Моделирование стационарного процесса работы горной мобильной технологической машины

СОДЕРЖАНИЕ

 

   Введение……………………………………………………………………...…...4

1. Описание машины , на  которой  используется исполнительный орган…..…7

1.1. Роль математического  моделирования и численного анализа  в горном деле…………………………………………………………………………………..7

1.2.Описание принципа действия  и конструкции устройства, на  котором используется рабочий орган – многоковшовая рама…………………………….7

2. Моделирование рабочего  процесса на основании баланса  мощности и производительности…………………………………………………..………....…11

2.1. Баланс производительности…………………………………………………..11

2.2.Баланс мощности………………………………………………………….……11

2.3. Формирование математической  модели с помощью метода Ньютона….…13

3.Блок-схема алгоритма  исследований математической модели……....…….…15

3.1. Блок-схема алгоритма…………………………………………………………15

3.2. Список идентификаторов……………………………………………………..16

3.3 Текст Pascal-программы……….………………………………………………17

4.Численные исследования  модели и анализ результатов………………………19

4.1. Результаты вычислений……………………………………………………….19

4.2. Анализ результатов  вычислений……………………………………………...21

4.3. Графики зависимостей……………………………………………….………..22

5. Заключение…………..…………………………………………...………………23

Список литературы …………………….……………………...…………..….....…24

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Курсовая работа посвящена  моделированию стационарного процесса работы горной мобильной технологической  машины на основе законов сохранения  и выражается в определении двух основных расчетных  параметров – скорости исполнительного органа и скорости подачи. Модель рабочего процесса горной машины описывается с помощью двух основных балансовых соотношений – уравнений баланса мощности и производительности. Их составление, численное решение и анализ результатов составляет основное содержание работы.

В данной курсовой работе рассматривается рабочий процесс мелиоративного экскаватор ЭМ-201А, у которого рабочим органом является многоковшовая цепная рема.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. АНАЛИЗ ИНФОРМАЦИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.1. Роль математического моделирования  и численного анализа в горном  деле

 

В современном мире для  решения инженерных задач особое место занимает математическое моделирование, позволяющее не только проанализировать данную задачу, но, используя различные  методы, оптимизировать ее. Это позволяет  на ранних стадиях проектирования устранить  неточности, связанные с компоновкой  машины или агрегата. При решении  задач управления математическое моделирование  позволяет, сравнить одну техническую  систему с другой и далее, используя  методы, подкорректировать как первый, так и второй.

Но в большинстве случаев  математические модели это не простые  задачи, которые можно решить классическими  методами математического анализа, а огромные и достаточно сложные  модели, поэтому для их анализа  чаще всего приходится прибегать  к численным методам. В инженерном деле это особенно актуально, так  как деятельность инженеров практически  всегда заканчивается конкретными  численными результатами.

В настоящее время мобильные  установки используются практически  повсеместно (горное дело, строительство, сельское хозяйство и т.д.). Их применение очень удобно из–за высоких технических  характеристик и сравнительно простой  конструкции.

Объединение отдельных машин  и агрегатов в установки, комплексно механизирующие тяжелые и трудоемкие процессы, дает возможность осуществить  наивыгоднейшие режимы технологического и энергетического использования  машин и решить задачи рационального  комплектования системы машин для  комплексной механизации производственных процессов.

В данном курсовом проекте  требуется смоделировать процесс  работы мобильной горной машины в  стационарном режиме, рабочим органом  которой является цепной бар. Необходимо с помощью этой модели найти оптимальное  значение двух параметров работы машины: поступательную скорость машины и относительную скорость цепи бара. Все математические зависимости, описывающие работу машины и рабочего органа, необходимые для нахождения оптимальных скоростей составлены в систему нелинейных уравнений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2.Описание принципа действия  и конструкции устройства, на  котором используется рабочий  орган – многоковшовая рама.

Цепные экскаваторы поперечного  копания применяют для вскрышных работ, добычи полезных ископаемых, очистки и профилирования дня и откосов каналов и др. В нашей стране выпускают карьерные и мелиоративные экскаваторы поперечного копания небольшой мощности.

Карьерный экскаватор ЭМ-201А(рис.1) предназначен для работы в немерзлых  грунтах, которые содержат твердые  включения размером до 100 мм в поперечнике, по объему не превышающие 10% разбрасываемого грунта. Выгрузка грунта производится в автотранспорт.

Экскаватор может работать параллельным и радиальным (веерным) резанием. При параллельном резании  по всей длине забоя снимается  стружка одинаковой толщины, а при  радиальном – стружка треугольного поперечного сечения, причем в последнем  случае максимальная толщина стружки  у конца ковшовой рамы, а минимальная  вблизи экскаватора. Радиальное резание  применяют в начальной стадии разработки карьера и при добыче однородных по составу материалов, не требующих перемешивания. Преимуществом радиального резания является сокращение числа передвижек рельсовых путей, так как с одной стоянки экскаватор разрабатывает большой массив грунта.

Параллельное резание  используют в таких карьерах, где  характер материала изменяется по глубине  залегания. При этом в процессе заполнения ковшей различные фракции материалов, залегающие пластами на различных глубинах забоя, хорошо перемешиваются и дают однородную смесь. Параллельное резание  применяют при планировке откосов  каналов и насыпей.

Экскаватор ЭМ-201А имеет  многомоторный электрический привод всех механизмов (рис.2). На нижней платформе  экскаватора расположены механизм I подъема ковшовой рамы и механизм II передвижения экскаватора и привода кабельного барабана.

