автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Определение основных параметров инверсионного ходового устройства карьерных горных машин

На правах рукописи

УДК 621.867

ФРЕНКЕЛЬ Александр Владимирович

РГБ ОД

\ з ноя гт

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИНВЕРСИОННОГО ХОДОВОГО УСТРОЙСТВА КАРЬЕРНЫХ ГОРНЫХ МАШИН.

Специальность 05.05.06 - «Горные машины»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2000

Работа выполнена в Московском государственном горном университете.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Картавый Н.Г. Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Подэрни Р.Ю.; кандидат технических наук Мельников A.C.

Ведущее предприятие: АОЗТ «ВНИИЗеммаш»

Защита диссертации состоится « » СЛкхАР 2000 г. в _£~^час. ^^ мин, на заседай! диссертационного СоветаК-053.12.03. в Московском государственном горном университете i адресу: г. Москва, Ленинский пр., д. 6, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственно] горного университета.

Автореферат разослан « ^ »

ОШи^ ооо г.

Ученый секретарь Диссертационного совета,

Проф., кандидат технических наук Шешко Е.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. В настоящее время общепризнанным является положение, что улучшение технико-экономических показателей угольной промышленности в целом и ее конкурентоспособности на внутреннем и мировом рынках должно осуществляться, главным образом, за счет развития наиболее эффективного открытого способа добычи угля, обеспечивающего по сравнению с подземным существенно более высокую производительность труда, более низкую себестоимость и удельные капитальные затраты, а также значительно лучшие и безопасные условия труда рабочих. Эти преимущества открытого способа реализуются путем применения мощных и эффективных карьерных горных машин.

Одним из основных узлов карьерных горных машин, во многом определяющих их производительность, массу, надежность в эксплуатации и техническую возможность применения, является ходовое оборудование.

Основными требованиями, предъявляемыми к ходовому оборудованию карьерных горных машин, являются: достаточные сила тяги, скорость передвижения и маневренность; способность преодолевать заданные подъемы и уклоны; небольшая масса, обеспечение допустимых давлений на основание; устойчивость машины при возможных изменениях положения ее центра тяжести и отсутствие больших динамических нагрузок в конструкции машины при передвижении; малые сопротивления передвижению; минимальное число быстроизнашивающихся элементов, удобство в эксплуатации и долговечность.

Однако существует целый класс карьерных горных машин (перегружатели забойные, соединительные, межуступные; отвалообразователи, мобильные перегрузочные и дробильно-перегрузочные устройства, приводные и натяжные станции конвейеров в схемах циклично-поточной технологии добычи полезного ископаемого и.т.д.), для которых передвижение не является основным функциональным назначением и осуществляется с малыми скоростями или кратковременно в пределах эксплуатационного цикла, в частности, установочные и поворотные движения. При этом энергозатраты на передвижения малы относительно общих энергозатрат при работе этих машин.

Обзор и исследование преимуществ и недостатков различных видов ходового оборудования карьерных горных машин показывают, что ни один из них в полной мере не отвечает требованиям к ходовому оборудованию для этого класса карьерных горных машин. Однако инверсионное ходовое оборудование (ИХО), обладающее рядом конструктивных, технологических и эксплуатационных преимуществ: простотой

з

изготовления, малой массой, высокой маневренностью, низкими удельными давлениям! на грунт и.т.д., этим требованиям удовлетворяет.

До настоящего времени теоретические основы работы ИХО изучены только дл прямолинейного движения. Отсутствуют исследования работы ИХО при разворота (установочных движениях и т.д.), а также экспериментальные исследования работ! ИХО при различных видах движений и разворотов, нет методики расчета основны параметров ИХО для карьерных горных машин.

Поэтому актуальными являются исследования, позволяющие теоретически : экспериментально обосновать основные параметры работы ИХО при разворотах дл определенного класса карьерных горных машин.

Целью работы является установление зависимостей кинематических и силовы параметров инверсионного ходового устройства от его конструктивных параметров пр разворотах карьерных горных машин и экспериментальное подтверждени принципиальной возможности использования этого ходового устройства дл прямолинейного перемещения и разворотов карьерных горных машин, а также создани методики расчета основных параметров '' ИХО на базе теоретических экспериментальных исследований.

Идея работы заключается в использовании в качестве ходового оборудовали для определенного класса карьерных горных машин оригинального ходовог устройства.

