автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Динамические нагрузки роторно-фрезерных экскаваторов



Московский государственный строительный университет

На правах рукописи

ГУСТОВ Дмитрий Юрьевич

ДИНАМИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ РОТОРНО-ФРЕЗЕРНЫХ ЭКСКАВАТОРОВ

Специальность :

05.05.04. Дорожные и строительные машины

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: заслуженный деятель науки и техники РФ доктор технических наук, профессор

Волков Д. П.

Москва» 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Оглавление 2

Введение 6

1. Состояние вопроса , постановка цели и задач

исследования 9

1.1. Анализ взаимодействия рабочего органа роторных поворотных экскаваторов с грунтом. 9

1.2. Анализ работы рабочего оборудования ро-торно-фрезерных экскаваторов для селективной разработки полезных ископаемых 16

1.3. Анализ работ по исследованию колебаний конструкций роторных экскаваторов 21

1.4. Постановка цели и задач исследования 26

2. Моделирование динамики рабочего процесса роторно-фрезерных экскаваторов 29

2.1. Представление роторно-фрезерных экскаваторов типа МРФ-1000 как упругих динамических систем 29

2.1.0. Общая расчётная схема машин типа МРФ-1000 29

2.1.1. Расчётные схемы для анализа колебаний

в вертикальной плоскости 37

2.1.2. Расчётные схемы для анализа колебаний в плоскости поворота 45

2.1.3. Динамическая система при расчёте рабочего оборудования на крутильные колебания 51

2.1.4. Расчётная схема динамической системы

привода вращения ротора 55

2.1.5. Расчётная схема динамической системы для анализа совместных колебаний рабочего органа в вертикальной плоскости и крутильных колебаний роторной

стрелы 55

2.1.6. Расчётная схема динамической системы для анализа совместных крутильных колебаний роторной стрелы с ротором и крутильных колебаний привода ротора 61

2.1.7. Расчётная схема динамической системы для анализа совместных колебаний рабочего органа в плоскости поворота и крутильных колебаний привода ротора 63

2.2. Динамические нагрузки в рабочем оборудовании роторно-фрезерных экскаваторов 67

2.2.1. Расчётная схема действия внешних нагрузок на роторе при копании 67

2.2.2. Учёт затухания колебаний в динамической системе 84

2.2.3. Динамические нагрузки при резонансных колебаниях 86 3. Анализ динамических параметров рабочего

процесса МРФ-1000 89

3.1. Параметры собственных колебаний рабочего органа в вертикальной плоскости 89

3.2. Расчёт частот собственных колебаний рабочего органа в плоскости поворота 91

3.3. Расчёт частот собственных крутильных колебаний рабочего оборудования 94

3.4. Расчёт частот собственных крутильных колебаний механизма привода вращения

ротора 96

3.5. Расчёт частот совместных колебаний рабочего органа в вертикальной плоскости и крутильных колебаний роторной стрелы 97

3.6. Расчёт совместных крутильных колебаний роторной стрелы с ротором и крутильных колебаний привода ротора 98

3.7. Расчёт совместных колебаний рабочего органа в плоскости поворота и крутильных колебаний привода ротора 98

3.8. Расчёт внешней нагрузки на рабочем органе 99

3.9. Анализ частот собственных колебаний конструкции и частот изменения внешней

нагрузки 107

3.10. Расчёт внешней нагрузки в близких к резонансу режимах 111

3.11. Анализ влияния гидропривода на внешнюю нагрузку в режимах близких к резонансу 122

4. Рекомендации по выбору режимов работы ро-

торно-фрезерных экскаваторов 126

Общие выводы и рекомендации 137

Приложение 140

141

Приложение 1

Расчёт массово-жёсткостных характеристик МРФ-1000 Приложение 2

Расчёт гидравлического привода 150

Приложение 3 Математическое описание элементов гидропривода и силовой установки Приложение 4 Расчёт массово-жёсткостных параметров механической части привода Приложение 5 Программа расчёта внешней нагрузки на рабочем органе с помощью Microsoft Excel для Windows 95 167

157

163

Приложение 6 Усилия на роторно-фрезерном колесе в процессе копания

Литература 190

172

ВВЕДЕНИЕ

Одной из основных задач , решаемых в настоящее время при добыче строительных материалов и других полезных ископаемых , является возможность уменьшения потерь добываемых полезных ископаемых при отработке сложноструктурных месторождений. Имеющие место в настоящее время потери при отработке сложных пластов с помощью существующих технологий , основанных на использовании обычных роторных и одноковшовых экскаваторов, буровзрывного и рыхлительно-бульдозерного оборудования и характеризующихся нерациональным применением машин большой единичной мощности , цикличностью и много-операционностью , наносят народному хозяйству большой экономический ущерб и негативно влияют на окружающую среду.

