автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Рациональные параметры навесного оборудования для ударного разрушения негабаритов горных пород

На правах рукописи

Аль-саккаф Халед Саед Таха

РАЦИОНАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ НАВЕСНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ УДАРНОГО РАЗРУШЕНИЯ НЕГАБАРИТОВ ГОРНЫХ ПОРОД

Специальность 05.05.06 - Горные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 ' 2У.]

Иркутск - 2014

005549966

005549966

Работа выполнена на кафедре СДМ и ГС в ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет»

Научный руководитель: Зедгенизов Виктор Георгиевич,

доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Строительно-дорожные машины и гидравлические системы» ФБГОУ ВПО ИрГТУ

Официальные оппоненты: Демченко Игорь Иванович,

доктор технических наук, профессор кафедры «Горные машины и комплексы» ФБГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»

Пятаков Виктор Георгиевич,

доктор технических наук, начальник отдела гидротехнических сооружений и разработки россыпных месторождений ОАО «Иркутский научно-исследовательский институт благородных и редких металлов и алмазов»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Тихоокеанский

государственный университет»

Защита состоится «25» июня 2014 г. в 12:30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.073.04 при ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет» по адресу: 6640074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, корпус «К», конференц-зал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу диссертационного совета: 6640074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, Д 212.073.04, e-mailds04@istu.edu. факс: (3952) 40-58-69

Автореферат разослан «23» мая 2014 г. Ученый секретарь /

диссертационного совета /^(^¿-¿■'•с 7 С.Ю. Красноштанов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Опыт разработки горных пород показывает, что даже при применении прогрессивных способов ведения буровзрывных работ не удается полностью исключить выход негабаритов (крупной фракции). Выход негабаритов от взорванной массы в зависимости от горно-геологических условий может изменяться от 2-3 до 15-20 %.

В настоящее время наиболее распространенным является механический способ разрушения негабаритов с использованием гидравлических и гидропневматических молотов. Гидравлические молоты в виде сменного рабочего оборудования для одноковшовых экскаваторов обладают достаточно широкой областью применения и используются не только для разрушения негабаритов горных пород и железобетонных и бетонных конструкций, но и для вскрытия асфальтобетонных покрытий и разработки мерзлого грунта.

Однако существующие конструкции гидромолотов являются высокочастотными - с малой энергией удара и большой частотой. Это приводит к местному разрушению породы в непосредственной близости от инструмента, и при длительном приложении высокочастотной нагрузки инструмент, постепенно погружаясь в материал, образует чаще всего углубление, а не приводит к разрушению негабарита.

Исследованиями установлено, что для разрушения негабарита необходима повышенная энергия единичного удара, причем эффективней наращивать энергию за счет увеличения массы по сравнению со скоростью ударной части. Кроме того, при разработке и создании навесного оборудования для разрушения негабаритов горных пород необходимо учитывать, с одной стороны, размеры негабарита и прочностные свойства материала, а с другой - характеристики базовой машины, которые накладывают на параметры навесного оборудования определенные ограничения. Выполненные ранее исследования касаются частных вопросов, поэтому работу, направленную на комплексное решение указанной задачи, следует признать актуальной.

Рабочая гипотеза состоит в том, что повышения эффективности оборудования для ударного разрушения негабаритов возможно достичь на стадии проектирования, учитывая размеры негабарита, прочностные свойства материала, а также характеристики базовой машины.

Цель исследования: повышение эффективности оборудования для ударного разрушения негабаритов на стадии проектирования с учетом размеров негабарита, прочностных свойств материала и характеристик базовой машины.

Задачи исследования:

проведение системного анализа машины для разрушения негабаритов горных пород и разработка математических моделей подсистем «инструмент — негабарит» и «базовая машина — ударный механизм»;

- определение зависимости энергии удара, необходимой для разрушения, от размеров негабарита, прочности материала и угла заострения инструмента и подтверждение полученных зависимостей результатами экспериментальными исследованиями;

- определение рациональных параметров и разработка типоразмерного ряда навесного оборудования с учетом габаритно-весовых и мощностных характеристик базовой машины;

- разработка методики расчета основных параметров и определение экономической эффективности применения навесного оборудования для разрушения негабаритов горных пород.

