组沿平均坡度的直线轨道上城启动时所需给出的牵引力为 另外 根据电机车的粘着条件 即把式 4 33 代入式 4 21 之后得到 所以 4 34 4 33 粘着质量够不够大 二 按牵引电动机温升条件计算重车组质量温升条件 机车经一个往返运行 牵引电机的温升不超过允许值 实质上就是按照电动机的等值电流不超过长时电流的条件 机车往返一次 包括牵引重车组 空车组和在车场调车作业 检查牵引电机的温升是否超过允许值 可以用检查电机的等值牵引力是否超过电机长时牵引力代替 等值牵引力可以用均方根法来求得 牵引电动机的输出功率有小时制和长时制之分 小时制功率 电机连续运行一小时 所能输出的最大功率 它是电动机的额定功率 长时制功率 电机在允许温升下 电动机长时连续运行时 所能输出的最大功率 电机车的牵引力 车速及电流也都与功率相对应的小时制和长时制之分 休止时间 min 一般取18 22分钟 调车系数 1000米取1 4 1000 2000米取1 25 2000米取1 15 4 35 为了使计算进一步简化 假定列车是在理想的等阻坡度上运行 在等阻坡度上运行 重列车下坡时的运行阻力等于空列车上坡时的运行阻力 0 2 虽然这个假定与实际情况有出入 但由于一般平均坡度与等阻坡度比较接近 所以计算还是比较准确的 因有这个假定 故上式中重列车与空列车牵引力相等 即 4 36 何谓等阻坡度 将式 4 36 代入式 4 35 即得 因令则式 4 37 为 4 40 4 38 4 39 4 37 如何来求重段阻力 而 将式 4 41 代入式 4 40 中即得 为了使牵引电动机温升不超过允许温升 电机车的等值牵引力应不大于长时牵引力 即 4 41 4 42 4 43 将式 4 43 代入式 4 42 中 即得按牵引电动机温升条件计算的重车组质量为 列车运行时间为 4 44 4 45 三 按制动条件计算重车组质量为了安全起见 煤矿安全规程 规定 运送物料时列车的制动距离不得超过40m 运送人员时不得超过20m 这个距离是根据电机车照明灯的有效照射距离来制定的 制动距离是指从司机开始拨动闸轮或电闸手把到机车完全停止的距离 在计算重车组质量时必须遵守这一规定 并应按最不利的情况 即按重列车下坡制动时 制动距离不超过规定值 列车开始制动时的速度为长时速度vch 则制动时的减速度b为 由式 4 15 可以求得当重列车沿直线轨道下坡制动时电机车的制动力为 式中 为平均坡度 z为重列车运行阻力系数 4 46 4 47 将式 4 26 代入上式得 由上式得出按制动条件计算重车组质量的公式为 式中 Pz为电机车的制动质量 对于矿用电机车 它等于电机车的全部质量P t 为制动时的粘着系数 如撒砂时取0 17 4 48 按上述三个条件分别求出重车组质量之后 应取三者中之最小者来确定车组中的矿车数 车组中的矿车数可由下式求得 应当指出 由以上方法确定的车组中的矿车数 仅仅是从电机车牵引的技术可能性出发的 最有利的矿车数还要以实际条件和技术经济比较作为基础 4 49 四 列车组成的验算按上述方法确定了重车组质量后 还要验算实际的电动机的温升和列车制动距离 原因是 按温升条件计算重车组质量时 是按等阻坡度 并以加权平均运输距离为条件计算的 按制动条件计算重车组质量时 是用电机车的长时速度计算的减速度 需要按在平均坡度且在最长距离运行时 验算其等值电流是否超过长时电流 并且按实际运行速度和实际所得到的减速度验算其制动距离是否符合 煤矿安全规程 规定 为什么要进行验算呢 一 验算实际电动机温升按平均坡度ip及最长运输距离Lmax来验算 首先 计算出牵引重列车和空列车达到全速稳态时电机车的牵引力 然后再算出每台牵引电动机的牵引力 根据查牵引电动机的特性曲线 得重列车和空列车的电动机电流及速度 得平均运行速度 重列车及空列车以其平均运行速度在最长运输距离上的运行时间为 这时 便可用以下公式计算一个运输循环的牵引电动机的等值电流值 4 50 如果电动机的等值电流值不超过它的长时电流值 即 则电动机的等值电流不会发热到超过它的允许温升 故合适 如果Id Ich 则需减少车组中的矿车数 并重新进行计算 直到等值电流不超过长时电流为止 4 51 二 验算制动距离按重列