Обоснование параметров карьерных экскаваторов в зависимости от условий эксплуатации

Актуальность темы

Механические прямые лопаты — основной вид оборудования на открытых горных работах, являющихся главным направлением развития горной промышленности России для обеспечения минеральным сырьем и топливом потребностей металлургии, энергетики, машиностроения, сельского хозяйства и др. [1, 2].

Для выполнения крупномасштабных объемов горных работ одной из основных задач отечественного экскаваторостроения является повышение производительности труда за счет переоснащения карьеров большой мощности экскаваторами с ковшами 30 м и более. Интенсификация рабочего процесса таких крупных машин — задача первостепенной важности.

Условие работы экскаваторов определяется типом и состоянием пород в забое, совершенством технологии предварительного рыхления. Крайнее разнообразие этих условий затрудняет выбор рациональных параметров проектируемых экскаваторов.

Скальные и полускальные породы преобладают на железнорудных месторождениях (85%), на коренных месторождениях цветных металлов (95%), на месторождениях горнохимического сырья и нерудных ископаемых (90%). В то же время на угольных месторождениях свыше 80% составляют глинистые и песчаные породы.

Карьерные экскаваторы малой и средней мощности могут проектироваться как машины универсального применения. В этом 3 случае копающие механизмы необходимо рассчитывать на предельные нагрузки в наиболее тяжелых условиях разных забоев. Уникальные машины большой мощности целесообразно проектировать для определенных условий в забоях предполагаемой эксплуатации, обеспечивая наибольшую интенсивность рабочего процесса.

Интенсивность процесса непосредственно связана с его энергоемкостью. Объем потребления электроэнергии определяется усилиями сопротивления, преодолеваемого приводом экскаватора. Можно выделить три основных фактора, влияющих на сопротивления копанию:

• физико-механические свойства разрабатываемых пород;

• качество подготовки забоя;

• конструктивные параметры рабочего оборудования.

Следовательно, определение влияния геометрии узлов рабочего оборудования на усилия копания и энергоемкость рабочего процесса, поиск новых конструктивных схем является актуальной задачей.

Объект исследований — карьерные механические экскаваторы с оборудованием «прямая лопата».

Предмет исследования — рабочее оборудование экскаватора.

Целью работы является разработка методов расчета параметров рабочего процесса и обоснование способов его интенсификации.

Идея работы заключается в расширении адаптивных свойств рабочего оборудования и интенсификации рабочего процесса за счет установочного движения верхней части стрелы.

Методы исследований включают обобщение опыта проектирования и эксплуатации карьерных экскаваторов большой мощности, экспериментальных исследований, математическое моделирование и анализ параметров процесса копания.

Научные положения, выносимые на защиту:

• формулы для предварительного определения параметров рабочего оборудования карьерных экскаваторов большой мощности должны базироваться на параметрах конкретного забоя;

• усилия копания в осыпи забоя определяются углом наклона верхней части шарнирно сочлененной стрелы;

• сопротивление внедрению ковша с круглой, разгруженной от кручения рукоятью должно рассчитываться с учетом коэффициента жесткости направления ковша.

Научная новизна работы.

• Получены зависимости, связывающие параметры забоя (высоту развала, средний размер куска, коэффициент разрыхления) с основными линейными параметрами экскаваторов большой мощности.

• Обоснована методика определения рабочих усилий и мощностей копающих механизмов, а также разработана имитационная модель процесса экскавации связных пород.

• Обоснована структура рабочего оборудования с шарнирно сочлененной стрелой и изменяемым углом наклона верхней части стрелы.

• Получено аналитическое выражение для расчета сопротивления копанию крупно-кусковой горной массы при внедрении ковша с круглой разгруженной от кручения рукоятью.

Практическая ценность работы.

• Разработана новая конструктивная схема рабочего оборудования карьерного экскаватора с шарнирно сочлененной стрелой, с круглой, разгруженной от кручения рукоятью и подвеской стрелы изменяющейся длины.

• Предложена методика определения усилий копания при изменении угла наклона верхней части стрелы.

