автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование и выбор динамических параметров рабочего оборудования карьерных экскаваторов

На правах рукописи

Свинарчук Василий Петрович

ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ КАРЬЕРНЫХ ЭКСКАВАТОРОВ

Специальность 05.05.06 - «Горные машины»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 [ЛАР 2012

Москва 2012

005014505

005014505

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Московский государственный горный университет на кафедре Горные машины и оборудование (ГМО МГГУ)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Хромой Михаил Рувимович (доцент ГМО МГГУ)

Официальные йппоненты: Захаров Юрий Никитович, доктор технических наук,

......профессор, заведующий кафедрой «Техника и

технология нефтегазового производства» ГОУ ВПО «Московского государственного открытого . университета им. B.C. Черномырдина»;

.....Григорьев Александр Сергеевич,

кандидат технических наук, генеральный директор ООО «Гидрогормаш».

Ведущая организация: ФГУП «Национальный научный центр горного

производства - институт горного дела им. А.А Скочинского», (МО, г. Люберцы)

Защита состоится « ■'' » апреля 2012 г. в '' -часов на заседании диссертационного совета Д 212.128.09, созданного на базе Московского государственного горного университета по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, дом б, E-mail: ad@msmu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного

горного университета

Автореферат разослан « <-» марта 2012 г.

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

Е.Е. Шешко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Железорудная промышленность является одной из ведущих отраслей, базирующихся на мощной минерально-сырьевой базе Курской магнитной аномалии (КМА). По подтвержденным запасам железистых кварцитов РФ занимает ведущее место в мире. Основные запасы железистых кварцитов в РФ в основном сосредоточены в районах со сложными горно-геологическими условиями.

Сегодня открытый способ разработки твердых полезных ископаемых неоспоримо превалирует как в мировой горной промышленности, так и в России и республиках постсоветского пространства.

В настоящее время российские производители не смогли предложить карьерные механические лопаты с вместимостью ковша более 15 м3 с опытом эксплуатации по добыче железных руд. Основу парка выемочно-погрузочных машин России составляют экскаваторы - ЭКГ-8И, ЭКГ-10 и их модификации производства ООО « ИЗ-КАРТЭКС им. П.Г. Коробкова », однако длительный опыт эксплуатации карьерных экскаваторов показал их недостаточно высокую производительность при выемке взорванных скальных пород (в основном железных руд). Это объясняется тем, что техническая производительность карьерного экскаватора при заданных его конструктивных и энергетических параметрах зависит не только от технологических, по и от динамических параметров рабочего оборудования, хотя стратегия ООО « ИЗ-КАРТЭКС им. П.Г. Коробкова» предусматривает переход к выпуску современных экскаваторов ЭКГ-12К, ЭКГ-20 и ЭКГ-30.

Поэтому разработка комплекса научно-технических мероприятий для обоснования и выбора рациональных динамических параметров рабочего оборудования карьерных экскаваторов, эксплуатирующихся в различных горнотехнических условиях в зависимости от их конструктивных, кинематических, силовых характеристик, является актуальной научной задачей.

Целыо работы является установление закономерностей формирования динамических параметров рабочего оборудования карьерных экскаваторов, эксплуатирующихся в различных горнотехнических условиях, в зависимости от их конструктивных, кинематических, силовых характеристик.

Идея работы заключается в минимизации коэффициента динамичности рабоче -го оборудования карьерного экскаватора за счет оснащения упругодемпфирующим устройством одного из его механизмов.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

• минимальный уровень статического нагружения (Рт —> min, Р„ —> min, ) рабочего оборудования в процессе отработки экскаватором породного уступа может быть достигнут только при оптимальных параметрах кардиоидальной траектории движения (ртах, fJml„, to) и конструкции вооружения ковша экскаватора (S\= const);

• минимальный уровень динамического нагружения (кд —> min) рабочего оборудования экскаватора в процессе отработки породного уступа может быть достигнут путем оснащения одного из его приводов упругодемпфирующим устройством -пневматической шиной с минимально возможной жесткостью (Суд\Ху0+у) —♦ min) при зарядном давлении р0, обеспечивающем заданную величину начального прогиба шипы у о,

• многопараметрическая имитационная модель определения уровня удельной технической производительности экскаватора (система совместных нелинейных алгебраических уравнений), отличающаяся учетом влияния конструктивных (Е,Н, г, Г], L, b, B,D, ßn, кк), кинематических (шп, сон, сою <р3), силовых (ц/.щ, Nn, NH, N„rm,kt ,к» kn), жесткостных (cKi(ßH), суду, Kh ks ), диссипативных (ji„ ца ,цуду) и инерци-альных {I(ß), h ,Ij) динамических параметров экскаватора , работающего в забоях с различными технологическими и прочностными характеристиками (<т, рп, кр, а/).

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций базируются на применении современных научных методов исследований, включающих аналитические исследования с использованием фундаментальных положений: теоретической механики твердого тела, жидкости и газа; теории колебаний механических систем; математического моделирования; системного анализа процесса нагружения приводов рабочего оборудования карьерных экскаваторов. Относительная ошибка результатов математического моделирования составила по амплитуде 8 %, по частоте 0,5%.

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей:

• изменения параметров процесса взаимодействия ковша с породой с учетом коэффициента динамичности рабочего оборудования карьерного экскаватора;

• изменения уровня удельной технической производительности карьерного экскаватора от физико-механических свойств породы, технологических, энергетических, конструктивных и динамических параметров его рабочего оборудования.

Практическое значение исследования состоит в разработке методики и про -

граммного обеспечения для моделирования и расчета рациональных динамических параметров рабочего оборудования карьерных экскаваторов.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Основные результаты диссертационной работы нашли применение в плановых проектно-конструкторских разработках ООО «ИЗ-КАРТЭКС им. П.Г. Коробкова» на 2012-2014 гг. по совершенствованию существующих и созданию инновационных конструкций рабочего оборудования карьерных экскаваторов и использованы:

• в технических требованиях па модернизацию рабочего оборудования карьерного экскаватора ЭКГ-10 (производства «ИЗ - КАРТЭКС им. П.Г. Коробкова»), находящегося в эксплуатации на железорудном карьере ОАО «Стойлен-ский ГОК»;

• в методике статического и динамического расчета рабочего оборудования карьерных экскаваторов, оснащенных упругодемпфирующим устройством с регулируемыми жесткостью и демпфированием;

• в программном обеспечении для моделирования динамических характеристик рабочего оборудования карьерных экскаваторов с упругодемпфирующим устройством.

Научная новизна и личный вклад автора состоят:

• в установлении кинематических особенностей рабочего процесса экскаватора с рабочим оборудованием «прямая напорная лопата» и в обосновании оптимальных параметров траектории движения и конструкции вооружения ковша экскаватора;

• в разработке математического аналога пневматического упругодемпфирующего устройства механизмов карьерных экскаваторов;

• в моделировании процесса взаимодействия ковша карьерного экскаватора с породой при отработке породного уступа в зависимости от прочности породы, конструктивных и кинематических параметров рабочего оборудования, а также силовых, жесткостных, диссипативных и инерциальных динамических параметров приводов экскаватора.

Апробация работы. Основные положения и содержание работы были доложены и обсуждены на Международных научных симпозиумах «Неделя горняка» в 2008, 2009, 2010, 2011, 2012 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. Мо-

сква, 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 (г. Москва, МГГУ).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, две из них в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых журналов.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка использованных источников информации из 107 наименований и включает 30 рисунков и 18 таблиц.

Автор выражает благодарность всем сотрудникам кафедры «Горные машины и оборудование» Московского государственного горного университета за поддержку и участие, особенно профессорам Подэрни Р.Ю., Замышляеву В.Ф. и доценту Сандалову В.Ф. за методическую помощь при работе над диссертацией.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновываются актуальность исследования, его цель, идея, приведены новизна научных положений, практическая ценность и реализация работы в промышленности.

