автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование и выбор динамических параметров привода роторного ковшового рабочего органа карьерного комбайна

Губенко Антон Анатольевич

ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРИВОДА РОТОРНОГО КОВШОВОГО РАБОЧЕГО ОРГАНА КАРЬЕРНОГО КОМБАЙНА

Специальность 05.05.06 - «Горные машины»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 5 АВГ 2011

Москва 2011

4852350

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Московский государственный горный университет» на кафедре «Горные машины и оборудование» (ГМО МГГУ).

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Грабский Александр Адольфович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Островский Михаил Сергеевич;

кандидат технических наук Григорьев Александр Сергеевич

Ведущая организация: ФГУП «ННЦ ГП - ИГД им. А.А Скочинского»,

г. Люберцы Московской области

Защита состоится 29 сентября 2011 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.128.09 при Московском государственном горном университете в аудитории Д-251 по арресу.119991, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, дом 6, E-mail: ucl@msmu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета

Автореферат разослан 10 августа 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, канд. техн. наук, профессор

Е.Е. Шешко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Горнодобывающая промышленность является одной из ведущих отраслей, базирующихся на мощной минерально-сырьевой базе Российской Федерации. По ряду важнейших полезных твердых ископаемых, например, таких как каменный уголь, железные и алмазосодержащие руды, РФ по подтвержденным запасам не только занимает ведущее место в СНГ, но и входит в первую десятку государств мира. Основные запасы полезных твердых ископаемых в РФ в основном сосредоточены в районах со сложными горногеологическими условиями.

При разработке скальных и полускальных пород производственный цикл, по сложившейся технологии, включает, как правило, буровзрывную подготовку горного массива и последующую выемку горной массы из навала экскаваторами с погрузкой в транспортные средства. Такая технология обеспечивает высокую производительность выемочно-погрузочного оборудования при разработке пород любой крепости, но не удовлетворяет современным требованиям в отношении качества извлекаемого полезного ископаемого, ресурсосбережения и экологии, поэтому естественным является стремление исключить процесс рыхления массива взрывом. На основе опыта проектирования и эксплуатации шахтных добычных и проходческих комбайнов, а также оборудования для дорожного и аэродромного строительства был разработан ряд образцов комбайнов непрерывного действия для открытой разработки месторождений методом послойного фрезерования (такие комбайны получили название «Krupp Surface Miner», или сокращенно KSM).

В СНГ ведется непрерывный поиск и внедрение в производство технологий с новым оборудованием высокого технического уровня, значительно повышающего эффективность горных работ. Однако первый опыт эксплуатации карьерных комбайнов показал их недостаточно высокую производительность при выемке породных пластов различной мощности. Это объясняется тем, что техническая производительность карьерного комбайна при заданных его конструктивных и энергетических параметрах зависит не только от технологических, но и от динамических параметров.

Таким образом, расширение номенклатуры добычи твердых полезных ископаемых может быть достигнуто на основе модернизации и создания перспектив-

ных конструкций карьерных комбайнов с роторным ковшовым рабочим органом, эксплуатирующихся на месторождениях Российской Федерации, с трансмиссиями, имеющими рациональные динамические параметры.

Поэтому разработка многопараметрической математической модели процесса взаимодействия роторного ковшового рабочего органа с породой для обоснования и выбора рациональных динамических параметров трансмиссий приводов карьерного комбайна в зависимости от характеристик его электромеханической системы является актуальной научной задачей.

Целью работы является установление закономерностей формирования динамических параметров трансмиссии привода роторного ковшового рабочего органа карьерного комбайна в зависимости от характеристик его электромеханической системы.

Идея работы заключается в снижении момента трения роторного ковшового рабочего органа о породу за счет пневмогидравлической упругодемпфирующей заделки хвостовика редуктора привода ротора карьерного комбайна, оснащенной автоколебательным генератором импульсов движущего момента.

Методы исследований. При выполнении диссертационной работы использовались основные положения и методы теоретической механики твердого тела, газа и жидкости, виброреологии и математического моделирования с использованием современных пакетов прикладных программ.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

• формирование динамических характеристик электромеханической системы привода роторного ковшового рабочего органа карьерного комбайна для уменьшения уровня динамических нагрузок может быть осуществлено путем оснащения привода пневмогидравлическим упругодемпфирующим устройством с оперативным регулированием жесткости и демпфирования;

• выемка слоя породы с более высокой прочностью без снижения производительности карьерного комбайна может быть достигнута путем оснащения пнев-могидравлического упругодемпфирующего устройства привода роторного ковшового рабочего органа автоколебательным генератором импульсов давления (расхода) рабочей жидкости;

• рациональные динамические параметры электромеханической системы приводов карьерного комбайна в режиме номинальной нагрузки и рациональные виброреологические параметры взаимодействия роторного ковшового рабочего органа комбайна с породой могут быть получены на основе имитационной многопараметрической математической модели.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций базируется на применении современных научных методов исследований, включающих аналитические исследования, с использованием фундаментальных положений: теоретической механики твердого тела; математического моделирования; системного анализа процесса нагружения приводов силовой установки карьерного комбайна. Сходимость результатов аналитических исследований и математического моделирования при относительной ошибке до 0,15 составляет не менее 85%.

Научное значение работы заключается в разработке многопараметрической математической модели процесса взаимодействия роторного ковшового рабочего органа карьерного комбайна с породой с учетом динамических параметров электромеханической системы привода и в установлении закономерностей изменения производительности карьерного комбайна с роторным ковшовьм рабочим органом от физико-механических свойств породы, технологических, энергетических, конструктивных, динамических и виброреологических параметров привода.

Практическое значение работы состоит в разработке методики и программного обеспечения для моделирования и расчета рациональных динамических параметров системы привода роторного ковшового рабочего органа карьерного комбайна.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Основные результаты диссертационной работы нашли применение в про-ектно-конструкторских разработках ООО «ИЗ-Картэкс» по совершенствованию существующих и созданию инновационных конструкций карьерных комбайнов с роторным ковшовым рабочим органом, а также будут использованны в научно-технических разработках конструкторского бюро в 2012-2014гг:

• технические требования на модернизацию привода роторного ковшового рабочего органа карьерного комбайна КСМ-2000Р совместной разработки фирмы «Krupp Fordertechnik» (Германия), ФГУП «ННЦ ГП - ИГД им. A.A. Скочинско-го», ОАО «ИЗ-КАРТЭКС» (РФ), находящегося в эксплуатации на Таллинском угольном разрезе ОАО «Угольная компания «КУЗБАССРАЗРЕЗУГОЛЬ»;

• методика статического и динамического расчета трансмиссии привода роторного ковшового рабочего органа карьерного комбайна с оперативным регулированием её жесткости и демпфирования;

• программное обеспечение для моделирования взаимодействия роторного ковшового рабочего органа карьерного комбайна со слоем породы в зависимости от прочности породы, параметров пласта, кинематических, силовых и динамических параметров привода рабочего органа.

Научная новизна и личный вклад автора состоит:

• в установлении кинематических особенностей рабочего процесса карьерного комбайна с роторным ковшовым органом;

• в разработке многопараметрической математической модели процесса взаимодействия роторного ковшового рабочего органа карьерного комбайна с породой;

• в моделировании процесса взаимодействия роторного ковшового рабочего органа карьерного комбайна со слоем породы в зависимости от прочности породы, параметров пласта, кинематических, силовых и динамических параметров привода рабочего органа.