Основные научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна

- математические модели ИХО карьерной горной машины, позволяющи определить силы на ходовых опорах ИХО и их кинематические параметры пр разворотах машины с учетом плотности грунтового основания и внешних «и действующих на машину;

- экспериментальные качественные зависимости мощности приводов, скорост передвижения ходовых опор ИХО и их просадки в грунтовое основание зависимости от его плотности при прямолинейном перемещении машин с ИХС Мощности приводов и просадка опор уменьшаются, а их скорости растут увеличением плотности оснований;

- способы и схемы разворота карьерных машин с ИХО поворотом плоскосте наклона опорных дисков ходовых опор и без их поворота. При использовани этих способов и схем для ИХО может быть обеспечен разворот машины любыми радиусами и ее высокая маневренность;

Обоснованность и достоверность научных положений и выводе подтверждены: :

; - математическим моделированием работы ИХО с использованием классически методов механики, механики грунтов и современных численных методов применением персональных ЭВМ;

- результатами экспериментальных исследований модели инверсионного ходового устройства, в частности, полным соответствием кинематики и схем разворотов модели ИХУ с результатами теоретических исследований. Научное значение работы состоит в установлении аналитических зависимостей для определения геометрических, кинематических и силовых параметров ИХО для определенного класса карьерных горных машин; в разработке способов и принципиальных схем разворотов этих машин; в получении экспериментальных зависимостей для определения влияния плотности грунтового основания на скорости перемещения машин с ИХО, потребляемые мощности приводов ходовых опор и их просадки в грунт.

Практическое значение работы заключается в разработке методики выбора и расчета основных параметров инверсионного ходового оборудования для транспортных и других карьерных горных машин, перемещаемых в процессе эксплуатации с низкими скоростями в рекомендуемых схемах инверсионного ходового устройства для этих машин.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Методика выбора и расчета основных параметров инверсионного ходового оборудования для карьерных горных машин использована АОЗТ «ВНИИЗеммаш» при разработке конструкторской документации инверсионного ходового оборудования рыхлителя фрезерного РФ-250.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты работы докладывались и получили одобрение на научных симпозиумах и семинарах в МГГУ: «Неделя горняка 98», «Неделя горняка 99»; на НТС в НПК «Стройкарьермаш» в 1999г; на АО «ВНИИЗеммаш» в 2000г. Публикации: По результатам выполненных работ опубликовано 5 статей. Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 34 рисунка, 42 таблицы, список литературы из 83 наименований и 3 приложений.

Автор выражает глубокую благодарность проф. В.А Дьякову за научные «шсультащш и советы при выполнении работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Вопросам работы ходового оборудования карьерных горных машин посвящен большое количество научных исследований. К наиболее значительным из них следуе отнести работы: В.Ф. Бабкова, А.К. Бируля, Ю.А. Ветрова, Д.П. Волкова, IOJ Волошина, И.М. Гомозова, Н.Г. Домбровского, А.Г. Маевского, Ч.П. Мешика, Е.1 Петерса, Р.Ю. Подэрни, С.А. Панкратова, A.C. Реброва, А.К. Рейша, Р.В. Ротенберг; В.И. Слепяна, H.A. Ульянова, Б.С. Фалькевича, Д.Р. Фортунатова, Чжан Хун Сина, ДJ Чудакова, Е.А. Чудакова, Н.Я. Хорхуты и др.

Анализ их работ и основных конструктивных особенностей, преимуществ недостатков пневмоколесного, рельсового, гусеничного, шагающего, шагающ! рельсового ходового оборудования карьерных горных машин, а также предлагаемого отдельных работах инверсионного ходового оборудования показал перспективное! применения последнего для определенного широкого класса карьерных горных машин.

Инверсионное ходовое оборудование включает 3 и более ходовых опо] Основным элементом ходовой опоры является (рис 1) опорный диск с выпуклым, кг правило, сферическим днищем, ось вращения которого устанавливается наклонно пс углом (10 - 15°) к вертикальной оси. При опирании диска на жесткое основан* первоначальная точка касания смещена относительно оси вращения диска.

Вертикальная нагрузка, действующая на диск, приводит к его просадке в опорну поверхность, в результате чего образуется пятно контакта диска с поверхностью. Кошу пятна контакта ограничен окружностью с диаметром d. Размер пятна контакта пр заданной нагрузке определяет уровень удельных давлений на грунт. Максимально размер пятна контакта d возникает, когда его контур достигнет края сферическо! днища диска (см. рис.1). При вращении диска центр пятна контакта (точка С становится мгновенным центром вращения, и ось диска 001 приходит в постулате льне перемещение.

Поступательное перемещение оси диска OOi происходит в этом случае направлении, перпендикулярном плоскости наклона диска OOiO'. Последнее позволж достаточно просто менять направление перемещения опорного диска. Для это1 достаточно развернуть плоскость наклона диска 00[0' вокруг вертикальной оси ОС Это может быть достигнуто принципиально двумя способами: либо поворото наклоненной оси 00; диска вокруг вертикальной оси 00', либо за сч< непосредственного изменения направления наклона оси 001 в другую сторону.

Разворот машины с ИХО может осуществляться двумя способами: поворото плоскости наклона опорного диска ходовой опоры и без поворота ходовых опс изменением скорости или направления вращения наружных и внутренних опор.