В первой главе выполнен анализ современного состояния и перспектив развития конструкций рабочего оборудования карьерных экскаваторов. Рассмотренный круг вопросов, связанных с установлением закономерностей формирования динамических параметров рабочего оборудования карьерных экскаваторов, отражен в работах ряда российских ученых: докторов технических наук Сатовского Б.И, Домбров-ского Н.Г., Волкова Д.П., Подэрни Р.Ю., Панкратова С.А., Красникова Ю.Д., Черкасова В.А., Каминской Д.А., Громадского A.C. и многих других.

Опыт эксплуатации карьерных экскаваторов и анализ данных ведущих проектных и конструкторских организаций СНГ показывают, что наиболее емкими потребителями карьерной техники в ближайшее время будут карьеры черной и цветной металлургии (до 800 млн м3 горной массы в год).

Сегодня в России одним из ведущих производителей экскавационной техники является компания ООО «ИЗ-КАРТЭКС им. П.Г. Коробкова». Она имеет более чем 50-летний опыт производства карьерных экскаваторов. Основу парка добычной тех-

пики всех крупных горных предприятий России и стран СНГ составляют машины этой компании - ЭКГ-8И, ЭКГ—10, ЭКГ-12,5, ЭКГ—15 и их модификации. Компания постоянно наращивает производительность экскаваторов путем увеличения линейных параметров их конструкций и мощности приводов основных механизмов.

В свою очередь современное состояние технической эксплуатации карьерных экскаваторов не обеспечивает проектных технико-экономических показателей вследствие высокой динамической нагруженности их рабочего оборудования. В настоящее время оценка уровня технической производительности карьерных экскаваторов производится без учета динамических параметров их рабочего оборудования, в то время как процесс формирования сил сопротивления на рабочем оборудовании является динамическим.

Поэтому цель работы заключается в установлении закономерностей формирования динамических параметров рабочего оборудования карьерных экскаваторов, эксплуатирующихся в различных горнотехнических условиях, в зависимости от их конструктивных, кинематических, силовых характеристик.

Цель достигается решением следующих основных задач: анализ современного состояния исследований и достигнутого уровня техники и технологии выемки горных пород карьерными экскаваторами с рабочим оборудованием «прямая напорная лопата»; установление закономерностей изменения уровня удельной технической производительности карьерного экскаватора от физико-механических свойств породы, технологических, кинематических, силовых, жесткостных, диссипативных и инерциалышх динамических параметров его рабочего оборудования; установление кинематических особенностей рабочего процесса карьерного экскаватора с рабочим оборудованием «прямая напорная лопата» и закономерностей формирования сил сопротивления движению ковша; разработка математического аналога рабочего оборудования с упругодемпфирующим устройством; разработка многопараметрической математической имитационной модели процесса взаимодействия ковша карьерного экскаватора с породой с учетом кинематических, силовых, жесткостных, диссипативных и иперциальных динамических параметров электромеханической системы привода; моделирование процесса взаимодействия ковша карьерного экскаватора с породой.

Вторая глава посвящена исследованию параметров технологического нагруже-ния механизмов подъема, напора ковша и поворота экскаватора с рабочим оборудо-

вашем «прямая напорная лопата».

Отделение стружки от породного массива ковшом карьерного экскаватора с рабочим оборудованием «прямая напорная лопата» (рисунок 1) осуществляется в вертикальной плоскости путем сочетания двух движений: подъема ковша со скоростью V,, и его подачи на забой со скоростью V,,. При этом соотношение скоростей напора и подъема определяет траекторию перемещения ковша в забое в вертикальной плоскости.

Доктор технических наук Алексеева Т.В. и кандидат технических наук Бондарев C.B. считают, что за траекторию движения режущей кромки ковша, близкой к оптимальной, можно принять правую логарифмическую спираль. При движении ковша по этой траектории в начальном положении рукоять должна быть строго вертикальна - зубья на подошве забоя. Это не позволяет на высоте Я напорного вала обеспечить 100%-ное наполнение ковша заданной вместимости Е. На практике для достиже -пия толщины стружки tu на уровне напорного вала, обеспечивающей 100%-ное наполнение ковша, экскаватор начинает черпание с угла а0, близкого к 30 градусам.

Поэтому с достаточной точностью траекторией движения вооружения ковша близкой к оптимальной, можно считать обобщенную конхоиду (часть «улитки Паскаля»), которая при одном полюсе (рисунок 2 точка Oi) превращается в кардиоиду (термин введен Кастиллоном в 1741 году).

Угол построения кардиоиды связан с центральным углом контакта ковша экскаватора с породным массивом /?№ а угловая координата точки наиболее удаленной от оси OY (рисунок 1), до нижней ветви кардиоиды является начальным положением ковша при черпании. Текущее изменение толщины стружки c(J3), срезаемой ковшом экскаватора, определяется центральным углом [Ни контакта вооружения ковша экскаватора с породным массивом высотой h, при этом сечение (площадь) стружки в вер-

Z

Рисунок 1 - Параметры рабочего процесса выемки породы карьерным экскаватором с рабочим оборудованием «прямая напорная лопата»

\í

/П.! \

i o ia_

i / ~

IV, F. H, i-M

"J

J. V

"V/

Рисунок 2 — Геометрические параметры рабочего оборудования карьерного экскаватора с кардиоидальной траекторией движения ковша: а — расчетная схема для определения вертикального сечения стружки; б - основные геометрические соотношения параметров рабочего оборудования экскаватора и кардиоиды

тикальной плоскости Рв имеет серповидное очертание (рисунок 3) и определяется из выражения:

с{р) = 0,5(Л£ + ¿)[зт(«0 +рн)-$тай] ^ (1)

где Ь - часть длины геометрического хода рукояти, м; Ъ - расстояние от переднего упора рукояти до режущей кромки вооружения ковша экскаватора, м;к — коэффициент использования геометрической длины хода рукояти, зависящий от положения экскаватора на рабочей площадке забоя. Он определяется расстоянием от нижней бровки внутренней заходки до оси вращения платформы экскаватора а/ (рисунок 3).

Сечение (площадь) стружки в вертикальной плоскости Кв (/?//) в функции центрального угла контакта ковша экскаватора с породным массивом высотой /г составляет:

Ё | ритус чер(шии Н1 икоте илориого мш - 1

f"j

"1

/ .Л ' L >

'i''' С,

i Icí-V ,

! Fi

Рисунок 3 — Расчетная схема определения толщины стружки на высоте напорного вала

/•'„ (/!,,) = 0,125(kL + tí)2 {(l + sin «0 )cos a0 - [l + sin(a0 + /?„ )]cos(a0 + 0„ )}, м2. (2) Длительность напора Рн/и>р по длине текущего значения толщины стружки сф) при угле поворота рукояти на угол рн составит величину(рисунок 3):

áá=ÉiL. (3)

Решая уравнение (3) относительно соР с учетом выражения (1) и с учетом того, что угол отклонения подъемного каната от его начального положения (соответствующего началу черпания) /? связан с центральным углом контакта ковша экскаватора Рн с породным массивом (навалом) высотой к соотношением:

Р = Ри~Р>о,рад, (4)

где Ро - угол отклонения подъемного каната от вертикали (в начале черпания) ,рад, после соответствующих алгебраических преобразований имеем регулировочную характеристику, по которой следует управлять вращением барабанов лебедок напора и подъема:

а)п = [ят(а0 +/?„)-БШ да ]sin(>g„ + ог0)

а>„ [1 + Яш(«0+/?я)]соХ(/?„-2/?0) ' и

где (Оц и (Оц — скорости вращения барабанов лебедок напора и подъема соответственно, рад/с.