Апробация работы. Основные положения и содержание работы были доложены и обсуждены на: Международных научных симпозиумах «Неделя Горняка» в 2008, 2009, 2010, 2011 гг. (г. Москва, МГГУ); ХП1, XIV и XV Международных экологических конференциях студентов и молодых ученых «Горное дело и окружающая среда. Инновационные и высокие технологии XXI века» - 2009, 2010, 2011 гг. (г. Москва, МГГУ); Международной научно-технической конференции «Современные техника и технологии горно-металлургической отрасли и пути их развития» - 2010 г., (Республика Узбекистан, Навои); XIV Международной конференции «Технология, оборудование и сырьевая база горных предприятий промышленности строительных материалов» - 2010, (г. Москва, МГГУ).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, 3 из них опубликованы в журналах, входящих в перечень рецензируемых изданий, утвержденных ВАК Минобрнауки России.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений, списка использованных источников информации из 142 наименований и включает 31 рисунок и 3 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновываются актуальность работы, ее цель, идея, показаны новизна научных положений, практическая ценность и реализация работы.

В первой главе выполнен анализ современного состояния и перспектив развития конструкций карьерных комбайнов для непрерывной послойной выемки прочных пород. Рассмотренный круг вопросов, связанных с применением перспективной техники и технологии для производства открытых горных работ, отражен в работах ряда российских ученых: академиков Н.В. Мельникова и В.В. Ржевского, чл.-корр. АН СССР А.О. Спиваковского, докторов технических наук В.П. Аксенова, Ю.И. Анистратова, Б.Н. Тартаковского, Ю.И. Белякова, М.В. Васильева, К.Е. Виницкого и М.Г. Новожилова. Большой вклад в обеспечение надежности и конструирование приводных систем горного оборудования внесли: доктора технических наук Ю. А. Ветров, С.А. Панкратов, В.М. Владимиров, Д.П. Волков, Н.Г. Домбровский, А.Н. Зеленин, Ю.Д. Красников, Р.Ю. Подэрни, А.И. Шендеров, В.А. Черкасов, В.Ю. Чудновский, Д.К. Гришин, В.В. Гужовский и кандидаты технических наук Н.З. Гармаш, Ю.И. Бережной, В.Ф. Замышляев, Е.Ф. Колесников, А.Г. Минчин, М.Х. Мухамедов, Ю.П. Самородов и многие другие.

При разработке месторождений полезных ископаемых, представленных скальными и полускальными породами, традиционным является буровзрывной способ подготовки пород к выемочно-погрузочным работам. Наряду с определенными преимуществами буровзрывные работы имеют ряд недостатков, важнейшим из которых является значительная опасность ведения горных работ, как по повышенной сейсмичности и повышенному пылегазовыделению, так и по разлету осколков. Одновременно при разработке разнопрочностных массивов каче-

ство взрывания низкое и высок выход негабарита, что приводит к высоким затратам на подготовку горной массы к выемочно-погрузочным работам. При этом современный состав традиционного оборудования не позволяет проводить непрерывную и селективную разработку полезных ископаемых и вмещающих пород.

Создание и внедрение на открытых разработках машин нового поколения, обеспечивающих замену традиционной технологии с применением буровзрывных работ при разработке скальных и полускальных пород на поточную — безвзрывную является прогрессивным направлением в совершенствовании выемоч-но-погрузочных работ.

В конце 1986 года фирма «КРУПП Индустриятехник» начала изготовление выемочных комбайнов «Саттервайт» для отработки крепких пород. Речь идет об оборудовании непрерывного действия, работающем на принципе скола пород, с запатентованной роторной системой. Новой данная техника не является. Еще в 1967 году техасский изобретатель Чарльз Саттервайт придумал эту роторную систему. Идея его изобретения состояла в совмещении в одном рабочем оборудовании выемки, погрузки и планировки дорожных трасс, В 1972 году был готов прототип. Это экспериментальное оборудование с размером ротора 3,04 метра и шириной захвата 3,2 метра два года находилось на промышленных испытаниях и достигло производительности 1070 м3 в час.

Первая попытка внедрить подобные технологии в России — начатые в 1996 г. на разрезе Таллинский (Кузбасс) промышленные испытания комбайна послойного фрезерования КСМ-2000Р производства фирмы ThyssenKrupp Fordertechnik концерна ThyssenKrupp AG. Комбайн явился результатом совместной работы немецких и российских разработчиков — фирмы Krupp Fordertechnik, ФГУП «ННЦ -ГПИГД им. A.A. Скочинского», ОАО «ИЗ КАРТЕКС», АО «Пигма».

Испытания показали, что энергоемкость разрушения породного массива при такой конструктивной схеме очень высока, применялись даже специально разработанные разупрочняющие химические составы, которыми обрабатывали грунт перед прохождением комбайна. Все это снижало эффективность применения комбайнов подобного типа при разработке крепких пород. В итоге после проведения испытаний на разрезе продолжили проведение буровзрывных работ. Одна-

ко испытания показали жизнеспособность новой технологии. Была получена важная информация для дальнейшего совершенствования карьерных комбайнов.

Поэтому целью работы является установление закономерностей формирования динамических параметров трансмиссий приводов карьерного комбайна с роторным ковшовым рабочим органом в зависимости от характеристик его технологического нагружения.

Выполненный анализ основных результатов исследований дает возможность сформулировать задачи настоящего исследования.

Цель достигается решением следующих основных задач:

• анализом современного состояния исследований и достигнутого уровня техники и технологии для безвзрывной послойной выемки прочных горных пород;

• установлением кинематических особенностей рабочего процесса карьерного комбайна с роторньм ковшовым органом;

• установлением закономерностей формирования момента сопротивления вращению роторного ковшового рабочего органа карьерного комбайна;

• установлением закономерностей формирования сил сопротивления движению карьерного комбайна;

• анализом влияния технологических, кинематических, силовых и динамических параметров на техническую производительность карьерного комбайна с роторным ковшовым рабочим органом;

• разработкой многопараметрической математической модели процесса взаимодействия роторного ковшового рабочего органа карьерного комбайна с породой с учетом динамических параметров электромеханической системы привода;

• моделированием процесса взаимодействия роторного ковшового рабочего органа карьерного комбайна с породой;

• разработкой математического аналога трансмиссии привода роторного ковшового рабочего органа с упругодемпфирующим устройством.

Вторая глава посвящена установлению закономерностей формирования сил сопротивления при экскавации породного массива карьерным комбайном с роторным ковшовым органом. Рабочий процесс выемки породы карьерным комбайном с роторным ковшовым органом осуществляется путем сочетания его поступательного движения со скоростью V и вращательного движения ковшового

7

ротора со скоростью со и представляется удлиненными циклоидами (трохоидами) на участке взаимодействия с забоем. После прохода ковша по всей дуге забоя с центральным утлом <ро он отделит от последнего элемент грунта, ограниченный линиями 1 и 2, показанными на рисунке 1.

/ I / п

1 О ГТ \ с * /¡/О, * 7 °>

- д><

4 А к

Рисунок 1 - Траектория движения ковша роторного рабочего органа карьерного комбайна при выемке слоя породы

Для определения первой и основной составляющей - затрат энергии на преодоление сопротивлений отделения породы от массива установлена геометрия породной стружки. Толщина стружки с режущей кромки ковша в его положении, соответствующем текущему углу ср, отсчитываемому от крайнего нижнего положения, найдена как расстояние между точками а(хауа) и Ь(хь,уь), показанными на рисунке 2.