• Разработана методика расчета усилий и энергоемкости копания связных пород.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: корректностью постановки задач, адекватностью математических моделей реальным процессам экскавации, сходимостью результатов расчета и параметров новых моделей карьерных механических лопат большой мощности.

Реализация результатов работы. Зависимости, связывающие параметры забоя с основными линейными размерами рабочего оборудования, и математическая модель рабочего процесса используются в проектных расчетах карьерных лопат большой мощности в ОКЭ ООО «Уралмаш-Инжиниринг».

Обоснование параметров конструктивной схемы с изменяемой длиной подвески стрелы используется в лекциях и курсовом проектировании по дисциплине «Проектирование и конструирование горных машин» в Уральском государственном горном университете.

Апробация работы. Отдельные результаты работы докладывались и обсуждались на V Международной научно-технической конференции «Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности» (г. Екатеринбург, 2007). Личный вклад автора заключается:

• в разработке зависимостей, связывающих параметры забоя с основными линейными параметрами экскаватора;

• разработке методики определения рабочих усилий и мощностей, а также модели процесса и программы для ЭВМ;

• выведении формул для расчета усилий и скоростей копающих механизмов при изменении угла наклона верхней секции стрелы.

Публикации. По теме диссертации автором опубликованы три работы, в том числе две в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях.

3.8. Выводы, сделанные по результатам расчетов.

Таким образом, мы можем сделать следующие выводы: 1. Усилие подъема при копании на первой стружке в конце траектории копания имеет участок резкого возрастания требуемых усилий. Причем максимальное значение усилия, получаемое на этом участке, может значительно превосходить максимальные значения усилий подъема, получаемые при копании на последующих стружках.

2. По мере выдвижения рукояти, значения максимальных усилий подъема смещаются на кривой из области максимального поворота радиус-вектора в область, соответствующую его повороту на угол 80−100°.

3. Кривая требуемых усилий напора, при копании на первой стружке, вся лежит в области отрицательных значений. Это говорит о том, что механизм напора здесь должен создавать усилия, препятствующие заглублению ковша. Внедрение ковша в породу, при копании на первой стружке осуществляется за счет весов рукояти, ковша и грунта — в первой части траектории копания, и составляющей усилия подъема, действующей вдоль рукояти — во второй части траектории копания.

4. По мере выката рукояти, при углах поворота радиус-вектора около 40 — 45°, механизм напора начинает создавать усилия, стремящиеся прижать ковш к забою. Это связано с увеличением составляющей подъемного усилия отжимающего ковш от забоя и действующего вдоль балок рукояти. При углах поворота радиус-вектора более 90°, механизм напора должен также преодолевать и составляющие весов рукояти, ковш и грунта в ковше.

5. Увеличение вместимости ковша приводит к возрастанию требуемых усилий, как подъема, так и напора. Увеличение усилия подъема, связанное с поворотом рукояти, для более вместительного ковша, происходит интенсивнее, чем для ковша меньшей вместимости.

Увеличение усилий напора, для ковша 18 м, наблюдается только для последней трети траектории копания.

6. Увеличение высоты оси напорного вала уменьшает рост усилий подъема в конце копания для первой стружки. Однако копание на последующих стружках требует от подъемного механизма развивать большие усилия, при угле поворота радиус-вектора около 90°, чем при низком положении этой оси.

7. Высокое положение оси напорного вала ведет к более интенсивному увеличению напорного усилия, прижимающего ковш к забою, во второй части траектории копания, чем это было при низком положении оси.

8. Увеличение диаметра головных блоков по оси подъемных канатов увеличивает требуемые усилия подъема в конце копания для первой стружки, однако на последующих стружках, это приводит к уменьшению этого усилия.

Напорный механизм также должен развивать большие усилия, отжимающие ковш от забоя, на начальных стружках. Однако, по мере выката рукояти, применение большего диаметр головных блоков ведет к снижению требуемого усилия напора по всей траектории копания.

