автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование и выбор параметров гидроимпульсного привода шнеко-фрезерного рабочего органа карьерного комбайна

На правах рдогаиси

рзрроп

Кузиев Дилыиад Алишерович

УДК 622.242 (043 3)

ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ГИДРОИМПУЛЬСЯОГО ПРИВОДА ШНЕКО-ФРЕЗЕРНОГО РАБОЧЕГО ОРГАНА КАРЬЕРНОГО

КОМБАЙНА

Специальность 05 05.06 - «Горные машины»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 2007

003162934

Работа выполнена в Московском государственном горном университете (МГГУ)

Научный руководитель кандидат технических наук, профессор

Замышляев Владимир Федорович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Островский Михаил Сергеевич (МГТУ)

кандидат технических наук Ефимов Валентин Николаевич (ЗАО «Горный конгресс»)

Ведущее предприятие ООО «МОГОРМАШ», г. Москва

Защита состоится « 13 » ноября 2007 г в 12® часов на заседании диссертационного совета Д212128 09 в Московском государственном горном университете в ауд Д-251 по адресу 119991, Москва, Ленинский проспект, 6

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета

Автореферат разослан « 12 » октября 2007 г Ученый секретарь

диссертационного совета Шешко Е.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В народном хозяйстве Республики Узбекистан горнодобывающая промышленность является одной из ведущих отраслей, базирующейся на мощной минерально-сырьевой базе. По ряду важнейших полезных ископаемых, например таких, как фосфориты, Узбекистан по подтвержденным запасам и перспективам их увеличения не только занимает ведущее место в СНГ, но и входит в первую десятку государств мира Основные запасы фосфоритов сосредоточены на Джерой-Сардаринском месторождении Центрально-Кызылкумского региона Узбекистана Этот регион является объектом деятельности Навоийского горно-металлургического комбината (НГМК)

В соответствии с программой промышленного освоения Джерой-Сардарйнского месторождения предусмотрено увеличение мощностей добывающего и перерабатывающего комплексов с доведением годовой производительности по руде до 3,6 млнт (1,8 млн м3) Сегодня один из трех детально разведанных участков Джерой-Сардаринского месторождения «Ташкура» принят в качестве первоочередного к промышленной эксплуатации

Специалистами НГМК и ВНИГШпромтехнологии предложено добычные работы производить карьерными комбайнами со шнеко-фрезерными рабочими органами, однако первый опыт их эксплуатации показал недостаточно высокую производительность при выемке рудных фосфопластов 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 виброреологических параметров

Таким образом, увеличение объемов и номенклатуры добычи фосфоритной руды может быть достигнуто на основе модернизации существующего и совершенствования перспективного добычного оборудования для выемки рудных фосфопластов

Поэтому обоснование и выбор параметров гадроимпульсного привода рабочего органа карьерного комбайна, обеспечивающих интенсификацию выемки за счет импульсного воздействия в зоне фрикционного контакта шнеко-фрезерного рабочего органа со слоем породы, является актуальной научной задачей

Цель работы - это установление закономерностей формирования сил сопротивления при фрезировании слоя породы для обоснования и выбора рациональных параметров гидроимпульсного привода рабочего органа карьерного комбайна, обеспечивающих интенсификацию выемки породы

Идея работы заключается в целенаправленном снижении сил сопротивления трению в зоне фрикционного контакта шнеко-фрезерного рабочего органа карьерного комбайна со слоем породы за счет импульсного движущего момента Научные положения, разработаппые лично соискателем, и новизна:

- техническая производительность карьерного комбайна при заданных его конструктивных и энергетических параметрах не линейно зависит не только от технологических, но и от виброреологических параметров, математическая модель взаимодействия стальной цилиндрической оболочки шнеко-фрезерного рабочего органа карьерного комбайна с породой в процессе ее фрезерования, отличающаяся тем, что она учитывает гидромеханические процессы в регулируемом по скорости гидравлическом контуре «насос—гидромотор» и виброреологические процессы взаимодействия стальной цилиндрической оболочки рабочего органа с породой в зоне их фрикционного контакта,

при одной и той же установленной мощности карьерного комбайна максимальные высота срезаемого слоя породы или скорость его движения могут быть достигнуты, только при импульсном воздействии движущего момента на шнеко-фрезерный рабочий орган за счет виброреологического эффекта в зоне его фрикционного контакта с породой Обосвованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждены исследованиями, базирующимися на апробированных методах теоретической и прикладной механики, теории дифференциальных уравнений и теории колебательных процессов, а также достаточным объемом реализаций моделирования Сходимость полученных в диссертации теоретических и экспериментальных данных при величине относительной ошибки не выше 0,15 составляет 95%

Научное значение работы заключается в разработке математической модели процесса взаимодействия шнеко-фрезерного рабочего органа с породой и в обосновании кинематических и частотных параметров гидроимпульсного привода рабочего органа карьерного комбайна с учетом физико-механических свойств породы при импульсном воздействии движущего кутящего момента

Практическое значение работы состоит, в разработке технических требований на модернизацию привода рабочего органа карьерного комбайна, инженерной методики статического и динамического расчета гидравлической схемы гидроимпульсного привода шнеко-фрезерного рабочего органа карьерного комбайна с оперативным регулированием частоты и амплитуды движущего момента, учитывающей гидромеханические процессы в регулируемом по скорости гидравлическом контуре «насос — гидромотор» и виброреологические процессы взаимодействия стальной цилиндрической оболочки шнеко-фрезерного рабочего органа с породой, в процессе ее фрезерования, в разработке программного обеспечения для моделирования взаимодействия шнеко-фрезерного рабочего органа карьерного комбайна со слоем породы в зависимости от скорости фрезерования, геометрических параметров фрезерного барабана, силовых и кинематических параметров привода рабочего органа и параметров фосфоритового пласта

Реализация выводов и рекомендаций работы. В плановых научно-технических разработках 2008 года ООО «МОГОРМАШ» на контрактной основе с Навоийским ГМК предусмотрены следующие мероприятия по совершенствованию конструкции карьерных комбайнов со шнеко-фрезерным рабочим органом

- технические требования на модернизацию привода рабочего органа карьерных комбайнов MTS 250 фирмы «MAN TAKRAF» (Германия), находящихся в эксплуатации на Джерой-Сардаринском месторождении Навоийского ГМК,

- инженерная методика статического и динамического расчета гидравлической схемы гидроимпульсного привода пшеко-фрезерного рабочего органа карьерного комбайна с оперативным регулированием частоты и амплитуды крутящего момента,

- программное обеспечение для моделирования взаимодействия шнеко-фрезерного

рабочего органа карьерного комбайна со слоем породы в зависимости от скорости фрезерования, геометрических параметров фрезерного барабана, силовых и кинематических параметров привода рабочего органа и параметров фосфоритового пласта Апробация работы. Основные положения и содержание работы были доложены и обсуждены на международных научных симпозиумах «Неделя Горняка»- в 2005, 2006, 2007гг (г. Москва, Mi l У), на Ш международном научном симпозиуме «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии» (г Орел, ОрелГТУ)- 2006г, на научном семинаре кафедры Горных машин и оборудования Mil У в 2007г, на техническом совещании при Техническом директоре ООО «МОГОРМАШ» в 2007г

Публикации. По теме диссертации опубликовано три статьи, две из них опубликованы в журналах, входящих в перечень изданий, утвержденных ВАК

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения, списка использованных источников из 51 наименования и включает 30 рисунков и 1 таблицу

Автор выражает благодарность доцентам кафедры «Горные машины и оборудование» Ml 1У Хромому MP и Сандалову В Ф. за методическую помощь при выполнении аналитических и экспериментальных исследований

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Рассматриваемый круг вопросов, связанных с обеспечением эффективности эксплуатации и конструирования приводов карьерного оборудования, системно отражен в работах ряда ученых. Большой вклад в этой области внесли А В Топчиев, Б И Сатовский, Н.Г Домбровский, А В Докукин, В И Солод, А И. Шендеров, НН Чулков, В.М Берман, В А Бреннер, ВМ Владимиров, ЛИ Кантович, ЯМ Радкевич, В В Габов, ПВ Коваль, Б Н Кутузов, ЮД Красников, РЮ Подэрни, ГЮ Козин, Л С Ушаков, НГ Картавый, ИЛ Пастоев, МС

Островский, В И Морозов, В М Рачек, Ю А Нанкин, В И Супрун, В Ф Сандалов, Р М Штейнцайг, В М Штейнцайг, А С Мельников и Б И Скурыдин