У(<Р)

"----

0 У.

Уь —/У"-

х(<р)

Рисунок 2 - Расчетпая схема определения толщины стружки, срезаемой одним ковшом

Установлено, что в момент выхода ковша из забоя максимальная сумма сечений стружек, срезаемых роторным ковшовым органом, уменьшается на величину размаха А с. Анализ процесса колебаний относительного суммарного горизонтального сечения стружек в функции угла поворота роторного ковшового органа <р при различном угле его контакта <ро со слоем породы (рисунок 3) свидетельствует, что:

• с уменьшением угла контакта роторного ковшового органа <ро со слоем породы разность между относительным максимальным 5£тах и минимальным ^„¡п значе-

нием суммы горизонтальных сечений стружек (размах процесса колебаний) уменьшается при постоянной частоте выхода ковша из забоя (входа ковша в забой),равной: /г = 20<э/27Г, Гц; (1) • колебания суммарного горизонтального сечения стружек происходят относительно среднего значения, равного: (<р) = + ) / 2, м2, (2)

(3)

Рисунок 3 - Процесс колебаний относительного суммарного горизонтального сечешш стружек (отнесенного к ширине захвата В) в функции угла поворота роторного ковшового органа <р при различных углах его контакта <ро со слоем породы

Далее, поделив обе части уравнения (3) амплитуды колебаний суммарного горизонтального сечения стружек на величину текущей производительности комбайна - Q = ВИУ1кр, получим величину амплитуды колебания суммарного горизонтального сечения стружек на один кубический метр разрушенной породы. Графическая интерпретация колебания суммарного горизонтального сечения стружек приведена на рисунке 4, анализ которого свидетельствует, что имеются две характерные зоны поверхности изменения относительной амплитуды колебаний суммарного горизонтального сечения' стружек, контактирующих по пространственно расположенной линии -1:

• первая зона (рисунок 4, а) - зона невозможности работы карьерного комбайна, поскольку максимальная толщина стружки больше длины (вылета) ковша: Дс(й,Р)>0.5(£>-Л);

• вторая зона (рисунок 4, б) зона работы карьерного комбайна с пониженной производительностью;

• линия контакта первой и второй зон (рисунок 4, в) характеризует изменение относительной амплитуды колебаний суммарного горизонтального сечения

с относительной амплитудой А(<ро) = Ас/25.

V. -ч/с.

Удельная ямплтудя колебании суммарного горизонтального сечения пружек. —

1 \ 0.414 0.828 1.242 1.656 2.0"0 2.484 2.892

(1.04 44.000 14.000 6.96'0 4.28"0 2,УЗ"0 2.1520

0.08 22.000 6.8990 3.4830 2.1430 1.4680 0

0.12 15.000 4.5990 2.3220 1.4290 II II

0.16 11.000 3.4490 1~420 ЩЦЩ 0 0 0

0.20 ,8.8940 2. "590 ИРШ 0 0 0 0

0.24 7.4110 1йЙИ|§ 0 0 0 0 0

0.28 0 0 0 0 0 0

Рисунок 4 - Зависимость величины амплитуды колебания суммарного горизонтального сечения стружек на один кубический метр разрушенной породы от высоты слоя А, и скорости движения комбайна в забое V

стружек при работе карьерного комбайна с постоянной (максимальной) производительностью;

• отрезок пространственно расположенной линии — I (рис. 4, а, б, в) с координатами высоты слоя с 2.07 (0.42D) до 2.892 (0.625D) метра и скоростью с 0.12 (6Vmin) до 0.28 (14Vmin) метра в секунду характеризует работу комбайна при высоте слоя больше половины диаметра его рабочего органа — h > 0.5D (гро > 0.5я);

• минимальное значение относительной амплитуды соответствует координатам высоты слоя 2.07 (0.43D) метра и скорости 0.12 (6Vmin) метра в секунду.

Моделированием процесса выемки слоя породы установлено, что внешняя динамика процесса выемки слоя породы карьерным комбайном с роторным ковшовым рабочим органом уменьшается с увеличением высоты слоя породы, в то время как, например, при работе комбайна в зоне породно-угольного контакта требуется селективная отработка горного массива и потери угля будут тем меньше, чем меньше высота отрабатываемого слоя.

Для эффективного осуществления комбайном селективной выемки полезного ископаемого (уменьшения потерь производительности при тонкослоевой выемке) актуализируется задача снижения динамики процесса выемки тонких слоев породы карьерным комбайном.

Третья глава посвящена теоретическим основам рабочего процесса упруго-демпфирующих устройств. На основании анализа установлено, что наиболее эффективным средством гашения механических колебаний исполнительного органа карьерного комбайна следует считать пневматическую рессору сжатия (растяжения), поскольку она имеет конструктивное преимущество перед двойным пневматическим баллоном, так как не требует дополнительного демпфера, а также имеет наименьший вес конструкции упругого элемента, отнесенный к единице нагрузки, и наибольшую работу упругого элемента, отнесенную к единице его веса.

Установлено, что основным уравнением, определяющим рабочий процесс пневмогидравлического упругодемпфирующего устройства, является уравнение газового состояния в его пневматических полостях:

pV = const. (4)

При экскавации породы уравнение статических сил на хвостовике редуктора привода роторного ковшового рабочего органа карьерного комбайна имеет вид

Сх-Ор=Яш{рш-амрп) (5)

>

где <2Р - реакция от касательного усилия на роторе (осевая нагрузка на пневмо-гидравлическое УДУ при сжатии), Н; б* - осевая нагрузка на пневмогидравличе-ское УДУ при растяжении от веса привода роторного ковшового рабочего органа, Н; 8Ш - сечение штоковой полости (противодавления), м2; аи - коэффициент мультипликации, равный: с1п — диаметр штока и поршня соответственно, м;

Осевая жесткость Суду пневмогидравлического УДУ определяется как частная производная осевого перемещения поршня при растяжении из известного

уравнения

Суду =ае»/&,н/м.

(6)

Зависимость осевой жесткости Суду (ро, х) пневмогидравлического УДУ от осевого перемещения поршня при растяжении (сжатии) для различных зарядных давлений приведена на рисунке 5.

Рисунок 5 — Зависимость осевой жесткости Суду (ро, *) пневмогидравлического упругодемпфирую-щего устройства от осевого перемещения поршня х при растяжении (сжатии)

0.1 <и 0.3 0.4 0.5 0.« 0.7 0.8 0.9 1 _

Отяосвтельжое осевое перемещение поршвя вневмогвдрявлнческого упрзтодемпфнрующего устройстая

Анализ зависимости осевой жесткости Суду (ро, *) пневмогидравлического УДУ от осевого перемещения поршня свидетельствует, что меньшему зарядному давлению ро в газовых полостях соответствует меньшая осевая жесткость пневмогидравлического УДУ Суду (ро, х).

Аналитическое описание движения массы т, приведенной к штоку УДУ, выполнено на основе уравнения Лагранжа П-го рода (математического аналога пневмогидравлического УДУ), в котором за обобщенную координату принято текущее значение осевого перемещения штока УДУ х:

Уравнение движения массы т, приведенной к штоку УДУ (7) в общем случае является дифференциальным уравнением с переменным коэффициентом, поскольку содержит член Суду (ро, х), выраженный в функции обобщенной координаты х. Интегрирование этого уравнения по обобщенной координате в функции времени возможно только методом Рунге-Кутта.