9. Уменьшение ширины режущей кромки ковша, при неизменных весовых и других линейных показателях рабочего оборудования, а также вместимости ковша, не приводит к изменению требуемых усилий подъема и напора по стружкам.

10. Изменение параметров рабочего оборудования, приводит к изменению величины работы, затрачиваемой механизмом подъема (рис. 3.30).

Увеличение вместимости ковша, несмотря на то, что кривая работы для этого расчетного случая находится выше аналогичной кривой для рабочего оборудования с меньшим ковшом, приводит к снижению суммарной работы (159 300 кДж — для ковша 16м — 146 500 кДж — для ковша 18м3), производимой механизмом подъема для отработки всего профиля забоя, поскольку последний отрабатывается за меньшее количество стружек (рис. 3.30).

Увеличение высоты оси напорного вала, приводит к возрастанию суммарной работы подъемного механизма (174 800 кДж), поскольку увеличивается и количество стружек, за которое отрабатывается профиль забоя.

Увеличение диаметра головных блоков по оси подъемных канатов, по сравнению с первым расчетным случаем, снижает суммарную работу подъема (157 600 кДж) — профиль забоя отрабатывается за то же количество стружек, однако усилия подъема, а значит и работа, меньше.

Уменьшение ширины режущей кромки, так же привело к снижению суммарной работы при отработке профиля забоя (138 000 кДж). Это объясняется уменьшением количества стружек, за который профиль забоя отрабатывается. Однако, применение ковша с узкой режущей кромкой, для одного и того же забоя, увеличивает количество секторов в плане, за которое он отрабатывается, по сравнению с машиной, имеющей ковш с широкой режущей кромкой (рис. 3.29). Поэтому для машины с узким ковшом, мы будем иметь большую суммарную работу механизма подъема, при отработке всего забоя в плане.

Угловой сектор 1 < Угловой сектор 2.

Рис. 3.29. Угловые сектора отработки забоя в плане для машины с узким ковшом «Экскаватор 1» и машины, работающей с широким ковшом «Экскаватор 2».

1400 1200 1000 ¦ 800 ¦ о.

ID Е боо г.

400 1 200 -О.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18.

Номер стружки.

Расчет № 2 — Ра счет № 1 —.

Расчет № 4.

РасJ9T № 3 ' Рас ют № 5 ' /.

Таким образом, наиболее целесообразным, с точки зрения уменьшения затрачиваемой работы механизмом подъема, является применения в конструкции рабочего оборудования:

• низкого положения оси напорного вала;

• наибольшей вместимости ковша из возможных;

• наибольшего из возможных диаметра головных блоков по оси подъемных канатов, т. е. параметров, способствующих снижению количества стружек, за который отрабатывается профиль забоя, а также уменьшению требуемых усилий подъема при копании.

ГЛАВА 4. ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНОЙ СХЕМЫ И РАСЧЕТ УСИЛИЙ КОПАНИЯ РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ ЭКСКАВАТОРА С ИЗМЕНЯЕМЫМ НАКЛОНОМ ВЕРХНЕЙ ЧАСТИ СТРЕЛЫ.

Форма необрушающихся забоев в глинистых породах повторяет траекторию резания ковшом экскаватора. В этом случае подвижная часть стрелы устанавливается в верхнее положение, и копание осуществляется до максимальной высоты копания.

Взорванная масса скальных и полускальных пород имеет разные характеристики по ширине и высоте развала. Форма развала определяется способом взрывания, и в процессе отработки порода обрушается. Поверхность обрушений имеет небольшую криволинейность и условно может быть заменена плоской формой. Угол устойчивого откоса, а зависит от коэффициента разрыхления породы в развале. При 7<ГР= 1,10. .1,20 угол откоса изменяется от 65 до 70°, приКр= 1,35.1,45 — а=55.60°.

Нижняя зона забоя — обрушившаяся порода — осыпь с углами откоса аос=36.42°. Следовательно, расчетная форма такого забоя образована двумя плоскостями: необрушившаяся часть массива с углом наклона 60. .70° и осыпь с углом аос.