Карьерные комбайны послойного фрезерования зарубежных фирм "Крупп Фердер-техник", "Виртген" (Германия), "Рангхо" (США) и другие, имеющие нижнее расположение рабочего органа (перед или под базой машины), могут использоваться для горизонтальных и пологих пластов, но требуют значительного опережения вскрышных работ (подготовки рабочей зоны), и , следовательно, значительных дополнительных капитальных затрат и эксплуатационных расходов. Учитывая разнообразие слож-ноструктурности и углов падения пластов (от 2 до 15 прослойков породы, горизонтальные, пологие, наклонные пласты, геологические нарушения), очевидно , комбайны послойного фрезерования получат ограниченное применение.

К тому же опыт использования в России в 1989-1995 годах карьерных комбайнов "Виртген" (2100СМ, 2600СМ, ЗОООСМ) для безвзрывной

выемки гипса, известняка, магнезита, доломита из горизонтальных и пологих (до 7-8 градусов) пластов показал их относительно невысокий уровень забойной производительности ( 115-470 т./час ) и то , что процесс адаптации фирмой дорожно-строительных конструкций этих машин к условиям горного производства пока еще не завершен. Конструкции комбайнов КСМ " Крупп Фердер-техник как показывает зарубежный опыт применения их отдельных образцов, требуют серьезной доработки. В частности, на подготавливаемом к использованию впервые в России образце КСМ-4000 с участием АО " Ижорские заводы " была существенно изменена конструкция рабочего органа.

Решение указанной задачи представляется целесообразным за счёт освоения и производства машин послойного фрезерования в России [ 21 ], так как выемочно-погрузочные машины зарубежных производителей в условиях существующих месторождений полезных ископаемых могут найти лишь ограниченное применение.

Поэтому на основании Постановления Совета Министров РФ №1265 от 06.12.93. , направленного на создание ресурсосберегающих технологий и комплексов экскавационной техники , оснащённой рабочими органами фрезерного типа , была разработана программа создания роторно-фрезерных экскаваторов МРФ-1000 и ЭРФ-1000. Основными исполнителями работ по созданию этих машин являются МГСУ , НПК "Стройкарьермаш" , Челябинский НИИОГР и АО "Уралмаш".

В процессе выполнения работ по созданию этих машин автором был проведен ряд исследований по динамическим нагрузкам роторно-фрезерных экскаваторов на примере МРФ-1000. При этом оценивалось влияние на рабочий процесс и динамические нагрузки динамического

взаимодействия рабочего органа с грунтом , динамики гидравлического привода и конструктивных параметров рабочего оборудования. Выявлялись режимы работы машины , позволяющие избежать возникновение опасных резонансных явлений , которые могут приводить к чрезмерным перегрузкам элементов конструкции. Эти исследования и легли в основу диссертации.

На защиту автором выносится следующее :

1. Математическая модель роторно-фрезерного экскаватора типа МРФ-1000 как упругой динамической системы .

2. Зависимости для расчёта внешних нагрузок на рабочем органе для роторно-фрезерных экскаваторов типа МРФ-1 ООО.

3. Результаты анализа влияния динамики рабочего оборудования МРФ-1000 на внешнюю нагрузку .

4. Результаты анализа влияния динамики гидропривода рабочего оборудования на внешнюю нагрузку.

5. Результаты анализа внешних нагрузок на рабочем органе МРФ-1000.

6. Рекомендации по выбору режимов работы роторно-фрезерных экскаваторов для снижения динамических нагрузок.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ взаимодействия рабочего органа роторных поворотных экскаваторов с грунтом.