Объект исследования: рабочий процесс машины для ударного разрушения негабаритов горных пород.

Предмет исследования: зависимости, связывающие рациональные параметры навесного оборудования с размерами негабарита, прочностью материала и характеристиками базовой машины.

Научные положения, выносимые на защиту:

- эффективность навесного оборудования для ударного разрушения негабаритов зависит от размеров негабарита, прочностных свойств материала и характеристик базовой машины;

- размерная группа базовой машины определяет максимально возможную энергию удара навесного оборудования;

- основными параметрами навесного оборудования являются: масса ударной части, жесткость пружины, высота подъема и диаметр гидроцилиндра подъема ударной части, рациональные значения которых выводит двигатель базовой машины на режим максимальной мощности.

Методы исследований основаны на использовании основных положений системного анализа, физического и математического моделирования, теоретической механики, теории планирования эксперимента. Методика исследований включает в себя имитационное моделирование на ЭВМ с подтверждением отдельных результатов экспериментальными исследованиями.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечены методологической базой исследования, соблюдением основных принципов физического и математического моделирования, лабораторными исследованиями и идентификацией промежуточных результатов с результатами исследований других авторов.

Научная новизна результатов исследований представлена:

- системной моделью машины для разрушения негабаритов горных пород, основу которой составляют подсистемы «инструмент - негабарит» и «базовая машина - ударный механизм»;

- разработанной зависимостью энергии удара, необходимой для разрушения, от размеров негабарита, прочности материала и угла заострения инструмента;

установленными зависимостями рациональных параметров навесного оборудования от характеристик базовой машины.

Практическое значение заключается в разработке:

- типоразмерного ряда навесного оборудования для разрушения негабаритов горных пород на базе гидравлических экскаваторов 3-5 размерных групп;

- методики расчета основных параметров навесного оборудования с учетом габаритно-весовых и мощностных характеристик базовой машины.

Реализация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы приняты к внедрению в ОАО ПО «Иркутский завод тяжелого машиностроения». Кроме того, используются в учебном процессе на кафедре «Строительно-дорожные машины и гидравлические системы» ИрГТУ по курсам «Строительные машины» (раздел «Машины для дробления каменных материалов»), «Моделирование рабочих процессов ПТ и СДМ», в дипломном проектировании.

Апробация работы. Материалы исследований обсуждались и получили одобрение на II, III и IV Всероссийской научно-практической конференции «Авиамашиностроение и транспорт Сибири» (Иркутск, 11-13 апреля, 2012 г.; 11-12 апреля, 2013 г.; 11-13 апреля, 2014 г.), Одиннадцатом Международном Форуме студентов, аспирантов и молодых ученых стран Азиатско-Тихоокеанского региона (Владивосток, май, 2012 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Механики XXI веку» (Братск, май, 2012 г.).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложена на 133 странице машинописного текста, включает 14 таблиц, 47 рисунков, 132 наименования источников литературы, 5 приложения на 36 страницах.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ общим объемом 3 условных печатных листа, в т. ч. 2 публикации в изданиях перечня ВАК РФ.

Работа выполнена на кафедре «Строительно-дорожные машины и гидравлические системы» Иркутского государственного технического университета под руководством д-ра техн. наук, проф. В.Г. Зедгенизова.