В четвертой главе исследована динамика процесса экскавации роторным рабочим органом карьерного комбайна. В этой главе рассмотрены особенности формирования сил трения при действии импульсного движущего момента. В последнее время происходит интенсивное накопление фактов и результатов, относящихся к действию вибрации на различные сложные среды - неоднородные твердые тела, включая различные горные породы. Большой вклад в теорию виброреологических процессов внесли: академик П.А. Ребиндер, доктора технических наук И.И. Блехман и С.А. Моласян, М.С. Островский. Прикладным исследованиям виброреологических процессов в горных машинах посвящены публикации кандидатов технических наук A.C. Григорьева, Д.А. Кузиева и A.A. Грабско-го.

Наибольший интерес для практики эксплуатации карьерного комбайна представляет случай, когда под воздействием импульсного движущего момента роторного ковшового органа его поведение с породой в зоне фрикционного контакта резко изменяется. Если сообщить частоту вынужденных колебаний скольжения роторному ковшовому рабочему органу вблизи его собственной частоты, теоретически можно добиться резонансного минимума силы трения. Однако, учитывая значительную массу роторного ковшового рабочего органа, резонансное снижение силы трения в этом случае потребует чрезмерной мощности генератора импульсов.

(7)

Снижение силы трения при действии импульсного движущего момента называется виброреологическим эффектом и характеризуется эффективным коэффициентом сухого трения:

где ¥отн/Ут - отношение скоростей амплитуды относительного колебания вращения роторного ковшового рабочего органа к его тангенциальной скорости.

Следует отметить, что такую характеристику, как эффективный коэффициент сухого трения нельзя отождествлять с истинным коэффициентом трения Амонтона-Кулона /д.

Для интенсификации виброреологического эффекта необходимо оснастить систему привода роторного ковшового рабочего органа генератором импульсов движущего момента. Таким образом, задача о взаимодействии источника возбуждения с механической колебательной системой привода рабочего органа карьерного комбайна состоит в определении характера колебательного движения устройства, создающего переменные во времени механические силы, в определении этих сил и вызываемых ими колебаний механической системы, связанной с источником возбуждения.

Сегодня в технической литературе исследователи выделяют следующие основные типы возбудителей: электромеханический; электромагнитный; электродинамический; электростатический; магнитострикционный; электрострикцион-ный; гидравлический и пневматический.

В качестве генератора импульсов давления (расхода) рабочей жидкости в системе привода роторного ковшового рабочего органа предлагается автоколебательный генератор импульсов давления, установленный между штоковой полостью и полостью штока упругодемпфирующего устройства (УДУ) (рисунок 6).

Установлено, что амплитуда давления АРД-х) при прохождении рабочей жидкости через дроссель генератора при растяжении (сжатии) УДУ составляет величину:

(8)

»Па,

(9)

Рисунок 6 - Пневмогндравлический амортизатор: а - конструкции МГИ с дросселем и обратным клапаном, б - инновационной конструкции с генератором импульсов давления (расхода) рабочей жидкости. 1 - корпус; 2 - шток полый; 3 - поршень; 4 - проушина верхняя; 5 - проушина нижняя; 6 - полость штоко-вая; 7 - полость поршневая; 8 - полость штока; 9 - штуцер воздушный; 10 - трубка дросселирующая; 11 - трубка масляная; 12 - штуцер масляный; 13 - трубка сливная

где у - безразмерный коэффициент пропорциональности зарядного давления,

= 3.751; (10)

SfiplJSfjxmayL - амплитуда перемещения поршня, обусловленная пульсацией рабочей жидкости генератора импульсов с частотой/,, отнесенная к геометрическому ходу поршня; щ - приведенный коэффициент демпфирования пневмогидравличе-ского УДУ

Зависимость осевого перемещения поршня x(fz,fu, t) (с учетом его ограничения по геометрическому ходу -хтах) с частотами пульсации рабочей жидкости/ и /„, обусловленными растяжением (сжатием) УДУ от времени, будет полигармонической и иметь вид:

х = (o.5xmax-aà)sm{^z07rfzt)+aàsm{24ut),M, (11)

где ад - перемещение поршня, обусловленное пульсацией рабочей жидкости генератора импульсов с частотой/, м, равное lcSàp/Sn, м.

Зависимость амплитуды давления APdp(f„ fu, р0, t) и осевого перемещения поршня УДУ x(fz, /„, t) при прохождении рабочей жидкости через дроссель генератора с частотами/ и/„ от времени приведена на рисунке 7.

Рисунок 7 - Зависимости осевого перемещения поршня УДУ х(/г,/и, I) и амплитуды давления А/ш Ро, 0 при прохождении рабочей жидкости через дроссель генератора с частотами иот времени

Анализ результатов моделирования амплитуды давления ДРдР(/2, /ш Ро, О и осевого перемещения поршня УДУ 0 от времени, раскрывающих возмож-

ности пневмогидравлического УДУ с генератором импульсов давления (расхода) рабочей жидкости, свидетельствует, что:

• при сжатии пневмогидравлического УДУ (направление движения потока рабочей жидкости через дроссель генератора импульсов - «полость штока - штоковая полость») давление на дросселе падает более чем в 4.5 раза (с Ртгх - 5.0 МПа до Лшп = 1.08 МПа) с одновременным уменьшением амплитуды пульсации давления рабочей жидкости более чем в 5.4 раза (с ДРти = 0.98 МПа до АРтш = 0.18 МПа);

• при растяжении пневмогидравлического УДУ (направление движения потока рабочей жидкости через дроссель генератора импульсов - «штоковая полость -полость штока») давление на дросселе увеличивается более чем в 4.5 раза (с Ртт 1-08 МПа до Ртах = 5.0 МПа) с одновременным увеличением амплитуды пульсации давления рабочей жидкости более чем в 5.4 раза (с АРт¡„ = 0.18 МПа до АРщах = 0.98 МПа);

• амплитуда полигармонической пульсации давления АР(/2,/и) рабочей жидкости одинакова как при растяжении, так и при сжатии пневмогидравлического УДУ и составляет 3.92 МПа.

Для решения задач динамики, в частности исследования колебаний, необходимо в первую очередь схематизировать физические явления, происходящие в элементах приводов карьерного комбайна. То есть физические явления необходимо представить в виде математических моделей (системы дифференциальных уравнений) в зависимости от обобщенных координат так, чтобы выходные сигналы этой системы адекватно моделировали исследуемые процессы во времени.

Обосновано, что в первую очередь к исследуемым динамическим процессам в приводе роторного ковшового рабочего органа карьерного комбайна должны относиться следующие процессы: гидромеханические процессы; процессы в приводном нерегулируемом по скорости электродвигателе постоянного тока.

На основе динамической модели карьерного комбайна с роторным ковшовым рабочим органом разработана многопараметрическая математическая модель системы «карьерный комбайн — забой» — дифференциальные уравнения движения электромеханической системы карьерного комбайна (рисунок 8), описывающие автоколебательный процесс во времени в зависимости от скорости движения комбайна йЬс/М = х'аг и толщины стружки с(<р, с1х]!Ж) роторного ковшового рабочего органа, учитывающая гидромеханические процессы и процессы в приводном (нерегулируемом по скорости) электродвигателе постоянного тока, а также уравнение расхода рабочей жидкости в штоковой полости пневмогидрав-лического УДУ.

