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 sources/Laba_7_Raschety_Elementov_Prokhodcheskikh_Rabot.pdf.

Тарировка по примеру методички (стр. 15-18): формулы (7.1)-(7.5), (7.8),
(7.10)-(7.17), (7.20) воспроизводят пример с точностью до округлений.
Известные погрешности самого примера, на результат варианта не влияющие:
- в печатной формуле (7.6) примера вычитается 106 кН (вес К10), но итог
  296,7 кН соответствует вычитанию G_с = 140 кН (КТ14) при omega'' = 7 Н/кН;
- в (7.16) у примера l_с = 23,57 м, строго по формуле получается 24,0 м;
- в примере веса вагонетки приняты при g ~= 10 м/с2 (85,5/42 кН), здесь g = 9,81.
"""

from math import pi, sqrt, floor, ceil, log10


# ---------------------------------------------------------------- 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
# (по табл. 7.4 методички: ПНБ-2 = 2,2 при массе 7 т; 2ПНБ-2 = 2,5 при 11,8 т)
PGRUZ = {"ППН-1С": 0.8, "ППН-2Г": 1.0, "ППН-3": 1.25, "1ППН-5": 1.25,
         "ППМ-4У": 1.25, "ПНБ-2": 2.2, "2ПНБ-2": 2.5, "ПНБ-3Д": 4.0, "ПНБ-4": 6.0}

# Табл. 7.5: коэффициент разрыхления k_р по крепости f
# (строки 1..2 / 2..3 / 4..6 / 7..9 / 10..14 / 15..20 — нижняя граница строки)
KP_TABLE = ((1, 1.7), (2, 1.8), (4, 1.9), (7, 2.0), (10, 2.1), (15, 2.2))

def k_r(f):
    k = KP_TABLE[0][1]
    for fmin, kr in KP_TABLE:
        if f >= fmin:
            k = kr
    return k