6

Рис. 1. Схема ходовой опоры инверсионного ходового устройства: О -диаметр опорного диска; (1 - диаметр пятна контакта; е - эксцентриситет центра пятна контакта; Ио - радиус сферической поверхности диска; 5 -максимальная просадка диска; а - угол наклона оси диска; р - габаритный угловой параметр, а>о - угловая скорость вращения ходовой опоры, V -линейная скорость ходовой опоры

При исследовании кинематики перемещения ходовых опор и баланса сил, гйствующих на опорные диски при развороте машины с 4-опорным ИХО с поворотом эдовых опор на жестком основании (рис. 2) установлено, что равновесие сил на тарных дисках может быть обеспечено, если разворот осуществляется вокруг точки В очки пересечения нормалей тяговых усилий внутренних опор). В этом случае эоскальзывание внутренних ходовых опор отсутствует, и сила сдвига этих опор может четь любое значение в пределах полной силы трения.

Рис. 2. Схема разворота машины с 4-х опорным ИХО с поворотом ходовых опор: Р„, Рь - поперечные силы на соответственно наружных и внутренних ходовых опорах; Ъ, а - параметры расстановки опор; у - угол поворота ходовых опор; Т - тяговое усилие на ходовой опоре

Сумма моментов от действующих сил вокруг точки В с учетом налич! поперечного проскальзывания внешних ходовых опор и действия поперечных си направленных против направления проскальзывания опор:

У Мв=-2Рн-Ь$ту + 21] —— + Ьсо$у 1 = 0. (1)

^¡П/ )

Из уравнения (1) тяговое усилие на ходовой опоре:

(2)

Ь

С учетом одновременного действия сил Р„ и Т, первая из них меньше полной сил трения ц(3 и определяется соотношением

ЦЩ

где (5 - нагрузка на опору; /и- коэффициент трения опорного диска на жестком основании.

Коэффициент сопротивления развороту машины с учетом выражения (2) может быть представлен в следующем виде:

ий ф +г}2

т

. где 7 = — .

гн

В случае одновременного действия других сил сопротивлений (уклон, ветер и т.п.) - Ро, действующих вдоль направления движения, поперечная сила на наружную ходовую опору составит

г„. м'» ,, . (5)

/*♦<т.«)' ГГ^

откуда

г Л1Р! лр*

р = М + г *_1»___(А)

После соответствующих преобразований, с учетом коэффициента внешних

р

дополнительных сил сопротивлений К0 = —5-, коэффициент сопротивления развороту

мй

Т + -к] -г)к0

Кр~~Г =-;-5--7 •

МО 1 + 1

Для получения величины нормальной силы на внутренних ходовых опорах спроектируем все силы на продольную ось инверсионного ходового оборудования:

-2Рн5ту + 2Рь$\пу+4Тсову =0, (8)

откуда

2 Т ЩГ

С учетом значения тяговой силы Т имеем:

о 5т2 у Ь 2

а Б1п2 у

- +--

Ь 2

Как видно из последнего выражения, Рь < Р„ , т.е. меньше полной силы

трения.

(9)

Рь=Рн. „Д.. ■ (10)

Исследованиями кинематики перемещения и баланса сил при разворот« машины на 4-опорном ИХО с поворотом ходовых опор на податливом основанш установлено, что центр разворота не может совпадать с точкой В (см. рис. 2), так как i этом случае нормальная сила от поперечного скольжения внутренних ходовых onoj будет отсутствовать. При таком движении центр разворота машины сместится внутр] отрезка АВ. Однако с целью упрощения расчета также принимаем центр вращения i точке В. Тогда все зависимости, полученные выше, сохранят свое значение. Поперечна; сила Р„ с учетом ранее проведенных исследований работы ИХО при прямолинейно» движении определяется коэффициентом поперечной силы - Ху.

С учетом этого коэффициент сопротивления развороту определяется и выражения:

Л sin2 у

—(И)

—+ s:n2/

Поскольку Ху < 1, то при движении по податливому основанш« сопротивление развороту меньше, чем при движении по жесткому основанию. Однак! при движении по жесткому основанию отсутствуют момент трения при вращении диск и сопротивление от просадки. Поэтому суммарное сопротивление, как правило, выш при перемещении по мягким грунтам.

При исследовании кинематики перемещения и баланса сил при разворот машины с 4-опорным ИХО без поворота ходовых опор (рис. 3) устанавливалось влияние сопротивлений развороту машины на выбор мощности привода ходовой опоры Крутящий момент Мр на валу опорного диска при развороте относится к крутящем; моменту М„ при прямолинейном движении ИХО по податливому основанию. Эт1 отношение является коэффициентом перегрузки привода при развороте -ЛГт=Мр/Мп.

Разворот машин в этом случае осуществляется так же, как и на машинах с 2 гусеничным ходовым оборудованием, путем задания разных скоростей движения диска; ходовых опор правой и левой стороны (относительно направления прямолинейноп движения) вплоть до остановки или реверсирования одной из сторон. При тако( развороте возникают поперечные и продольные проскальзывания опорных дискет сопровождающиеся появлением соответствующих составляющих сил трения. Величин этих сил будут наибольшими при отсутствии проскальзываний, так как векторная сумм всех сил, сопровождающих скольжение, не может превышать полной силы трения.