Математическая модель «карьерный комбайн — забой» представляет собой систему нелинейных дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами, интегрирование (моделирование) которых было выполнено методом Рунге - Кутта, что позволило получить цифровой массив {Ми /А*}, где 1 = 1,2, 3,..., ль а Пк— число шагов квантования исследуемой реализации момента.

Характерные фрагменты результатов моделирования (интегрирования) многопараметрической математической модели «карьерный комбайн — забой» приведены на рисунке 8. Обработка цифрового массива {А4 /А/} выполнялась по программе «СПЕКТРАЛЬНО-КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ АНАЛИЗ МАССИВА».

Спектр показывает, какого рода колебания преобладают в данном процессе, какова его внутренняя структура, а спектральная плотность описывает распределение дисперсий процесса по различным частотам.

♦Ч^М^К**)

\ Л ) 4 Л '

'""л

Г,

Г, +

Рг(1, щ). ('-"»Г»-(«-/)«!+*, 1го!п,-<г-0<г|" + + 0Д1-ео!я,+4,!тлУ1), 1 = 1,2,3.....хц.ц г-вп/^.-о«««»!;^!*/^-1]

л

---а--г:

Фд/ г ^а/*™^ А Щ исип^/гл,) й '

Рисунок 8 — мпогопараметрическая математическая модель системы «карьерный комбайн - забой»

Спектральный анализ цифрового массива {М/, ¿А?} (рисунок 9) показал, что:

• частоты собственных колебаний электромеханической системы привода роторного ковшового рабочего органа карьерного комбайна, как при жесткой, так и при упругодемпфирующей заделке хвостовика редуктора, образуют достаточно плотный спектр дисперсий от 0 до 2.5 Гц;

• при жесткой заделке хвостовика редуктора привода роторного ковшового рабочего органа карьерного комбайна максимальные значения нормированной спектральной плотности колебаний (дисперсии) крутящего момента соответствуют: частоте, близкой к частоте входа (выхода) ковшей в забой (из забоя)

= 1.493 Гц) = 0.283; собственной частоте электродвигателя привода роторного ковшового рабочего органа 5я(/а = 0.714 Гц) = 0.176; собственной частоте электродвигателя привода ходового механизма 8п(/дх = 1.03 Гц) = 0.079;

• на вынужденной частоте входа (выхода) ковшей в забой (из забоя) коэффициент динамичности электромеханической системы при жесткой заделке хвостови-

ка редуктора привода роторного ковшового рабочего органа £Эл/е(£ = 1-493 Гц) = = 1.283;

ш

Рисунок 9 - Нормированная спектральная плотность крутящего момента сопротивления вращению роторного ковшового рабочего органа для конструкции карьерного комбайна, имеющего: а - жесткую заделку хвостовика редуктора привода (пневмогидравлическое УДУ отсутствует); б - упругодемпфи-рующую заделку хвостовика редуктора привода

Л Л*/с л л

• при упругодемпфирующей заделке хвостовика редуктора привода роторного ковшового рабочего органа карьерного комбайна максимальные значения нормированной спектральной плотности колебаний (дисперсии) крутящего момента по сравнению с жесткой заделкой хвостовика увеличились и составили: на собственной частоте /с колебаний роторного ковшового рабочего органа 5„(/с =1.19 Гц) = 0.385; на собственной частоте электродвигателя привода роторного ковшового рабочего органа 5п(/д = 0.714 Гц) = 0.187; на собственной частоте электродвигателя привода ходового механизма ¿"„(/а* = 1.03 Гц) = 0.112, а на частоте входа (выхода) ковшей в забой (из забоя) уменьшились до величины

1.493 Гц) = 0.091;

• на вынужденной частоте входа (выхода) ковшей в забой (из забоя) коэффициент динамичности электромеханической системы при упругодемпфирующей за-

делке хвостовика редуктора привода роторного ковшового рабочего органа уменьшился на 15 % и составил величину кэмс{/2= 1-493 Гц) = 1.091; • при упругодемпфирующей заделке хвостовика редуктора привода роторного ковшового рабочего органа на вынужденной зарезонансной частоте /„ генератора импульсов давления (расхода) рабочей жидкости пневмогидравлического УДУ максимальное значение нормированной спектральной плотности составило величину £„(/"„ = 18 Гц) = 0.082, что позволило уменьшить коэффициент эффективного трения/роторного ковшового рабочего органа о породу с 0.55 до 0.451.

В этой же главе установлена зависимость фактической удельной технической производительности 0./Н£ карьерного комбайна от коэффициента динамичности электромеханической системы привода роторного ковшового рабочего органа кЭМс и эффективного коэффициента трения / для породы различной прочности а (рисунок 10).

Для диапазона изменения коэффициента динамичности электромеханической системы привода роторного ковшового рабочего органа - 1.0 < кэмс < 3.4 и диапазона изменения эффективного коэффициента трения 0.4 </ < 0.55 для различной прочности породы а установлено, что:

• фактическая удельная техническая производительность карьерного комбайна <¿/N1 {кэмс>/, а, Т) независимо от величины прочности а породы: нелинейно убывает с увеличением коэффициента динамичности электромеханической системы привода роторного ковшового рабочего органа кэмс и нелинейно возрастает с

Рисунок 10 - Зависимость удельной технической производительности карьерного комбайна ()1Мх от коэффициента динамичности элек-

тромеханической системы привода роторного ковшового рабочего органа кэмс и эффективного коэффициента трения / для различной прочности породы: а - крепкие и хрупкие породы; 6 -мягкие и пластичные породы

уменьшением эффективного коэффициента трения роторного ковшового рабочего органа о забой/;

• при жесткой заделке хвостовика редуктора привода (пневмогидравлическое УДУ отсутствует) фактическая удельная техническая производительность карьерного комбайна дТЫц (кЭмс</, =1-493 Гц) = 1.283,/= 0.55, а = 50 МПа, ¥ = 0.3) составляет 0.712-10'4;

• при упругодемпфиругощей заделке хвостовика редуктора привода с генератором импульсов давления рабочей жидкости фактическая удельная техническая производительность карьерного комбайна (¿/И? (^ксй =1.493 Гц) = 1.091, /= 0.451, а = 50 МПа, ¥ = 0.3) составит 0.897-10'4, что на 26 % выше, чем при жесткой заделке хвостовика редуктора привода роторного ковшового рабочего органа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основе выполненных исследований дано новое решение актуальной научной задачи: разработки многопараметрической математической модели процесса взаимодействия роторного ковшового рабочего органа с породой для обоснования и выбора рациональных динамических параметров трансмиссий приводов карьерного комбайна в зависимости от характеристик его электромеханической системы.

Основные научные выводы и результаты диссертационной работы, полученные лично автором, заключаются в следующем:

1. Процесс выемки породы карьерным комбайном с роторным ковшовьм органом, имеющим г0 ковшей, характеризуется следующими кинематическими особенностями: с уменьшением угла контакта роторного ковшового органа <ро со слоем породы размах процесса колебаний суммы горизонтальных сечений стружек уменьшается при постоянной частоте выхода ковша из забоя (входа ковша в забой) равной/= г^соПп, Гц;

2. Установлено, что максимальное значение отношения скоростей Уотн/Ут относительного колебания вращения роторного ковшового рабочего органа к его тангенциальной скорости равно 0.7, при этом снижение момента трения АМТ со-

ставит 18 %, что соответствует уменьшению коэффициента эффективного трения /э роторного ковшового рабочего органа о породу с 0.55 до 0.451.

