автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование параметров и создание гидравлического молота для беззвзрывной технологии добычи горных пород

ИНЖЕНЕРНАЯ АКАДЕМИЯ КЫРГЫЗСКОЙ РЕСПУБЛИКИ НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК КЫРГЫЗСКОЙ РЕСПУБЛИКИ

ИНСТИТУТ МАШИНОВЕДЕНИЯ

На правах рукописи УДК 622.234.5

СУЛТАНАЛИЕВ Бактыбек Сабырбекович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И СОЗДАНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО МОЛОТА ДЛЯ БЕЗВЗРЫВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ДОБЫЧИ ГОРНЫХ ПОРОД

Специальность 05.05.06. — «Горные машины»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Бишкек 1996

Инженерная Академия Кыргызской Республики Национальная Академия наук Кыргызской Республики Институт машиноведения

На правах рукописи УДК 622.234.5

Султаиалиев Бактыбек Сабырбековнч

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И СОЗДАНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО МОЛОТА ДЛЯ БЕЗВЗРЫВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ДОБЫЧИ ГОРНЫХ ПОРОД

Специальность 05.05.06. "Горные машины"

Автореферат диссертации на соискание ученой степенн кяндндятя технических наук

Бишкек 1996

<*

Работа выполнена в Институте машиноведения Национальной Академии наук Кыргызской Республики

Научные руководители:

академик Международной инженерной академии д.т.н.,проф. Басов Станислав Александрович

д.т.н. Уранмов Мамасабыр

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Ткаченко A.M.

Кандидат технических наук, доцент Фомин Б.В.

Ведущее предприятие - госконцерн "Кыргызалтьш"

,), 1Р-0

Защита состоится "/sP " декабря 1996 г. в часов на заседании специализированного совета Д 05.94.29 при Инженерной Академии Кыргызской Республики и Институте машиноведения Национальной Академии наук Кыргызской Республики, 720055, г.Бишкек, ул. Скрябина, 23 "

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института машиноведения HAH Кыргызской Республики.

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 720055, г. Бишкек, ул. Скрябина, 23, Институт машиноведения HAH KP, Спецсовет Д.05.94.29.

А Ьтореферат разослан

■> Ic&dJßJ 1996,

Ученый секретарь специализированного £ совета Д 05.94.29, канд.техн.иаук

Мендекеев P.A.

Общая характеристика работы

Актуальность темы: В различных отраслях народного хозяйства есть технологические процессы, которые выполняются машинами ударного действия. В горной промышленности машины ударного действия используются при производстве вскрышных работ, добыче и вторичном дроблении горных пород. В строительстве они нашли применение при разрушении бетонных покрытий и фундаментов, кирпичных кладок, уплотнении грунтов и разработке мерзлых грунтов. В металлургии с помощью ударных машин выполняются такие технологические операции, как очистка ковшей и конвертеров, разборка футеровок и так далее.

Практически до 70-х годов нынешнего столетия ударные машины создавались на основе использования энергии сжатого воздуха. Но резервы их дальнейшего развития в значительной мере исчерпаны и прежде всего из-за трудности создания машин большой мощности и не удовлетворительных эргономических показателей.

Разработка конструкций ударных механизмов с гидравлическим приводом началась в конце 50-х в начале 60-х годов. Данное направление базировалось на исследованиях и разработках, выполненных в ряде научных центров. Особенно интенсивно работы по созданию гидравлических машин ударного действия развивались в КузНИУИ, в Карагандинском политехническом институте, ВНИИСтройдормаш, АН Киргизской республики. В трудах 0:Д. Алимова, С.А. Басова, А.Ф. Кичигина, И.А. Янцена, H.A. Белана, Д.Н. Ешуткина и их учеников разрабатывались теоретические основы расчета гидравлических ударных механизмов, создавались экспериментальные и опытные образцы машин для горного дела и строительства.

Уже первые результаты теоретических и экспериментальных исследований показали, что применение гидравлического привода позволяет создать ударные механизмы, обладающие большей мощностью и имеющие при этом более высокий к.п.д. по сравнению с пневматическими машинами. Кроме этого гидравлические машины имеют и более лучшие эргономические характеристики (меньший уровень шума, меньшее загрязнение окружающей среды из-за отсутствия выхлопа отработанного воздуха в атмосферу).

Развитие этого направления привело к созданию как буровых, так и отбойных машин - гидравлических молотов, используемых как сменный рабочий орган гндрофнцнрованных агрегатов, и частности, одноковшовых гидравлических экскаваторов. Одноковшовые экскаваторы совместно с молотом приобретают новое качество, как агрегат, способный разрушать крепкие материалы и уплотнять грунты, при этом .рабочие функции агрегата как экскаватора не теряются. Возможно поэтому, начиная со второй половины 70-х годов.

гидравлические молоты получают широкое и регулярное применение, особенно в строительстве, где в это время было сосредоточено большое количество одноковшовых гидравлических экскаваторов.

В настоящее время известны различные конструкции гидравлических мологов с энергией ударов от 40 до 15000 Дж и более для самых различных областей применения. Их дальнейшее совершенствование сопровождается также изысканием новых областей применения. В последние годы выявлена новая область эффективного применения гидравлических молотов, связанная с безвзрывной технологией отбойки скальных пород от массива.