Машинист экскаватора, управляя одновременно командоконтроллерами скорости подъема и напора, практически не может обеспечить оптимальную кардиоидаль-ную траекторию копания. Поэтому нами предлагается принципиальная схема автоматического управления приводом механизма напора экскаватора (рисунок 4), позволяющая машинисту задавать только скорость подъема ковша, при этом скорость напора автоматически обеспечит его движение по кардиоидальной траектории.

Рисунок 4- Принципиальная схема автоматического управления приводом механизма напора экскаватора: а —угол резания Зг при движении ковша по кардиоидальной траектории копания; б - алгоритм управления приводом механизма напора и система первичных датчиков

Схема автоматического управления приводом механизма напора экскаватора (рисунок 4) включает систему первичных датчиков с аналого-цифровыми преобразователями, процессор и двухканальный пропорционально-интегральный регулятор при заданных значениях углов: ап — начальной угловой координаты рукояти; р0 -угла отклонения подъемного каната от вертикали в начале черпания.

В процессе выемки слоя породы па ковш экскаватора действует сила реакции забоя Р, которую можно представить в виде ее ортогональных составляющих: Рт, направленной по касательной к траектории движения ковша (кардиоиде) и нормальной составляющей Рп, направленной по радиусу кривизны р траектории движения (рисунок 5).

Касательная сила сопротивления породы копанию прочностью а (Н/м2) на ковше определится, как:

+ b)[sin(а0 + /3,,)-sin сс0]¿()/7кдПкопод ^ ^ где k¿u,kdii~ коэффициенты динамичности приводов подъема и напора ковша экска-

Рисупок 5 — Схема сил действующих на рабочее оборудование экскаватора в процессе черпания

ватора соответственно, характеризующие уровень колебаний касательной составляющей силы сопротивления породы копанию с учетом жесткости электромеханических систем (ЭМС) приводов подъема и напора ковша экскаватора; kóno() - коэффициенты динамичности механизма подвески стрелы экскаватора; В — ширина ковша, м.

Нормальная составляющая силы сопротивления породы копанию в соответствии с результатами, полученными ранее, определяется из соотношения:

+ ¿)[sin(a0 + Р,,)- sin аа~\kt¡¡/k]nk:lnM ,H, (7)

где wfPM - сила трения (в основном передней стенки) ковша о породу по траектории забоя, Н; у/ — коэффициент, характеризующий отношение нормальной к каса-

тельной составляющей силы сопротивления породы копанию, равный ц/ = 0,3...0,7, причем большее значение коэффициента соответствует экскавации связанных пластичных, а меньшеекрепких и хрупких пород; / - коэффициент трения стали о породу.

Сила сопротивления движению ковша Ря (рисунок 5) до высоты стружки - Л определена как произведение модуля ускорения на массу движущегося груженого ковша:

ад,)-

2 ,И) (В)

где ри - плотность разрыхленной породы в ковше, кг/м3; кк - безразмерный коэффициент равный кк = тК/р„Е. /я^- приведенная к траектории движения масса

)

ковша, кг.

При скорости разрушения горной породы до 3 м/с одним из основных условий рационального отделения стружки от массива является сохранение определенного положения зубьев ковша экскаватора относительно траектории его движения. Однако в процессе экскавации зубья ковша подвергаются абразивному изнашиванию, приводящему к их постепенному затуплению и соответственно к изменению величины угла резания ¿¡,

В настоящее время на железорудном карьере ОАО «Стойленский ГОК» на экскаваторах ЭКГ-8И и ЭКГ-10 используются сменные зубья ковша конструкции ООО « ИЗ — КАРТЭКС им П.Г. Коробкова», отливаемые из износостойкой высокомарганцовистой стали 110Г13Л (рисунок 6, а). В соответствии с инструкцией по технической эксплуатации величина износа зубьев ковша не должна превышать 120... 140 мм, что соответствует углу заострения зуба а , равному 60 градусов. Зубья с износом более 140 мм считаются непригодными для дальнейшей эксплуатации. Однако на практике в условиях дефицита зубьев их предельный износ может достигать 200 мм, что соответствует углу заострения зуба а, превышающему 60 градусов. Работа экскаватора с такими зубьями характеризуется увеличенными нагрузками на его рабочее оборудование, повышенным износом режущей кромки и передней стенки самого ковша и соответственно увеличением энергоемкости процесса копания за счет увеличения отношения нормальной к касательной составляющей силы сопротивления породы копанию (увеличению коэффициента !//).

Рудоуправление Стойленского ГОКа совместно с Московским государственным горным университетом в течение 2008-2009 годов с целыо увеличения износостойкости зубьев поэтапно занималось совершенствованием конструкции и технологии изготовления зубьев ковша экскаватора ЭКГ -10 (рисунок 6, б).

Первый этап включал работы по совершенствованию технологии литья зубьев «ИЗ-КАРТЭКС» методом борирования - насыщением карбидом бора рабочих поверхностей зуба при литье.

Второй этап включал работы по совершенствованию формы зубьев, в результате которых была предложена инновационная конструкция зуба с увеличенным на 70...80% объемом его истираемой части. Такая форма зуба позволяет сохранить на-

Рисупок 6 - Конструкция зуба: я - «ИЗ-КАРТЭКС им. П.Г. Коробкова» ; б - конструкция зуба РУ СГОК совместно с МГГУ

чальный угол заострения (а =22...25°) одинаковым до замены зубьев , то есть до величины предельного износа в 250 мм (см. рисунок 6, б).

Испытания износостойкости экспериментальных партий зубьев проводились на пяти экскаваторах железорудного карьера ОАО СГОК октябре - ноябре 2008 года. Исследованиями износостойкости установлено, что эксплуатация вооружения ковша карьерного экскаватора с неборированными зубьями инновационной конструкции позволяет увеличить стойкость (средний объем добычи руды на один комплект зубьев) одного комплекта зубьев в 2,82 раза по сравнению с зубьями базовой небориро-ванной и 1,5 раза по сравнению с борированными зубьями базовой конструкции. В то же время стойкость борированного зуба конструкции ООО « ИЗ — КАРТЭКС » по сравнению с неборированным увеличилась только в 1,8 раза.

Известно, что поворот экскаватора с рабочим оборудованием «прямая напорная лопата» и его возврат в забой занимает до двух третей длительности рабочего цикла, определяющего производительность современного карьерного оборудования.

Сегодня работа сил сопротивлений движению поворотной платформы экскаватора Аг определяется из уравнения кинетической энергии системы «двигатель - поворотная платформа» с учетом разгона и торможения платформы во время поворота экскаватора с груженым и порожним ковшом:

Аг=Ал+АГт , Нм. (9)

Работа сил сопротивлений движению поворотной платформы экскаватора с учетом ее разгона и торможения Ап во время поворота экскаватора с груженым и порожним ковшом составляет: Ап = 2k,eo^u (/г + /„ ), Нм, (10) где Л , /„ - моменты инерции поворотной платформы экскаватора, кг м2; к,= 1,1- коэффициент, учитывающий условную работу сил инерции якоря электродвигателя; (оnx ~ угловая скорость вращения платформы, рад/с.

Работа, затраченная подъемным и напорным механизмами при повороте платформы экскаватора АГт, Нм:

Гт ~ \кпкдп + укнкт\, Нм, (11)

где кп , кц- коэффициенты загрузки приводов подъема и напора во время поворота экскаватора с груженым и порожним ковшом, кп =0,365, кц =0,715; p(ßfl) - радиус кривизны части траектории, соответствующей центральному углу (кардиоиды) контакта ковша экскаватора ßH.