3. Разработана принципиальная схема автоколебательного генератора импульсов давления (расхода) рабочей жидкости пневмогидравлического УДУ и установлены его основные конструктивные, жесткостные и динамические параметры для формирования вынужденных колебаний вращения роторного ковшового рабочего органа как при сжатии, так и при растяжении;

4. Разработана многопараметрическая математическая модель системы «карьерный комбайн — забой» - дифференциальные уравнения движения электромеханической системы карьерного комбайна, описывающие автоколебательный процесс во времени в зависимости от скорости движения комбайна и толщины стружки роторного ковшового рабочего органа.

5. Моделированием многопараметрической системы «карьерный комбайн -забой» установлено, что: на вынужденной частоте входа (выхода) ковшей в забой (из забоя) коэффициент динамичности электромеханической системы при упру-годемпфирующей заделке хвостовика редуктора привода роторного ковшового рабочего органа уменьшился на 15 %; при упругодемпфирующей заделке хвостовика редуктора привода рабочего органа на вынужденной зарезонансной частоте генератора импульсов давления (расхода) рабочей жидкости пневмогидравлического УДУ максимальное значение нормированной спектральной плотности составило величину 8п(/и = 18 Гц) = 0.082, что позволило уменьшить коэффициент эффективного трения роторного ковшового рабочего органа о породу с 0.55 до 0.451

6. Установлена зависимость фактической удельной технической производительности карьерного комбайна от коэффициента динамичности электромеханической системы привода роторного ковшового рабочего органа и эффективного коэффициента трения для породы различной прочности.

7. Анализом результатов моделирования фактической удельной технической производительности карьерного комбайна установлено, что: удельная техническая производительность карьерного комбайна независимо от величины прочности породы нелинейно убывает с увеличением коэффициента динамичности электромеханической системы привода роторного ковшового рабочего органа и

нелинейно возрастает с уменьшением эффективного коэффициента трения роторного ковшового рабочего органа о забой; при упругодемпфирующей заделке хвостовика редуктора привода удельная техническая производительность карьерного комбайна на 26 % выше, чем при жесткой заделке.

8. Основные результаты диссертационной работы нашли применение в плановых проектно-конструкторских разработках ООО «ИЗ-Картэкс» на 2012-2014 гг. по совершенствованию существующих и созданию инновационных конструкций карьерных комбайнов с роторным ковшовым рабочим органом.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах, опубликованных:

в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях:

1. Губенко, A.A. Параметры генераторов импульсов для формирования вынужденных колебаний в приводе шнеко-фрезерного рабочего органа карьерного комбайна / Д.А. Кузиев, A.A. Губенко // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2009. - № 11. - С. 207-209.

2. Губенко, A.A. Кинематические особенности рабочего процесса карьерного комбайна с роторным ковшовым органом / A.A. Грабский, A.A. Губенко, Д.А. Кузиев // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно - технический журнал).-2010.-№ 5.-С. 325-333.

3. Губенко, A.A. Динамические параметры привода роторного ковшового рабочего органа карьерного комбайна / A.A. Грабский, A.A. Губенко // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2010. -№ 5.-С. 322-324.

в научных сборниках и других изданиях:

4. Губенко, A.A. Динамические особенности рабочего процесса карьерного комбайна с роторным ковшовым органом / A.A. Губенко // Материалы международной научно-технической конференции «Современные техника и технологии горно-металлургической отрасли и пути их развития», Республика Узбекистан, Навои, 12-14 мая 2010 г. - С.241-242.

5. Губенко, A.A. Современное состояние и перспективы развития конструкций карьерных комбайнов для безвзрывной послойной выемки прочных пород / И.В. Петров, A.A. Грабский, JTe Бинг Зыонг, A.A. Губенко // Сборник материалов XIV Международной конференции «Технологии, оборудование и сырьевая база горных предприятий промышленности строительных материалов». Москва, 8-10 сентября 2010.-С. 168-174.

6. Губенко, A.A. Обзор и анализ параметров конструкций упругодемпфирующих устройств / A.A. Губенко, В.П. Свинарчук // Научный вестник МГГУ. — 2011. — № 1.-С. 9-19.

7. Губенко, A.A. Формирование момента сопротивления вращению рабочего органа карьерного комбайна / A.A. Губенко, И.Н. Клементьева, С.В. Козлов // Научный вестник МГГУ. - 2011. - № 2. - С. 28-32.

8. Губенко, A.A. Влияние технологических, кинематических и силовых параметров на техническую производительность карьерного комбайна / A.A. Губенко, И.Н. Клементьева // Научный вестник МГГУ. - 2011. - № 2 - С. 23-27.

Подписано в печать £3 /^¿омя 2011 Формат 60x90/16

Объем 1 п.л. _Тираж 100 экз._ Заказ № зго

ОИУП Московского государственного горного университета. Москва, Ленинский проспект, 6

Введение.

1 Состояние вопроса, цель и задачи исследования.

1.1 Современное состояние и перспективы развития конструкций карьерных комбайнов для непрерывной послойной выемки прочных пород.

1.2 Основные результаты исследований нагрузок в приводах роторных рабочих органов горных машин.

1.3 Цель, задачи и алгоритм исследования.

Выводы по главе.

2 Закономерности формирования сил сопротивления при экскавации породного массива карьерным комбайном с роторным ковшовым органом.

2.1 Кинематические особенности рабочего процесса карьерного комбайна с роторным ковшовым органом.

2.2 Формирование момента сопротивления вращению роторного ковшового рабочего органа карьерного комбайна.

2.3 Влияние технологических, кинематических и силовых параметров на техническую производительность карьерного комбайна с роторным ковшовым рабочим органом.

Выводы по главе.

3 Теоретические основы рабочего процесса упругодемпфирующих устройств.

3.1 Статические и динамические параметры упругодемпфирующих устройств.

3.2 Конструкция, принцип действия и конструктивные параметры пневмогидравлического упруго демпфирующего устройства.

3.3 Математический аналог пневмогидравлического упруго демпфирующего устройства.

Выводы по главе.

4 Исследование динамики процесса экскавации роторным рабочим органом карьерного комбайна.

4.1 Особенности взаимодействия роторного ковшового органа с породой в зоне фрикционного контакта.

4.2 Параметры генератора импульсов давления (расхода) рабочей жидкости для формирования вынужденных колебаний вращения роторного ковшового рабочего органа.

4.3 Математическая модель автоколебательной системы «карьерный комбайн забой» (уравнения движения электромеханической системы).

4.4 Моделирование электромеханической системы «карьерный комбайн — забой».

Выводы по главе.

Актуальность работы. Горнодобывающая промышленность является одной из ведущих отраслей, базирующихся на мощной минерально-сырьевой базе Российской Федерации. По ряду важнейших полезных твердых ископаемых, например, таких как каменный уголь, железные и алмазосодержащие руды, РФ по подтвержденным запасам не только занимает ведущее место в СНГ, но и входит в первую десятку государств мира. Основные запасы полезных твердых ископаемых в РФ в основном сосредоточены в районах со сложными горно-геологическими условиями.