В связи с этим собственное сопротивление развороту будет наибольшим пр: движении машины по жесткому основанию, когда отсутствует скольжение от вращени опорных дисков. Однако в этом случае привод не испытывает нагрузок, связанных моментом трения при вращении опорных дисков.

ю

При движении по податливому основанию сопротивление от разворота уменьшается, однако привод испытывает нагрузки, связанные с просадкой в грунт опорных дисков ходовых опор.

При развороте машины с 4-опорным ИХО на жестком основании на ходовой опоре возникают тяговая и поперечная силы. Их векторная сумма равна полной силе трения опорного диска о грунт:

Т;2 + Р;2=(Ц<302 (12)

Отсюда тяговое усилие на ходовой опоре при развороте ограничено величиной нОи т.е.

ЛУ<ц(Ь. (13)

Тогда момент на оси опорного диска при развороте с учетом предельного значения тягового усилия

Мр=Т1преД- е = P-Q,е■

(14)

Крутящий момент на валу опорного диска при прямолинейном движении на податливом основании с учетом ранее проведенных исследований

(15)

где >-м - коэффициент момента трения, как отношение действующего момента к моменту трения при отсутствии поступательного проскальзывания. Тогда коэффициент перегрузки привода при развороте

к MQiB .- 3

ш М ~ nQ¡d 4 _ . „ d 4 . ' « + — Qesm fi - + — sin/?

3 Зя e 7Cfi

(16)

Отношение — и значение угла ¡3 являются известной функцией принятых для

е

инверсионного хода параметров: отношения — и утла а. (— = 1,6 -ь 2,0; а = 8°+ 15°).

й й

Значения коэффициента К для разных значений — и угла а при развороте на

Л

жестком основании с учетом д = 0,7 приведены в таблице.

1,6 1,8 2,0

8 0,87 1,09 1,36

10 0,83 1,08 1,33

13 0,83 1,07 1,30

15 0,83 1,06 1,29

Из таблицы видно, что максимальная величина коэффициента перегрузки привода

- Кш, не превышает значения 1,36 раза, что допустимо. В реальных конструкциях ИХО коэффициент перегрузки, как правило, значительно ниже.

Приведенные в работе расчеты коэффициента перегрузки привода при развороте на жестком основании для симметричной системы опирания машины с равномерной вертикальной загрузкой ходовых опор ИХО и одинаковыми тяговыми усилиями га опорах каждой стороны (при «плотной» компоновке размещения ходовых опор, когдс расстояния между соседними ходовыми опорами примерно равны диаметру опорногс диска) показали, что максимальные табличные значения коэффициента Кш сохраняются только в случае неограниченно большого числа ходовых опор (п-»со), где г

- число ходовых опор на одной стороне ИХО. В остальных случаях его величина падает.

Так, при 4-опорном ходе (п = 2) - ЛГо„=0,85; при 8-опорном ходе (п = 4) - Кв = 1,15

Отсюда следует, что мощность привода ИХО, выбранная для условт прямолинейного движения на расчетном основании с учетом возможной перегрузки привода, достаточна для обеспечения разворота машины. Вариант разворота машины с ИХО на жестком основании может не рассматриваться, по крайней мере, на случай,

О ,

когда — 2 2.

а

При развороте машины с ИХО на податливом основании возникают поперечное \ продольное проскальзывания (см. рис. 3), сопровождающиеся появлением продольных I поперечных составляющих сил трения.

Сопротивление развороту будет максимальным, когда поперечное проскальзывание пренебрежимо мало. Для условий «плотной» компоновки ходовьи опор поперечное проскальзывание генерирует силу, которая не создает моментг относительно оси опорного диска, но уменьшает составляющие сил трения от продольного проскальзывания и вращения опорного диска. В общем случае ране« проведенными исследованиями установлено, что при наличии продольной: проскальзывания крутящий момент на оси опорного диска равен

ь.

з

Загрузка привода при прямолинейном движении по податливому основании определяется по формуле (15) с учетом » 1:

М Л^ + ^т/?. (18)

3 Ъл

Тогда коэффициент перегрузки привода при развороте без поворота ходовых опор

= 1-4е-= —^-' <19>

М"> — СЫп/З 1 + — .-яп/9

3 3/г цк ё

12

Мр + О7)

Рис. 3. Расчетная схема разворота машины с 4-опорным ИХО на податливом основании

Значения коэффициента Кпп для максимальных значений 0/(1 =2 и а=8° (см. таблицу) при коэффициенте трения р. = 0,7 приведены на графиках (рис.4).