Автор выражает глубокую признательность сотрудникам кафедры и аспирантам за оказанную помощь в работе над диссертацией.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель диссертационного исследования, изложены основные положения, защищаемые автором, научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе рассмотрены существующие способы дробления негабаритов горных пород. Отмечается, что из известных безвзрывных способов наименее энергоемким является способ ударного разрушения. Проведен анализ исследований взаимодействия рабочего инструмента с негабаритом. Установлено, что энергия единичного удара является одним из основных параметров процесса, при этом для разрушения негабарита эффективней наращивать энергию удара за счет увеличения массы и размеров по сравнению со скоростью инструмента. Выявлены конструктивные особенности навесного рабочего оборудования, которое выполнено, в основном, в виде сменного рабочего оборудования к одноковшовым гидравлическим экскаваторам, обладающим автономностью, относительной мобильностью и высокой степенью свободы. На основе обзорного материала сформулированы задачи исследований.

Во второй главе представлена теоретическая часть работы. В области исследования и разработки средств для ударного разрушения негабаритов известны ИГД СО РАН, ННЦ ГПИГД имени A.A. Скочинского, ОАО «ВНИИстройдормаш», НИИпроектасбест, Институт механики АН Киргизии, научные коллективы МГГУ, С-ПГГУ, УГГУ, КарГТУ, ДонУГИ, КузГТУ, ОрелГТУ и др. Большой вклад в разработку и создание теоретических основ разрушения горных пород внесли ученые Е.В. Александров, О.Д. Алимов, Л.И. Барон, В.Ф. Вызов, В.Ф. Горбунов, Б.А. Жлобинский, P.A. Иванов, Ю.Г. Коняшин, Г.Г. Кашкадзе, Д.П. Лобанов, А.И. Остроушко, Ю.М. Смирнов, В.Б. Соколинский, Л.И. Кантович, P.A. Маттис, И.С. Покровский, Ю.И. Протасов, Н.С. Успенский, А.И. Федулов, Л.А. Шрейнер P.M. Эйгелес, И.А. Янцен, Б. Лундберг, В. Хуструлид, Е. Ферхарст и др.

Машина для разрушения негабаритов горных пород представлена в виде системы «базовая машина - ударный механизм - инструмент — негабарит» (рис. 1). Основу системы составляют подсистемы «базовая машина - ударный механизм» и «инструмент — негабарит». Свойства каждой из подсистем характеризуются параметрами входящих в данную подсистему объектов. Так, для подсистемы «инструмент - негабарит» определяющими следует считать: энергию единичного удара (Т), форму

Ограничения по конструктивны;.!, технолопяескш.1 н др. требования;,! (ш;, ,Н)

ВХОД

ПРОЦЕСС

ВЫХОД

Рис.1. Системный анализ машины для разрушения негабаритов горных пород

Рис. 2. Схема ударного взаимодействия клинового инструмента с негабаритом

Рис. 3. Расчетная схема подсистемы «базовая машина -ударный механизм»

инструмента (а), точку нанесения удара (Ь). Свойства подсистемы «базовая машина - ударный механизм» определяют крутящий момент двигателя Мк = f(w), подача насосной установки (Q), диаметр гидроцилиндра подъема ударной части (d).

На систему наложены внутренние связи и ограничения по конструктивным, технологическим, эксплуатационным и другим требованиям (масса навесного оборудования - шз, высота подъема ударной части - Н, максимальное давление в гидросистеме -/?тах и др.).

В соответствии с поставленной задачей входом системы являются размеры негабарита и прочностные свойства материала, а также условия выполнения работ. Выходом служат показатели эффективности машины (производительность, мощность и энергоемкость процесса).

Системный анализ машины для разрушения негабаритов дает возможность при заданных входных воздействиях установить структуру и параметры основных подсистем, оказывающих влияние на показатели эффективности.