При разработке скальных и полускальных пород производственный цикл, по сложившейся технологии, включает, как правило, буровзрывную подготовку горного массива и последующую "выемку горной- массы из навала экскаваторами с погрузкой в транспортные средства. Такая технология обеспечивает высокую производительность выемочно-погрузочного оборудования при разработке пород любой крепости, но не удовлетворяет современным требованиям в отношении качества извлекаемого полезного ископаемого, ресурсосбережения и экологии, поэтому естественным является стремление исключить процесс рыхления массива взрывом. На основе опыта проектирования и эксплуатации шахтных добычных и проходческих комбайнов, а также оборудования для дорожного и аэродромного строительства был разработан ряд образцов комбайнов непрерывного действия для открытой разработки месторождений методом послойного фрезерования (такие комбайны получили название «Krupp Surface Miner», или сокращенно KSM).

В СНГ ведется непрерывный поиск и внедрение в производство технологий с новым оборудованием высокого технического уровня, значительно повышающего эффективность горных работ. Однако первый опыт эксплуатации карьерных комбайнов показал их недостаточно высокую производительность при выемке породных пластов различной мощности. Это объясняется тем, что техническая производительность карьерного комбайна при заданных его конструктивных и энергетических параметрах зависит не только от технологических, но и от динамических параметров.

Таким образом, расширение номенклатуры добычи твердых полезных ископаемых может быть достигнуто на основе модернизации и создания перспективных конструкций карьерных комбайнов с роторным ковшовым рабочим органом, эксплуатирующихся на месторождениях Российской Федерации, с трансмиссиями, имеющими рациональные динамические параметры.

Поэтому разработка многопараметрической математической модели процесса взаимодействия роторного ковшового рабочего органа с породой для обоснования и выбора рациональных динамических параметров трансмиссий приводов карьерного комбайна в зависимости от характеристик его электромеханической системы является актуальной научной задачей.

Целью работы является установление закономерностей формирования динамических параметров трансмиссии привода роторного ковшового рабочего органа карьерного комбайна в зависимости от характеристик его электромеханической системы.

Идея работы заключается в снижении момента трения роторного ковшового рабочего органа о породу за счет пневмогидравлической упругодемпфирующей заделки хвостовика редуктора привода ротора карьерного комбайна, оснащенной автоколебательным генератором импульсов движущего момента.

Методы исследований. При выполнении диссертационной работы использовались основные положения и методы теоретической механики твердого тела, газа и жидкости, виброреологии и математического моделирования с использованием современных пакетов прикладных программ.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

• формирование динамических характеристик электромеханической системы привода роторного ковшового рабочего органа карьерного комбайна для уменьшения уровня динамических нагрузок может быть осуществлено путем оснащения привода пневмогидравлическим упругодемпфирующим устройством с оперативным регулированием жесткости и демпфирования;

• выемка слоя породы с более высокой- прочностью без снижения производительности карьерного комбайна может быть достигнута путем оснащения пневмогидравлического упругодемпфирующего устройства привода роторного ковшового рабочего органа автоколебательным генератором импульсов давления (расхода) рабочей жидкости;

• рациональные динамические параметры электромеханической системы приводов карьерного комбайна в режиме номинальной нагрузки и рациональные виброреологические параметры взаимодействия роторного ковшового рабочего органа комбайна с породой могут быть получены на основе имитационной многопараметрической математической модели.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций базируется на применении современных научных методов исследований, включающих аналитические исследования, с использованием фундаментальных положений: теоретической механики твердого тела; математического моделирования; системного анализа процесса нагружения приводов силовой установки карьерного комбайна. Сходимость результатов аналитических исследований и математического моделирования при относительной ошибке до 0,15 составляет не менее 85%.

Научное значение работы заключается в разработке многопараметрической математической модели процесса взаимодействия роторного ковшового рабочего органа карьерного комбайна с породой с учетом динамических параметров электромеханической системы привода и в установлении закономерностей изменения производительности карьерного комбайна с роторным ковшовым рабочим органом от физико-механических свойств породы, технологических, энергетических, конструктивных, динамических и виброреологических параметров привода.

Практическое значение работы состоит в разработке методики и программного обеспечения для моделирования и расчета рациональных динамических параметров системы привода роторного ковшового рабочего органа карьерного комбайна.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Основные результаты диссертационной работы нашли применение в проектно-конструкторских разработках ООО «ИЗ-Картэкс» по совершенствованию существующих и созданию инновационных конструкций карьерных комбайнов с роторным ковшовым рабочим органом, а также будут использованны в научно-технических разработках конструкторского бюро в 2012-2014гг:

• технические требования на модернизацию привода роторного ковшового рабочего органа карьерного комбайна КСМ-2000Р совместной разработки фирмы «Krupp Fordertechnik» (Германия), ФГУП «ННЦ ГП - ИГД им. A.A. Скочинского», ОАО «ИЗ-КАРТЭКС» (РФ), находящегося в эксплуатации на Таллинском угольном разрезе ОАО «Угольная компания «КУЗБАССРАЗРЕЗУГОЛЬ»;

• методика статического и динамического расчета трансмиссии привода роторного ковшового рабочего органа карьерного комбайна с оперативным регулированием её жесткости и демпфирования;

• программное обеспечение для моделирования взаимодействия роторного ковшового рабочего органа карьерного комбайна со слоем породы в зависимости от прочности» породы, параметров пласта, кинематических, силовых и динамических параметров привода рабочего органа.

Научная новизна и личный вклад автора состоит:

• в установлении кинематических особенностей рабочего процесса карьерного комбайна с роторным ковшовым органом;

• в разработке многопараметрической математической модели процесса взаимодействия роторного ковшового рабочего органа карьерного комбайна с породой;

• в моделировании процесса взаимодействия.роторного ковшового рабочего органа, карьерного комбайна со слоем породы в зависимости от прочности породы, параметров пласта, кинематических, силовых и динамических параметров привода рабочего органа.

Апробация работы. Основные положения и содержание работы были доложены и обсуждены на: Международных научных симпозиумах «Неделя Горняка» в 2008, 2009, 2010, 2011 гг. (г. Москва, МГГУ); XIII, XIV и XV Международных экологических конференциях студентов и молодых ученых «Горное дело и окружающая среда. Инновационные и высокие технологии XXI века» - 2009, 2010, 2011 гг. (г. Москва, МГГУ); Международной научно-технической конференции «Современные техника и технологии горно-металлургической отрасли и пути их развития» - 2010 г., (Республика Узбекистан, Навои); XIV Международной конференции «Технология, оборудование и сырьевая база горных предприятий промышленности строительных материалов» - 2010, (г. Москва, МГГУ).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, 3 из них опубликованы в журналах, входящих в перечень рецензируемых изданий, утвержденных ВАК Минобрнауки России.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений, списка использованных источников информации из 142 наименований и включает 31 рисунок и 3 таблицы.

8. Основные результаты диссертационной работы нашли применение в плановых проектно-конструкторских разработках ООО «ИЗ-Картэкс» на 2012-2014 гг. по совершенствованию существующих и созданию инновационных конструкций карьерных комбайнов с роторным ковшовым рабочим органом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основе выполненных исследований дано новое решение актуальной научной задачи: разработки многопараметрической математической модели процесса взаимодействия роторного ковшового рабочего органа с породой для обоснования и выбора рациональных динамических параметров трансмиссий приводов карьерного комбайна в зависимости от характеристик его электромеханической системы.