С целью упрощения математического аппарата моменты инерции поворотной платформы экскаватора - 1г , 1„ предложено определять как произведение массы на квадрат кардиоидального радиуса инерции по нижеследующим зависимостям:

— с груженым ковшом при поворотном движении к месту выгрузки:

. 1г=^(тК + т„)р1,кги2- (12)

- с порожним ковшом при поворотном движении в забой:

h = knmKp2M , кгм2, (13)

где кг ,к„ - коэффициенты, учитывающие моменты инерции вращающихся частей (поворотной платформы, стрелы с блоками, ковша с породой и без нее относительно

оси вращения платформы) при повороте с груженым и порожним ковшом, соответст-

<1 /

венно, составляют: кг = +тп)р1,; (14)

и /

(15)

¿i

здесь

^, S — действительный (или расчетный) суммарный момент инерции ;=i í=i

платформы экскаватора при поворотном движении к месту выгрузки и при возврате в забой с груженым и порожним ковшом соответственно, кг м2; тк, т„ - масса ковша и породы соответственно, кг; p^,pnn - кардиоидальные радиусы инерции маховых масс поворотной части при движении экскаватора с груженым и порожним ковшом соответственно, м.

На основе выполненных расчетов линейных и массовых параметров экскаваторов ЭКГ - 8И, ЭКГ - 10 (изготовитель ООО « ИЗ- КАРТЭКС им П.Г. Коробкова) и ЭКГ- 12,5 (изготовитель ПО «Крастяжмаш») установлено, что коэффициенты, учитывающие момент инерции вращающихся частей для экскаваторов с рабочим оборудованием «прямая напорная лопата», составляют кг= 1,6 ,62, к„ = 2,3 н- 2,31. Причем большее значение коэффициентов соответствует конструкции экскаваторов с меньшей вместимостью ковша.

Что касается кардиоидальных радиусов инерции маховых масс рп,, рпп поворотной платформы экскаватора, то здесь следует отметить, что они определяются при движении с груженым ковшом на выгрузку и при движении с порожним ковшом в забой на угол <p = tp3( рисунок 7) по зависимостям :

Рт = Л + Pm» cos(/r/3 - 2/Ц м.

Рпп=гх + р^та м (17)

Средний радиус инерции р„ов маховых масс поворотной платформы экскаватора за время (t^ + t„„) поворота в горизонтальной плоскости при движении с груженым ковшом на выгрузку и при движении с порожним ковшом в забой на угол <р = ср3 определится как среднее арифметическое значение радиусов инерции при движении платформы экскаватора с груженым и порожним ковшом:

Рт = Р"' \ Р"" = 1 + 0,5+ ¿Icos(/г/3 - 2Д,)+ 0,75sinа0]

2 ,м. (18)

Таким образом, установлено, что минимальный уровень статического нагруже-ния (Рт min, Рп —> min, ) рабочего оборудования в процессе отработки экскаватором породного уступа может быть достигнут только при оптимальных параметрах кар-диоидальной траектории движения (р„,м, рю ¡n, t0) и конструкции вооружения ковша экскаватора (<5i= const).

В третьей главе рассмотрены теоретические аспекты рабочего процесса упру-годемпфирующих устройств.

Известно, что реальный процесс формирования сил сопротивления является динамическим (кдя>1, кАП>\), поэтому для уменьшения потерь производительности актуализируется задача снижения динамики приводов подъема и напора в процессе отработки породного уступа экскаватором с рабочим оборудованием «прямая напорная лопата» (кд> min, käп—> min).

Проблемы динамических явлений в горных машинах, в том числе в карьерных экскаваторах, нашли отражение в трудах докторов технических наук Панкратова

' ' Г" "

rf' ft'V ч* i

s 1

«f.-

£ ~

"Л i i

С i .

t__' U

J j-

I

Г, ■ HS

Рисунок 7— Расчетная схема определения радиусов ииерции маховых масс поворотной платформы экскаватора: а - момент окончания черпания; б, г- момент начала разгрузки; в - момент начала черпания

С.А., Волкова Д.П., Красникова Ю.Д., Черкасова В.А., Подэрни Р.Ю., Каминской

Д.А., Громадского A.C. и многих других российских ученых.

Сегодня задача стабилизации рабочего процесса экскаватора решается путем применения упругодемпфирующих устройств (УДУ).

Выполненный нами анализ многокомпонентных упругодемпфирующих устройств и принципиальных схем их включения в механизмы подвески, подъема и напора экскаватора показывает целесообразность использования в узлах одноковшовых экскаваторов в качестве малокомпонентного и высоконадежного упругодемпфи-рующего устройства пневматической шины, как имеющей наибольшую работу упругих сил на единицу ее веса и наименьший вес на единицу нагрузки.

С целью унификации конструкции пневматической шины УДУ для всех механизмов рассматриваемых моделей экскаваторов выбрана шина марки Фбел - 199, применяемая в скреперах, фронтальных погрузчиках и автогрейдерах практически на всех железорудных карьерах РФ.

Упругодемпфирующее устройство с пневматической шиной, устанавливаемое в реактивном звене механизма или привода экскаватора, состоит из пневматической шины, рычага, регулируемого упора и пневмогидравлической системы (рисунок 8).

го экскаватора с пневматической шиной

Упругодемпфирующее устройство с пневматической шиной работает следующим образом (см. рисунок 8):

В процессе экскавации породы распределитель Р находится в крайнем нижнем положении. Периодическое изменение нагрузки в приводе экскаватора вызывает соответствующие силовые периодические возмущения в реактивном звене 5, которые посредством натяжной муфты 4 передаются рычагу 3, в результате чего деформируется пневматическая шина. При этом энергия динамической составляющей нагрузки в приводе экскаватора рассеивается дросселем Др, установленным между гидравлическими полостями пневмогидравлических аккумуляторов АК1 и АК2. При умень-

15

шении нагрузки в реактивном звене 5 обратный клапан К01 обеспечивает неразрывность потока рабочей жидкости между гидравлическими полостями аккумуляторов АК1 и АК2. Уровень настройки предохранительного клапана КП соответствует максимальному контурному давлению ртах на протектор шины (полному исчерпанию хода упора) 6. Наполнение пневматических полостей аккумуляторов АК1 и АК2 и пневматической шины ШП осуществляется до зарядного давления р0 бортовым компрессором экскаватора, при этом распределитель Р устанавливается в крайнее верхнее положение, соединяя между собой пневматические полости аккумуляторов АК1 и АК2.

Радиальная нагрузка - GK(y) пневматической шины УДУ (рисунок 9) приводит к прогибу шины и возникновению площади её контакта с опорной поверхностью рычага 3. Величина прогиба определена из уравнения, предложенного доктором техн.

наукВ.Л. Бидерманом: уг—a,G' у = о, (19)

Ро+Еш

где «1 — постоянная величина; dnJ — диаметр беговой дорожки шины, м; гп - радиус поперечной кривизны протектора шины, м; аг - постоянная величина для шин грузовых автомобилей, равная 2,2-10'8 м2/^; Ро - зарядное давление воздуха в пневматической шине, Па; Еш - приведенный модуль упругости шины под действием радиальной нагрузки GK.

Что касается аналитического представления объема и формы деформации пневматической шины, то здесь следует отметить, что с целью упрощения аналитического аппарата тороидальный объем уменьшения газа AV под действием радиальной силы GK представлен в виде правильной пирамиды с площадью основания SK(y) и высотой у. То есть с объемом равным Д V=l/3y SK(y).

Радиальная жесткость УДУ Суду с пневматической шиной определена как частная производная от реактивной нагрузки Рк(у) в функции прогиба у при известных зарядном давлении р0 и приведенном модуле упругости шины Еш, Н/м:

cw(y0 +y)JJAE^±A = -уГ v , (20)

где куду - коэффициент, учитывающий увеличение объема газа за счет пневмогид-равлических аккумуляторов.