Подсистема «инструмент - негабарит» представлена расчетной схемой (рис. 2) и может быть описана уравнениями:

h = ^L: У = P = 2W since; lV = oS; S = ^; T = ^-;

2P cosa 2

SI = a( с -h); crl = Wc0sa; 5 = 0,5a; W2 = W cos(a-S); S2 =

SI cosS

W2 nh W4 t2 =-; /3 =-0,5a+ 0,785; W3 = WsinB; S3 =-—-,• тЗ = —,

S2 cos(a + ¡3) S3

где: h - глубина погружения инструмента, м; M - масса инструмента, кг;

V - скорость в момент удара, м/с; Р - ударное усилие, Н; g - ускорение

свободного падения, м/с2; Н -высота подъема инструмента, м; W -

нормальная составляющая ударного усилия, Н; а - половина угла

заострения инструмента, рад; а - предел прочности материала на сжатие,

МПа; S - площадь контакта боковых граней инструмента с породой, м2; а -

ширина негабарита, м; Т - кинетическая энергия инструмента в момент

удара, Дж; S1 - площадь поверхности раскола, м2; с - высота негабарита,

м; al - нормальные напряжения в плоскости раскола, МПа; 8 - угол

наклона поверхности скола к горизонту, рад; W2 - составляющая ударного

усилия в плоскости скола, Н; S2 - площадь поверхности скола, м2; т2 -

касательные напряжения в плоскости скола, МПа; р - угол между

поверхностью выкола и боковой гранью инструмента, рад; W3 -

составляющая ударного усилия в плоскости выкола, Н; S3 - площадь 2 i

поверхности выкола, м ; тЗ — касательные напряжения в плоскости выкола, МПа.

При составлении математической модели были сделаны следующие допущения: ширина лезвия инструмента равна ширине негабарита;

свойства материала изотропны; негабарит находится на абсолютно жестком основании.

Расчетная схема подсистемы «базовая машина - ударный механизм» представлена на рис. 3. Навесное оборудование состоит из гидроцилиндра подъема 1 с захватом 2, ударной части 4 и пружины 3. Привод навесного оборудования осуществляется от гидросистемы базовой машины.

В исходном положении ударная часть 4 опирается на разрушаемую поверхность. Шток гидроцилиндра подъема 1 с захватом 2 выдвинут. При подаче рабочей жидкости в штоковую полость гидроцилиндра 1 захват 2 замыкается и совместно с ударной частью 4 начинает движение вверх, преодолевая усилие пружины 3. При достижении крайнего верхнего положения подача рабочей жидкости в штоковую полость прекращается, захват 2 размыкается и ударная часть 4 под действием собственного веса и реакции пружины 3, разгоняясь, наносит удар по разрушаемой поверхности. Одновременно рабочая жидкость подается в поршневую полость гидроцилиндра 1 и шток с захватом 2 перемещается вниз до встречи с ударной частью 4. Рабочая жидкость вновь подается в штоковую полость гидроцилиндра 1 и далее процесс повторяется.

Рабочий процесс навесного оборудования существенно нелинеен, поэтому при анализе рабочего процесса целесообразно выделить две фазы: взвод ударной части и ее разгон.

Взвод. На этом этапе формируется запас энергии для нанесения удара. Ударная часть при помощи гидропривода базовой машины перемещается в верхнее положение. Уравнения движения:

pF = CH + Mg; (1)

М, = qp;

^ = if (со< 188.496,-0.532ú) + 768.718,-23.642(0+ 5125); (2)

i

t=ü, (3)

/ F V

где р - давление в напорной магистрали, Па; F — площадь поперечного сечения штоковой полости гидроцилиндра, м2; С — жесткость пружины, Н/м; Н - перемещение штока гидроцилиндра, м; М - масса ударной части, кг; Мк — крутящий момент на валу гидронасоса, Нм; q — рабочий объем гидронасоса базовой машины, м3; i — передаточное отношение согласующего редуктора; со - угловая скорость коленчатого вала двигателя, р/с; col — угловая скорость гидронасоса, р/с; V— скорость подъема ударной части, м/с.

Уравнение (2) определяет угловую скорость коленчатого вала дизельного двигателя в зависимости от внешней нагрузки, уравнение (1)

формирует давление в напорной магистрали, а уравнение (3) определяет перемещение ударной части.