Тип привода и его особенности определяются назначением и условиями эксплуатации машин, для которых он применяется как источник энергии Естественно, что привод горных машин по этим причинам обладает рядом присущих ему свойств и особенностей, которые по мере совершенствования горного оборудования становятся все более специфичными Следует отметить, что только в редких случаях специфические особенности привода являются очевидными и, как правило, их определение является результатом глубоких исследований

Сложные колебательные процессы, возникающие в приводе, можно разделить на быстрые движения (область высоких частот) и медленные (область низких частот) Быстрые движения, определяемые колебаниями координат привода в рабочем режиме, могут быть исследованы при постоянных параметрах системы Медленные движения характеризуются в основном изменением сопротивляемости массива разрушению и жесткостью механизма подачи (ходового механизма комбайнов) при перемещении машины в забое Эти факторы определяют систему как нестационарную и требуют применения специальных методов исследования Исследованием электромеханической системы (ЭМС) импульсного привода исполнительного органа роторного экскаватора, выполненным Б.И Скурыдиным, установлены зоны устойчивой работы привода определяющиеся соотношением частот его собственных колебаний- ©с и возмущающих воздействий дебалансов импульсатора- сод

0,6 < £од/шс < 0,8 и 1,3 < шд/юс < 2,0 (1)

Наиболее благоприятной является зона юд/ шс > 1,0 , где ЭМС позволяет осуществить достаточно широкий выбор жесткостных и инерционных параметров привода Таким образом, быстрые движения, определяемые колебаниями координат привода, не оказывают существенного влияния на уровень динамического нагружения в элементах его трансмиссии при высокочастотных возмущающих воздействиях. Так, наименьший уровень нагрузок отмечен в зоне отношения частот 1,3 < озд/ <вс < 2,0 Момент, развиваемый электродвигателем, в этом случае изменялся в пределах всего на 2-4% от номинального.

С повышением энерговооруженности и динамической нагруженности приводов карьерного комбайна возрастают энергетические потери в системе, обусловленные увеличением сил сопротивления трению при выемке слоя породы, в частности шнеко-фрезерным органом, задача снижения которых заслуживает особого внимания Так, в работе Григорьева А.С. рекомендовано для эффективного осуществления процесса внедрения стальной цилиндрической оболочки в грунт применять импульсную систему подачи, т е систему, оснащенную импульсатором давления (расхода), что дает возможность при одной и той же установленной мощности продавливающей установки при ее работе с одного места стояния

существенно увеличить длину или диаметр инженерной коммуникации за счет виброреологического эффекта в зоне фрикционного контакта стальной оболочки с грунтом Поскольку в этой работе выполнено моделирование на основе решения задачи, в которой собственные частоты колебаний системы, определяемые исключительно поступательно движущейся массой и объемом рабочей жидкости, находящейся под давлением, в начале цикла продавливания стальной оболочки (в зависимости от длины), изменялись в диапазоне 40 - 150 Гц, а в конце цикла продавливания - в диапазоне 13 - 50 Гц, то зоны устойчивой работы привода не определялись '

Таким образом, пути поиска новых инженерных решений, направленных на повышение эффективности эксплуатации карьерных комбайнов при выемке рудных фосфопластов различной мощности дискретными порциями, сопряжены с установлением рациональных параметров гидроимпульсного привода шнеко-фрезерного рабочего органа карьерного комбайна

Сегодня в технической литературе практически не нашли отражения вопросы, связанные с исследованием процесса взаимодействия стальной цилиндрической оболочки шнеко-фрезерного рабочего органа с породой при ее фрезеровании под действием импульсного движущего момента и обоснованием рациональных частотных и энергетических параметров привода рабочего органа карьерного комбайна

Выполненный нами анализ основных результатов исследований дал возможность сформулировать цель и задачи настоящего исследования

Целью работы является установление закономерностей формирования сил сопротивления при фрезировании слоя породы для обоснования и выбора рациональных параметров гидроимпульсного привода рабочего органа карьерного комбайна, обеспечивающих интенсификацию выемки породы

Современные методики расчета крутящего момента рабочего органа карьерного комбайна базируются только на большом экспериментальном материале и не учитывают влияния взаимодействия стальной цилиндрической оболочки шнеко-фрезерного рабочего органа с породой в процессе ее фрезерования под действием импульсного движущего момента До настоящего времени практически отсутствуют основы расчета и выбора частотных и энергетических параметров гидроимпульсного привода рабочего органа карьерного комбайна, которые учитывали бы гидромеханические процессы в регулируемом по скорости гидравлическом контуре «насос - гидромотор»; виброреологические процессы взаимодействия стальной цилиндрической оболочки шнеко-фрезерного рабочего органа с породой в процессе ее фрезерования

Поэтому цель достигается решением следующих основных задач анализом современного состояния исследований и достигнутого технического уровня техники и технологии для безвзрывной послойной выемки прочных пород, моделированием технологического цикла рабочего процесса отработки пласта

поперечными и продольными полосами карьерным комбайном; установлением влияния эффективного коэффициента трения породы о шнек на техническую производительность карьерного комбайна со шнеко-фрезерным рабочим органом, установлением закономерностей формирования момента сопротивления разрушению слоя породы шнеко-фрезерным рабочим органом; установлением закономерностей формирования момента сопротивления трению породы о шнек при ее выемки шнеко-фрезерным рабочим органом, разработкой математической модели процесса взаимодействия шнеко-фрезерного рабочего органа с породой с учетом физико-механических свойств породы при импульсном воздействии движущего момента, моделированием процесса взаимодействия стальной цилиндрической оболочки шнеко-фрезерного рабочего органа с породой, в процессе ее фрезерования под действием импульсного движущего момента и обоснованием рациональных частотных и энергетических параметров привода рабочего органа карьерного комбайна, разработкой инженерной методики расчета схемы гидроимпульсного привода шнеко-фрезерного рабочего органа карьерного комбайна с оперативным регулированием частоты и амплитуды крутящего момента

Траектории взаимодействия вооружения у шнеко-фрезерного карьерного комбайна с породным массивом образуются в результате сочетания его поступательного движения со скоростью Ж и вращательного движения шнека со скоростью т При постоянном отношении скоростей комбайна и относительного вращения шнека эти траектории представляются удлиненными циклоидами (трахоидами) (рис 1), показанными на участке взаимодействия с забоем -кривая 1 Направление вращательного движения шнеко-фрезерного органа по часовой стрелке (рис 1-а) всегда направлено против поступательного движения комбайна А направление движения против часовой стрелки совпадает с направлением движения комбайна (рис. 1-6) За время одного оборота шнеко-фрезерного оргала некоторая точка на режущей кромке шнека, двигаясь по траектории 1 с относительной угловой скоростью аз, переместится из положения Ах в положение А2 За то же время шнеко-фрезерный орган переместится из положения I в положение П, пройдя путь Я0 с переносной скоростью Ж Перемещение 5'0 соответствует одному рабочему циклу зуба шнека с периодом-

Откуда подача шнека на один оборот составит

щг

50 = — , м/рад ( 3 )

т 4 '

Траектории движения режущих элементов в шнеке представляются идентичными кривыми, расположенными в плоскости рисунка 1, причем траектория- 2 образуется с опережением траектории 1 После прохода вооружения

по всей дуге забоя оно отделит от последнего элемент грунта, ограниченный линиями 1 и2

Толщина стружки С в плоскости рисунка 1 в любом положении точки А вооружения определится отрезком нормали к линии 1, заключенным между последней и линией 2 Точное ее определение громоздко и из-за малости величины

(на один -два порядка) скорости W по сравнению с окружной Щ- (здесь D-

диаметр окружности режущих кромок вооружения шнека) Для практических целей вполне пригодно приближенное значение, равное

С = Со Sin р, м, (4)

где q> — текущий угол поворота зуба вооружения, отсчитываемый от исходного положения точки А, 0< q> < <р0 , <ро - угол контакта витка шнека со слоем фрезеруемой породы, равный

<Ро — arcCos^X-рад, (5)

где h- высота слоя породы, м , h^ <h < [ft], здесь [ft]- максимально возможная высота слоя, определяемая конструкцией крепления цапф шнеко-фрезерного органа В свою очередь, средняя толщина стружки в плоскости рисунка 1 составит

S-2-J-.H (6)

Выемка слоя породы фрезерованием характерна тем, что шнек лишь часть траектории разрушает породу, а оставшуюся ее часть проходит без нагрузки, по воздуху Особенностью процесса фрезерования является переменная толщина стружки, и, соответственно, усилие на вооружении шнека изменяется в зависимости от его положения на траектории

Определение сил сопротивления породы разрушению производилось при следующих допущениях

- внедрение вооружения шнека происходит в изотропный породный массив прочностью a—const,

- под действием сжимающих напряжений перед вооружением шнека образуется ядро диспергированной породы, а под действием сдвигающих напряжений, появляющихся от сил, действующих перпендикулярно плоскости вращения шнека - выдавливание породы в свободное пространство между забоем и обечайкой шнеко-фрезерного органа

В процессе выемки слоя породы на шнеко-фрезерный орган действует сила реакции забоя F, которую можно определить по двум ее ортогональным составляющим Ft, направленной по касательной к окружности обечайки шнека и равной окружному усилию, и F„- нормальной составляющей, направленной по радиусу к оси окружности обечайки шнека .