В свою очередь приведенный коэффициент демпфирования пневмогидравличе-ского УДУ получен из уравнения расхода рабочей жидкости через сечение дросселя

иБар К)р, предложенного доктором технических наук, профессором Ковалем П.В., с учетом параметра регулирования сечения дросселя и, коэффициента, учитывающего увели-

О уменьшение ~ объема газа в шине

2 опорная поверхность рычага

Рисунок 9 - Расчетная схема определения уменьшения объема газа в шине под действием радиальной нагрузки

чение объема газа за счет пневмогидравлических аккумуляторов куду , размерного параметра пропорциональности X , коэффициентов, характеризующих параметры шины £ а3 и показателя политропы п:

,кг/ м,

(21)

где размерный параметр пропорциональности Я коэффициента демпфирования пневмогидравлического УДУ и коэффициенты £ аз для шины Фбел- 199 принимают значения:2 = 82-109 кг/м5/2; £ = 0,348ит; а, =0,103 м2; Щ=2,35-Ю11 м0'3.

Четвертая глава посвящена исследованию динамики процесса экскавации. В процессе черпания изменяются длины деформируемых частей канатов. Линейная жесткость си с учетом модуля упругости материала каната при растяжении Ес = 2,1-10й Па, в функции центрального угла контакта ковша экскаватора с забоем рн составляет: С„(/?/;) = 0,25лП(,1,(/?;;)5_/-с,Н/м, (22) где пк - число параллельных ветвей канатов г- го механизма экскаватора, ед, ; -сечение одного каната, м2; - размерный коэффициент / -го механизма экскаватора равный:

для конструкции подвески стрелы кпа) (/?„) = пктй // механизма подъема

,м

/ ьоь{р„-гра)

(23)

механизма напора

Ф,г)= V

^--2лО п я'пач(Р" + а»)

,м"\ (25)

_и„ (1 + 5т(а0+£„))««(/?„-2Д,)

Анализ зависимостей линейной жесткости канатов ск(Ри) механизмов подвески стрелы (23), подъема и напора (24, 25) ковша карьерного экскаватора ЭКГ-10 от величины центрального угла [¡и контакта ковша с породным массивом при черпании показал, что: величины жесткостей канатов механизмов подвески стрелы и напора ковша экскаватора ЭКГ-10 практически не зависят от изменения центрального угла Ри контакта ковша с забоем. Причем линейная жесткость канатов подвески стрелы в 16 раз больше, чем линейная жесткость канатов механизма напора и составляет 16-Ю7 Н/м; в диапазоне изменения центрального угла контакта ковша с забоем 0 <[],, < 0,97л/4 жесткость канатов механизма подъема нелинейно возрастает с величины 6,3-107 Н/м, а в диапазоне изменения центрального угла 0,97л:/4 = /?я< л/3 практически равна бесконечности; для определения жесткости канатов механизма напора ст в диапазоне изменения центрального угла контакта ковша с забоем 0 < < я/3 с достаточной степенью точности размерный коэффициент к„ С/?//) можно определять по формуле: к„ {[!,,) = пт ¡\кШ ,м"'. (26)

Для решения задач динамики, в частности исследования колебаний элементов рабочего оборудования (верхней секции стрелы и рукояти с ковшом) экскаватора, были сформированы принципиальные динамические модели (рисунок 10). Так, механизм подвески стрелы представлен в виде одномассной динамической системы с обобщенной координатой <р„од (рисунок 10, а), а механизмы напора и подъема ковша экскаватора представлены в виде двухмассных динамических систем с обобщенными координатами щт <р6н и (р<!п, <рбп (рисунок 10, б, в) соответственно.

б 1дя

[ Спад

тг>

/>г(г)

ч Ж/

V-1/

а

X

Рисунок 10- Принципиальные динамические модели механизмов: а - подвески стрелы; б — подъема; е - напора карьерного экскаватора

Уравнения движения ((27), (28), (29) рисунок 11) элементов рабочего оборудования карьерного экскаватора в функции обобщенных координат (для принципиальных динамических моделей его механизмов - рисунок 10) получены на основе уравнения Лагранжа второго рода. Для оценки влияния инерциальных, жесткостных и

аг ш

Р, (р„) = 0,5аВ{кЬ + ¿Х^^СТо +/?„)- ¡¡¡п а0)

(27)

инновационная конструкция подвески стрелы

7ТчЩ'

Базовая'ынструкция

подвеет стрелы, 0,066 г-/м=0,475Шй, £Еюд=0'М ро=0,4 МЯа, ~1Х£к#=0,68

О 0.5 1.0 1.5 2,0 !Л

Отношение вынужденной н собственной частот

> м<

с*

шс, —

4,(0

(и с о

** "-тЛчж

У.Щ. ш

V™

^ (А/)=05о5(лл+¿^¡яК +Д,)-мпоь)

(28)

инновационная конструкция подъема ковша

0 0.5 1.0 1.5 г.0 15

Отношение вынужденной и собственной частот

Рг ) = 0,5аВ(а, + + А/)" вш «о]

(29)

инновационная конструкция напора ковша

ц 0.5 1.0 1,! 2,0 2.5

Отношение вынужденной и собственной частот

V РА

Рисунок 11 - Дифференциальные уравнения движения элементов рабочего оборудования карьерного экскаватора: а - подвески стрелы; б - подъема; в -напора карьерного экскаватора.

В уравнения (27), (28) и (29) входят: 1„с, /,>„, /¿,„ , /д„ - динамический момент инерции верхней секции стрелы (относительно оси напорного вала экскаватора), электродвигателя постоянного тока, барабанов механизмов подъема и напора экскаватора (с учетом маховых масс рукояти с ковшом), приведенные к валу электродвигателей, соответственно, кг м2; 1вс- длина верхней секции стрелы экскаватора, м; ¡р„ ,1Р„ - передаточное отношение редуктора лебедки подъема и напора соответственно; /„„, /„„ - коэффициент полиспастности запасовки канатов подъема и напора соответственно; к¡¡ицц- суммарная жесткость трансмиссии и суммарный коэффициент демпфирования привода] - го элемента / - го механизма карьерного экскаватора, Нм/рад; Тд - постоянная времени, Тд - 2 с; V,- — условный коэффициент крутизны статической характеристики электродвигателя постоянного тока г - го механизма экскаватора; — обобщенная угловая координата вращения вала электродвигателя постоянного тока I - го механизма экскаватора, рад; Юа - скорость вращения вала электродвигателя постоянного тока / - го механизма экскаватора при нулевой нагрузке, рад/с; Мы -крутягций момент электродвигателя / -го механизма экскаватора соответственно.

демпфирующих параметров электромеханических систем рабочего оборудования на спектр их колебаний принят коэффициент динамичности нагрузки км(/„//с), для г -го механизма экскаватора (рисунок 11 а, б, в) определяемый в функции амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) его электромеханической системы по формуле:

*,»(/»Ш=1+лщг,.(/„//с). (30)

Математические модели систем «подвеска стрелы, подъем и напор ковша - забой» (уравнения движения электромеханических систем экскаватора) представляют собой системы однородных дифференциальных уравнений. Интегрирование (моделирование) уравнений движения было выполнено методом Рунге - Кутта по программе, разработанной на кафедре Горные машины и оборудование МГГУ доцентом Сандаловым В.Ф. Программа обеспечивает относительную ошибку в резонансной зоне по амплитуде не более 8 %, а по частоте не более 0,5%.