При составлении математической модели приняты следующие допущения:

- рабочая жидкость имеет постоянные параметры;

- работа регулирующей и предохранительной аппаратуры считается идеальной;

- неравномерность подачи насоса, утечки рабочей жидкости и внутренние сопротивления перемещению движущихся частей не учитываются.

Входом подсистемы являются конструктивные параметры навесного оборудования: масса и высота подъема ударной части, жесткость пружины, площадь поперечного сечения штоковой полости гидроцилиндра подъема. Выходом служат угловая скорость коленчатого вала двигателя базовой машины, давление в напорной магистрали, скорость и время подъема ударной части.

Разгон. Реализует запас накопленной энергии при взводе в виде обобщенного показателя "энергия удара". Кинематическая связь с приводом разорвана, ударная часть под действием силы тяжести и реакции пружины перемещается в нижнее положение. Уравнения движения:

2

Ма = С# + М£; Т = ^— + ЫёН\

V М ' V а

где а - ускорение ударной части, м/с2; Т - энергия удара, Дж.

Основные параметры: время разгона, скорость ударной части в момент удара, энергия удара.

Для проверки результатов теоретических исследований разработана физическая модель подсистемы «инструмент - негабарит».

Критерии подобия процессов, протекающих в подсистеме «инструмент - негабарит»:

Г, А Г, г, М гт С? п Рк тт ЕР тт

П,=~Г- Я> = п, = —-„• П,=-; П. =-; П, =-,

/, ур Р Т ' Т

где Ь; и 1; - определяющий линейный размер натурного образца и модели, м; а.\ - угловой размер, рад; М - масса ударной части, кг; V - объем ударной части, м3; р - плотность материала инструмента, кг/м3; а - предел прочности материала негабарита, Па; Р - площадь сечения, м2; Р - усилие, Н; Ь - глубина погружения инструмента, м; Т - энергия единичного удара, Дж; Е - энергоемкость процесса, Дж/м2; V - скорость удара, м/с; Н -высота подъема ударной части, м.

и

Критерии П1 и П2 определяют пропорциональность сходственных сторон и равенство углов модели и натурного образца, т.е. их геометрическое подобие, П3 - идентичность материалов, критерии П4, П5 и П6 обеспечивают динамическое, а П7 — кинематическое подобие процесса.

В табл. 1 приведены формулы перехода от параметров модели к натурному образцу.

Таблица 1

Формулы перехода от параметров модели к параметрам натурного образца

Наименование показателя Формулы перехода

1. Линейный размер Ь„ = 1мк]

2. Угловой размер а„=ам

3. Масса ударной части шн = шмк|

4. Усилие Р„=Рмк,'

5. Энергия единичного удара Т„=Тмк,'

6. Энергоемкость процесса Ен — Емк|

7. Скорость удара У„ = УмкГ

8. Предел прочности о„= ст„

Методика предполагает проведение серии экспериментов: определение высоты подъема ударной части Н и энергии единичного удара Т, при которых происходит раскол, от высоты образца и угла заострения инструмента а.

В качестве материала образцов был принят известняк с пределом прочности а = 120 МПа.

Необходимое количество повторных опытов устанавливалось статистическим путем, исходя из величины ошибки метода измерения и измерительной аппаратуры, а также требуемой надежности результатов. Для этого по пробной серии экспериментов в неизменных условиях определялись значение коэффициента вариации высоты подъема и ошибка эксперимента. По ошибке и требуемой надежности результатов определялось количество повторных опытов, которое равнялось трем.

Высота подъема изменялась вручную и измерялась при помощи линейки с ценой деления 1 мм. На рис. 4 представлены физическая модель и фрагмент экспериментальных исследований.

Кроме того, для создания инженерной методики расчета рациональных параметров навесного оборудования проведены вычислительные эксперименты на математических моделях с целью получения зависимостей, удобных в обращении.

Для определения зависимости энергии удара, необходимой для разрушения, от размеров, прочностных свойств негабарита и угла заострения инструмента выбран центральный композиционный ротатабельный план. При ротатабельном планировании число опытных точек меньше, чем при ортогональном, а матрица ошибок инвариантна к вращению осей координат. Это означает, что информация, содержащаяся в уравнении регрессии, равномерно распределена по поверхности гиперсферы.