Наиболее близкими по конструкции и рабочему процессу к роторно-фрезерным машинам являются роторные поворотные экскаваторы. Копание грунта роторными поворотными экскаваторами характеризуется непрерывностью процесса , состоящего из двух независимых движений : многократного перемещения ковшей , установленных на рабочем органе , по замкнутой траектории относительно стрелы и перемещения самой стрелы вместе с рабочим органом. Периодичность входа ковшей в грунт и их выхода из грунта предопределяет основную периодичность изменения внешней нагрузки на роторном колесе. На указанные колебания внешней нагрузки накладываются дополнительные колебания сил резания , вызванные как неравномерностью физико-механических свойств грунта , так и процессом отделения стружки от массива. Эти колебания в большинстве случаев носят случайный характер.

Колебания внешней нагрузки вызывают появление дополнительных динамических нагрузок на рабочем органе , в стреле и элементах конструкции верхнего строения и базовой конструкции роторного экскаватора. Вследствие значительной податливости металлоконструкций надстройки, подвески и стрелы в этих машинах велика возможность появления резонансных колебаний.

Существует несколько причин появления резонансных колебаний элементов у роторных поворотных экскаваторов. Роторные экскаваторы

имеют широкий спектр собственных частот колебаний в вертикальной и горизонтальной плоскостях , от кручения стрелы и в приводе. Случайный характер усилия резания грунта также содержит обширный спектр частот , и , таким образом , совпадение частот почти неизбежно , если не по низким частотам , то по более высоким гармоникам. Кроме этого, роторные экскаваторы имеют ещё одну особенность , касающуюся частотных характеристик их динамических систем. Постоянный контакт в процессе работы нескольких режущих органов роторного экскаватора с забоем приводит к тому , что упруго-демпфирующие свойства грунта влияют на частотные характеристики экскаватора , изменяя их. При работе роторного экскаватора могут возникать такие частоты колебаний , которые при свободных колебаниях отсутствуют. Это и приводит в ряде случаев к необъяснимым , на первый взгляд , резонансным колебаниям на частотах , отличающихся от собственных частот экскаватора.

Но даже при отсутствии резонансных колебаний динамические нагрузки в элементах конструкции роторных экскаваторов обычно значительно превосходят статические , что влияет не только на долговечность машины , но и снижает её работоспособность.

Одной из специфических особенностей резания грунтов роторными экскаваторами является пространственность внешних сил , приложенных к роторному колесу. Хотя пространственность схемы нагружения рабочего органа свойственна большинству землеройных машин , основной силой для них обычно является касательная составляющая усилия резания. Это повлияло на то , что более глубоко и тщательно исследовалась лишь эта составляющая. Однако для роторных поворотных экскаваторов анализ лишь касательных сил резания является недостаточным. Недостаточность

знаний в этой области часто вынуждает проектировщиков вести расчет составляющих усилия резания в процентах от касательной [ 21,35,64 ]. Эта методика, предложенная Н. Г. Домбровским , является одним из наиболее ранних способов определения сопротивления грунта копанию землеройными машинами.

Одним из основных результатов при создании методики расчёта касательных сопротивлений копанию на ковше надо считать использование удельных усилий резания , отнесённых или к единице площади поперечного сечения снимаемой стружки [ КР ] ,или к длине активной части режущего периметра ковша [ Кь ] , то есть полупериметру стружки. При этом Кь остаётся практически постоянной для конкретных машин , разрабатывающих однородные породы независимо от формы и величены поперечного сечения стружки , а КР , зависящий в основном от физико-механических свойств породы и конструкции рабочего органа, не изменяется для машин различного класса [ 16 , 89 ].

Величину КР рекомендуется принимать в соответствии со значениями , полученными экспериментально рядом исследователей для различных месторождений и пород [ 55 ] и учитывающими отношение толщины стружки с к её ширине Ь. Для пород , относительная плотность которых может быть охарактеризована числом ударов плотномера ДорНИИ N , проф. В. М. Владимиров [ 16 ] рекомендует выражение вида:

КР =0,16 +0,1 N (1.1.)

при толщине и ширине стружки с=Ь=0,25...0,3 м. и числе ковшей 8... 10.