Поисковые исследования и испытания мощных механизмов ударного действия, проведеннТые сотрудниками Института

машиноведения, также показывают возможность их использования при добыче полезных ископаемых без применения взрыва. Из предварительных данных, полученных при испытаниях молотов на добыче руды следует, что стоимость единицы добытой руды при безвзрывной технологии в три с лишним раза меньше аналогичного показателя, получаемого при буровзрывном способе добычи. Кроме этого, ограничение или исключение взрыва при добыче повышает безопасность ведения горных работ и способствует улучшению экологии месторождений полезных ископаемых. Поэтому создание таких машин является актуальной задачей.

Цель данной работы заключается в обосновании параметров и создании гидравлического молота для безвзрывной добычи скальных горных пород, промышленной апробации разработанного молота.

Основная идея работы состоит в том, что использование гидравлических молотов с большой энергией удара при разработке полезных ископаемых в специфических случаях их применения может обеспечить технико-экономические показатели, не уступающие буровзрывному способу. .

При выполнении настоящей работы использовались следующие методы исследования: анализ и обобщение литературных источников, обобщение опыта проектирования и создания гидравлических молотов типа "Импульс" в Институте машиноведения; экспериментальные наблюдения за работой молотов в условиях их промышленной эксплуатации; моделирование рабочего процесса гидравлических ударных механизмов с использованием ПЭВМ.

Научная новизна работы заключается в выявлении резервов совершенствования конструкции молотов на основе накопленного материала по долговечности дегалей гидравлических ударных машин, в обосновании выбора материалов для изготовления деталей и узлов гидравлических ударных механизмов и их термической обработке, в установлении закономерностей изменения зазоров в подвижных сопряженных деталях из различных материалов при изменении

температурного режима работы молотой, я разработке математической модели процесса торможения поршня-ударника при "прострелах" и обосновании на ее основе параметров системы торможения норшня-ударника.

' ' Практическая_ценность__работы заключается в разработке

рекомендаций по выбору зазоров в подвижных соединениях ударных манит , материалов для изготовления детален гидравлических ударных машин с большой энергией и режимов их термической обработки, разработке алгоритма и программы на ПЭВМ- расчета режима торможения поршня-ударника при "простреле", разработке новой конструкции гидравлического молота с энергией удара 6000 Дж, который прошел промышленную апробацию при безвзрывной добыче скальных пород.

Достоверность основных выводов и рекомендаций, р еал из о и а и и ы х и конструкции молота "Импульс 600", подтверждена результатами его промышленных испытаний.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях Секции Ученого совета Института машиноведения с 1993 по 1996 годы; на Международной конференции "Механизмы переменной структуры и вибрационные машины" (г. Бишкек, 1995 г.); на Международной конференции "Высокогорные исследования - изменения и перспективы в XXI пеке" (г. Бишкек, 1996 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовало 8 работ и получено положительное решение о выдаче патента.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, содержит 174 страницы машинописного текста, 25 таблиц, 51 рисунок и библиографию из 74 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе представлен анализ показателей гидравлических молотов, созданных известными фирмами. Выявлено, что создание гидравлических молотов идет в направлении повышения энергии и мощности ударов. До последнего времени наибольшее количество созданных молотов, имели энергию ударов до 4 тыс. Дж. В настоящее время увеличилось количество гидравлических молотов, имеющих энергию ударов 5-8 тыс. Дж. Созданные отдельными фирмами, такими как Krupp (Германия), Rammer (Финляндия) и NPK (Япония), гидравлические молоты с энергией удара 10-15 тыс. Дж в последнее время начали эффективно использоваться в горной промышленности для добычи полезных ископаемых на месторождениях, представленных скальными породами.

Рассмогреньгконструктивные особенности гидравлических молотов типа "Импульс", созданных в 1975 - 1995 годах в Институте машиноведения (табл.1). Они отличаются по своим параметрам и конструктивному исполнению. При всем разнообразии вариантов отдельных конструктивных элементов, во всех конструкциях гидравлических молотов реализованы конструктивные решения, направленные на обеспечение простоты монтажа, и 'обслуживания, упрощение технологии изготовления и предохранения узлов базовой машины от преждевременного разрушения. При проектировании мологов типа "Импульс 40", "Импульс 130" и "Импульс 300" реализована "поузловая" компоновка их основных узлов, а при проектировании молота "Импульс 20" - совмещенная компоновка основных узлов.

Таблица 1

Техническая характеристика гидравлических молотов "Импульс"

Основные Модели молотов

параметры И-20 И-40 И-130 И-300

Энергия удара, Дж 250 400 1300 3000

Частота ударов, Гц 16,0-18,0 12,3-20,0 5,8-10,8 6,5-8,8

Номинальное давление, МПа 10,0-14,0 10,0-14,0 . 10,0-12,0 10,0-16,0

М а с с а, кг 150 240 450 1000

Длина (с инструментом), мм 1110 1436 1760 2285

Ширина, мм 320 320 320 440

Высота, мм 280 320 40 0 525

Диамеф инструмента, мм 50 66 85 120

В результате анализа конструкций мологов типа "Импульс" сделан вывод о целесообразности использования уже апробированных в них решении при создании новых более мощных гидравлических молотов.

Исходя иЗ"" проведенного анализа показателей гидравлических молотов, тенденций развития их конструкций и областей применения, сформулирована цель работы и поставлены задачи исследований.