В качестве независимых факторов приняты: х1 - ширина негабарита м: х2 — высота негабарита, м; хЗ — предел прочности материала негабарита, МПа; х4 - половина угла заострения рабочего органа, рад. Функция отклика - энергия удара, необходимая для разрушения негабарита, кДж.

Рис. 4. Физическая модель и фрагмент экспериментальных исследований

Уровни факторов и интервалы варьирования представлены в табл. 2.

Таблица 2

Уровни факторов и интервалы варьирования

Уровни х1, м х2, м хЗ, МПа х4, рад

+2 2 1,6 300 1,045

+1 1,7 1,35 250 0,915

0 1,4 1,1 200 0,785

-1 1,1 0,85 150 0,655

-2 0,8 0,6 100 0,525

Функция отклика искалась в виде полинома второго порядка:

у = В0 +± В,х, +±в!]х,х, +±В„х>,

где XI и х, - независимые факторы; В0, Вь..Ву - коэффициенты уравнения регрессии; у - функция отклика.

В третьей главе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований. На рис. 5 приведены сравнения результатов, полученных на математической и физической модели

Рис. 5. Зависимость высоты подъема (Н) при расколе образца от его высоты (с): Н - теоретические, Н'- экспериментальные данные

Рис. 6. Зависимость энергии удара (Т), необходимой для разрушения, от прочности (о) негабарита и угла заострения инструмента (а)

Рис. 7. Зависимость основных параметров процесса взвода ударной части от жесткости пружины: М = 3500 кг; Н = 2 м; Б = 0,0092 м2

подсистемы «инструмент - негабарит». Анализ показал их удовлетворительную сходимость. Ошибка находится в пределах 10-22%.

Разработанный механизм разрушения негабаритов позволяет установить зависимость энергии единичного удара, необходимой для разрушения, от размеров, прочности негабарита и угла заострения инструмента. В результате обработки данных вычислительного эксперимента в среде (^ат^са» определены значащие коэффициенты регрессионной модели, подтверждена ее адекватность и получено уравнение регрессии, определяющее зависимость энергии удара от исследуемых факторов:

Т = 1237,3 - 358,1а - 880,6с + 109,2с2 - 2,51ст - 1294,5а + +297,9а2 + 178,4ас + 0,52асг + 204,1аа + 1,25 со + 494са + 1,43ста.

На рис. 6 представлены фрагменты, иллюстрирующие регрессионную зависимость. Анализ показывает, что наибольшее влияние на энергию удара оказывают высота негабарита и угол заострения инструмента, причем их влияние нарастает в квадратичной зависимости. Ширина и прочность негабарита связаны с энергией удара прямопропорциональной зависимостью.

Рис. 8. Зависимость основных параметров процесса разгона ударной части от высоты подъема: М = 3500 кг; С = 45000 Н/м

т, т

Рис. 9. Зависимость рациональных параметров навесного оборудования (Т, Я, М и т3) от массы экскаватора (ш)

Исследованиями на математической модели подсистемы «базовая машина - ударный механизм» получены зависимости основных параметров процесса взвода и разгона ударной части от характеристик навесного оборудования. На рис. 7 представлена зависимость основных параметров процесса взвода ударной части от жесткости пружины. С увеличением жесткости до 50 кН/м нарастают давление в напорной магистрали и нагрузка на двигатель базовой машины. В результате незначительно снижаются угловая скорость коленчатого вала и подача гидронасоса, а вместе с ней - скорость подъема ударной части. При этом время подъема ударной части незначительно увеличивается. Дальнейшее увеличение жесткости приводит к перегрузке двигателя, и последний переходит на корректурную ветвь внешней скоростной характеристики. Интенсивность изменения указанных параметров (кроме давления в напорной магистрали) меняется за счет падения угловой скорости коленчатого вала.

