Building/calc/laba7.py

# -*- coding: utf-8 -*-
"""
Лаба 7. Расчеты элементов проходческих работ: производительность бурильных
машин, погрузка породы, откатка электровозом, проветривание забоя.
Формулы (7.1)-(7.20) методички.

Числовой пример методички содержит арифметические погрешности
(например, в (7.6) при подстановке использован psi = 0,25 вместо 0,17),
поэтому проверка ниже сходится с примером по схеме расчёта, но не по
всем округлениям. Формулы оттарированы по тем строкам примера, которые
воспроизводятся точно: (7.1), (7.2), (7.3), (7.5), (7.10), (7.11), (7.16),
(7.15), (7.19).
"""

from math import pi, sqrt, floor, ceil


# ---------------------------------------------------------------- справочные данные

# Табл. 7.2: механическая скорость бурения V_м (м/мин) по крепости f
VM_TABLE = {2: 2.20, 3: 2.00, 4: 1.80, 5: 1.65, 6: 1.50,
            7: 1.35, 8: 1.20, 9: 1.10, 10: 1.00}

# Табл. 7.4: техническая производительность погрузочных машин, м3/мин
PGRUZ = {"ППН-1С": 0.8, "ППН-2Г": 1.0, "ППН-3": 1.25, "1ППН-5": 1.25,
         "ППМ-4У": 1.25, "2ПНБ-2": 2.2, "ПНБ-2": 2.5, "ПНБ-3Д": 4.0, "ПНБ-4": 6.0}

# Табл. 7.5: коэффициент разрыхления k_р по крепости f (нижняя граница строки)
KP_TABLE = ((2, 1.7), (3, 1.8), (4, 1.9), (7, 2.0), (10, 2.1), (15, 2.2))

def k_r(f):
    for fmin, k in KP_TABLE:
        if f <= fmin:
            return k
    return 2.2

# Табл. 7.6: сцепной вес электровозов, кН
ELECTROVOZ = {"4КР": 40, "7КРМ1": 79, "К10": 106, "К14М": 140, "КТ14": 140,
              "АРВ7": 70, "АМ8Д": 87, "АРП10Б": 104, "АРП14": 134}

# Табл. 7.7: вагонетки: вместимость (м3), грузоподъёмность (т), масса (т)
VAGONETKA = {
    "ВГ0.7": (0.7, 1.8, 0.55), "ВГ1.2": (1.2, 2.5, 0.807), "ВГ2.0": (2.0, 5.0, 1.51),
    "ВГ2.2": (2.2, 5.5, 1.45), "ВГ4.5А": (4.5, 13.5, 4.2), "ВГ9А": (9.0, 27.0, 8.9),
    "ВГ10А": (10.0, 30.0, 9.5),
}

# Табл. 7.8: коэффициент трения альфа по диаметру трубы воздуховода
ALPHA = {0.4: 0.00030, 0.5: 0.00025, 0.6: 0.00022, 0.7: 0.00020}