При разработке месторождений полезных ископаемых, которые представлены скальными породами, для отбойки и разрыхления горной' массы наиболее распространен буровзрывной способ разрушения, с последующей" погрузкой и транспортировкой руды. Этот способ эффективен-при'больших объемах разрушения. Однако па малых мее]орожденнях или месторождениях со сложной формой залегания рудных тел этот способ зачастую дорог , малоэффективен и в настоящее

время используется только из-за невозможности применять другие, более экономичные способы разрушения горной породы.

Одним из направлений в решении данной проблемы может быть использование механического способа разработки полускальных и скальных пород с помощью мощных механических рыхлителей и выемочных машин с повышенными усилиями копания. Наряду с ними также могут быть применены и гидравлические молоты с высокой энергией удара, навешиваемые на гидравлические экскаваторы. В этой . связи, создание молотов . для разработки месторождений, представленных скальными породами, становится актуальной задачей.

При создании мощных ударных машин для применения в тяжелых условиях эксплуатации, связанных с разработкой скальных пород, в том числе высокоабразивных, одна из актуальных проблем - это обеспечение их долговечности и надежности. Требуют решения и ряд других проблем, связанных с рекуперацией энергии при аварийных режимах работы молота, обеспечением стабильности основных параметров в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды.

Во второй главе на основе анализа условий работы и областей применения гидравлических молотов . сформулированы требования, которые необходимо учитывать при их проектировании. Одним из наиболее важных требований является обеспечение работоспособности молотов и стабильности их параметров в широком диапазоне изменения температур.

Рассмотрены особенности работы деталей гидравлических молотов и сформулированы основные требования, предъявляемые к ним, которые послужили основой для выбора материалов деталей ударных механизмов.

Представлены результаты ' исследований ' гидравлических молотов типа "Импульс 130" с энергией удара 1300 Дж и "Импульс 300" с энергией удара 3000 Дж в промышленных условиях на золоторудном месторождении "Солтон-Сары" Госконцерма ."Кыргызалтын" при разрушении пород, коэффициент крепости которых составляет Г=14...17 ед. по. шкале проф. М.М. Протодьяконова. Эти исследования проводились с целью оценки долговечности деталей и узлов молотов. Результаты исследовании показали, чго общая наработка гидравлического молота "Импульс 130", за время наблюдения превысила 720 часов, а гидравлического молота "Импульс 300"- более 590 часов.

В процессе наблюдения испытанию подвергались рабочие инструменты молота "Импульс 300", изготовленные из цементируемых сталей 12ХНЗА с поверхностной твердостью НИС 56...62 иобьемио закаливаемой стали 30ХН2МА с поверхностной твердостью НЯС 45...50. Срок службы инструментов определялся, главным образом, интенсивным износом рабочей части. Результаты испытаний показали.

что рабочий инструмент, изготовленный из стали ЗОХН2МА, имеет долговечность более 350 часов, что в 7 раз больше долговечности инструмента, изготовленного из стали 12ХНЗА.

Срок службы рабочего инструмента молота "Импульс 130", изготовленного из цементируемой стали 12ХНЗА с поверхностной твердостью 1111С 56...62 ед., составляет в среднем 300-350 часов и зависит, главным образом, от разрушения буртика, сопрягаемого с пальцем инструмента, и износа рабочей части, взаимодействующей с породой.

Наработка поршней-ударников из стали 12ХНЗА молота типа "Импульс 300" колеблется от 70 до 500 часов. Результаты испытаний поршней-ударников выявили следующие виды их разрушений: трещины на боковой поверхности ударного штока, отслаивание цементационного слоя на ударном торце и боковой поверхности ударного штока, пластическая деформация ударного штока. Установлено, что пластической деформации подвергается участок, длина которого равна диаметру штока. Наработка поршня-ударника из стали 12ХНЗА молота "Импульс 300" при правильной термической обработке составляет не менее 500 часов. Направляющие поверхности поршня-ударника за это время прак тически не подвергаются износу.

Наработка поршня-ударника молота "Импульс 130", изготовленного нз стали 12ХНЗА, составила более 700 часов, что. почти в два раза выше, чем наработка поршней менее мощных пневматических бурильных машин.

При испытаниях в качестве материала направляющих втулок поршня-ударника были апробированы антифрикционный чугун марки АВЧ-1 и серый чугун марки СЧ 15-38. Испытания выявили явления схватывания сопрягаемых поверхностей втулки и корпуса.

Установлено, что на молоте "Импульс 300" зоны схватывания начинают образовываться после 1,0-1,5 часа работы со втулкой, изготовленной из чугуна АВЧ-1, тогда как со втулкой, изготовленной из чугуна СЧ 15-38, такие явления начинают проявляться после 50 часов работы. Выявлено, что основными причинами схватывания поверхностей втулки с корпусом являются большие удельные давления и трение в зонах контактов, которые создают благоприятные условия к металлическим связям.

Срок службы передних уплотни тельных элементов тина '^ерБеаГ фирмы "Шамбан" (Дании) поршня-ударника молота "Импульс 300" составил 410-420 часов. Аналогичные задние уплотнительные элементы поршня-ударннка имеют долговечность в 1,5 раза большую. Установлены причины малого срока службы передних уплотнений по сравнению с задними унлотнительными элементами.

Распределительное устройство молота "Импульс 130" без заметного износа его деталей отработало свыше 700 часов. Метрологические

измерения золотниковой пары распределительного устройства молота "Импульс 300" показали, что зазор в сопряжении после наработки 590 ' часов увеличился всего на 0,01...0,015 мм.