Из графиков рисунка видно, что наибольшее значение коэффициента перегрузки привода Кт =1,5. В реальных конструкциях коэффициент перегрузки Кт, как правило, значительно ниже. Его уменьшению будут способствовать и внешние сопротивления, которые увеличивают загрузку привода в условиях прямолинейного движения, не влияя на предельный момент сопротивления Мр.

Проведенные в работе расчеты коэффициента перегрузки привода ходовой опоры при развороте 4-опорного ИХО реверсированием движения одной из сторон (см. рис. 4.)

показали, что для случаев — = 2 и а=8° при «плотной» компоновке размещения

й

ходовых опор Кт~ 1,21.

Таким образом, исходя из теоретически полученных максимальных значений

коэффициента перегрузки привода ходовой опоры ИХО при развороте без поворота

ходовых опор /с пп= 1,36 для жесткого основания и к „„= 1,5 для податливого основания,

и учитывая допускаемые электроприводами перегрузки, выбор установленной мощности

Я „ ,

привода ходовой опоры инверсионного хода при — <2 может производиться без учета

й

сопротивлений, возникающих при развороте машины, тем более для ИХО с поворотными опорами.

Рис.4. Зависимости коэффициентов перегрузки привода при развороте машины с 4-опорным ИХО на податливом основании

Для экспериментальной проверки теоретических исследований инверсионного ходового оборудования была спроектирована и изготовлена модель ИХУ (рис. 5).

Исследования работы модели ИХУ проводились на шести специально подготовленных экспериментальных площадках с плотностью грунта их оснований от у=2600 кг/м3 (бетон) до у=1850кг/м3 (песок рыхлый)

Для оценки ходовых качеств модели ИХУ при движении по горизонтальной поверхности (с грузом и без груза) испытания модели проводились на всех экспериментальных площадках, при этом фиксировались скорость движения, потребляемая приводами суммарная мощность и просадка ходовых опор в основание испытательных площадок.

Рис. 5. Схема модели ИХУ

1 - корпус; 2 - ходовые опоры; 3 - электродвигатель; 4 - волновой

редуктор; 5 - поворотный кронштейн с сектором; 6 - опорный диск

Для оценки ходовых качеств модели ИХУ при движении без груза по наклонной (3 и 5°) поверхности испытания проводились на экспериментальных площадках с плотностью не ниже 1980 кг/м3, при этом фиксировались те же параметры, что и при движении по горизонтальной поверхности.

Для оценки технических возможностей модели ИХУ при выполнении различных видов разворотов фиксировались собственно развороты, а также потребляемая приводами мощность.

Определение коэффициента трения и тяговой способности приводов ходовых опор модели ИХУ производилось на испытательной площадке с плотностью грунта не ниже 1980 кг/м3.

Проведенные экспериментальные исследования подтвердили теоретические предпосылки работоспособности ИХУ. Модель ИХУ стабильно перемещалась с постоянной скоростью (У=0,12 м/с) по горизонтальной площадке с плотностью грунтов свыше 1980 кг/м3 (внедрение опор составило 0-7 мм), потребляя при этом мощность 0,94 - 1,05 номинальной мощности привода (рис. 6). На слабых и сыпучих грунтах с плотностью менее 1970 кг/м3 модель ИХУ перемещалась не всегда стабильно (Уср= 0,074 м/с, внедрение опор - 10 -5- 24 мм). При этом потребляемая мощность составила 1,22 н-1,29 от номинальной мощности привода.

При движении по наклонной поверхности скорость движения колебалась от 0,087 0,094 м/с (уклон 3°) до 0,066 4- 0,074 м/с (уклон 5°) в зависимости от плотности основания испытательных площадок (у=1980 -ь 2600 кг/м3) (рис. 7).

песок плотный плотный плотный цемент ' Г грунт грунт грунт с травой с гравием

Рис. 6. Зависимость скорости движения модели ИХУ от плотности грунтов: 1 - без груза; 2 - груз (100 кг); 3 - груз (220 кг); 4 - уклон 3° (без груза); 5 -уклон 5° (без груза)

Мощность приводов опор модели при движении без груза, с грузом и при наличии уклонов снижалась с увеличением плотности оснований (рис. 7).

и,Вг

470 460 450 440 430 420 410 400 390 380 37 0 360

1—т-4-1—-н-и

_ \ Л ---1- -4-1-

--1-

\ N -_г л ^

--- —

песок плотный плотный плотный цемент грунт грунт грунт с травой с гравием

Г

Рис. 7. Зависимость потребляемой мощности привода модели ИХУ от плотности грунтов: 1 - без груза; 2 - груз (100 кг); 3 - груз (220 кг); 4 -уклон 3° (без груза); 5 - уклон 5° (без груза)

При развороте противовключением (реверсом) двигателей опор, в зависимости от направлений врашения ходовых опор, центр вращения модели ИХУ проходил либо через отдельную ходовую опору (рис. 8), либо совпадал с центральной осью короба.