# Варианты (таблица 7.10): f, rho, фракция, уклон промилилле, S,
# бурильная установка, глубина бурения м, диаметр шпура мм, погрузочная машина
VARIANTS = {
    1:  (12, 1.9, "мелкая", 5, 24, "БУ-1Б (УБШ 202)", 2.4, 46, "ППН-2Г", 2100, 0.5, 2400, 2),
    2:  (7, 2.0, "крупная", 0, 30, "БУР2Б (УБШ 302)", 2.3, 52, "2ПНБ-2", 2350, 0.7, 3600, 3),
    3:  (10, 1.8, "крупная", 6, 28, "БКГ-2 (УБШ 309)", 2.5, 52, "ПНБ-2", 2200, 0.7, 3000, 3),
    4:  (14, 1.7, "мелкая", 3, 22, "СБКН2М (УБШ 207)", 2.0, 55, "ППН-2Г", 2740, 0.5, 2400, 2),
    5:  (15, 2.5, "мелкая", 0, 24, "БУ-1Б (УБШ 202)", 2.1, 60, "1ППН-5", 2900, 0.5, 2400, 2),
    6:  (8, 2.1, "крупная", 4, 27, "БКГ-2 (УБШ 309)", 2.4, 43, "ППН-3", 2150, 0.6, 3000, 3),
    7:  (11, 2.0, "крупная", 10, 25, "БУ-1Б (УБШ 202)", 2.5, 46, "1ППН-5", 3050, 0.6, 2400, 2),
    8:  (16, 2.2, "мелкая", 0, 24, "СБКН2М (УБШ 207)", 2.2, 55, "ППН-5", 2350, 0.5, 2400, 2),
    9:  (9, 1.8, "крупная", 9, 30, "БУР2Б (УБШ 302)", 2.5, 52, "ПНБ-2", 2400, 0.7, 3600, 3),
    10: (12, 2.1, "мелкая", 4, 22, "СБКН2М (УБШ 207)", 2.1, 46, "ППН-2Г", 3100, 0.5, 2400, 2),
    11: (13, 2.1, "мелкая", 5, 25, "БУ-1Б (УБШ 202)", 2.0, 52, "ППН-3", 2400, 0.6, 2400, 2),
    12: (8, 1.8, "крупная", 7, 32, "БУР2Б (УБШ 302)", 2.5, 43, "ПНБ-2", 2600, 0.7, 3600, 3),
    13: (10, 1.9, "мелкая", 9, 21, "СБКН2М (УБШ 207)", 2.5, 46, "ППН-2Г", 3150, 0.5, 2400, 2),
    14: (7, 1.8, "крупная", 3, 30, "БУР2Б (УБШ 302)", 2.4, 40, "ПНБ-2", 2440, 0.7, 3600, 3),
    15: (14, 2.0, "крупная", 5, 26, "БУ-1Б (УБШ 202)", 2.2, 52, "ППН-5", 2150, 0.6, 3000, 3),
    16: (12, 2.1, "мелкая", 7, 28, "БКГ-2 (УБШ 309)", 2.1, 46, "ППН-3", 2350, 0.7, 3000, 3),
    17: (9, 1.9, "мелкая", 12, 27, "БКГ-2 (УБШ 309)", 2.3, 43, "1ППН-5", 2200, 0.6, 3000, 3),
    18: (11, 1.7, "крупная", 2, 31, "БУР2Б (УБШ 302)", 2.1, 52, "2ПНБ-2", 2740, 0.7, 3600, 3),
    19: (10, 1.6, "крупная", 4, 30, "БУР2Б (УБШ 302)", 2.5, 46, "2ПНБ-2", 2900, 0.7, 3600, 3),
    20: (12, 2.0, "мелкая", 0, 26, "БУ-1Б (УБШ 202)", 2.4, 43, "ППН-3", 2150, 0.6, 2400, 2),
}

G = 9.81


# ---------------------------------------------------------------- расчёт

def rup(x, n=2):
    p = 10 ** n
    return floor(x * p + 0.5) / p


def compute(f, rho, frak, uklon, S, ustanovka, l_shp_d_m, d_shp_mm, pogr_mash,
            L_ot, d_tr, t_prov, n_proh,
            m_b=2, k_zam=0.7, k_vsp=0.85, k_od=0.8, k_nad=0.9, k_pr=0.8,
            el="КТ14", vag="ВГ4.5А", a_p=0.3, v_t=2.0, l_t=10.0,
            k_nk=1.15, k_nrp=0.9, k_n_pogr=0.85, l_o=100, V_o=80, t_pr=1.5,
            t_pod=10, t_raz_v=1.0, t_man=10, v_sr=10.0, k_ng=1.1, n_mash=1,
            v_avto=5.0, k_z_v=1.1, q_v_chel=0.1, v_min=0.3, l_v=300, xi_sum=1.15,
            zap_v=1.1):
    """Полный расчёт по формулам (7.1)-(7.20). Числа методички по умолчанию."""
    out = {}
    l_shp = l_shp_d_m
    d_shp = d_shp_mm / 1000.0

    # --- 1. бурение, (7.1)-(7.2)
    V_m = VM_TABLE[min(max(f, 2), 10)]
    k_d = rup(30 / d_shp_mm, 2)
    P_b_t = rup(V_m * k_d * k_zam * k_vsp, 2)                 # м/мин
    P_b_e = rup(60 * P_b_t * k_od * k_nad * k_pr * m_b, 1)    # м/ч

    # --- 2. погрузка
    P_p_t = PGRUZ[pogr_mash]                                  # м3/мин (табл. 7.4)
    i = uklon / 1000.0                                        # уклон в долях
    P_sс = ELECTROVOZ[el]                                     # кН
    # (7.5), (7.6): удельные величины в Н/кН: 1000*psi, i (промилле = Н/кН), 108*a
    Q5 = rup(P_sс * (1000 * 0.25 - uklon - 108 * a_p) / (9 + uklon) - P_sс, 1)
    Q6 = rup(P_sс * (1000 * 0.17 - uklon - 108 * (v_t ** 2 / (2 * l_t))) / (8 + uklon) - P_sс, 1)
    Q_gr = min(Q5, Q6)
    V_v, _gr, m_v = VAGONETKA[vag]
    G_gr = rup(V_v * rho * G, 1)                              # вес груза, кН
    G_t = rup(m_v * G, 1)                                     # вес тары, кН
    Z = floor(Q_gr / (G_gr + G_t))                            # вагонов в составе
    # (7.4): эксплуатационная производительность погрузочной машины, м3/ч
    P_p_e = rup(60 * V_v * k_nk / (V_v * k_nk / (P_p_t * k_nrp * k_n_pogr)
                 + 2 * l_o / V_o + t_pr + t_pod / Z), 1)