По результатам анализа причин поломок и деформаций деталей и узлов гидравлических молотов "Импульс" разработаны рекомендации по повышению их надежности и долговечности, а также обозначены задачи дальнейшего совершенствования конструкции гидравлических молотов.

В третьей главе рассмотрены вопросы выбора материалов деталей молотов и их термической обработки, а также выбора зазоров в подвижных соединениях гидравлических ударных механизмов.

Работы по исследованию и обоснованию выбора материалов для деталей бурильных машин проводятся уже более 40 лет. В 50-х годах Топоровым Г.В. и Горбуновым В.Ф. проведен анализ и обобщение достижений заводов и фирм в этом направлении и сформулированы теоретические предпосылки по подбору материалов , выбору способа термической обработки для характерных деталей пневматических ручных бурильных молотков. Начиная с этого же периода, работы в этом направлении для перфораторов и пневмоударников выполнялись в Криворожском горнорудном институте Бегагоеном И.А. и его учениками.

(Однако, рекомендации по выбору материалов для ручных машин не всегда приемлемы для мощных молотов. Высокий уровень нагрузок, большие габариты деталей ударной системы молотов требует специфического подхода к выбору их материалов. Но работ, посвященных выбору материалов и режимов термообработки детален для таких машин, в доступной нам литературе практически нет. Отмеченные обстоятельства уже. давно определяли необходимость постановки таких работ.

Работы по исследованию и обоснованию выбора материалов деталей гидравлических ударных машин выполняются в Институте машиноведения с 1991 года. На основании анализа условий работы деталей, механических свойств материалов и накопленного опыта изготовления молотов "Импульс", а также на основании изучения имеющихся данных по использованию материалов при изготовлении ответственных деталей некоторых зарубежных ударных механизмов, разработаны рекомендации по выбору материалов для детален молотов и их термической обработке.

При анализе условий работы гидравлических молотов было сделано заключение о необходимости обеспечения их работоспособности и стабильности параметров в широком диапазоне изменения .температур. Наибольшее влияние изменение температуры деталей оказывает на зазоры в уплотняющих и направляющих соединениях, величина которых в свою очередь влияет на работу механизма.

Выполнены исследования

закономерностей изменения зазоров в подвижных соединениях гидравлических ударных механизмов при изменении температуры деталей. Рассмотрены два возможных случая распределения температуры деталей. Первый случай, когда температура деталей по всему их объему распределена равномерно, и второй Рис.1. Расчетная схема к определению случай - распределение температуры температурных деформаций сопрягаемых вдоль радиусов сопрягаемых деталей деталей: 1 -поршень, 2-втулка, 3-корпус. подчиняется логарифмическому

закону (рис.1).

Если поршень и корпус выполнены из одинакового материала, а промежуточная деталь - втулка- из другого, то изменение радиального зазора между поршнем и втулкой при равномерном распределении температуры по всему объему сопрягаемых деталей определяется зависимостью

5и+ 12= Т* п *(а2-а!)*К, (1)

где

К = 1 - ■

(1-к,*)

1+к1* [(--

Е2

1+кг2 *<--+цз)|

(2)

1-1цг Е3 1-к22

к1 = п/п , к2=Г2/ГЗ,

Т = 11 - и, 11,и- соответственно, рабочая и нормальная температура детали; «|, иг - соответственно, коэффициенты линейного расширения материала поршня и втулки; Е2) Ез- соответственно, модули упругости материала втулки и корпуса.

Из (1) следуег, что изменение температуры деталей не оказывает влияния на величину зазора между поршнем и втулкой в двух случаях: когда «1 = аг, т.е. детали имеют одинаковые коэффициенты линейного расширения и когда К=0. Из уравнения (2) следует, что второе условие (К=0) выполняется при определенном значении отношения наружных диаметров втулки и корпуса (кг) равном

к!« =

\

Е1/Е2*(1+Ц2)-(1 + ЦЭ) ЕзАЕ2 * (1+ цг)+ (1- цз)

(3)

Для случая, когда поршень и корпус стальные, а втулка изготовлена из бронзы, из формулы (3), следует кг" ю 0,644.

При кг < кг0 увеличение температуры приводит к уменьшению, а при кг > к:0 - к увеличению величины зазора между поршнем и втулкой (рис.2). С ростом к1 влияние коэффициента кг на величину зазора между поршнем и втулкой ослабляется (рис.3).

К

й/

-й/

<1

H=<W . //

kf o,sy f /

- 0.5 U Л / if0,7 / CJ

Рис.2.Изменение зазора между еоп- Рис.3. Зависимос+ь коффици-рягаемыми деталями в зависимости ента К от отношения диаметров ог температуры наг рева деталей сопрягаемых деталей ( ki и кг)

Полученные зависимости справедливы только при Наличии натяга между втулкой' и корпусом. Если в результате температурных деформации между, этими деталями образовался зазор, т.е.