Подъем и опускание  ковшовой рамы осуществляется полиспастами 1 и 2 при навивке каната на барабаны 3 и 5, которые приводятся во вращение от электродвигателя 9 через червячные  редукторы 8, 4 и 6. Для управления барабанами 5 и 3 служат муфты 7.

Привод передвижения и  кабельного барабана экскаватора выполнен от электродвигателя 13 через трехступенчатый  комбинированный редуктор 14, имеющий  червячную пару и две пары цилиндрических колес, и далее через зубчатое зацепление и цепные передачи.

На верхней платформе  смонтирован механизм III привода ведущего вала 10 ковшовой цепи, включающий электродвигатель 12, муфту и трехступенчатый цилиндрический редуктор 11.

 

рис. 2. Кинематическая схема экскаватора ЭМ-201А

 

Технические характеристики ЭМ-201А

Глубина копания максимальная при угле откоса забоя 45 градусов – 7м;

Высота копания максимальная при угле откоса забоя 45 градусов – 6м;

Максимальное заглубление  рабочего органа при верхнем и  нижнем копании – 200 мм;

Рабочее оборудование

Вместимость ковша – 20 л;

Число ковшей – 33;

Скорость ковшовой цепи – 0,5 м/с;

Число ссыпок ковшей в минуту – 30;

Ходовое устройство

Колея рельсового пути – 1584 мм;

База – 2200 мм;

Скорость передвижения – 180 м/ч;

Максимальное давление на одно колесо – 53 кН;

Установленная мощность электродвигателей  – 16,7 кВт;

Общая потребляемая мощность с учетом освещения и обогрева кабины, лотка и бункера – 25 кВт;

Габариты экскаватора:

     длина –  4,3 м;

     ширина (при  горизонтальном положении рабочего  органа) – 16,8 м;

     высота –  7,3 м;

Масса экскаватора – 11900 кг;

Масса противовеса – 3500.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ФОРМИРОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ  МОДЕЛИ

2.1 Баланс производительности

Уравнение баланса мощности в самой общей форме можно  представить в виде:

,

 где - производительность по рабочему органу;

    - производительность по ходу.

Производительность по рабочему органу зависит от его конструкции  и принципа работы. Производительность по ходу можно найти по формуле:

,м³/с,

где H – мощность вынимаемого уступа, м;

 b_с – толщина снимаемого слоя, м;

    - скорость машины по ходу.

Для такого рабочего органа, как ковшовая рама, производительность находим по формуле:

,м³/с

где t – шаг установки ковшей, м;

u – скорость движения ковшей, м/с;

– коэффициент заполнения рабочего пространства;

– коэффициент разрыхления;

V_k – объем ковша.

2.2. Баланс мощности

Уравнение баланса мощности в самой общей форме можно  представить в виде:

,

    где – подводимая мощность;

    – мощность, затрачиваемая на работу агрегата;

,

где – мощность на разрушение породы;

    –мощность на подъем отбитой породы;

    – мощность на передвижение машины. 

Распишем эти три составляющие подводимой мощности:

, кВт,

где e_p – удельные затраты мощности;

h -– к.п.д. привода исполнительного органа;

, Вт·с /м³,

где с₁ и с₂ – коэффициенты, зависящие от прочности породы, геометрии резца и других параметров характеризующих конкретные условия разрушения породы;,

h – средняя толщина стружки, снимаемая резцами органа разрушения.

,

где u – скорость движения ковшей, м/с;

 t – шаг установки ковшей, м;

 ϑ – скорость движения машины, м/с.

, кВт,

где r - плотность породы, кг/м³;

H_n – высота подъема породы исполнительным органом, м;

h₄ – к.п.д. механизма погрузки.

, кВт,

где k_сд – коэффициент сопротивления движению;

η₁– коэффициент полезного действия бара как подъемного механизма,

– теоретическая скорость движения,

,

  – коэффициент буксования,

   Р_Р –равнодействующая сил резания:

, Н;

   P_n–равнодействующая сил сопротивления:

, Н.

Преобразовав, все данные мы получим 

;

;

.

2.3. Формирование математической  модели с помощью метода Ньютона

 

Для метода Ньютона необходимо найти частные производные  по и для уравнений баланса мощности и баланса производительности.

Итак, принимаем:

;

 

Тогда частные  производные  будут иметь вид:

;

;

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Разработка алгоритма исследования  модели

3.1. Блок-схема  алгоритма

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2. Список идентификаторов

В записке	Название идентификатора	В программе
С1	коэффициент, зависящий от прочности породы, геометрии резца и других параметров, характеризующих конкретные условия разрушения породы	С1
С2	коэффициент, зависящий от прочности породы, геометрии резца и других параметров, характеризующих конкретные условия разрушения породы	С2
P	Плотность породы	po
	угол наклона опорной поверхности	fi
kp	вспомогательный коэффициент	kp
kv	Коэффициент объема ковшовой рамы	kv
kN	коэффициент пропорциональности	kn
kQ	коэффициент запаса производительности	kq
	Угол наклона уступа	а
H	Мощность вынимаемого уступа	Н
B	Ширина ковшовой рамы	B
Vk	Объем ковша	Vk
	к.п.д. привода исполнительного органа	kpd1
	к.п.д. привода механизма подачи	kpd2
	к.п.д. привода механизма передвижения	kpd3
	к.п.д. механизма погрузки	kpd4
Kp	Коэффициент разрыхления горной породы	Kp
ε	Приближение	eps
v	Начальная скорость	v0
w	Начальная угловая скорость	w0