Анализ зависимостей (30), приведенных на рисунке 11, а, б, в, показал, что при введении пневмогидравлического УДУ в электромеханическую систему механизмов экскаватора минимальный коэффициент динамичности рабочего оборудования соответствует минимально возможной жесткости, ограниченной зарядным давлением ро = 0,4 МПа, обеспечивающим заданную величину начального прогиба уп пневматической шины, и максимальной величине коэффициента демпфирования.

При этом наблюдается увеличение коэффициента динамичности на собственных частотах колебания нагрузки на валах электродвигателей механизмов подъема и на

пора экскаватора. . . •

Для уяснения влияния динамичности рабочего процесса экскаватора на его производительность разработана многопараметрическая имитационная модель (система совместных нелинейных алгебраических уравнений (31)) удельной технической производительности экскаватора Qy с учетом динамического процесса формирования сил сопротивления на его рабочем оборудовании. Под удельной технической производительностью экскаватора принята величина, обратная суммарной энергоемкости {HWk — копания и //)f,/ - поворота экскаватора) процесса отработки уступа за один цикл работы экскаватора в зависимости от угла его поворота в забое <р3.

Pt{ßH)=Q,5aB(kL+blsm(a0+ßn)-sma0\H;

К ißл)=0,5ст(/#(1+/)(fcL+ft)[sin(a0 +/?„) -sina0 ], Я; • Р,(А„)=4Р,АК +l\kL+b)smd,5{aa +ß„),H\ (31)

Hm =2k,ü/mpn{r1 +0,5(iX+6)[co^/3-2/?0)+0,75sin«0]}2 x

y[kXK фкХЬ&Ьг^кЬ+Ь)2 x

Qy =4(1+2 CPJ<PXHm

. Вт

Результаты моделирования системы совместных нелинейных алгебраических уравнений, учитывающие влияние параметров экскаватора, работающего в забоях с различными технологическими и прочностными параметрами, приведены на рисунке 12, а, б, в. Анализ зависимости удельной технической производительности экскаватора от прочности породы и коэффициента динамичности свидетельствует, что минимальный уровень затрат на проектирование, изготовление и техническое обслуживание достигается при оснащении УДУ пневматической шиной с минимально возможной жесткостью (Суду (уо+у) —> min) при зарядном давлении р0, обеспечивающем заданную величину начального прогиба шины уо только механизма напора ковша экскаватора (рисунок 12, в).

Таким образом, многопараметрическая имитационная модель определения уровня удельной технической производительности экскаватора (система совместных нелинейных алгебраических уравнений - (31), позволяет учесть влияние конструк-

21

а систему уравнении (л 1 ) вхо-дят:кк - коэффициент, характеризующий отношение масс ковша и породы, равный fa =1,5; ц - КПД механизмов экскаватора; y/mm - коэффициент, характеризующий минимальное отношение нормальной к касательной составляющей силы сопротивления породы копанию

тивных (Е,Н, г, Г], Ь, Ъ, В,Д рп, кк), кинематических {а>п, сон, <р), силовых( N¡1, Ни, ЯПое,к1 ,кг, кп) , жесткостных ( с„{/?и), суду, к„ кг, ), диссипативных (м;, /ля ,Цуду) и инерциальных (1(Р), ¡о ,/7) динамических параметров экскаватора, работаю-

Рисупок 12 - Зависимость удельной технической производительности - ()у от коэффициента динамичности процесса формирования сил сопротивления на рабочем оборудовании экскаватора ЭКГ-10 - к,и при различной прочности - а экска-вируемой породы для: а-подвески стрелы, б — подъема и е - напора ковша; линии 1 и 2 соответствуют удельной технической производительности базовой конструкции механизма экскаватора и оснащенной УДУ соответственно

щего в забоях с различными технологическими и прочностными характеристиками (а

, Рп, кр, щ).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основе выполненных исследований дано новое решение актуальной научной задачи: разработки комплекса научно-технических мероприятий для обоснования и выбора рациональных динамических параметров рабочего оборудования карьерных экскаваторов, эксплуатирующихся в различных горнотехнических условиях в зависимости от их конструктивных, кинематических, силовых характеристик.

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

1. Установлено, что траектория движения ковша, близкая к оптимальной, образуемая путем сочетания подъема со скоростью Уп и подачи (напора) ковша на забой со скоростью У1Г должна соответствовать однополюсной конхоиде (кардиоиде);

2. Движение вооружения ковша по оптимальной кардиоидальной траектории копания может быть получено путем автоматического регулирования скоростей вращения барабанов подъема о>ц и напора ыц по установленной в настоящей работе анали-

тической зависимости - соц = шц (Р\\), обеспечивающей постоянство значений угла ц)\ между передней стенкой ковша и радиусом-вектором р (/>п) и угла резания

3. Разработана конструкция зуба ковша экскаватора и экспериментально установлено, что эксплуатация вооружения ковша карьерного экскаватора с неборированны-ми зубьями модернизированной конструкции позволяет увеличить средний объем добычи руды в 2,82 раза по сравнению с зубьями базовой неборированной и 1,5 раза по сравнению с борированными зубьями базовой конструкции.

4. Разработана принципиальная схема пневмогидравлического адаптированного к условиям эксплуатации на современных горных предприятиях упругодемпфирую-щего устройства с пневматической шиной, устанавливаемого в подвеске стрелы или в приводах подъема и напора ковша экскаватора и позволяющего воспринимать динамические реактивные колебания от сил сопротивления движению ковша экскаватора.

5. Установлено, что величина жесткости канатов механизмов подвески стрелы и напора ковша экскаватора ЭКГ-10 практически не зависит от изменения центрального угла контакта ковша с забоем - /?№ Причем линейная жесткость канатов подвески стрелы в 16 раз больше, чем линейная жесткость канатов механизма напора, и составляет 16-107 Н/м. В то же время жесткость канатов механизма подъема нелинейно возрастает с величины 6,3-107 Н/м (в диапазоне изменения центрального угла 0 < /?я< 0,97я/4) практически до бесконечности (в диапазоне изменения центрального угла 0,9771/4 = Ри< к/3).

6. Установлено, что при введении упругодемпфирующего устройства с пневматической шиной в динамическую систему механизмов рабочего оборудования экскаватора с учетом жесткости канатов его минимальный коэффициент динамичности соответствует жесткости пневматической шины (Фбел -199), ограниченной зарядным давлением р0 = 0,4 МПа, обеспечивающим допустимый начальный прогиб шины при максимальной величине коэффициента демпфирования

7. Установлено, что минимальный уровень затрат на проектирование, изготовление и техническое обслуживание достигается при оснащении УДУ только механизма напора ковша экскаватора. Поскольку при динамическом процессе формирования сил сопротивления на рабочем оборудовании экскаватора ЭКГ-10 уменьшение коэффициента динамичности подвески верхней секции стрелы на 21%, подъема ковша на 11 % и напора ковша на 26 % приводит к увеличению удельной технической производительности экскаватора: для взорванных связанных и пластичных пород (а = 2,0 МПа) с

1,35 до 1,44 ; с 1,34 до 1,421 и с 1,38 до 1,51 на 10"7; для взорванных крепких и хруп-

23

ких пород (а=4,0) с 1,15 до 1,23 ; с 1,1 до 1,21 и с 1,17 до 1,28 на 10"7 метров кубических в секунду на ватт установленной мощности соответственно;

8. Основные результаты диссертационной работы нашли применение в плановых проектно-конструкторских разработках ООО «ИЗ-КАРТЭКС им. П.Г. Коробко-ва» на 2012-2014 гг. по совершенствованию существующих и созданию инновационных конструкций рабочего оборудования карьерных экскаваторов. Основные положения диссертации отражены в следующих работах, опубликованных:

в ведущих рецензируемых научных эюурналах:

1. A.A. Грабский, В.П. Свинарчук. Обоснование параметров вооружения рабочих органов карьерного оборудования // Уголь-2010- №10 - С. 71-73