Величина реакции слоя породы при фрезеровании составит

F=(Ft2+Fn2f5, Н .(7)

Точка приложения силы реакции к окружности режущих элементов шнека, в случае S0< h, имеет угловую координату <ра (см рис 2), равную

2

Сила Fz, выталкивающая шнеко-фрезерный орган из забоя, составит величину

- для варианта, работающего по схеме рис 2-а

Fz=F,Smq>a+Fn Cos(pa, Н, ( 9 )

- для варианта, работающего по схеме рис 2-6

F¿= F„ Cos<pa- F, Sirupa H (10)

А сила ^сопротивления движению карьерного комбайна определится как

- для варианта, работающего по схеме рис 2-а

Fx=Ft Cos<pa-Fn Simpa, Н, ( 11 )

- для варианта, работающего по схеме рис. 2-6

Fx =Ft Cos(pa +Fn Sirupa, Н (12)

Сегодня вопросы трения шнеко-фрезерного органа, возникающего при его работе, практически мало освещены в технической литературе Сложность учета сил трения, возникающих в резьбовом соединении «винт-гайка», впервые была установлена НЕ Жуковским Если в резьбовом соединении «винт-гайка», рассмотренном подробно НЕ Жуковским, условно принять за неподвижный «винт» - шнек, а за подвижную «гайку»- горную массу (породу), сфрезерованную шнеком, то при допущении, что распределение нагрузки между витками шнека равномерно, можно достаточно точно установить силовые соотношения в паре трения «шнек-порода»

Анализ конструкций шнеко-фрезерных органов современных карьерных комбайнов MTS 180, MTS 250, MTS 300, MTS 500, MTS 2000, фирмы «MAN TAKRAF» (Германия) показал, что число заходов шнека > 1,0 и каждый шнек имеет всего один виток на половине длины обечайки рабочего органа карьерного комбайна Для аналитического определения момента трения при транспортировании горной массы вдоль оси вращения шнеко-фрезерного органа рассмотрим силы, действующие на породу при ее взаимодействии с винтом шнека (рис 4) Под действием осевой силы F¡ виток шнека воздействует на породу, последняя прижимается к витку с нормальной силой NT в направлении, противоположном вращению В зоне контакта витка пшека с породой возникает сила трения Тш

Равнодействующая силы трения Тш и NT обозначена на рис 4 через R. Виток пшека наклонен к горизонтальной плоскости под углом а, следовательно, угол между силами Nt и F¡,будет равен о Из условия равновесия имеем:

= = —Ж—, (13)

N ¿X

' NCos— 2

Рисунок 1- Траектория движения вооружения шнеко-фрезерного рабочего органа карьерного комбайна при его вращении: а — по часовой стрелке; б - прошв часовой стрелэоя.

а

Рисунок 2- Схема сил, действующих на пшеко-фрезерный рабочий орган карьерного комбайна при его вращении: а - по часовой стрелке; б - против часовой стрелки

Рисунок 3- Зависимость удельной технической производительности Пту (в плотном теле) от

высоты слоя породы Ь

Рисунок4- Схема сил, действующих на шнек при транспортировании горной массы

Рисунок 5- Схема взаимодействия шнеко-фрезерного рабочего органа с породой в зоне фрикционного контакта

где ф- угол между силами Л и рад, /- коэффициент трения покоя шнека о породу Обычно принимается равным / = 0 4-0 65, причем меньшее значение соответствует крепким хрупким, а большее — вязким пластичным породам,

или (14)

2

Следует отметить, что НБ Жуковский определил результат (14) как «приведенный коэффициент трения резьбового соединения»

Что касается осевой силы то она определяется, как произведение удельной

работы —и2 (на сообщение кинетической энергии сфрезерованной породы) на 2?

теоретическую производительность карьерного комбайна П, деленное на скорость вращения шнека со и умноженное на половину диаметра последнего

р1=вг±Е.(!Е.)г н (15)

Полный момент сил сопротивления Мс при выемке слоя породы шнеко-фрезерным органом составит

= 1 + /Р),Нм, (16)

ЩшП

где цт- общий КПД привода и трансмиссии шнеко-фрезерного органа (г/ш= 0,85 -0,89)

В технической литературе имеются многочисленные сведения о результатах экспериментальных исследований и опытно-промышленных работах по оценке производительности фрезерных комбайнов Однако, как правило, предлагаемые методы расчета производительности Не позволяют получить результат, адекватный промышленным данным, особенно для машин с высокими усилиями резания

Эффективность работы карьерного комбайна зависит от многих взаимосвязанных между собой факторов Считается, что карьерный комбайн, являясь машиной непрерывного действия, при отработке породного пласта в общем случае имеет техническую производительность в плотном теле, равную

Яг=3,6 103 ВИШ ,м3/час ( 17 )

Естественно, что выражение (17) хотя и учитывает некоторые конструктивные ([2?],[й]) и косвенно энергетические параметры (Ж) комбайна, практически не позволяет установить величину производительности при различных значениях, например высоты слоя породы /г, ее прочности а, установленной мощности силовой установки комбайна, а также не учитывает приемов работы машиниста-оператора при фрезеровании слоя породы

В свою очередь, нами установлена зависимость энергоемкости выемки слоя породы карьерным комбайном со шнеко-фрезерным органом от его конструктивных и технологических параметров а>- скорости вращения шнеко-

фрезерного органа, (рад/с); и- диаметра окружности режущих кромок шнека (м) ; 1¥~ скорости движения карьерного комбайна при фрезировании слоя породы, сг-прочности породы, (Па), / - эффективного коэффициента трения породы о шнек, ЧР -отношения нормальной составляющей реакции к ее касательной составляющей при фрезеровании забоя, принимаемого равным 0,3 - 0,6 (причем большее значение отношения соответствует связным пластичным породам, а меньшее - крепким и хрупким), г)х>г]ш- КПД механизмов хода и вращения шнека комбайна, соответственно; <э0 - угла контакта витка шнека со слоем породы в плоскости его вращения, рад-

,Нм/м3, (18)

Hw = — 9й

i + J9 , W

г]ш т]х аО

где -функциональная зависимость, имеющая вид

- для варианта шнеко-фрезерного органа, работающего по схеме рис 2-а

= , (19 )

- для варианта шнеко-фрезерного органа, работающего по схеме рис 2-6

+¥&«!?>„ ( 20 )

Учитывая баланс мощности в приводах карьерного комбайна,

Пт НШ=ЫЖ+ЫХ (21)

Уравнение (21), после соответствующих алгебраических преобразований, может служить зависимостью для определения технической производительности (в плотном теле) в следующем виде-

Пт = г 3'6 пУ/час, (22)

1+JV , nMsbW W

т)ш г)7 wD

где N„,KZ- установленные мощности приводов вращения шнека и хода карьерного комбайна, соответственно, Вт

Поскольку карьерный комбайн работает с возможностью одновременного бесступенчатого регулирования скоростей вращения шнека со и его подачи W (скорости движения комбайна), то машинист-оператор при выемке слоя породы различной высоты h практически выдерживает безразмерное соотношение в постоянным

2W

в =-я const ( 23 )

wD к '

Что касается эффективного коэффициента трения породы о шнек, то здесь

следует отметить, что для последних лет характерно интенсивное накопление

фактов и результатов, относящихся к действию вибрации на различные сложные

среды - неоднородные твердые тела, включая различные грунты При этом

наибольший для практики эксплуатации карьерного комбайна представляет случай,

когда под воздействием вибрации в гидромеханической системе привода шнеко-фрезерного органа ее поведение резко изменяется

В свое время, исследуя этот эффект, академик ПА Ребиндер предложил называть его виброреологическим эффектом В работе виброреология определена как область механики, в которой изучается изменение под влиянием вибрации реологических свойств тел по отношению к воздействию медленных сил, в то время как «истинные» физические свойства остаются неизменными Характерной чертой виброреологических констант (модулей упругости, коэффициентов сухого трения, вязкости и т.п.) является их существенная зависимость от вибрации Следует отметать, что такую характеристику, как эффективный коэффициент сухого трения нельзя, отождествлять с истинным коэффициентом трения Амонтона-Кулона, потому что он существенно зависит от параметров колебаний шнека в плоскости его вращения (о±А®).