2*г2*(аз-ои)*Т > 0, (4)

то изменение радиального зазора между деталями поршень и втулка определяется зависимостью

5„Л=Т*г,*(аг-а,). (5)

При логарифмическом законе распределения температуры изменение радиального зазора между поршнем и втулкой определяется как

5m ri*T

-= ri*(«2-ai)*ti*K+

2 2*1п(к|*Ьг)

Ink2J

k[a3*(l+lnki2 +■

Inki* ri*T*aj . a2*(i +-) ]* к--* (l+lnkiJ +

X- Inkz2 Ш1

1-Inkiz

2*ln(ki*k2)

—) l-lnkz2

Формула (6) справедлива только при условии, что между втулкой и корпусом в результате температурных деформаций образуется натяг. Если начальный натяг при нормальной температуре и-+20 0 С был равен нулю, то условие существования натяга между втулкой и корпусом запишется в виде

Т 1пк22 1пк22

(аз-а,)*^--* [аэ*(1+1пк.2 +--) - «2 *(1+-)1 < 0 (7)

2*1п(к1*к2) 1- к22, 1-1пк22

Если условие (7) не выполняется, то изменение радиального зазора между поршнем и втулкой определяется.как

5ц- . а2*п*Т Ми2

-= (аг-аО^Ип-----* 11+--1 (8)

2 2*1п(к1*к2) 1-кг2

Если аг=а) или кг=к2°, К=0 изменение зазора в сопрягаемых деталях поршень - втулка определяется только последним слагаемым уравнений (6) и (8).

При распределении температуры вдоль радиусов деталей по логарифмическому закону, увеличение коэффициента к), также приводит к уменьшению влияния коэффициента кг на величину зазора при температурных деформациях. При этом основное влияние на. величину зазора оказывает перепад температур между наружной и внутренней поверхностями (рис.4). С увеличением разнос!и температур величина зазора между поршнем и втулкой уменьшается.

Установлено, что при бо.:ьшой разности температур первоначальный зазор в сопряжении между поршнем и втулкой может значительно

Рис.4. Изменение радиального зазора между сопрягаемыми деталями в зависимости от перепада температуры при логарифмическом законе распределения температуры.

уменьшиться даже при одинаковых материалах всех деталей. Например, при 11-1э=8()(|С изменение радиального зазора между этими деталями может быть в 40-45 раз больше, чем при 41-1з=0.

С использованием полученных зависимостей рассчитаны допускаемые диапазоны изменения температуры деталей гидравлических молотов типа "Импульс" при их работе.

Вопросы моделирования рабочих процессов, протекающих в гидравлическом ударном механизме при "прострелах" поршня-ударника н исследование режима его торможения при этом, представлены в четвертой главе.

Соударение поршня-ударника с инструментом может происходить в произвольно взятой точке в диапазоне - 1.г<\'<0 (рис.5). С точки зрения анализа динамики рабочих процессов ударных механизмов представляют интерес два случая, соответствующие двум крайним положениям инструмента.

В первом случае инструмент прижат к обрабатываемой среде, и удар происходит в точке У=0. В этом случае вся кинетическая энергия поршня-ударника передается обрабатываемому материалу.

Во втором случае инструмент полностью выдвинут," и удар происходит в точке У= -Ь|. Этот случай возможен при опережающем разрушении обрабатываемого материала. При этом энергия, накопленная'поршнем-ударником, воспринимается самим ударным механизмом. Такой случай принято называть "прострелом" поршня-ударника.

Ьгмт & ' " Рис. 5. Расчетная схема для моделирования процесса торможения поршня-ударника при "простреле": 1 - корпус, 2 - поршень-ударник, 3 - инструмент, 4 - палец.

С целью уменьшения динамических нагрузок на детали механизма при "простреле" поршня-ударника кинетическая энергия, накопленная им, должна быть поглощена к концу его движения. Эта цель в ударных механизмах достигается за счет создания тормозной камеры, в которой формируется сила, направленная против движения поршня-ударника.

Уравнение движения поршня-ударника в режиме "прострела" имеет вид:

M*dU/dt = Pxx*Sxx - Ppx*SPx-P.*S, - M*g (9)

при начальных условиях

t = О, Y= О, U = - ис

где М-масса поршня-ударника, U - скорость поршня-ударника, t - время, Sxx- площадь поперечного сечения камеры холостого хода, Рр* -давление жидкости в камере рабочего хода, Ра - давление газа в пневмокамере, S, - площадь поперечного сечения поршня пневмокамеры, Рхх - давление жидкости в камере холостого хода,

Г Рп при Y ¿0

Рх*=<

I Р|г при - 1-4ГП1 -i Y < О

где Р„ - давление жидкости в напорной магистрали, Ptr - давление жидкости в тормозной камере.

Уравнение неразрывности потока жидкости для рассматриваемого случая имеет вид:

Qu = QyK + Qyr + Qesk + Qjt, (10)

Qu = Sxx* U , (11)

где l/ц- расход жидкости, потребляемый ударным механизмом, QyK, Q,r - расход жидкости, вытесняемый из тормозной камеры соответственно через зазор и дренажный канал dg, Qesk- расход жидкости, учитывающий ее сжимаемость, QyT- утечки жидкости через контактные уплотнения. Утечки жидкости через контактные уплотнения QJT весьма малы и при анализе процесса торможения поршня-ударника не рассматриваются.

Величина Q,K определяется из известных уравнений утечек жидкости через концентрическую кольцевую щель. Расход жидкости через дренажный канал Q)r определяется из уравнений, описывающих течение реальных жидкостей по трубопроводам и каналам. После преобразования (9) й (10) имеем

n*do*(0,5*bir)3 *(Ptr-Pn) n*(0,5*bir)*do.