    # --- 3. рейсы
    t_p = rup(Z * V_v * k_nk / (P_p_t * k_nrp * k_n_pogr), 1)     # (7.10), мин
    t_dv = rup(2 * L_ot / (60 * v_sr), 1)                         # (7.11), мин
    t_r = rup(Z * t_raz_v, 1)                                     # (7.12), мин
    T_r = rup(t_p + t_dv + t_r + t_man, 1)                        # (7.9), мин
    n_s = ceil((t_p + t_dv + t_r) / t_p)                          # (7.13), составов
    l_zah = l_shp                                                  # заходка ~ глубина
    N_r = ceil(S * l_zah * k_r(f) / (Z * V_v * k_nk))              # (7.14), рейсов

    # --- 4. вентиляция (цепочка по округляемым значениям, как в отчёте)
    S_tr = rup(pi * d_tr ** 2 / 4, 2)                          # площадь трубы, м2
    l_d = rup(S * sqrt(S_tr) + 5, 1)                           # (7.16), м
    kf = 48 if S > 20 else 26                                  # коэффициент 48/26
    Q_z = rup(kf * (S - l_d) * l_shp * rho / sqrt(S * S_tr * t_prov), 2)  # (7.15), м3/с
    t_p_s = t_p * 60                                           # (7.10) в секундах
    Q_av = rup(k_ng * n_mash * sqrt(4.5 * (L_ot / t_p_s) * (1 + 20 / v_avto)), 2)  # (7.17)
    N_l = 2 * n_proh                                           # люди в забое
    Q_l = rup(k_z_v * q_v_chel * N_l, 2)                       # (7.18), м3/с
    Q_v = rup(v_min * S, 2)                                    # (7.19), м3/с
    Q_rasch = max(Q_z, Q_av, Q_l, Q_v)                         # расчётный расход
    Q_vent = rup(zap_v * Q_rasch, 2)                           # производительность в-ра
    h_v = rup(6.5 * ALPHA[d_tr] * l_v * Q_vent ** 2 / d_tr ** 5
              + xi_sum * Q_vent ** 2 / (2 * G * S_tr ** 2), 0)  # (7.20), Па

    out["исходные"] = f"f={f}, S={S} м2, уклон {uklon}‰, L={L_ot} м, {pogr_mash}, {el}+{vag}"
    out.update({
        "1) Vм": V_m, "1) kд": k_d, "1) Pб.т": P_b_t, "1) Pб.э": P_b_e,
        "2) Pп.т": P_p_t, "2) Q5(сцепл.)": Q5, "2) Q6(торм.)": Q6, "2) Qгр": Q_gr,
        "2) Gгр": G_gr, "2) Gт": G_t, "2) Z": Z, "2) Pп.э": P_p_e,
        "3) tп": t_p, "3) tдв": t_dv, "3) tр": t_r, "3) Tр": T_r,
        "3) nс": n_s, "3) Nрейс": N_r,
        "4) Sтр": round(S_tr, 4), "4) lд": l_d, "4) Qз(взрыв)": Q_z,
        "4) Qавто": Q_av, "4) Qлюди": Q_l, "4) Qскор": Q_v,
        "4) Qрасч": Q_rasch, "4) Qвент": Q_vent, "4) hв,Па": h_v,
    })
    return out


def report(title, res):
    print(f"\n=== {title} ===")
    for k, val in res.items():
        print(f"  {k:14} = {val}")


if __name__ == "__main__":
    import sys

    if len(sys.argv) > 1 and sys.argv[1].isdigit():
        n = int(sys.argv[1])
        v = VARIANTS[n]
        report(f"Вариант {n}", compute(*v))
    else:
        # Пример методички: f=7, S=30, ППН-3, КТ14+ВГ4.5, уклон 12 промиллей,
        # L=3100, d_тр=0,7, t=2400 с, 3 проходчика, глубина 2,5 м, шпур 43 мм
        report("Пример методички (частично сходится)", compute(
            7, 1.9, "крупная", 12, 30, "БУР2Б (УБШ 302)", 2.5, 43, "ППН-3",
            3100, 0.7, 2400, 3, m_b=2))