Исследования экскавации взорванной горной массы [56, 80 -86, 88 — 92] свидетельствуют о существенном влиянии кусковатости и разрыхленности породы после взрыва, как на нагрузки машины, так и на ее производительность.

Несмотря на то, что основным объектом экскавации карьерных механических лопат являются скальные взорванные породы, в практике проектирования используются нормы и расчетные зависимости, базирующиеся на исследованиях, выполненных при экскавации связных пород.

В основу метода расчета усилий и параметров экскаваторов, разработанного в 30 годах, положены допущения и условности, относящиеся к забоям в связных породах: копание до высоты напорного вала, эквидистантность траекторий и пропорциональность усилия площади сечения стружки. Эти расчеты составляют основное содержание типового метода расчета экскаваторов [29].

При рассмотрении забоя взорванных скальных пород усилие внедрения ковша прямой лопаты может быть определено по расчетной схеме и формуле С. С. Музгина [49]. При круглой, разгруженной от кручения рукояти, по данным исследований, проведенных на кафедре горных машин, результат умножается на коэффициент жесткости управления Кж. Для крупнокусковой горной массы ср

Кж= 1,15, и зависимость будет иметь вид:

РШ1=0,87^я-^нб-уро-цвп-^ф, (4.1) где Внширина ковша по режущей кромке, м;

Ьвн — глубина внедрения ковша, мо ур0 — объемный вес породы в осыпи, кНУм ;

1ВН — коэффициент внутреннего трения сыпучей породы [87];

Кф — коэффициент формы и конструкции ковша.

Поскольку характерная форма забоев в обрушающихся породах не требует большой высоты копания, за исключением работы после взрыва с малыми коэффициентами разрыхления, когда требуется дополнительное предварительное рыхление-дочесывание" массива, то чем больше горизонтальное усилие резания на уровне стояния и чем проще управление при осуществлении горизонтальной траектории, тем эффективнее осуществляется процесс экскавации.

Усилия на зубьях ковша прямой лопаты при внедрении в осыпь крупнокусковой горной массы по горизонтальной траектории недостаточно для заполнения ковша.

Увеличение горизонтального усилия может быть получено при опускании подвижной части стрелы в рабочем оборудовании, выполненном по схеме (рис. 4.1).

Для схемы рабочего оборудования, приведенной на рис. 4.1, с использованием уравнений статики были получены следующие зависимости.

Рис. 4.1. Схема рабочего оборудования прямой механической лопаты с изменяющимся углом наклона верхней части стрелы.

Касательная и нормальная составляющая усилия резания: р01 • К — Gpfe — Яр)' sintp.

-(GK + Gr)-(l3 -sinq)-^ -sin (p-/zKсо8ф)±5н •/], (4.2).

Poi =Sll+{Gp+GK+Gr)-cosФ-Sn • cosц, (4.3) где Sn, SH — усилие в подвеске ковша (усилие подъема) и усилие напора;

Gp, GK, Gr — силы тяжести рукояти, ковша и грунта в ковшеap, aK, hK — координаты центров тяжести рукояти и ковша относительно вершины зубьев;

3 — вылет зубьев ковша от оси напорного вала;

Апплечо действия подъемного усилия;

— плечо действия напорного усилия (по принятой схеме /=0) — Фугол отклонения ковша от вертикали. Плечо действия подъемного усилия определяется из формулы:

И =/• si. iT п Р.

90-Ц-агс^.

ЛН Ч гбсое Н-агсзтВ.

Л" .

Ч, р

— ч'рН Ч 4.

4.4) где / - длина рукояти ковша до шарнира подвески;

К =13~ап>

4.5) где апкоордината шарнира подвески ковша относительно вершины зубьев- /с-длина верхней части шарнирно-сочлененной стрелыгбрадиус головного блока стрелыРугол между рукоятью и верхней частью стрелы. Выражения (4.2) и (4.3) могут быть преобразованы к виду: р01 =у-{^п Лэт 1*>

90 и — 0,5р — у + агсвт г6 • С08(0,5Р + у) с • вт р

С?Р (/з ¦ ятф-аквшф-^ -созф)}- ^.