Sxx * U' = ——---——^-— +--*U+

12 *pi * LT 2

V„ dPir - К, + Кi+ 4*Ki*(Ptr - P„)

+ — *-+- , (12)

Ej dt 2*Kt

где

8*п

К1 = Е

лг *<1,

К2 = -

(13)

Полученные зависимости описывают динамику изменения давления жидкости в тормозной камере Р|Г и скорости и поршня-ударника при изменении параметров дренажного канала (с18, Ь8) и зазора в сопряжении Ь1г. Математическая модель процесса торможения поршня- ударника при "простреле" представляет собой . нелинейное дифференциальное уравнение третьего порядка. Эта модель исследована на ПЭВМ. Для этого разработан алгоритм решения исходных уравнений и программа расчета скорости поршня-ударника и давления жидкости в тормозной камере в зависимости от параметров тормозной камеры.

С точки зрения надежности работы механизма представляет интерес максимальное и среднее значение давления в тормозной камере и скорость соударения поршня-ударника с ограничителем при его "прострелах". Эти параметры, в основном, зависят от величины зазора между поршнем-ударником и втулкой Ь1г, от диаметра с18 и длины дренажного канала.

Диаграммы движения поршня-ударника при "простреле" и изменения давления жидкости в тормозной камере, построенные на примере гидравлического молота "Импульс 300" с энергией удара 3000 Дж, представлены на рис. 6. Из представленных графиков видно, что вязкость жидкости оказывает существенное влияние на исследуемые параметры. Скорость соударения Поршня-ударника с ограничителем при |1к=Ю сСт составляет 2,85 м/с, а максимальное давление жидкости в тормознои камере - 59,6 МПа.________

75 ьо \ <5 о У»)

V

гЛ 5

а) .....

60 И 10 ~<Г У.,и

Рис. 6. Диаграмма движения порншя-ударника (а) при "простреле" и характер изменения давления жидкости (б) в

тормозной камере молота "Импульс 300": 1- цк=10 сСт; 2-Цк=60 сСт.

При вязкости жидкости рк=60 сСт давление жидкости в тормозной камере увеличивается до 182 МПа, при этом поршень-ударник не

достигает крайнего положения в тормозной камере, а

останавливается, пройдя путь в 24 мм. В последнем случае уплотнительные элементы молота подвергаются воздействию очень высоких давлений жидкости. Диаграммы изменения безразмерш,1х аналогов среднего и максимального давления жидкости в тормозной камере, скорости поршня-ударника, а также длины тормозного пути от величины зазора представлены на рис. 7.

Из представленных графиков видно, что с увеличением зазора уменьшается давление жидкости в тормозной камере, но увеличивается скорость соударения поршня-ударника с ограничителем, и, наоборот, при уменьшении величины зазора уменьшается скорость и увеличиваегся давление жидкости. Безударная остановка поршня-ударника при вязкости жидкости 40 сСт возможна при зазоре, меньшем 0,16 мм. С уменьшением вязкости жидкости до 10 сСт безударная остановка поршня возможна только при зазоре менее 0,08 мм.

С, 50 0.50 0,23

3,00 ¿>к/8

г,01 зсо Нр/в

Ч1Ч1ЮХ Рп 6=0,08мм

а,со

к00 г

го< з,оо

2,01 3,00 ал

Рис. 7. Закономерности процесса торможения поршня-ударника при "прострелах" при изменении зазора: 1- Цк=Ю сСт; 2-Цк=40 сС;

Из графика изменения скорости поршня-ударника в зависимости от величины зазора видно, что незначительное изменение зазора приводит к значительному изменению скорости соударения поршня-ударника с ограничителем, т.е. скорость поршня-ударника очень чувствительна к величине зазора.

Рассмотрено также влияние диаметра дренажного канала (<1В) на исследуемые параметры. По сравнению с величиной зазора (Ь|Г), диаметр дренажного канала мало влияет на скорость поршня-ударника.

В результате проведенных исследований процесса торможения поршня-ударника при "простреле" разработаны рекомендации по выбору величины зазора (Ь(г) и диаметра дренажного канала для молота тина "Импульс 300". Поскольку действие высоких давлений жидкости при торможении поршня-ударника может привести к преждевременному выходу из строя уплотнений, необходимо

предусмотреть в конструкциях ударных механизмов меры по их

разгрузке. Предложены возможные конструктивные решении, которые позволяют уменьшить давление жидкости в тормозной камере до допустимого.

В пятой главе представлены конструктивные особенности созданного гидравлического молота и результаты его экспериментальных и промышленных испытаний.

Основываясь на зарубежных примерах использования гидравлических молотов для безвзрывной разработки месторождений полезных ископаемых и на предварительных результатах испытаний молота "Импульс 300" с энергией удара 3000 Дж, разработана конструкция гидравлического молота с расчетной энергией удара 6000 Дж (рис.8).

Основные параметры гидравлического молота выбраны в соответствии с разработанным в Институте машиноведения HAH Кыргызской Республики типоразмерным рядом, составленным на основе анализа мирового опыта создания гидравлических молотов, а также на основе изучения омыта применения молотов "Rammer" и "Krupp" для безвзрывной технологии добычи руды. Техническая характеристика характеристика гидравлического молота типа "Импульс 600" приведена в табл.2.

Рис. 8. Конструкция ударного узла гидравлического молота типа "Импульс 600". 1-корпус, 2-поршень-ударник, 3-фланец

передний, 4-инструмент, 5-распределитель, 6,7-аккумуля-торы напорные, 8-аккумулятор сливной, 9-фланец задний, 10-ниппель, 11-штуцер, 12,13- втулки направляющие, 14,15-уплотнения типа "Stepseal", 16,17-

грязесъемники типа "Excluder", 18,19-кольца типа "Slydring", 20-гильзы, 21-втулка распорная, 22,23-втулКи инструмента, 24-палец, 25,26-продольная шпилька и гайка;.'!??- планка, 28-фильтр.