Поделив обе части уравнения (22) на получим величину удельной технической производительности карьерного комбайна, характеризующую объем породы отрабатываемого пласта в единицу времени, приходящегося на один киловатт установленной мощности силовой установки комбайна (без учета установленной мощности конвейеров и вспомогательного оборудования)' Пт___3,6 <ра__ иъ /час

N„,+Nr

кВт

(24)

Лш Ях

Графическая интерпретация зависимости удельной технической производительности (24) для карьерного комбайна MTS 250 фирмы «MAN TAKRAF» (d=1,6m) от высоты фрезеруемого слоя h для прочности породы <тпш=25 МПа и ег^—50 МПа (фосфоритовое Джерой-Сардаринское месторождение, Республика Узбекистан) при различных значениях эффективного коэффициента трения -/ породы о шнек приведены на рис 3 Анализ (24) свидетельствует, что величина удельной технической производительности карьерного комбайна при заданных его конструктивных (W,D) и энергетических (Nm,Nx,r}x,ijlu) параметрах не линейно зависит не только от технолошческих (a,rpa,i//,Л(<р0,1//)), но и от виброреологических (®±Д©,/) параметров, а также от приемов работы машиниста-оператора при фрезеровании слоя породы.

Известно, что при отработке породного блока карьерный комбайн выполняет вспомогательные операции, врезку, повороты и развороты с длительностью цикла Тц, составляющим:

* W ^ L Wmy V '

ъ L

где коэффициент, учитывающий сокращение длительности цикла за счет совмещения операций во времени, Кпв- радиус поворота (разворота), м, <рпв- угол поворота (разворота), рад, ь - длина полосы (продольной или поперечной), м, Шпв -средняя скорость поворота (разворота), м/с.

В свою очередь, коэффициент забоя К3, представляющий собой отношение длительности фрезерования слоя породы к длительности цикла, с учетом постоянного безразмерного соотношения (23), определится как

___ ^__ / ^^ \

3 г , КвУпв бтР К >

1Ь Фпв

П з

Таким образом, забойная производительность составит- К3,и /час,

кр

где Кр- коэффициент разрыхления при фрезеровании слоя породы

Установлено, что коэффициент забоя в реальном диапазоне скоростей вращения шнеко-фрезерного органа существенно зависит только от длины (продольной или поперечной) полосы I слоя породы

Анализ явлений на фрикционном контакте «внешняя поверхность витка шнека рабочего органа - порода» (рис 5) основан на законе Амонтона, те на представлении об определяющем значении в формировании силы трения нормальной к поверхности трения нагрузки и соответствующей этой нагрузке нормальной контактной деформации Упругая податливость (в пределах закона Гука) витка шнеко-фрезерного рабочего органа в нормальном направлении на порядки ниже податливости контактного слоя с фосфоритовой рудой, заполненного микровыступами и микрозазорами обеих трущихся поверхностей В этом случае стальной виток шнека, в первом приближении, уподобляется телу, покоящемуся на системе «микропружинок», моделирующих микронеровности Некоторые из них соприкасаются и несут всю нормальную нагрузку, а более мелкие — не соприкасаются. Нормальный периодический импульс (следствие упругих поперечных колебаний витка шнека) приводит к интенсификации микроимпульсов между микровыступами трущихся поверхностей, уменьшая силу трения

Таким образом, если сообщить частоту вынужденных колебаний телу кручения вблизи его собственной можно добиться резонансного минимума силы трения Однако, учитывая значительный динамический момент инерции шнеко-фрезерного органа, резонансное снижение силы трения в этом случае потребует значительной мощности вибрационного устройства Необходимо также учитывать и то, что характеристика колебаний (в основном амплитуда) по нормали к поверхности трения определяется не только контактной жесткостью стыка трущихся тел (жесткостью трения), но и жесткостью самого шнека с приводом рабочего органа Поэтому для определения величины снижения момента трения

при нормально направленных вынужденных колебаниях с частотой о,, те, когда вектор силы трения Тш (рис 4) направлен против равнодействующей скорости Яи, составляющей угол- <ртр с вектором скорости скольжения породы относительно витка шнека иш„ (рис 5) под действием импульсного движущего момента

МД=М0+ МлСояа>/, Нм, ( 27 )

где М0- постоянная составляющая движущего момента, Нм, МА- амплитуда переменной составляющей движущего момента, Нм, а>„- частота вынужденных колебаний движущего момента шнеко-фрезерного рабочего органа, рад/с

Установлено, что полный момент сил сопротивления Мс при выемке слоя породы шнеко-фрезерным, составляет ,, _ ВИТГ

1 + /р|1+% о;

Нм, (28)

( 2 X05

где безразмерный функционал- / 1 (29)

I ;

является эффективным коэффициентом сухого трения

Графическая интерпретация зависимости (29) относительного снижения эффективного коэффициента трения (величины обратной функционалу (29)) от

величины отношения скоростей ^^ приведена на рис 6 Анализ его

свидетельствует, что можно выделить «зону существенного изменения виброреологического эффекта», характеризуемую снижением эффективного коэффициента трения на 68% (с 0,55 до 0,16) в диапазоне отношения скоростей

0<В=.<3 Постоянство отношения (соответствующее величине

Ч, Ч,

эффективного коэффициента трения /,=0,16) практически может быть достигнуто

либо высокой величиной амплитуды вынужденных поперечных колебаний а =

с низкой частотой юн = , либо малой величиной амплитуды вынужденных

поперечных колебаний д = ашш с высокой частотой колебаний <э„ =

Для проверки полученных результатов аналитических исследований в

2005-06гт были проведены экспериментальные исследования на одном из двух

карьерных комбайнов, эксплуатирующихся на участке по добыче фосфоритов

«Ташкура» НГМК

Измерение крутящего момента шнеко-фрезерного рабочего органа карьерного комбайна МТБ 250/1 осуществлялась косвенным образом путем замера давления в напорной магистрали насосной установки Регистрация давления осуществлялась в течение времени отработки горизонтального слоя фосфоритовой руды, мощностью й= 0,4м и длиной три метра, исключая врезку и выход шнека из слоя породы В

Рисунок 6- Зависимость относительного снижения эффективного коэффициента трения от

величины отношения скоростей----

и„

■Ш)

Рисунок 7 -Нормированная спектральная плотность крутящего момента на шнеко-фрезерном

рабочем органе карьерного комбайна: 1 - экспериментальная; 2 - теоретическая со статическим движущим моментом; 3 - теоретическая с импульсным движущим моментом

свою очередь, давление в напорной магистрали насосной установки регистрировалось с помощью телеметрического датчика давления ТМД-400 и осциллографа Н-700

Анализ характерных фрагментов осциллограмм изменения давления воТзремя выемки фосфопласта свидетельствует, что колебания давления осуществляются около некоторого среднего значения Обработка массива выполнялась по программе «СПЕКТРАЛЬНО-КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ АНАЛИЗ МАССИВА» разработанной на кафедре ГМО МГГУ Реализация обработки массива на ПК позволила установить математическое ожидание М, дисперсию В(М), коэффициент вариации ум 1футящего момента на валу гидромотора и колебания давления с периодом Т1 = 0,136 с (частота /,=7,35 Гц), соответствующим собственной частоте колебания масс трансмиссии привода и периодом Т2 =0,033 с (частота /,=30 Гц), соответствующим неравномерности расхода в 11-ти плунжерных радиально-поршневых гидродвигателях, работающих на одан шнеко-фрезерный барабан, имеющий при выемке слоя породы скорость вращения 4,4рад/с