# 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}

# Табл. 7.10 (стр. 19-20): f, rho, фракция, уклон ‰, S, бурильная установка,
# глубина бурения м, диаметр шпура мм, погрузочная машина,
# доставочная машина (электровоз/вагонетка), L от забоя до отвала м,
# диаметр трубы м, время проветривания с, число проходчиков
VARIANTS = {
    1:  (12, 1.9, "мелкая", 5, 24, "БУ-1Б (УБШ 202)", 2.4, 46, "ППН-2Г", "АРП14", "ВГ2.0", 2100, 0.5, 2400, 2),
    2:  (7, 2.0, "крупная", 0, 30, "БУР2Б (УБШ 302)", 2.3, 52, "2ПНБ-2", "АРП14", "ВГ2.0", 2350, 0.7, 3600, 3),
    3:  (10, 1.8, "крупная", 6, 28, "БКГ-2 (УБШ 309)", 2.5, 52, "ПНБ-2", "К10", "ВГ2.0", 2200, 0.7, 3000, 3),
    4:  (14, 1.7, "мелкая", 3, 22, "СБКН2М (УБШ 207)", 2.0, 55, "ППН-2Г", "К10", "ВГ1.2", 2740, 0.5, 2400, 2),
    5:  (15, 2.5, "мелкая", 0, 24, "БУ-1Б (УБШ 202)", 2.1, 60, "1ППН-5", "К14М", "ВГ2.2", 2900, 0.5, 2400, 2),
    6:  (8, 2.1, "крупная", 4, 27, "БКГ-2 (УБШ 309)", 2.4, 43, "ППН-3", "КТ14", "ВГ4.5А", 2150, 0.6, 3000, 3),
    7:  (11, 2.0, "крупная", 10, 25, "БУ-1Б (УБШ 202)", 2.5, 46, "1ППН-5", "АРП14", "ВГ2.0", 3050, 0.6, 2400, 2),
    8:  (16, 2.2, "мелкая", 0, 24, "СБКН2М (УБШ 207)", 2.2, 55, "1ППН-5", "К14М", "ВГ2.2", 2350, 0.5, 2400, 2),
    9:  (9, 1.8, "крупная", 9, 30, "БУР2Б (УБШ 302)", 2.5, 52, "ПНБ-2", "АРП10Б", "ВГ2.2", 2400, 0.7, 3600, 3),
    10: (12, 2.1, "мелкая", 4, 22, "СБКН2М (УБШ 207)", 2.1, 46, "ППН-2Г", "К14М", "ВГ2.0", 3100, 0.5, 2400, 2),
    11: (13, 2.1, "мелкая", 5, 25, "БУ-1Б (УБШ 202)", 2.0, 52, "ППН-3", "К14М", "ВГ2.2", 2400, 0.6, 2400, 2),
    12: (8, 1.8, "крупная", 7, 32, "БУР2Б (УБШ 302)", 2.5, 43, "ПНБ-2", "К10", "ВГ2.2", 2600, 0.7, 3600, 3),
    13: (10, 1.9, "мелкая", 9, 21, "СБКН2М (УБШ 207)", 2.5, 46, "ППН-2Г", "АРП14", "ВГ2.0", 3150, 0.5, 2400, 2),
    14: (7, 1.8, "крупная", 3, 30, "БУР2Б (УБШ 302)", 2.4, 40, "ПНБ-2", "АРП10Б", "ВГ2.2", 2440, 0.7, 3600, 3),
    15: (14, 2.0, "крупная", 5, 26, "БУ-1Б (УБШ 202)", 2.2, 52, "1ППН-5", "КТ14", "ВГ2.2", 2150, 0.6, 3000, 3),
    16: (12, 2.1, "мелкая", 7, 28, "БКГ-2 (УБШ 309)", 2.1, 46, "ППН-3", "К14М", "ВГ4.5А", 2350, 0.7, 3000, 3),
    17: (9, 1.9, "мелкая", 12, 27, "БКГ-2 (УБШ 309)", 2.3, 43, "1ППН-5", "АРП14", "ВГ2.0", 2200, 0.6, 3000, 3),
    18: (11, 1.7, "крупная", 2, 31, "БУР2Б (УБШ 302)", 2.1, 52, "2ПНБ-2", "К10", "ВГ2.2", 2740, 0.7, 3600, 3),
    19: (10, 1.6, "крупная", 4, 30, "БУР2Б (УБШ 302)", 2.5, 46, "2ПНБ-2", "АРП10Б", "ВГ2.2", 2900, 0.7, 3600, 3),
    20: (12, 2.0, "мелкая", 0, 26, "БУ-1Б (УБШ 202)", 2.4, 43, "ППН-3", "КТ14", "ВГ2.2", 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_shp_mm, pogr_mash,
            el, vag, 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,
            a_p=0.04, omega_tr=None, omega_dv=8.0, v_t=2.0, l_t=10.0,
            k_m=1.2, k_nrp=0.9, k_n_pogr=0.85, l_o=100, V_o=80, t_sc=1.5,
            t_pod=10, eta=0.9, k_r_mnozh=2.0, t_man=10, m_p=1,
            v_sr=200.0, a_koef=None, l_v=75.0, eps=1.2, m_a=1, V_a=3.0,
            z_zapas=1.35, q_sk=0.10, zap_v=1.1):
    """Полный расчёт по формулам (7.1)-(7.20) методички.

    Умолчания соответствуют принятому в отчёте варианту 6; пример методички
    считается передачей его коэффициентов (см. __main__).
    """
    out = {}
    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 и вес состава
    P_p_t = PGRUZ[pogr_mash]                                  # м3/мин (табл. 7.4)
    G_sc = ELECTROVOZ[el]                                     # сцепной вес, кН
    # (7.5): трогание; omega'_тр = (1,5..2)*omega''; omega'' = 5..8 Н/кН
    if omega_tr is None:
        omega_tr = 1.5 * omega_dv
    Q5 = rup(1000 * 0.25 * G_sc / (omega_tr + uklon + 110 * a_p) - G_sc, 1)
    # (7.7): тормозное замедление
    a_t = v_t ** 2 / (2 * l_t)
    # (7.6): торможение
    Q6 = rup(1000 * 0.17 * G_sc / (-omega_dv + uklon + 110 * a_t) - G_sc, 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
    m_s = floor(Q_gr / (G_gr + G_t))                          # (7.8), вагонов в составе
    # (7.4): эксплуатационная производительность погрузочной машины, м3/ч
    P_p_e = rup(60 * V_v / (V_v * k_m * k_r(f) / (P_p_t * k_nrp * k_n_pogr)
                 + 2 * l_o / V_o + t_sc + t_pod / m_s), 1)