'Таблица 2 Техническая характеристика молота "Импульс 600"

Показатели Значение

Масса Молота, кг 2.600

Длина с инструментом, мм 2 600

Диаметр инструмента, мм 170

Рабочее давление, МПа 14-16

Требуемая подача жидкости, л/мин 180-240

Энергия удара, Дж 55006200

Частота ударов, 1/мин 300-450

При разработке конструкции гидравлического молота

использованы как конструктивные решения, реализованные при создании менее мощных гидромолотов типа "Импульс", так и новые решения, направленные прежде всего на повышение надежности и долговечности деталей и узлов.

На основе экспериментальных исследований молота "Импульс 600" получены закономерности изменения его основных параметров от расхода жидкости. Разработанный гидравлический молот развивает энергию и частоту ударов и ударную мощность близкие к расчетным при среднем давлении жидкости в напорной магистрали 12,5-13,0 МПа.

Представлены результаты промышленных испытаний

гидравлического молота "Импульс 600" на карьере "Алтын Тор" золоторудного месторождения "Солтон-Сары".

В процессе промышленных испытаний отбойный агрегат использовался на. вскрышных работах и селективной добыче руды.

При разработке рудных месторождений использовались следующие технологические схемы (рис.9): ' • '

- с расположением агрегата на кровле уступа и работой гидромолота ниже горизонта установки агрёГйта;

- с расположением агрегата, на подошве уступа и работой гидромолота выше горизонта установки агрегата.

Рис. 9. Технологические схемы работы отбойного агрегата: а) с расположением экскаватора на кровле уступа; б) с расположением экскаватора на подошве уступа.

Проведен анализ и выявлены оптимальные зоны достижимости отбойного агрегата. При расположении /агрегата на кровле уступа и рпСчче гмлромолота ниже горизонта установки эффективная работа

агрегата обеспечивается до глубины уступа, равной 4,0 м. При схеме, когда агрегат расположен на подошве уступа и работа гидромо'лша осуществляется выше горизонта установки, эффективная высота отбойки составляет 6,0-6,5 м. .

Породы в местах отбойки были представлены метасоматитами кварц - карбонатного состава и туфами диабазовых порфиритов. Коэффициент крепости по шкале проф.. М.М... Протодьяконова в местах отбойки колебался от Г = 14 до |Г = 17, категория пород по трещиноватости - от II до IV.

, За период испытаний было отбито 2859,4 м3 горнорудной массы, из которой селективная добыча руды составила 1696 т. Средняя эксплуатационная производительность составила 23,4 м'/час. Экономические расчеты, выполненные по результатам испытаний показали, что себестоимость отбойки скальных пород при безвзрывной технологии снижается в 4,0...4,5 раза по сравнению с добычей породы буровзрывным способом.

Установлено, что при отбойке руды отбойным агрегатом уменьшается ее разубоживание и потери,-практически исключается выход негабаритов и отпадает необходимость вторичного дробления.

Гидравлический молот "Импульс 600" за период испытаний отработал 126 часов и показал высокую ■ надежность. Дальнейшее его совершенствование может быть связано с упрощением конструкции и технологии изготовления деталей и узлов. '

Промышленная апробация гидравлического молота подтвердила основную идею настояще-:'! работы об эффективности использования таких машин на отбойке скальной, породы и селективной отбойке руды. ■ ,''•'"!:.

ЗAKЛЮЧEHИE

Проведенные исследования показывают, что создание гидравлических молотов с большой энергией удара в настоящее время рассматривается как одно из перспективных направлений механизации добычи и производства вскрышных .работ в горнорудной промышленности. Созданные отдельными фирмами гидравлические молоты с : : энергией' удара 6-15 1ыС. Д>к: могут эффективно использоваться для добычи полезных ископаемых на месторождениях, представленных скальными породами. На основании проведенного анализа сделан вывод об актуальности создания отечественного конкурентоспособного гидравлического молота для разработки скальных пород.

Получены и ■ систематизированы данные по наработке деталей и узлов гидравлических молотов типа "Импульс", созданных в Институте машиноведения . По результатам анализа причин отказов деталей и

узлов гидравлических молотов разработаны рекомендации по повышению их надежности и долговечности.

Обоснован выбор материалов для изготовления деталей мощных гидравлических ударных механизмов, виды их термической обработки и рекомендованы марки материалов для различных деталей и режимы термической обработки.

Выявлены закономерности изменения зазоров в подвижных сопряженных деталях из различных материалов при изменении температурного режима работы молотов. Получены зависимости, описывающие изменение радиального зазора между сопрягаемыми деталями при равномерном распределении температуры по всему их обьему и при распределении температуры вдоль их радиусов по логарифмическому закону.

Разработаны рекомещдации по выбору зазоров в подвижных сопряжениях деталей пропускаемым температурным режимам работы молотов типа "Импульс".

Составлена математическая модель процесса торможения поршня-ударника при "простреле", которая позволяет исследовать динамику рабочих процессов в этом режиме при различных параметрах тормозной камеры. Разработан алгоритм и программа расчета на ПЭВМ скорости поршня-ударника и давления жидкости в тормозной камере п зависимости от параметров тормозной камеры.

Выполнены исследования математической модели процесса торможения поршня-ударника при "прострелах". Получены диаграммы движения поршня-ударника при "прострелах" и изменения давления жидкости в тормозной камере. Выявлены закономерности изменения давления жидкости и скорости поршня-ударника в зависимости от параметров тормозной камеры.