Установлено, что математическое ожидание экспериментально наблюдаемого эффективного коэффициента сухого трения составляет величину, равную /э >0,39, это на 29% меньше ожидаемого значения коэффициента трения покоя шнека о породу, вынужденные высокочастотные колебания давления в напорной машстрали насосной установки привода шнеко-фрезерного рабочего органа хотя и приводят к некоторому снижению эффективного коэффициента трения, но не позволяют в полной мере реализовать виброреологический эффект его взаимодействия в зоне фрикционного контакта Поэтому в настоящем исследовании интерес представляет исключительно гидравлический возбудитель -генератор импульсов вынужденных колебаний, в котором переменные во времени силы создаются за счет изменяющегося во времени давления рабочей жидкости Импульсы давления действует на гидромотор, связанный с механической колебательной системой В результате при колебаниях происходит динамическое взаимодействие гидравлического привода с механической колебательной системой

Установлено, что* требуемая относительная скорость пульсации движущего момента не линейно возрастает с увеличением прочности слоя породы, максимальный диапазон регулирования относительной скорости пульсации движущего момента привода шнеко-фрезерного рабочего органа соответствует

о2

минимальной высоте слоя породы (А=0,16) и составляет. 1,0< ¿3,0

»л

Таким образом, карьерный комбайн должен быть оснащен гидроимпульсным приводом с оперативно регулируемыми частотой и амплитудой импульса Это даст возможность (при одной и той же установленной мощности силовой установки карьерного комбайна) осуществить выемку слоя породы с более высокой

прочностью или существенно увеличить ресурс элементов гидропривода рабочего органа без снижения его производительности. Последнее утверждение базируется на результатах исследований, выполненных проф. Морозовым В И То есть эксплуатация карьерного комбайна с гидроимпульсным приводом шнеко-фрезерного рабочего органа позволит увеличить ресурс его гидроэлементов до предельного состояния более чем в 2 раза по сравнению с конструкцией гидропривода карьерного комбайна MTS 250 фирмы «MAN TAKRAF»

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

В первую очередь к исследуемым динамическим процессам отнесены следующие процессы гидромеханические процессы в регулируемом по скорости гидравлическом контуре «насос - гидромотор» привода вращения шнеко-фрезерного рабочего органа, виброреологические процессы взаимодействия стальной цилиндрической оболочки шнеко-фрезерного рабочего органа карьерного комбайна с породой в зоне фрикционного контакта Для этого было выполнено приведение значений динамических моментов инерции и податливостей элементов трансмиссии шнеко-фрезерного рабочего органа к валу гидромотора, с учетом передаточных отношений г, (без учета потерь на трение)

Математическим описанием (аналогом) динамической системы являются дифференциальные уравнения Наличие неголономных связей не позволяет при математическом описании гидравлической часта трансмиссии шнеко-фрезерного рабочего органа ограничиться уравнениями моментов Здесь необходимо также уравнение расхода в напорной магистрали, которое математически устанавливает связь между параметрами элементов гидропривода

Таким образом, движение шнеко-фрезерного рабочего органа карьерного комбайна при выемке слоя породы с учетом гидромеханических процессов в регулируемом по скорости силовом гидравлическом контуре «насос - гвдромотор» привода вращения с учетом виброреолошческих процессов взаимодействия рабочего органа карьерного комбайна в зоне фрикционного контакта с породой описываются системой совместных дифференциальных уравнений пятого порядка Решение системы уравнений (30) (моделирование взаимодействия шнеко-фрезерного рабочего органа карьерного комбайна со слоем породы) было выполнено методом Рунге-Кутта по разработанному автором алгоритму как при действии статического, так и при действии импульсного движущего момента То есть получены цифровые массивы изменения давления во времени, обработка которых выполнялась по программе «СПЕКТРАЛЬНО-КОРРЕЛЯЦИОННЬШ АНАЛИЗ МАССИВА», разработанной на кафедре ГМО МГГУ

<

ви (0 = ин - дн 1Д

А<Ря Л

1+ 1-Сеи-

t\+

Л К

+ 1-С<№

Л

л-¿1

а

Л <Ры л1

"Ум Л

■Мг

мд- | тхх -

с1фд ] М

Л

V

Мс- 17

ВкЖ

ат1ш?о

1+/Р1+

отн ,,2

(30)

где бя(0- подача насосной установки привода рабочего органа комбайна, м3/с, ии - параметр регулирования объема рабочих камер насосов насосной установки, 0 < (Ул <1,0, дм -объемная постоянная насоса и гадромотора, соответственно, м3/рад, гд- передаточное отношение от вала дизеля к валу насосов насосной установки, <рд, фм - обобщенная угловая координата вращения вала дизеля и гидромотора, соответственно, рад, г,-число поршней в насосе и гидромоторе, соответственно, ед, и а,тш- параметр регулирования амплитуды и частоты импульса расхода, соответственно, 0< ¡7„ < 1, рад/с, Еж — модуль упругости рабочей жидкости, Па (для минеральных масел составляет Еж = 0,8 109 Н/м2), У0 — объем рабочей жидкости в магистрали высокого давления привода шнеко-фрезерного рабочего органа, м3, Р— индикаторное давление рабочей жидкости на выходе из насоса, Па, 1Д, 1Ш -момент инерции (приведенный к валу гадромотора) вращающихся масс дизеля и трансмиссии привода, соответственно, кг м2, К„, Ки-число насосов и гидромоторов привода, соответственно, ед, vl, V.,-коэффициенты демпфирования с учетом потерь в насосах и гидромоторах, соответственно, Нмс/рад, юж - угловая скорость вала дизеля без нагрузки, рад/с; Мж,МДном-текущий и номинальный момент дизеля, соответственно, Нм; - номинальное скольжение дизеля, %/100%, А^-момент, затрачиваемый валом дизеля на другие механизмы, обеспечивающие выемку слоя породы (ход, приемный и погрузочный конвейера и др )

Моделированием установлено, что снижение эффективного коэффициента трения при взаимодействии шнеко-фрезерного рабочего органа кар^фного

комбайна со слоем породы при действии импульсного движущего момента обратно пропорционально квадрату отношения скорости скольжения породы о0Ш к скорости нормальных колебаний в зоне контакта витка шнека с породой ин Сравнительные нормированные спектральные плотности давления динамической системы «насос - шдромотор» приведены на рис 7 Анализ их свидетельствует, что сходимость теоретических и экспериментальных данных при величине относительной ошибки, не превышающей 0,15, составляет, как по амплитуде, так и по частоте колебаний давления (момента) в трансмиссии привода шнеко-фрезерного рабочего органа карьерного комбайна, не менее 95%

Таким образом, выполнено теоретическое и экспериментальное обоснование кинематических, частотных и энергетических параметров гидроимпульсного привода рабочего органа карьерного комбайна, на основе которого разработана инженерная методика статического и динамического расчета гидравлических схем шдроимпульсного привода рабочего органа карьерного комбайна с объемным регулированием подачи насоса и с оперативным регулированием частоты и амплитуды импульса движущего момента

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований дано новое решение актуальной научной задачи, состоящей в установлении закономерностей формирования сил сопротивления при фрезеровании слоя породы, для обоснования и выбора рациональных параметров гидроимпульсного привода рабочего органа карьерного комбайна, обеспечивающих интенсификацию выемки порода

Лично автором получены следующие основные результаты и выводы

1 Момент сопротивления трению при выемке слоя породы шнеко-фрезерным органом Мт, прямо пропорционален прочности породы а, высоте к и ширине слоя В, эффективному коэффициенту трения порода о шнек /,отношению нормальной составляющей реакции к ее касательной составляющей 'У и величине отношения скорости движения карьерного комбайна Ж к скорости вращения шнека а и обратно пропорционален углу контакта витка шнека <рс со слоем фрезеруемой порода

2 Величина силы сопротивления движению карьерного комбайна Рх существенно зависит от направления вращения шнеко-фрезерного рабочего органа Наименьшее ее значение соответствует направлению вращения рабочего органа по часовой, а наибольшее —против часовой стрелки

3 Техническая производительность карьерного комбайна Пт при заданных его конструктивных и энергетических (-¡^,N.,,77параметрах не линейно зависит не толькр от технологических (о ,<рь,ч/ но и от виброреологических (©±Л®,/ ) параметров

4 Установлена зависимость относительного снижения эффективного коэффициента трения от величины отношения скоростей и определена «зона

изменения виброреологического эффекта», характеризуемая снижением эффективного коэффициента трения на 68% (с 0,55 до 0,16) в диапазоне отношений