2. М.Р. Хромой, В.П. Свинарчук, П.В. Свинарчук. Изнашивание и самозатачиваемость вооружения ковша карьерного одноковшового экскаватора// Горное оборудование и электромеханика. - 2011- №2 - С. 13-16

и в других научных изданиях:

3. П.В.Свинарчук, В.П. Свинарчук. Параметры нагружения основных механизмов экскаватора при отработке уступа//«Современные техника и технологии горнометаллургической отрасли и пути их развития». Мат-лы международной научно-технической конференции - Навои: Изд-во НГМК, 2010.- С.182-183

4. М.Р. Хромой, П.В. Свинарчук, В.П. Свинарчук. Обзор и анализ параметров конструкций упругодемпфирующих устройств // Научный вестник МГГУ. выпуск 8. -2010. С. 106-113, http:// vestnik.msmu.ru

5. В.П. Свинарчук, P.A. Бочаров. Анализ силовых и кинематических параметров поворотных механизмов современного карьерного оборудования цикличного действия // Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых.Материалы 7 Международной школы молодых ученых и специалистов - 2010,- с.247-250.

6. A.A. Губенко, В.П. Свинарчук. Обзор и анализ параметров конструкций упруго-демпфирующих устройств // Научный вестник МГГУ. выпуск 1. - 2011. С. 12-16, http:// vestnik.msmu.ru

Подписано в печать ^а/у/}/! 2012 Формат 60x90/16

Объем 1п.п._Тираж 100 экз._'_Заказ №

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

61 12-5/2040

УДК 622.015.002.5 МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Свинарчук Василий Петрович

ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ КАРЬЕРНЫХ ЭКСКАВАТОРОВ

Специальность 05.05.06 - «Горные машины»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Хромой М.Р.

МОСКВА 2012

Содержание

Стр.

Введение........................................................................................ 4

1 Состояние вопроса, цель и задачи исследования................................. 8

1.1 Современное состояние и перспективы развития конструкций карьерных механических лопат .................................................................................... 8

1.2 Основные результаты исследований нагрузок в металлоконструкциях и обзор методов снижения динамических нагрузок в копающих механизмах карьерных мехлопат.................................................. 11

1.3 Цель, задачи и алгоритм исследования............................................ 16

Выводы по главе............................................................................. 19

2 Исследование параметров технологического нагружения механизмов подъема, напора ковша и поворота экскаватора................................. 20

2.1 Кинематические особенности рабочего процесса экскаватора с рабочим оборудованием «прямая напорная лопата»................ ...................... 20

2.2 Формирование сил сопротивления в процессе отработки породного уступа экскаватором с рабочим оборудованием «прямая напорная лопата».................................. .............................................. 30

2.3 Обоснование оптимальных параметров траектории движения и конструкции вооружения ковша экскаватора................................ 49

Выводы по главе................................. ............................................. 60

3 Теоретические основы рабочего процесса упруго демпфирующих устройств............................................................................... 63

3.1 Статические и динамические параметры упруго демпфирующих устройств............................................................................... 63

3.2 Принцип действия и конструктивные параметры пневматического упругодемпфирующего устройства............................................... 72

3.3 Математический аналог пневматического упругодемпфирующего устройства механизмов карьерных экскаваторов.............................. 83

Выводы по главе....................................................... ...................... 95

4 Исследование динамики процесса экскавации..........................................................................97

4.1 Жесткостные параметры динамических систем механизмов карьерного ^ экскаватора................................................................................

4.2 Диссипативные и инерциальные параметры динамических систем

механизмов карьерного экскаватора..............................................................................................105

4.3 Математическая модель (уравнения движения) динамических систем механизмов карьерного экскаватора................................................................................................111

Выводы по главе............................................................................................................................................................125

Заключение........................................................................................................................................................................128

Список использованных источников информации............................................................................131

Приложение............................................................................................................................................................................142

Введение

Актуальность работы. Железорудная промышленность является одной из ведущих отраслей, базирующихся на мощной минерально-сырьевой базе Курской магнитной аномалии (КМА). По подтвержденным запасам железистых кварцитов РФ занимает ведущее место в мире. Основные запасы железистых кварцитов в РФ в основном сосредоточены в районах со сложными горно-геологическими условиями.

Сегодня открытый способ разработки твердых полезных ископаемых неоспоримо превалирует как в мировой горной промышленности, так и в России и республиках постсоветского пространства.

В настоящее время российские производители не смогли предложить карьерные механические лопаты с вместимостью ковша более 15 м с опытом эксплуатации по добыче железных руд. Основу парка выемочно-погрузочных машин России составляют экскаваторы - ЭКГ-8И, ЭКГ-10 и их модификации производства ООО « ИЗ-КАРТЭКС им. П.Г. Коробкова », однако, длительный опыт эксплуатации карьерных экскаваторов показал их недостаточно высокую производительность при выемке взорванных скальных пород (в основном железных руд). Это объясняется тем, что техническая производительность карьерного экскаватора при заданных его конструктивных и энергетических параметрах зависит не только от технологических, но и от динамических параметров рабочего оборудования, хотя современная стратегия ООО « ИЗ-КАРТЭКС им. П.Г. Коробкова» предусматривает переход к выпуску современных экскаваторов ЭКГ-12К, ЭКГ-20 и ЭКГ-30.

Поэтому разработка комплекса научно-технических мероприятий для обоснования и выбора рациональных динамических параметров рабочего оборудования карьерных экскаваторов, эксплуатирующихся в различных горнотехнических условиях в зависимости от их конструктивных, кинематических, силовых характеристик является актуальной научной задачей.

Целью работы является установление закономерностей формирования динамических параметров рабочего оборудования карьерных экскаваторов,

эксплуатирующихся в различных горнотехнических условиях в зависимости от их конструктивных, кинематических, силовых характеристик.

Идея работы заключается в минимизации коэффициента динамичности рабочего оборудования карьерного экскаватора, за счет оснащения упругодемпфирующим устройством одного из его механизмов.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

• минимальный уровень статического нагружения рабочего оборудования в процессе отработки экскаватором породного уступа, может быть достигнут при оптимальных параметрах траектории движения и конструкции вооружения ковша экскаватора, а минимальный уровень динамического нагружения рабочего оборудования экскаватора достигается оснащением одного из его приводов пневмогидравлическим упругодемпфирующим устройством (пневматической шиной) с регулируемой жесткостью и коэффициентом демпфированием;

• минимальный коэффициент динамичности рабочего оборудования экскаватора определяется минимально возможной жесткостью пневмогидравлического упругодемпфирующего устройства ограниченной зарядным давлением, которое обеспечивает заданную величину начального прогиба пневматической шины при максимальном демпфировании;

• многопараметрическая имитационная модель ( система совместных нелинейных алгебраических уравнений) отличающаяся учетом влияния конструктивных (Е,Н, г, п, L, Ъ, B,D, kk), кинематических (со1Ъ сон, сот, <р3), силовых( y/,rj, N„, NH , Nnoe ,kj kn) и динамических (кдН , кдП ; кдпод ) параметров экскаватора, работающего в забоях с различными технологическими и прочностными параметрами (а, рп, кр , а¡) на его удельную техническую производительность.

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, жидкости и

газа; теории колебаний механических систем; математического моделирования;

5

системного анализа процесса нагружения приводов рабочего оборудования карьерных экскаваторов. Относительная ошибка результатов математического моделирования составила по амплитуде 15%, по частоте 0,5%.

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей:

• изменения параметров процесса взаимодействия ковша с породой с учетом коэффициента динамичности рабочего оборудования карьерного экскаватора;

• изменения уровня удельной технической производительности карьерного экскаватора от физико-механических свойств породы, технологических, энергетических, конструктивных и динамических параметров его рабочего оборудования.