Рис. 8. Схема разворота модели ИХУ противовключением (реверсом) двигателей

При развороте с помощью изменения положения эксцентриситетов ходовых опор центр вращения модели ИХУ, в зависимости от направления их вращения, может :овпадать либо с осью, отстоящей от оси короба на 1 м, либо с центральной осью короба.

На основании теоретических и экспериментальных исследований эаботоспособности модели ИХУ разработана методика расчета основных параметров содовой опоры инверсионного ходового оборудования для карьерных горных машин. Рассмотрена принципиальная возможность использования ИХО применительно к отдельным видам горнотранспортного оборудования, разработанного НПК <Стройкарьермаш» в 1995-1999 гг.

В результате анализа отечественного и зарубежного опыта эксплуатации узлов терегрузки в схемах циклично-поточной технологии в НПК «Стройкарьермаш» зазработаны конструкции перегрузочных узлов типа ПУ-2х40/1000 и ПУ-2х 100/2000, базирующихся на принципиально новом способе подачи материала на питатель. Эти юнструкции позволяют отказаться от выполнения специальных строительных работ, так <ак они устанавливаются непосредственно на грунт, не требуют создания специальных ;редств для удержания груженых автосамосвалов, поскольку днище приемной емкости, 1а которую заезжает автосамосвал, также опирается непосредственно на грунт.

Для осуществления возможности маневрирования при размещении машин пол погрузку и разгрузку, перемещения перегрузочных устройств, в случае необходимости, автором предложен вариант конструкции этих перегрузочных устройств, оборудованных собственным ходовым оборудованием инверсионного типа (УПС-2x40/1000 и УПС-2хЮ0/2000). Параметры ИХО рассчитаны по предлагаемой методике.

В настоящее время на АОЗТ «ВНИИЗеммаш» (г. С.-Петербург) по конструкторской документации НПК «Стройкарьермаш» изготавливается опытный образец машины послойного фрезерования - рыхлитель фрезерный РФ-250 с инверсионным ходовьм оборудованием. Геометрические, кинематические и силовые параметры ходовых опор ИХО для РФ-250 были рассчитаны нами по предлагаемой методике и приняты заводом-изготовителем для конструирования инверсионного ходового оборудования. Дальнейшие стандартные расчеты: тяговые и статистические, расчеты на устойчивость, а также на прочность элементов конструкции ходовых опор ИХО для рыхлителя РФ-250 проводились на АОЗТ «ВНИИЗеммаш» при непосредственном участии автора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации дано решение новой актуальной научной задачи определения основных параметров инверсионного ходового оборудования для определенного класса карьерных горных машин, что обеспечивает повышение эффективности при их эксплуатации

Выполненные в работе исследования позволили сделать следующие основные выводы и рекомендации:

1. Инверсионное ходовое оборудование (ИХО) рекомендуется к применению на транспортных и других, редко и на небольшие расстояния перемещаемых горных машинах, для которых недостатки ИХО (повышенная энергоемкость при передвижении и низкие скорости) не имеют определяющего значения. В сравнении с применяемым ходовым оборудованием на горных машинах ИХО обладает следующими преимуществами: простотой конструкции, малой массой и высокой маневренностью. При создании этого ходового оборудования возможно достижение низких удельных давлений на грунт и упрощение конструкции машины.

2. Мощность, потребляемая приводами опор ИХО, и величина их просадки в грунтовое основание нелинейно зависит от плотности грунта и снижаються с увеличением плотности.

Скорость передвижения машины с ИХО нелинейно возрастает с увеличением плотности грунтового основания и снижается с ростом вертикальных нагрузок на опору ИХО

3. При развороте машины с ИХО на 3-ходовых опорах, развернутых так, что нормали к направлению их перемещения пересекаются в одной точке, не возникает дополнительных сил сопротивлений на опорах и разворот машины с ИХО происходит вокруг этой точки.

4. При развороте машины с 4-х опорным ИХО с поворотом ходовых опор установлено, что:

- на жестком основании разворот машины осуществляется вокруг точки пересечения нормалей к направлениям перемещения внутренних ходовых опор. При этом поперечное проскальзывание этих опор отсутствует, и величины поперечных сил на них могут иметь любое значение в пределах полных сил трения;

- на податливом основании центр разворота машины не совпадает с точкой пересечения нормалей и смещается ближе к внутренним опорам. При этом силы сопротивления развороту уменьшаются, но приводы ходовых опор должны преодолевать моменты сопротивления, связанные с просадкой опорных дисков в грунт.

5. Разворот машины с ИХО с жестким креплением ходовых опор осуществляется так же, как и машины с 2-гусеничным ходовым оборудованием, т.е. путем задания разных скоростей движения опорным дискам ходовых опор правой и левой сторон вплоть до остановки или реверсирования одной из сторон. Силы сопротивления развороту машины будут наибольшими при движении по жесткому основанию, когда отсутствуют скольжения от вращения опорных дисков. Однако в этом случае привод не испытывает нагрузок, связанных с моментом трения при вращении опорных дисков. При движении по податливому основанию сопротивления от разворота уменьшаются, однако на приводы ходовых опор действуют моменты от сил сопротивления, связанные с просадкой опорных дисков.