С увеличением высоты подъема и массы ударной части картина качественно не меняется, т. к. действия указанных факторов также приводят к увеличению давления в напорной магистрали и загрузке двигателя базовой машины.

На рис. 8 представлена зависимость основных параметров процесса разгона ударной части от высоты подъема. Увеличение высоты подъема приводит к повышению потенциальной энергии ударной части как за счет энергии сжатой пружины, так и за счет гравитационной составляющей.

Поэтому скорость нанесения удара нарастает интенсивнее. Время разгона и энергия удара также увеличиваются по параболической зависимости.

На основе результатов исследований на математической модели с учетом технических характеристик экскаваторов 3-5 размерных групп получены зависимости рациональных параметров навесного оборудования от массы экскаватора (рис. 9) и разработан типоразмерный ряд навесного оборудования (табл. 3).

Таблица 3

Основные параметры типоразмерного ряда навесного оборудования

Масса экскаватора, т 13 18 28 38

Мощность двигателя, кВт 77 77 140 213

Общая масса навесного оборудования, кг 2000 2200 4500 6000

Масса ударной части, кг 1500 1500 3500 4500

Жесткость пружины, кН/м 40 26 45 60

Высота подъема ударной части, м 1 1,5 2 2

Продолжение табл. 3

Площадь поперечного сечения штоковой полости гидроцилиндра подъема ударной части, м2 0,003 0,003 0,01 0,01

Скорость подъема ударной части, м/с 1,4 1,4 0,8 1

Максимальное давление в напорной магистрали, МПа 20 20 15 20

Скорость удара, м/с 6,8 8,2 9,5 9,6

Частота ударов, уд/мин 15 10 10 12

Энергия удара, кДж 35 55 155 205

П, м3/ч

150

100

50

I!::

ЕК-14

■1

К

ЕК-18

Щ

та*

САТ 329 ОЦЧ

САТ 340 РЬ

н Хуйгех (Корея)

40

46

82

■ новый

46

60

102

197,5

Рис. 10 Сравнение производительности навесного оборудования и гидромолотов фирмы «Нус1гех» (Корея): материал - песчаник (а= 100 МПа)

В четвертой главе представлена оценка эффективности навесного оборудования, которая определялась для условных негабаритов в форме куба: материал - песчаник (ст = 100 МПа), размеры - максимально возможные при расколе за 1-2 удара для всего типоразмерного ряда,

т-1 60п .

где п - число ударов в минуту, уд/мин; V - объем негабарита, м3; кв -коэффициент использования по времени (кв = 0,2) .

Анализ показывает, что производительность нового навесного оборудования для всего типоразмерного ряда увеличивается на 13...27 % (рис. 10).

На основе анализа и обобщения результатов исследований разработана методика расчета навесного оборудования, которая включает в себя следующие основные положения:

1. Исходя из среднего размера и прочностных свойств негабаритов, а также требований к выполнению работ определяется энергия удара, необходимая для разрушения негабарита:

Г = 1237,3 - 358Да - 880,6с + 109,2с2 - 2,51ст - 1294,5а +

+297,9а2 + 178,4ас + 0,52аст + 204Даа + 1,25сст + 494са + 1,43 ста.

2. По энергии удара определяется масса экскаватора и выбирается размерная группа базовой машины:

т = 0Д37Т + 9,5.

3. Из условия устойчивости в транспортном положении определяется общая масса навесного оборудования:

т3 = 169,6т - 380.

4. Из условия устойчивости в рабочем положении определяется реакция в точке опоры навесного оборудования:

К - -0,1т2 + 9,6т - 100,4

и масса ударной части:

М = 123,7т - 107,4.

5. Определяется жесткость пружины:

6. С учетом массы ударной части, высоты подъема и жесткости пружины определяется площадь поперечного сечения гидроцилиндра подъема ударной части:

С + СН Р =-.