    # --- 3. рейсы
    t_p = rup(60 * V_v * eta * m_s / P_p_e, 1)                    # (7.10), мин
    t_dv = rup(2 * L_ot / v_sr, 1)                                # (7.11), мин
    t_r = rup(k_r_mnozh * m_s, 1)                                 # (7.12), мин
    T_r = rup(t_p + t_dv + t_r + t_man, 1)                        # (7.9), мин
    m_t = ceil(T_r * m_p / t_p)                                   # (7.13), составов
    z_p = ceil(S * l_shp * k_r(f) / (V_v * m_s))                  # (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_s = rup(18.7 * sqrt(S) * (S_tr / S) ** (1 / 3), 1)       # (7.16), м
    a_k = 48 if S > 40 else 26                                 # (7.15): a = 26 при S = 12..40, 48 при 41..95
    Q_vzr = rup(4.715 * (l_s * S / t_prov) * log10(a_k * l_shp * rho / sqrt(S)), 2)  # (7.15), м3/с
    t_p_s = rup(t_p * 60, 0)                                      # (7.10) в секундах
    k_nk = 1.3 if L_ot >= 2000 else 1.7                           # (7.17): L >= 2 км
    Q_t = rup(0.625 * k_nk * (1.2 * m_a + 2.24 * (L_ot / (t_p_s * V_a) + 0.25)), 2)
    N_l = 2 * n_proh                                              # люди в забое
    Q_l = rup(0.1 * N_l * z_zapas, 2)                             # (7.18), м3/с
    Q_s = rup(q_sk * S, 2)                                        # (7.19), м3/с
    Q_rasch = max(Q_vzr, Q_t, Q_l, Q_s)                        # расчётный расход
    Q_vent = rup(zap_v * Q_rasch, 2)                           # производительность в-ра
    h_v = rup(65 * ALPHA[d_tr] * l_v * Q_rasch ** 2 * eps / d_tr ** 5, 1)  # (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) Q(сцепл.)": Q5, "2) aт": rup(a_t, 2),
        "2) Q(торм.)": Q6, "2) Qгр": Q_gr,
        "2) Gгр": G_gr, "2) Gт": G_t, "2) mс": m_s, "2) Pп.э": P_p_e,
        "3) tп": t_p, "3) tдв": t_dv, "3) tр": t_r, "3) Tр": T_r,
        "3) mт": m_t, "3) zп(рейсов)": z_p,
        "4) Sтр": round(S_tr, 4), "4) lс": l_s, "4) Qвзрыв": Q_vzr,
        "4) Qавто": Q_t, "4) Qлюди": Q_l, "4) Qскор": Q_s,
        "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, rho=1,9, крупная, уклон 12‰, S=30, БУР2Б,
        # шпур 2,5 м, 43 мм, ППН-3, КТ14+ВГ4.5, L=3100, d_тр=0,7, t=2400 с,
        # 3 проходчика; коэффициенты и принятые величины — из примера
        # (a = 0,04; v_т = 3 м/с -> a_т = 0,45; k_м = 1,15; k_нр = 0,87;
        # k_н = 0,75; l_о = 75 м; V_о = 90 м/мин; t_под = 7,5; t_м = 7;
        # V_ср = 200 м/мин; z = 1,35; V_а = 3 м/с; m_а = 3; l_в = 75; eps = 1,2)
        report("Пример методички", compute(
            7, 1.9, "крупная", 12, 30, "БУР2Б (УБШ 302)", 2.5, 43, "ППН-3",
            "КТ14", "ВГ4.5А", 3100, 0.7, 2400, 3,
            m_b=2, k_od=0.72, k_nad=0.85, k_pr=0.8,
            a_p=0.04, omega_dv=7.0, omega_tr=12.0, v_t=3.0, k_m=1.15, k_nrp=0.87, k_n_pogr=0.75,
            l_o=75, V_o=90, t_pod=7.5, t_man=7, v_sr=200.0, m_a=3))