скоростей 0< <3

и„

5 Спектрально- корреляционный анализ массива экспериментальных данных позволил установить математическое ожидание М, дисперсию D(M), коэффициент вариации vM крутящего момента на валу гидромотора и колебания давления с периодом: Г? = 0,136 с (частота /,=7,35 Гц), соответствующим собственной частоте колебания масс трансмиссии привода и периодом Т2 =0,033 с (частота /2=30 Гц), соответствующим неравномерности расхода в 11 -ти плунжерных радиально-поршневых гидродвигателях, работающих на один шнеко-фрезерный барабан, имеющий при выемке слоя породы скорость вращения 4,4рад/с

6 Разработана принципиальная электрогидравлическая схема импульсного привода вращения шнеко-фрезерного органа с оперативным регулированием частоты и амплитуды импульса давления (расхода), позволяющая при одной и той же установленной мощности силовой установки карьерного комбайна осуществлять выемку слоя породы с более высокой прочностью или существенно увеличить ресурс элементов гидропривода рабочего органа без снижения его производительности

7 Разработана математическая модель (система нелинейных дифференциальных уравнений) взаимодействия стальной цилиндрической оболочки шнеко-фрезерного рабочего органа карьерного комбайна с породой в процессе ее фрезерования, отличающаяся тем, что она учитывает гидромеханические процессы в регулируемом по скорости гидравлическом контуре «насос-гидромотор» и виброреологические процессы взаимодействия стальной цилиндрической оболочки рабочего органа с породой в зоне их фрикционного контакта

8. Разработанные технические требования на модернизацию привода рабочего органа карьерного комбайна, методика и программное обеспечение для моделирования взаимодействия шнеко-фрезерного рабочего органа со слоем породы, приняты к использованию в плановых научно-технических разработках 2008 года ООО «МОГОРМАШ» на контрактной основе с Навоийским ГМК для модернизации находящихся в эксплуатации на Джерой-Сардаринском месторождении карьерных комбайнов MTS 250 фирмы «MAN TAKRAF» (Германия) и для проектирования перспективных моделей карьерных комбайнов с гидроимпульсным приводом рабочего органа

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1 Подэрни Р Ю , Сандалов В Ф , Кузиев Д А Методика определения главных параметров гидроимпульсного ударника //Ударно-вибрационные системы, машины и технологии Материалы Ш мевдународного научного симпозиума - Орел ОрелГТУ,2006, С 127-133

2 Подэрни Р Ю, Грабский А А, Кузиев Д А Влияние эффективного коэффициента трения породы о шнек на техническую производительность карьерного комбайна с шнеко-фрезеряьш рабочим органом//Горный информационно -аналитический бюллетень, выпуск 7 -М Изд-во МГГУ,2007, С 5-10

3 Замышляев В Ф, Грабский А А, Кузиев Д А, Абдуазизов Н А. Сравнительный анализ результатов аналитических и экспериментальных исследований момента сопротивления вращению шнеко-фрезерного рабочего органа карьерного комбайна//Горный информационно-аналитический бюллетень, выпуск 10- М Изд-во МГТУ, 2007, С 15-23

Подписано в печать 11 10 07 Формат 60x90/16

Объем 1 п д_ Тираж 100 зкз Заказ №

МГГУ Ленинский проспект, д 6

Введение.

1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования.

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

1.2 Основные результаты исследований приводов рабочих органов горных машин.

1.3 Цель, задачи и алгоритм исследования.

Выводы по главе.

2. Закономерности формирования сил сопротивления при разрушении породного массива шнеко-фрезерным рабочим органом.

2.1 Кинематические особенности процесса выемки породы шнеко-фрезерным рабочим органом карьерного комбайна.

2.2 Формирование момента сопротивления при разрушении слоя породы шнеко-фрезерным рабочим органом.

2.3 Формирование момента сопротивления трению при выемке слоя породы шнеко-фрезерным рабочим органом.

2.4 Влияние эффективного коэффициента трения породы о шнек на техническую производительность карьерного комбайна с шнекофрезерным рабочим органом.

Выводы по главе.

3. Исследование взаимодействия шнеко-фрезерного рабочего органа с породой в зоне фрикционного контакта.

3.1 Особенности взаимодействия шнеко-фрезерного рабочего органа с породой в зоне фрикционного контакта.

3.2 Сравнительный анализ результатов аналитических и экспериментальных исследований момента сопротивления вращению шнеко-фрезерного рабочего органа.

3.3 Параметры генераторов импульсов для формирования вынужденных колебаний вращения шнеко-фрезерного рабочего органа.

Выводы по главе.

4. Исследование динамики процесса выемки слоя породы шнекофрезерным рабочим органом.

4.1 Динамические характеристики и свойства системы приводов карьерного комбайна.

4.2 Математическая модель системы «карьерный комбайн - забой» (уравнения движения системы).

4.3 Блок-схема алгоритма выбора параметров гидроимпульсного привода шнеко-фрезерного рабочего органа карьерного комбайна.

Выводы по главе.

В народном хозяйстве Республики Узбекистан горнодобывающая промышленность является одной из ведущих отраслей, базирующейся на мощной минерально-сырьевой базе. По ряду важнейших полезных ископаемых, например таких, как фосфориты, Узбекистан по подтвержденным запасам и перспективам их увеличения не только занимает ведущее место в СНГ, но и входит в первую десятку государств мира. Основные запасы фосфоритов сосредоточены на Джерой-Сардаринском месторождении Центрально-Кызылкумского региона Узбекистана. Этот регион является объектом деятельности Навоийского горно-металлургического комбината (НГМК).

В соответствии с программой промышленного освоения Джерой-Сардаринского месторождения предусмотрено увеличение мощностей добывающего и перерабатывающего комплексов с доведением годовой производительности по руде до 3,6 млн.т. (1,8 млн. м ). Сегодня один из трех детально разведанных участков Джерой-Сардаринского месторождения «Ташкура» принят в качестве первоочередного к промышленной эксплуатации.

Специалистами НГМК и ВНИПИпромтехнологии предложено добычные работы производить карьерными комбайнами со шнеко-фрезерными рабочими органами, однако первый опыт их эксплуатации показал недостаточно высокую производительность при выемке рудных фосфопластов 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 виброреологических параметров.

Таким образом, увеличение объемов и номенклатуры добычи фосфоритной руды может быть достигнуто на основе модернизации существующего и совершенствования перспективного добычного оборудования для выемки рудных фосфопластов.

Поэтому обоснование и выбор параметров гидроимпульсного привода рабочего органа карьерного комбайна, обеспечивающих интенсификацию выемки за счет импульсного воздействия в зоне фрикционного контакта шнеко-фрезерного рабочего органа со слоем породы, является актуальной научной задачей.

Цель работы - это установление закономерностей формирования сил сопротивления при фрезировании слоя породы для обоснования и выбора рациональных параметров гидроимпульсного привода рабочего органа карьерного комбайна, обеспечивающих интенсификацию выемки породы.

Идея работы заключается в целенаправленном снижении сил сопротивления трению в зоне фрикционного контакта шнеко-фрезерного рабочего органа карьерного комбайна со слоем породы за счет импульсного движущего момента.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и новизна: техническая производительность карьерного комбайна при заданных его конструктивных и энергетических параметрах не линейно зависит не только от технологических, но и от виброреологических параметров; - математическая модель взаимодействия стальной цилиндрической оболочки шнеко-фрезерного рабочего органа карьерного комбайна с породой в процессе ее фрезерования, отличающаяся тем, что она учитывает: гидромеханические процессы в регулируемом по скорости гидравлическом контуре «насос-гидромотор» и виброреологические процессы взаимодействия стальной цилиндрической оболочки рабочего органа с породой в зоне их фрикционного контакта; - при одной и той же установленной мощности карьерного комбайна максимальные высота срезаемого слоя породы или скорость его движения могут быть достигнуты, только при импульсном воздействии движущего момента на шнеко-фрезерный рабочий орган за счет виброреологического эффекта в зоне его фрикционного контакта с породой. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждены исследованиями, базирующимися на апробированных методах теоретической и прикладной механики, теории дифференциальных уравнений и теории колебательных процессов, а также достаточным объемом реализаций моделирования. Сходимость полученных в диссертации теоретических и экспериментальных данных при величине относительной ошибки не выше 0,15 составляет 95%.