Разработана конструкция гидравлического молота "Импульс 600" с энергией удара 6000 Дж. При этом использованы как

конструктивные решения, принятые при создании менее мощных гидромолотов типа "Импульс", так и новые решения, направленные прежде псего на повышение надежности и долговечности деталей и узлов.

Экспериментально установлены закономерности изменения основных параметров молота "Импульс 600" от расхода жидкости. В результате стендовых испытаний получено, что гидравлический молот развивает параметры близкие к расчетным.

Проведены испытания разработанного гидравлического молота в промышленных условиях, в результате которых подтверждена возможность его использования на отбойке скальной породы и селективной отбойке руды.

Установлено, что при отбойке руды отбойным агрегатом уменьшается се разубоживание и потери, практически исключается

выход негабаритов и отпадает необходимость вторичного дробления. Доказано, что применение гидравлического молота позволяет уменьшить, примерно в 4,0...4,5 раза, себестоимость отбойки скальных пород по сравнению с добычей породы буровзрывным способом.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

1. Результаты создания гидравлических молотов типа "Импульс". -СбЬрник трудов. Инженерная Академия Республики Кыргызстан. Выпуск 1. Бишкек: 1995, с.72-81 (соавторы М. Ураимов, С.И. Квитко)

2. Экспериментальные исследования гидравлических ударных механизмов. - Сборник трудов. Инженерная Академия Республики Кыргызстан. Выпуск!. Бишкек: 1995, с.81-89 (соавтор М. Ураимов).

3. Конструктивные особенности гидравлического молота для безвзрывной разработки месторождений полезных ископаемых. Материалы второй международной конференции " Механизмы переменной структуры и вибрационные машины". - Бишкек: 1995, с.164-168 (соавторы М. Ураимов, С.И. Квитко, И.И. Исмаилов).

4. Анализ работы гидравлических ударных механизмов при "прострелах" поршня-ударника. - Материалы второй международной конференции " Механизмы переменной структуры и вибрационные машины". - Бишкек: 1995, с.239-243 (соавтор М. Ураимов).

5. Объемные потери в гидравлических ударных механизмах. Материалы второй международной конференции " Механизмы переменной структуры и вибрационные машины". - Бишкек: 1995, с.244-246.

6. Методика и результаты стендовых испытаний гидравлического молота типа "Импульс 600". - Материалы второй международной конференции " Механизмы переменной структуры и вибрационные машины". - Бишкек: 1995, с.246-249 (соавторы С.И. Квитко, И.И. Исмаилов).

7. Применение гидромолотов типа "Импульс" на безвзрывной разработке золоторудных месторождений Кыргызстана. - Материалы второй международной конференции " Механизмы переменной структуры и вибрационные машины". - Бишкек: 1995, с.325-328 (соавторы С.С. Искенов, М. Ураимов).

8. Результаты применения гидравлического молота на безвзрывной технологии разработки полезных ископаемых. Материалы Международной конференции "Высокогорные исследования: изменения и перспективы в XXI веке".- Бишкек: 1996, с. 176 (соавторы М. Ураимов, С.И. Квитко, И. Исмаилов, Ч.М. Абдыкапаров, Е.Н. Даниленко).

9. Положительное решение N5026259/03/001496 от 09.01.92 т. по заявке "Гидравлический механизм ударного действия" (соавторы Алимов О.Д., Басов С.А., Ураимов М.).

АННОТАЦИЯ

Бул эмгекте тоо-кендерин жардыруусуз технология аркылуу казып алуу учун колдонулган гидравликалык базганды жаратууга жана анын параметрлерин негиздееге арналган изилдеелердун натыйжалары келтирилген. "Импульс" тибиндеги гидравликалык базгандарды долбоорлоонун жана жаратуунун тажрыйбасы жыйынтыкталып, гидробазганды ендуруш шарттарында жургузулгон изилдеелердун натыйжалары баяндалган. Базгандардын тетиктеринин материалын тандоо жана аларды ысытып иштетуу маселелери каралган. Базгандын температуралык иштее режимдеринин кыймылдуу тетиктеринин ортосундагы жылчыктардын езгеруу закон ченемдуулугуне керсеткен таасирнн изулдеелерунун натыйжалары баяндалган жана алардын чондугун тандоо боюнча керсетмэлер келтирилген. Ургулагыч -бишкектин "куруаткылоо" учурундагы токтотуу процесин

нзилдеенун натыйжалары келтирилген жана токтотуу камерасынын параметрлерир аныктоо боюнча сунуштар негизделген-. Урум энергиясы 6000 Дж болгон гидравликалык базгандын конструкциясы иштелип чыккан жана аны ендуруштегу сыноолордун натыйжалары келтирилген.

SUMMARY

In this work are results of researches are represented under the substantation in parameters and creation of hydraulic hammer for unexplosive technology of mining of mountain rocks. Experience of designing and creation of type "Impulse" hydraulic hammer is generalized, results of researches of hydraulic hammers in industrial conditions are stated. Questions of choice of materials of hammers details and their thermal processing are considered. Results of researches of influence of temperature mode of operation of hammer on lows of change of backlashes in interfaces of mobile details are stated and the recommendations at the choice of their sizes are formulated. Construction of hydraulic hammer with impact energy much as 6 000 J is worked out and its results of industrial testings are stated.

^ л

l^h-

s;