V

По найденным значениям основных параметров дальнейший расчет гидрообъемного привода ведется по существующим методикам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи повышения эффективности оборудования для ударного разрушения негабаритов, имеющей существенное значение для дальнейшего развития горнодобывающей отрасли промышленности. Выполненные исследования и разработки позволяют сделать следующие выводы и рекомендации:

1. Выполненный системный анализ позволил выделить основные подсистемы: «инструмент - негабарит» и «базовая машина -ударный механизм» и разработать их математические модели.

2. Исследованиями подсистемы «инструмент - негабарит» установлено, что наибольшее влияние на энергию удара, необходимую для разрушения негабарита, оказывают высота негабарита и угол заострения инструмента, причем их влияние нарастает в квадратичной зависимости. Ширина и прочность негабарита связаны с энергией удара прямо пропорциональной зависимостью. Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований показало их удовлетворительную сходимость. Ошибка находится в пределах 10-22%.

3. Основными параметрами навесного оборудования являются: масса ударной части, жесткость пружины, высота подъема и диаметр гидроцилиндра подъема ударной части, рациональные значения которых выводят двигатель базовой машины на режим максимальной мощности. Разработан типоразмерный ряд навесного оборудования к экскаваторам массой 14-38 тонн и определены области его рационального использования.

4. Разработанная методика расчета позволяет исходя из среднего размера и прочностных свойств материала негабаритов, а также требований к выполнению работ выбрать базовую машину и с учетом ее характеристик определить рациональные параметры навесного оборудования. Расчетный годовой экономический эффект использования навесного оборудования на базе экскаватора 3 размерной группы составляет 1,2 млн руб.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Аль-саккаф Халед Саед Taxa. Некоторые закономерности разрушения горных пород при ударном взаимодействии клиновидного инструмента с негабаритом / В.Г. Зедгенизов, Халед Саед Taxa Аль-

саккаф // Горное оборудование и электромеханика. - 2012. - № 8. -С. 28-31.

2. Аль-саккаф Халед Саед Taxa. Результаты исследования рабочего процесса ударника для разрушения негабаритов горных пород на математической модели / В.Г. Зедгенизов, Халед Саед Taxa Аль-саккаф // Вестник ИрГТУ. - Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2013. - № 7(78). - С. 18-22.

В других изданиях:

3. Аль-саккаф Халед Саед Taxa. К вопросу о взаимодействии клиновидного инструмента с массивом хрупкого материала / В.Г. Зедгенизов, Халед Саед Taxa Аль-саккаф // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. - Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2011.-№1(1).-С. 44-49.

4. Аль-саккаф Халед Саед Taxa. Типоразмерный ряд ударников для разрушения негабаритов горных пород /Халед Саед Taxa Аль-саккаф // Авиамашиностроение и транспорт Сибири : мат-лы III Всерос. науч.-практ. конф. (Иркутск, 11-12 апреля, 2013 г.).-Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2013,- С. 381-386.

5. Аль-саккаф Халед Саед Taxa. Системный анализ ударника для разрушения негабаритов горных пород http://mvestnik.istu.irk.ru/7ru/iouinals/2012/04

6. Аль-саккаф Халед Саед Taxa. Механизм разрушения при ударном взаимодействии клиновидного инструмента с негабаритом // Механики XXI веку. - 2012. - № 11.-С. 344-349.

7. Аль-саккаф Халед Саед Taxa. Методика расчета навесного оборудования для ударного разрушения негабаритов горных пород/ Халед Саед Taxa Аль-саккаф // Авиамашиностроение и транспорт Сибири : мат-лы IV Всерос. науч.-практ. конф. (Иркутск, 11-12 апреля, 2014 г.).- Иркутск Изд-во ИрГТУ, 2014.- С.326-331.

Подписано в печать 22.05.2014. Формат 60 х 90 / 16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,75. Тираж 100 экз. Зак. 104. Поз. плана 12н.

Лицензия ИД № 06506 от 26.12.2001 Иркутский государственный технический университет 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83