Научное значение работы заключается в разработке математической модели процесса взаимодействия шнеко-фрезерного рабочего органа с породой и в обосновании кинематических и частотных параметров гидроимпульсного привода рабочего органа карьерного комбайна с учетом физико-механических свойств породы при импульсном воздействии движущего крутящего момента.

Практическое значение работы состоит: в разработке технических требований на модернизацию привода рабочего органа карьерного комбайна, инженерной методики статического и динамического расчета гидравлической схемы гидроимпульсного привода шнеко-фрезерного рабочего органа карьерного комбайна с оперативным регулированием частоты и амплитуды движущего момента, учитывающей гидромеханические процессы в регулируемом по скорости гидравлическом контуре «насос - гидромотор» и виброреологические процессы взаимодействия стальной цилиндрической оболочки шнеко-фрезерного рабочего органа с породой, в процессе ее фрезерования; в разработке программного обеспечения для моделирования взаимодействия шнеко-фрезерного рабочего органа карьерного комбайна со слоем породы в зависимости от скорости фрезерования, геометрических параметров фрезерного барабана, силовых и кинематических параметров привода рабочего органа и параметров фосфоритового пласта.

Реализация выводов и рекомендаций работы. В плановых научно-технических разработках 2008 года ООО «МОГОРМАШ» на контрактной основе с Навоийским ГМК предусмотрены следующие мероприятия по совершенствованию конструкции карьерных комбайнов со шнеко-фрезерным рабочим органом: технические требования на модернизацию привода рабочего органа карьерных комбайнов MTS 250 фирмы «MAN TAKRAF» (Германия), находящихся в эксплуатации на Джерой-Сардаринском месторождении Навоийского ГМК; инженерная методика статического и динамического расчета гидравлической схемы гидроимпульсного привода шнеко-фрезерного рабочего органа карьерного комбайна с оперативным регулированием частоты и амплитуды крутящего момента; программное обеспечение для моделирования взаимодействия шнеко-фрезерного рабочего органа карьерного комбайна со слоем породы в зависимости от скорости фрезерования, геометрических параметров фрезерного барабана, силовых и кинематических параметров привода рабочего органа и параметров фосфоритового пласта. Апробация работы. Основные положения и содержание работы были доложены и обсуждены: на международных научных симпозиумах «Неделя Горняка»- в 2005, 2006, 2007гг. (г. Москва, МГГУ); на III международном научном симпозиуме «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии» (г. Орел, ОрелГТУ)- 2006г; на научном семинаре кафедры Горных машин и оборудования МГГУ в 2007г; на техническом совещании при Техническом директоре ООО «МОГОРМАШ» в 2007г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано три статьи, две из них опубликованы в журналах, входящих в перечень изданий, утвержденных ВАК.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения, списка использованных источников из 51 наименования и включает 30 рисунков и 1 таблицу.

Выводы по главе

1. Установлено, что жесткость трансмиссии привода шнеко-фрезерного рабочего органа карьерного комбайна определяется практически только крутильной жесткостью гидропередачи «насос-гидромотор».

2. Разработана математическая модель (система нелинейных дифференциальных уравнений) движения шнеко-фрезерного рабочего органа карьерного комбайна при выемке слоя породы, отличающаяся тем, что она учитывает: гидромеханические процессы в регулируемом по скорости гидравлическом контуре «насос-гидромотор» и виброреологические процессы взаимодействия стальной цилиндрической оболочки рабочего органа с породой в зоне их фрикционного контакта. Моделированием установлено, что: максимальное значение теоретической нормированной спектральной плотности колебаний давления привода со статическим движущим моментом, соответствующее собственной частоте /,=7,35 Гц колебаний масс трансмиссии привода рабочего органа, отличается менее чем на 5% от максимального значения нормированной спектральной плотности, полученной при эксперименте; максимальное значение теоретической нормированной спектральной плотности колебаний давления привода с импульсным движущим моментом отличается на 2% от максимального значения нормированной спектральной плотности, полученной при эксперименте, со смещением частоты собственных колебаний в сторону низких частот менее, чем на 2% U =7,21 Гц); собственная частота колебания масс трансмиссии привода /2=30 Гц соответствует неравномерности расхода в 11-ти плунжерных радиально-поршневых гидродвигателях, работающих на один шнеко-фрезерный барабан, имеющий при выемке слоя породы скорость вращения 4,4рад/с. Сходимость теоретических и экспериментальных данных при величине относительной ошибки, не превышающей 0,15, составляет, как по амплитуде, так и по частоте колебаний давления (момента) в трансмиссии привода шнеко-фрезерного рабочего органа карьерного комбайна не менее 95%.

Максимальное снижение эффективного коэффициента трения при действии импульсного движущего момента (до 70%) достигается на зарезонансной частоте 20 Гц при мощности импульса соответствующего 16% от величины максимального значения нормированной спектральной плотности колебаний давления.

6. Разработанные технические требования на модернизацию привода рабочего органа карьерного комбайна, методика и программное обеспечение для моделирования взаимодействия шнеко-фрезерного рабочего органа со слоем породы приняты к использованию в плановых научно-технических разработках 2008 года ООО «МОГОРМАШ» на контрактной основе с Навоийским ГМК для модернизации находящихся в эксплуатации на Джерой-Сардаринском месторождении карьерных комбайнов MTS 250 фирмы «MAN TAKRAF» (Германия) и для проектирования перспективных моделей карьерных комбайнов с гидроимпульсным приводом рабочего органа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований дано новое решение актуальной научной задачи, состоящей в установлении закономерностей формирования сил сопротивления при фрезеровании слоя породы, для обоснования и выбора рациональных параметров гидроимпульсного привода рабочего органа карьерного комбайна, обеспечивающих интенсификацию выемки породы.

Лично автором получены следующие основные результаты и выводы:

1. Момент сопротивления трению при выемке слоя породы шнеко-фрезерным органом Мт, прямо пропорционален прочности породы а, высоте h и ширине слоя В, эффективному коэффициенту трения породы о шнек /,отношению нормальной составляющей реакции к её касательной составляющей 4х и величине отношения скорости движения карьерного комбайна W к скорости вращения шнека а и обратно пропорционален углу контакта витка шнека (ро со слоем фрезеруемой породы.

2. Величина силы сопротивления движению карьерного комбайна Fx существенно зависит от направления вращения шнеко-фрезерного рабочего органа. Наименьшее ее значение соответствует направлению вращения рабочего органа по часовой, а наибольшее -против часовой стрелки.

3. Техническая производительность карьерного комбайна Пт при заданных его конструктивных (W,D) и энергетических (Nul,Nx,r/x,Tjut) параметрах не линейно зависит не только от технологических (о-,^,^,!^,^)), но и от виброреологических (a>±/S.co,f) параметров.

4. Установлена зависимость относительного снижения эффективного коэффициента трения от величины отношения скоростей и определена «зона изменения виброреологического эффекта», характеризуемая снижением эффективного коэффициента трения на 68% (с 0,55 до 0,16) в диапазоне отношений скоростей 0< <3.

5. Спектрально- корреляционный анализ массива экспериментальных данных позволил установить: математическое ожидание М; дисперсию D{M); коэффициент вариации vM крутящего момента на валу гидромотора и колебания давления с периодом: Tj = 0,136 с (частота у] =7,35 Гц), соответствующим собственной частоте колебания масс трансмиссии привода и периодом Тг =0,033 с (частота /2= 30 Гц), соответствующим неравномерности расхода в 11-ти плунжерных радиально-поршневых гидродвигателях, работающих на один шнеко-фрезерный барабан, имеющий при выемке слоя породы скорость вращения 4,4 рад/с.

6. Разработана принципиальная электрогидравлическая схема импульсного привода вращения шнеко-фрезерного органа с оперативным регулированием частоты и амплитуды импульса давления (расхода), позволяющая при одной и той же установленной мощности силовой установки карьерного комбайна осуществлять выемку слоя породы с более высокой прочностью или существенно увеличить ресурс элементов гидропривода рабочего органа без снижения его производительности.

7. Разработана математическая модель (система нелинейных дифференциальных уравнений) взаимодействия стальной цилиндрической оболочки шнеко-фрезерного рабочего органа карьерного комбайна с породой в процессе ее фрезерования, отличающаяся тем, что она учитывает: гидромеханические процессы в регулируемом по скорости гидравлическом контуре «насос-гидромотор» и виброреологические процессы взаимодействия стальной цилиндрической оболочки рабочего органа с породой в зоне их фрикционного контакта.