Практическое значение работы состоит в разработке методики и программного обеспечения для моделирования и расчета рациональных динамических параметров рабочего оборудования карьерных экскаваторов.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Основные результаты диссертационной работы нашли применение в плановых проектно-конструкторских разработках ООО «ИЗ-КАРТЭКС им. П.Г. Коробкова» на 2012-2014 г. по совершенствованию существующих и созданию инновационных конструкций рабочего оборудования карьерных экскаваторов и использованы в:

• технических требованиях на модернизацию рабочего оборудования карьерного экскаватора ЭКГ-10 (производства «ИЗ - КАРТЭКС им. П.Г. Коробкова»), находящегося в эксплуатации на железорудном карьере ОАО «Стойленский ГОК»;

• методике статического и динамического расчета рабочего оборудования карьерных экскаваторов оснащенных упругодемпфирующим устройством с регулируемым жесткостью и демпфированием;

• программном обеспечении для моделирования динамических характеристик рабочего оборудования карьерных экскаваторов с упругодемпфирующим устройством.

Научная новизна и личный вклад автора состоит:

• в установлении кинематических особенностей рабочего процесса экскаватора с рабочим оборудованием «прямая напорная лопата» и в обоснование оптимальных параметров траектории движения и конструкции вооружения ковша экскаватора;

• в разработке математического аналога пневматического упругодемпфирующего устройства механизмов карьерных экскаваторов;

• в моделировании процесса взаимодействия ковша карьерного экскаватора с породой при отработке породного уступа, в зависимости от прочности породы, конструктивных и кинематических параметров рабочего оборудования, а также силовых и динамических параметров приводов.

Апробация работы. Основные положения и содержание работы были доложены и обсуждены на: Международных научных симпозиумах «Неделя Горняка» в 2008, 2009, 2010, 2011,2012 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 6 работ, 2 из них опубликованы в журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых журналов.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка использованных источников информации из 107 наименований и включает 30 рисунок и 18 таблицы.

Автор выражает признательность всем сотрудникам кафедры Горные машины и оборудование МГГУ за поддержку и участие, особенно кандидатам технических наук, профессору Замышляеву В.Ф. и доценту Сандалову В.Ф. за методическую помощь при работе над диссертацией.

1 Состояние вопроса, цель и задачи исследования.

1.1 Современное состояние и перспективы развития конструкций карьерных

экскаваторов.

Горнодобывающая промышленность России на современном этапе характеризуется дальнейшим развитием открытого способа разработки полезных ископаемых. Открытый способ добычи полезных ископаемых неоспоримо превалирует сегодня как в мировой горной промышленности, так и в России и республиках постсоветского пространства.

Технология выемки полезных ископаемых на современных карьерах и разрезах основана на применении вскрышных и добычных машин большой единичной мощности. Производительность этих машин постоянно наращивают путем увеличения конструктивных элементов без изменения их принципа работы.

Одним из главных признаков различия одноковшовых экскаваторов, определяющих их назначение и область применения, является рабочее оборудование. В зависимости от назначения рабочее оборудование одноковшовых экскаваторов имеет различную конструкцию и кинематику.

Известны четыре вида рабочего оборудования прямой напорной лопаты: прямая напорная лопата с выдвижной рукоятью (механическая лопата), колено -рычажная, рычажная типа «Суперфронт» и гидравлическая.

На территории России и СНГ наиболее распространены напорные лопаты: механическая и гидравлическая [85].

У гидравлических экскаваторов, как и канатных механических лопат, прослеживается тенденция увеличения вместимости ковша, но создание крупных гидравлических экскаваторов ограничено рядом причин [100]:

• сравнимая с канатными машинами цена при меньшем в 2-3 раза сроке службы;

• высокая по сравнению с механическими лопатами себестоимость экскавации;

• невозможность селективной разработки тонких пластов;

• небольшая скорость перемещения по сравнению с меньшими типоразмерами.

Можно говорить о том, что мощные гидравлические экскаваторы при достижении условного порогового уровня вместимости ковша 20 м , теряют технологические преимущества по сравнению с механическими лопатами, а именно мобильность и возможность селективной выемки.

В 2000е годы гидравлические экскаваторы стали интенсивно поставляться на горные предприятия России и республик СНГ. К настоящему времени уже накоплен опыт эксплуатации этих машин в золотодобывающей, угольной, горнохимической и железорудной отраслях [95].

Однако гидравлические экскаваторы из-за меньшей длины стрелы и рукояти значительно уступают канатным мехлопатам по высоте отрабатываемого уступа. Так, отработка взорванного 15-метрового уступа, как показал многолетний опыт эксплуатации, успешно выполняется экскаваторами ЭКГ-10, ЭКГ-12, ЭКГ-15,а экскаваторами средней мощности и даже мощными с ковшами более 20 м3 невозможна.

Очевидно, что параметры забоя и зона погрузки автосамосвала канатным экскаватором имеют большие размеры, чем гидравлически. То есть эксплуатация мехлопаты значительно безопаснее и требует меньше передвижек.

Важным критерием выбора выемочно - погрузочных машин становится срок ее эксплуатации. Электрический канатный экскаватор может находиться в работе 1720 лет и даже более с возможностью проведения фирмой - изготовителем модернизации.

В то время как эффективный срок эксплуатации гидравлических экскаваторов 6-7 лет. Поэтому, если срок отработки месторождения более 15 лет, то для объемов горных работ, выполненных одним канатным экскаватором за весь срок службы,гидравлических машин потребуется не менее двух. Это значительно увеличивает капитальные затраты на оборудование.

Следует отметить, что конструкция мехлопат более ремонтопригодна, не требует высокотехнологического обслуживания.

Одним из важнейших факторов, влияющих на стабильность и надежность

работы экскаватора - это сложность климатических условий эксплуатации: высокие

9

и низкие температуры с резкими перепадами, которые снижают эффективность работы гидропривода. При этом мехлопаты, имеющие более широкий температурный порог, продолжают работать в штатном режиме.

Также стоит учитывать, что канатные экскаваторы более экологичны в применении, так как при их работе отсутствуют вредные выхлопы как у дизельных двигателей, и не требуется утилизация больших объемов горюче - смазочных материалов, как для гидравлических машин.

Парк выемочно-погрузочных машин на карьерах и угольных разрезах России и СНГ насчитывает порядка 6100 единиц [101].

В России одним из ведущих производителей экскаваторной техники является компания ООО «ИЗ-КАРТЭКС им. П.Г. Коробкова». Она имеет более чем 50-летний опыт производства карьерных экскаваторов. Основу парков добычной техники всех крупных горных предприятий России, Казахстана, Украины и Узбекистана составляют машины ООО «ИЗ-КАРТЭКС им. П.Г. Коробкова». Это ЭКГ-8И, ЭКГ-10, ЭКГ-12,5, ЭКГ-15 и их модификации. Производительность машин ООО «ИЗ-КАРТЭКС им. П.Г. Коробкова» постоянно наращивают путем увеличения конструктивных элементов.

Сегодня стратегия компании направлена на разработку новой линейки экскаваторов с ковшами вместимостью 10-65 м .

Эффективность применения экскаваторов обеспечивается[100]:

• высокой производительностью за счет применения ковшей большей вместимости;

• снижением расхода запчастей и трудоемкости технического обслуживания за счет увеличения ресурса основных механизмов и металлоконструкций, применения автоматической системы централизованной смазки, современных канатов большей ходимости

и других конструкторских новаций;

• применением современной системы приводов, снижающей энергопотребление;

• применением информационно - диагностической системы, обеспечивающей диагностику и защиту механического и электрического оборудования, учет основных технологич