6. По сравнению с прямолинейным движением машин с ИХО при их разворотах коэффициенты перегрузки приводов ходовых опор не превышают значений: 1,36 - для жесткого основания и 1,5 - для податливого основания. Эти значения ниже допустимых коэффициентов перегрузки электродвигателей приводов ходовых опор. Поэтому выбор электродвигателей для приводов ходовых опор рекомендуется вести по сопротивлениям при прямолинейном перемещении машины с ИХО.

7. Предложенная методика расчета основных параметров ИХО обеспечивает их выбор для ИХО транспортных и других карьерных горных машин при их

19

прямолинейном движении и разворотах с учетом внешних сил, действующи на машины.

8. Результаты исследований внедрены при изготовлении АОЗТ «ВНИИЗеммаш новых горных машин: перегрузочного самоходного устройства УПС 2x100/2000 и фрезерного рыхлителя РФ-250. Рассчетный экономически эффект на этих машинах составил около 1,8 млн. рублей на один комплск оборудования от использования в них инверсионного ходового оборудования.

Основное содержание работ отражено в следующих публикациях:

1. Френкель A.B. Исследование инверсионного ходового устройства. Горны информационно-аналитический бюллетень, М.: МГГУ, 1998, №2.

2. Слепян В.И., Френкель A.B. Теория инверсионного ходового устройства да карьерных горных машин. Горный информационно-аналитический бюллетень, M МГГУ, 1998, №2.

3. Френкель A.B. Расчет инверсионного хода горных машин. Горный информациошк аналитический бюллетень, М.: МГГУ, 1998, №2.

4. Солод C.B., Гольдбухт Е.Е., Френкель A.B., Маслов М.В. Комплексы оборудован! для разрезов и участков малой мощности,- «Горный вестник», 1997, №1.

5. Слепян В.И. Френкель A.B. Ходовое оборудование горных машин,- «Горны вестник», 1999, №12

Подписано в печать 02.06.2000. Формат 30x42/8. Гарнитура «Times». Ризография. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 527.

Л\ ИЗДАТЕЛЬСТВО

¿¡¡^МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА

Лицензия на издательскую деятельность ЛР N2 062809 от 30.06.98 г. Код издательства 5X7(03)

Отпечатано в типографии Издательства Московского государственного горного университета

Лицензия на полиграфическую деятельность ПЛД№ 53-305 от 05.]2.97 г.

■117935, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 6; Издательство МГГУ; тел. (095) 236-97-80; факс (095) 956-90-40

ВВЕДЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ХОДОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ КАРЬЕРНЫХ

ГОРНЫХ МАШИН

1.1 Конструкции и принцип действия ходового оборудования карьерных горных машин.

1.1.1 Пневмоколесное ходовое оборудование.

1.1.2 Рельсовое ходовое оборудование.

1.1.3 Гусеничное ходовое оборудование.

1.1.4 Шагающее ходовое оборудование.

1.1.5 Шагающе-рельсовое ходовое оборудование.

1.1.6 Инверсионные ходовые платформы.

1.1.7 Анализ результатов исследований. Выводы и постановка задачи.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ИНВЕРСИОННОГО ХОДОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ

КАРЬЕРНЫХ ГОРНЫХ МАШИН

2.1 Общие положения.

2.2 Разворот с поворотом ходовых опор.

2.2.1. Жесткое основание.

2.2.2. Податливое основание.

2.3 Разворот без поворота ходовых опор.

2.3.1. Жесткое основание.

2.3.2. Податливое основание.

2.4 Выводы.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ МОДЕЛИ ИНВЕРСИОННОГО ХОДОВОГО УСТРОЙСТВА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДАХ ДВИЖЕНИЙ И РАЗВОРОТОВ

3.1 Методика экспериментальных исследований.

3.1.1 Объект исследований.

3.1.2 Цели и задачи испытаний.

3.1.3 Выбор представительных экспериментальных площадок для проведения испытаний.

3.1.4 Опробование работоспособности на месте.

3.1.5 Движение по горизонтальной поверхности.

3.1.6 Движение по наклонной поверхности.

3.1.7. Развороты.

3.1.8 Определение коэффициента трения.

3.1.9 Определение тяговой способности приводов.

3.2 Результаты экспериментальных исследований.

3.3 Выводы.

ГЛАВА 4. РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1. Последовательность расчета основных параметров ходовой опоры ИХО карьерной горной машины.

4.2. Использование инверсионного ходового оборудования при создании карьерных горных машин.

4.2.1. Устройство перегрузочное самоходное ПУ-2х100/2000.

4.2.2. Расчет основных параметров ходовой опоры ИХО устройства перегрузочного самоходного

УПС-2х100/2000.