8. Разработанные технические требования на модернизацию привода рабочего органа карьерного комбайна, методика и программное обеспечение для моделирования взаимодействия шнеко-фрезерного рабочего органа со слоем породы, приняты к использованию в плановых научно-технических разработках 2008 года ООО «МОГОРМАШ» на контрактной основе с Навоийским ГМК для модернизации находящихся в эксплуатации на Джерой-Сардаринском месторождении карьерных комбайнов MTS 250 фирмы «MAN TAKRAF» (Германия) и для проектирования перспективных моделей карьерных комбайнов с гидроимпульсным приводом рабочего органа.

1. Кучерский Н.И., Толстов Е.А., Мазуркевич А.П. и др. Технология разработки ДжеройСардаринского месторождения фосфоритов открытым способом.// Горный журнал.-2001.-№ 9, С 17-20

2. Толстов Е.А., Мальгин О.Н., Рубцов С.К. и др. Технологические схемы открытой разработки Джерой-Сардаринского месторождения фосфоритов. // Горный журнал.-2003.-№ 8, С 40-44.

3. Кучерский Н.И., Толстов Е.А., Михин О.А., Мазуркевич А.П., Иноземцев С.Б. Кызылкумский фосфоритный комплекс: поэтапное освоение месторождения фосфоритов.// Горный вестник Узбекистана.-2001.-№ 1, С 4-9.

4. Супрун В.И. и др. Перспективная техника и технология для производства открытых горных работ. Учебное пособие, М.: МГГУ, 1996, 222 с , с илл.

5. Штейнцайг P.M. Фрезерные комбайны эффективное оборудование для открытой разработки скальных пород. Мировая горная промышленность 2004-2005: история достижения, перспективы.- М.: НТЦ «Горное дело», 2005, С 296-318.

6. Образцов А.И., Норкин Н.А. и др. Горно-геологические особенности разработки участка Ташкура Джерой-Сардаринского фосфоритового месторождения.//Горный вестник Узбекистана.-2001.-№ 1, С 17-19.

7. Берман В.М., Верескунов В.Н., Цетнаррский И.А. Системы гидропривода выемочных и проходческих машин. М., «Недра», 1982, 206с.

8. Докукин А.В., Берман В.М., Рогов А .Я. и др. Исследования и оптимизация гидропередач горных машин.-М.: «Наука», 1978, 196 е., с илл.

9. Ю.Докукин А.В., Красников Ю.Д., Хургин З.Я. и др. Динамические процессы горных машин.-М.: «Наука», 1972, 212с.

10. П.Красников Ю.Д., Хургин З.Я., Нечаевский В.М. и др. Оптимизация привода выемочных и проходческих машин. /Под ред. Чл.-кор. АН СССР А.В. Докукина. М, «Недра», 1983, 264с.

11. Неймарк Ю.И. Динамические системы и управляемые процессы. М., «Наука», 1978,196с.

12. Скурыдин Б.И. Установление параметров инерционнго импульсного привода исполнительного органа роторного экскаватора. Автореферат Канд. дисс. М.: МГИ, 1985,15с.

13. Н.Григорьев А.С. Обоснование и выбор параметров продавливающих установок для бестраншейной технологии строительства подземных инженерных коммуникаций. Автореферат Канд. дисс. М.: МГГУ, 2005, 23с.

14. 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, 1992-448с.:ил.

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

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

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

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

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

20. Горцакалян Л.О., Мурашов М.В., Нажесткин Б.П., Самсонов Л.И. Сборник задач по теории и расчету торфяных машин. М.:Недра, 1966.

21. Крагельский И.В., Михин Н.М. Узлы трения машин. Справочник. -М.: Машиностроение, 1984.- 280с. ил.

22. Блехман И.И. Метод прямого разделения движений в задачах о действии вибрации на нелинейные механические системы. «Известия АН СССР. Серия Механика твердого тела», 1976, №6, с. 13-27.

23. Блехман И.И., Моласян С.А. Об эффективных коэффициентах трения при взаимодействии упругого тела с вибрирующей поверхностью. -«Известия АН СССР. Серия Механика твердого тела», 1970,№4,с.4- 10.

24. Толстой Д.М., Каплан Р.Л. К вопросу о роли нормальных перемещений при внешнем трении. В сб.: Новое в теории трения. М., «Наука», 1966, с. 42-59.

25. Толстой Д.М. Собственные колебания ползуна, зависящие от контактной жесткости и их влияние на трение. ДАН СССР, т. 153, №4, 1963.820 с.

26. Блехман И.И. Действие вибрации на механические системы. -«Вибротехника», Вильнюс, «Минтис», 1973, №3(20), с. 369-374.

27. Суровов А.В., Лубнин В.В., Заикина В.З. Машины и оборудование дляпогружения свай: Учебник. -М.: «Высшая школа», 1984. 176 е., с ил.

28. Толстой Д.М., Борисова Г.А., Григорьева С.Р., Роль собственных контактных колебаний нормального направления при трении. -В сб.: О природе трения твердых тел. Минск, «Техника», 1971, С. 116.

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

30. Гмурман В.Е. «Теория вероятностей и математическая статистика». — М.: «Высшая школа», 1977. — 478 с.

31. Подэрни Р.Ю. Исследование нагрузок на исполнительных органах и динамических характеристик карьерного оборудования с целью повышения эффективности рабочего процесса( на примере роторного экскаватора). -Докт. дисс. М.: МГИ, 1972, 351с.

32. Глухарев К.К., Фролов К.В., Взаимодействия колебательной системыс двумя источниками энергии. «Известия АН СССР. Сер. МТТ», 1971, №4, с. 65-71.

33. Алифов А.А. Об автоколебательной системе, взаимодействующей с источником энергии. «Известия АН СССР. Сер. МТТ», 1977, № 1, с. 36-42.

34. Гончаревич И.Ф., Докукин А.В. Динамика горных машин с упругими связями. М.: «Наука», 1975. 212с.

35. Баранов В.Н., Захаров Ю.Е. Электрогидравлические и гидравлические вибрационные механизмы. М.: «Машиностроение», 1977. 325с.

36. Морозов В.И. Разработка системы управления качеством ремонта горного оборудования. Докт. дисс. М.: МГИ, 1987, 387с.

37. Коваль П.В. Гидравлика и гидропривод горных машин: Учебник для вузов по специальности «Горные машины и комплексы»,- М.: «Машиностроение», 1979.- 319с., ил.

38. Богданович П.Н., Прушак В .Я. Трение и износ в машинах: Учебник для вузов.- Мн.: Выш. шк., 1999.- 374с.: ил.

39. Замышляев В.Ф., Русихин В.И., Шешко Е.Е. Эксплуатация и ремонт карьерного оборудования: Учеб. пособие для вузов.- М.: «Недра», 1991.- 285с.:ил.

40. Островский М.С. Повышение ресурса горных машин путем мониторинга соединений деталей машин. Докт. дисс. М.: МГГУ, 1997, 369с.

41. Рыльникова М.В., Зотеев О.В. Геомеханика: Учебное пособие. -М.: Издательский дом «Руда и Металлы», 2003 .-140с.

42. Островский М.С. Триботехнические основы обеспечения качества функционирования горных машин. -М.: МГИ, 1992,160 с.

43. Островский М.С. Триботехнические основы обеспечения качества функционирования горных машин. Учебное пособие. Часть II. Разделы 4, 5, 6 и 7 -М.: МГГУ, 1993, 229 с.

44. Солод В.И., Гетопанов В.Н., Рачек В.М. Расчет и конструирование горных машин и комплексов. Учебное пособие.- М.: МГИ, 1975,160с.

45. Солод В.И., Гетопанов В.Н., Рачек В.М. Проектирование и конструирование горных машин и комплексов. Учебник для вузов.-М.: «Недра», 1982, 350с.

46. Пановко Я.Г., Губанова И.И. Устойчивость и колебания упругих систем. Современные концепции, парадоксы и ошибки. М.: «Нука», 1967,420с., с ил.

47. Сандалов В.Ф. МУ по вып. лаб. работ по дисц. «ГМК для открытых работ» для студ. спец. 0506-М.: Изд-во МГИ, 1986, 20с.

48. Малиновский Е. Ю., Зарецкий Л.Б., Беренгард Ю.Г. и др. Расчет и проектирование строительных и дорожных машин на ЭВМ/ Под ред. Е. Ю. Малиновского.-М.: «Машиностроение», 1980. 216с., ил.