Основные научные выводы и результаты диссертационной работы, полученные лично автором, заключаются в следующем:

1. Процесс выемки породы карьерным комбайном с роторным ковшовым органом, имеющим г0 ковшей, характеризуется следующими кинематическими особенностями: с уменьшением угла контакта роторного ковшового органа (ро со слоем породы размах процесса колебаний суммы горизонтальных сечений стружек уменьшается при постоянной частоте выхода ковша из забоя (входа ковша в забой) равной /= 20ш/2лг, Гц;

2. Установлено, что максимальное значение отношения скоростей Уоти/Ут относительного колебания вращения роторного ковшового рабочего органа к его тангенциальной скорости равно 0.7, при этом снижение момента трения АМт составит 18 %, что соответствует уменьшению коэффициента эффективного трения /э роторного ковшового рабочего органа о породу с 0.55 до 0.451.

3. Разработана принципиальная схема автоколебательного генератора импульсов давления, (расхода) рабочей жидкости пневмогидравлического УДУ и установлены его основные конструктивные, жесткостные и динамические параметры для формирования вынужденных колебаний вращения роторного ковшового рабочего органа как при сжатии, так и при растяжении;

4. Разработана многопараметрическая математическая модель системы «карьерный комбайн — забой» — дифференциальные уравнения движения электромеханической системы карьерного комбайна, описывающие автоколебательный процесс во времени в зависимости от скорости движения комбайна и толщины стружки роторного ковшового рабочего органа.

5. Моделированием многопараметрической системы «карьерный комбайн — забой» установлено, что: на вынужденной частоте входа (выхода) ковшей в забой из забоя) коэффициент динамичности электромеханической системы при упругодемпфирующей заделке хвостовика редуктора привода роторного ковшового рабочего органа уменьшился на 15 %; при упругодемпфирующей заделке хвостовика редуктора привода рабочего органа на вынужденной зарезонансной частоте генератора импульсов давления (расхода) рабочей жидкости пневмогидравлического УДУ максимальное значение нормированной спектральной плотности составило величину 8п(/и =18 Гц) = 0.082, что позволило уменьшить коэффициент эффективного трения роторного ковшового рабочего органа о породу с 0.55 до 0.451

6. Установлена зависимость фактической удельной технической производительности карьерного комбайна от коэффициента динамичности электромеханической системы привода роторного ковшового рабочего органа и эффективного коэффициента трения для породы различной прочности.

7. Анализом результатов моделирования фактической удельной технической производительности карьерного комбайна установлено, что: удельная техническая производительность карьерного комбайна независимо от величины прочности породы нелинейно убывает с увеличением коэффициента динамичности электромеханической системы привода роторного ковшового рабочего органа и нелинейно возрастает с уменьшением эффективного коэффициента трения роторного ковшового рабочего органа о забой; при* упругодемпфирующей заделке хвостовика редуктора привода удельная техническая производительность карьерного комбайна на 26 % выше, чем-при жесткой,заделке.

1. Волков Д.П., Крикун В.Я., Тотолин П.Е. и др. Машины для земляных работ: Учебник для студентов вузов по специальности «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование» М.: Машиностроение, 1992-448 с.:ил.

2. Демченко И.И. Научное обоснование и разработка комплекса средств механизации для обеспечения качества угле-продукции. Автореферат докт. дисс. Иркутск: ИрГТУ., 2009, 48'е., ил.

3. Подэрни Р.Ю. Теория рабочего процесса роторных исполнительных органов. Учебное пособие, М.: МГИ, 1969, 74 с.

4. Григорьев A.C. Обоснование и выбор параметров продавливающих установок для1 бестраншейной технологии строительства подземных инженерных коммуникаций. Автореферат Канд. дисс. М.: МГГУ, 2005, 23с.

5. Подэрни Р.Ю. Механическое оборудование карьеров: (ГОРНОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ). Учебник для вузов. — 6-е изд., перераб. и доп. — М.: Издательство МГГУ, 2007. 680 е.: ил.

6. Владимиров В.М., Шендеров А.И., Калашников Ю.Т. Карьерные роторные экскаваторы. Киев, Изд-во «Техшка», 1968, 284 с.

7. Владимиров В.М., Трофимов, В.К. Повышение производительности карьерных многоковшовых экскаваторов. М.: «Недра», 1980, 312 с.

8. Берман Г.Н. Циклоида. — М.: «Наука», 1980, 112 с.

9. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. Издание десятое, стереотипное М.: Изд-во «Наука», 1972, 872 с. с илл.

10. Выгодский М.Я. Справочник по элементарной математике. Издание двадцать первое. М.: Изд-во «Наука», 1971, 416 с. с илл.

11. Беляков Ю. И., Владимиров В. М., Совершенствование экскаваторных работ на карьерах, М., Изд-во «Недра» 1974. 304 с.

12. Домбровский Н.Г., Картвелишвили Ю.Л., Гальперин М.И. Строительные машины. Учебник для вузов. В 2 частях. Ч. 1-я., «Машиностоение», 1976. 392 с.

13. Беляков Ю.И. Совершенствование технологии выемочно-погрузочных работ на карьерах. М:, «Недра», 1977. 295 с.

14. Ветров Ю.А., Кархов A.A., Кондра A.C., Станевский В.П. Машины для земляных работ. Издательское объединение «Вища школа», 1976, 368 с.

15. Протасов Ю.И. Разрушение горных пород. 3-е изд., стер.- М.: Изд-во МГТУ, 2002.- 453с.

16. Бондарев C.B. Обоснование и выбор параметров упругодемпфирующей подвески стрелы карьерной механической лопаты. Автореферат канд. дисс., Москва, МГИ, 1988, 24 е. с ил.

17. Кузиев Д.А. Обоснование и выбор параметров гидроимпульсного привода шнеко-фрезерного рабочего органа: карьерного комбайна. Канд. дисс., М., МЕГУ, 2007, 111 с. с ил.

18. Абдуазизов H.A. Обоснование и выбор параметров системы «гидробак-охладитель» гидрообъемной силовой установки карьерного комбайна: Канд. дисс., М., МГГУ, 2008, 141 с. сил.

19. Прямилов Н.М. Исследование упруго-демпфирующего устройства исполнительного органа роторного экскаватора как средства стабилизации рабочего процесса. Канд. дисс., М., МГИ, 1974, 150 с. с ил.

20. Сандалов В.Ф. Исследование гидромеханического; защитного устройства привода;исполнительного органа роторного экскаватора. Канд. дисс. М.: МГИ, 1977,143 с.

21. Заленский В.С; Строительные машины: Примеры расчетов; Учебное пособие для техникумов. 3-е изд., перераб. и доп. — М.: изд-во «Стройиздат», 1983, 271 с.сил.s

22. Домбровский Н.Г. Многоковшовые экскаваторы. Конструкции, теория и расчет. М. : издательство «Машиностроение», 1972, 432 стр.

23. Горцакалян JI.O., Мурашов М.В., Нажесткин Б.П., Самсонов JI.H. Сборник задач по теории и расчету торфяных машин. Под ред. д-р техн. наук, проф С.Г. Солопова-М.:Недра, 1966, 198 стр.2425,2627,28,29,30,31.