Для грунтов У-ой категории величину Кб проф. Р. Ю. Подэрни [ 65 ] рекомендует определять с учётом конкретных структурно-прочностных показателей пород в массиве по выражению

КР=125(арасх / аСж)(0,067ф2 + См) (1 -2.)

где сграст =0...43 , асж =34...450 ,СМ=0,03...0,8 - соответственно пределы прочности пород на растяжение , сжатие и в массиве , МПа ; |ы2=0,58... 1,1 - коэффициент внутреннего трения породы.

Величину КР можно определять в функции прочности породы в куске Ск и теоретической производительности экскаватора (м /ч) с учётом максимально допустимого размера куска породы с1ср в экскавируемой массе (для Ск>0,05 МПа) по выражению [ 65 ]

Кр=А + ВСк + (5 + Ск)В/дт (1.3.)

где значения коэффициентов А , В и Б для с1ср <0,03 ; 0,5 и 0,7 соответственно принимаются А=0,5 ; 0,4 и 0,3 ; В=0,15 ; 0,11 и 0,1 ; Б=40 ; 60 и 70.

Глубокие исследования процесса резания грунтов проводились Ю. А. Ветровым. Так , в работах [ 11 -13 ] рассмотрены пространствен-ность процесса разрушения плотных грунтов режущим инструментом , вопросы взаимосвязи касательной и нормальной составляющих усилия резания на передней грани режущего элемента и на площадке износа. И на этой основе предложена методика расчёта пространственной системы сил копания грунта, действующей на роторное колесо.

Помимо упомянутых работ , нужно отметить также труды Д. И. Фёдорова [ 87 ] , А. Н. Зеленина [37] и А. С. Реброва [55]. В этих работах касательная составляющая сопротивления грунта резанию определяется че-

рез параметры рабочего органа , механические характеристики грунта и параметры процесса резания. Зависимости , предложенные этими авторами, основаны на большом количестве экспериментальных данных и позволяют точнее определить усилия резания для существующих или подобных им рабочих органов. Однако при создании новых видов рабочего оборудования эти зависимости могут приводить к недостаточно точным результатам.

Таким образом , процесс взаимодействия рабочего органа роторного поворотного экскаватора с грунтом не имеет в настоящее время универсального описания и не позволяет достаточно точно определять возникающие при этом усилия. Поэтому при создании новых видов рабочего оборудования требуется внесение определённых уточнений в любую из существующих методик для получения соответствующих реальности результатов.

Приведённые выше методы расчёта определяют лишь постоянную величину усилия копания , что является достаточным для машин циклического действия. Для роторных экскаваторов необходимо рассмотрение и характера изменения усилия на рабочем органе в процессе копания. Этот вопрос был проанализирован в работе Д. П. Волкова и В. А. Черкасова [ 19 ]. Рассматривая процесс резания , авторы показывают , что через определённые интервалы времени происходит скачкообразное изменение внешней нагрузки на рабочем органе , общий вид которой описывается пилообразной кривой. В случае линейного изменения усилия Р в течении цикла, равного повороту ковша на угловой шаг Т , зависимость имеет вид:

Р = Рп + Z Pi sin (2rat/T) , ( 1.4. )

где Рп - постоянная составляющая усилия копания ; Р; - амплитуда переменной составляющей усилия копания; I - индекс гармонической составляющей усилия копания ; X - время.

Но изменение нагрузки на роторном колесе происходит не только за счёт входа и выхода ковшей из забоя. Вследствие неточности изготовления рабочего органа , наличия дебаланса , неодновременности смены рабочих зубьев и др. возникают торцевые и радиальные биения ротора , что приводит к изменению усилия копания. Следовательно , в общем случае , кроме периодичности входа и выхода ковшей из забоя , проявляются ещё более низкочастотные колебания внешней нагрузки с периодом , кратным частоте вращения ротора пр: Т = 60/ пр.

Другая особенность процесса копания роторными экскаваторами заключается во взаимосвязи и взаимовлиянии колебаний внешней нагрузки на роторном колесе и параметрами процесса резания. То есть колебания внешней нагрузки приводят к колебаниям элементов конструкции экскаватора , а те , в свою очередь , неизбежно приводят к изменению толщины и ширины стружки , угла и скорости резания.

Впервые на нали