Р02 = + (С. + вк + вг) ¦ СОвф — £пС08.

90° - - - у + агсвт—.

2 /с-втр

ГбС08.

Р 4 у ч2 V.

4.7) где р-/с)-С18| у = аг-—.

7р+/С (4.8).

Результаты расчета усилий на зубьях ковша экскаватора ЭКГ-8И по приведенным выше зависимостям представлены на рисунках 4.2 и 4.3. Расчеты выполнены при порожнем ковше и максимальных значениях усилий £п и 5Н с целью оценки экскавационных свойств рабочего оборудования по выемочной функции.

Из рис. 4.2 видно, что касательная и нормальная составляющие усилия резания при опускании верхней части в начальной зоне копания (поворот рукояти от 0° до 30°) существенно возрастают: Р01 от 220 до 430кНР02 от нулевого значения до 250кН. При этом суммарная составляющая усилия копания Р0 увеличивается от 225 до 480кН (рис. 4.3).

Скорость напора при копании на последней стружке, для измененного положения верхней секции стрелы, можно определить из выражения (3.28). При этом вместо параметров £каната3 и £каната4 поставить ¿-каната3 и ¿-'каната4 соответственно (рис. 4.4). а).

400 300.

60° г э =90° Г' 105° 1 и /.

120° Р~ 35° |.

—.

0 15 30 45 60 75 90 10 12 Угол поворота рукояти, <р° б).

Рис. 4.2. Зависимости касательной (а) и нормальной (б) составляющей усилия резания от угла поворота рукояти (ф°) при изменении наклона верхней секции стрелы (р°).

3=60.

100 ^ —? 53 /' з=90″ з=105: й V4″ ! р=12)3.

135″ .

0 15 30 45 60 75 — 90 10 12 Угол поворота рукояти,.

Рис. 4.3. Зависимости усилия резания от угла поворота рукояти (<р°) при изменении наклона верхней секции стрелы (р°).

Положительный эффект от изменения угла наклона верхней части стрелы может быть достигнут как при установке механизма для непрерывного изменения угла наклона, так и при изменении постоянного положения верхней части стрелы, например, за счет смены вант. Требуемые работы по переоснащению рабочего оборудования экскаваторов с шарнирно-сочлененной стрелой могут быть осуществлены как при модернизации экскаватора, так и в условиях эксплуатации экскаваторов с целью повышения эффективности работающих машин в соответствующих забоях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации на основе изучения конструктивных схем прямых лопат, их работы в скальных взорванных и связных породах, анализа с использованием математического моделирования автором решена задача интенсификации рабочего процесса за счет быстрого приспособления, как к низким, так и к высоким забоям.

1. На основе статистики разработаны формулы для предварительного определения параметров рабочего оборудования карьерных экскаваторов большой мощности.

2. На основе анализа энергозатрат при копании прямой лопатой с разными вариантами соотношения основных параметров определено, что для уменьшения энергоемкости рациональным является применение в конструкции рабочего оборудования:

• низкого положения оси напорного;

• наибольшей вместимости ковша из возможных;

• наибольшего из возможных диаметра головных блоков, т. е. параметров, способствующих снижению количества стружек для отработки забоя, а также уменьшению требуемых усилий подъема при копании.

3. Разработана новая конструктивная схема рабочего оборудования карьерного экскаватора с шарнирно сочлененной стрелой, круглой, разгруженной от кручения рукоятью, с подвеской стрелы изменяющейся длины.

4. В разработанной методике сопротивления копанию определяются для связных и для скальных взорванных пород.

5. Усилия на зубьях ковша, развиваемые механизмами подъема и напора, могут быть определены при различных углах наклона подвижной части стрелы.

6. Интенсивность рабочего процесса карьерных экскаваторов большой мощности возрастает за счет:

• рационального соотношения основных параметров экскаватора, рассчитываемого для конкретных условий эксплуатации;

• быстрого приспособления рабочего оборудования к изменяющимся условиям взаимодействия ковша с забоем.