4.2.3. Рыхлитель фрезерный РФ-250.

4.2.4. Расчет геометрических, кинематических и силовых параметров ходовой опоры ИХО для РФ-250.

4.3. Экономическая эффективность результатов исследований.

Актуальность работы. В настоящее время общепризнанным является положение, что улучшение технико-экономических показателей угольной промышленности в целом и ее конкурентоспособности на внутреннем и мировом рынках должно осуществляться, главным образом, за счет развития наиболее эффективного открытого способа добычи угля, обеспечивающего по сравнению с подземным существенно более высокую производительность труда, более низкую себестоимость и удельные капитальные затраты, а также значительно лучшие и безопасные условия труда рабочих. Эти преимущества открытого способа реализуются путем применения мощных и эффективных карьерных горных машин.

Одним из основных узлов карьерных горных машин, во многом определяющих их производительность, массу, надежность в эксплуатации и техническую возможность применения, является ходовое оборудование.

Основными требованиями, предъявляемыми к ходовому оборудованию карьерных горных машин, являются: достаточные сила тяги, скорость передвижения и маневренность; способность преодолевать заданные подъемы и уклоны; небольшая масса, обеспечение допустимых давлений на основание; устойчивость машины при возможных изменениях положения ее центра тяжести и отсутствие больших динамических нагрузок в конструкции машины при передвижении; малые сопротивления передвижению; минимальное число быстроизнашивающихся элементов, удобство в эксплуатации и долговечность.

Однако существует целый класс карьерных горных машин (перегружатели забойные, соединительные, межуступные; отвалообразователи, мобильные перегрузочные и дробильно-перегрузочные устройства, приводные и натяжные станции конвейеров в схемах циклично-поточной технологии добычи полезного ископаемого и.т.д.), для которых передвижение не является основным функциональным назначением и осуществляется с малыми скоростями или кратковременно в пределах эксплуатационного цикла, в частности, установочные и поворотные движения. При этом энергозатраты на передвижения малы относительно общих энергозатрат при работе этих машин.

Обзор и исследование преимуществ и недостатков различных видов ходового оборудования карьерных горных машин показывают, что ни один из них в полной мере не отвечает требованиям к ходовому оборудованию для этого класса карьерных горных машин. Однако инверсионное ходовое оборудование (ИХО), обладающее рядом конструктивных, технологических и эксплуатационных преимуществ: простотой изготовления, малой массой, высокой маневренностью, низкими удельными давлениями на грунт и.т.д., этим требованиям удовлетворяет.

До настоящего времени теоретические основы работы ИХО изучены только для прямолинейного движения. Отсутствуют исследования работы ИХО при разворотах (установочных движениях и т.д.), а также экспериментальные исследования работы ИХО при различных видах движений и разворотов, нет методики расчета основных параметров ИХО для карьерных горных машин.

Поэтому актуальными являются исследования, позволяющие теоретически и экспериментально обосновать основные параметры работы ИХО при разворотах для определенного класса карьерных горных машин.

Целью работы является установление зависимостей кинематических и силовых параметров инверсионного ходового устройства от его конструктивных параметров при разворотах карьерных горных машин и экспериментальное подтверждение принципиальной возможности использования этого ходового устройства для прямолинейного перемещения и разворотов карьерных горных машин, а также создание методики расчета основных параметров ИХО на базе теоретических и экспериментальных исследований.

Идея работы заключается в использовании в качестве ходового оборудования для определенного класса карьерных горных машин оригинального инверсионного ходового устройства.

Основные научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна; математические модели ИХО карьерной горной машины, позволяющие определить силы на ходовых опорах ИХО и их кинематические параметры при разворотах машины с учетом плотности грунтового основания и внешних сил, действующих на машину; - экспериментальные качественные зависимости мощности приводов, скорости передвижения ходовых опор ИХО и их просадки в грунтовое основание в зависимости от его плотности при прямолинейном перемещении машин с ИХО. Мощности приводов и просадка опор уменьшаются, а их скорости растут с увеличением плотности оснований; способы и схемы разворота карьерных машин с ИХО поворотом плоскостей наклона опорных дисков ходовых опор и без их поворота. При использовании этих способов и схем для ИХО может быть обеспечен разворот машины с любыми радиусами и ее высокая маневренность;

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждены: математическим моделированием работы ИХО с использованием классических методов механики, механики грунтов и современных численных методов с применением персональных ЭВМ; результатами экспериментальных исследований модели инверсионного ходового устройства, в частности, полным соответствием кинематики и схем разворотов модели ИХУ с результатами теоретических исследований. Научное значение работы состоит в установлении аналитических зависимостей для определения геометрических, кинематических и силовых параметров ИХО для определенного класса карьерных горных машин; в разработке способов и принципиальных схем разворотов этих машин; в получении экспериментальных зависимостей для определения влияния плотности грунтового основания на скорости перемещения машин с ИХО, потребляемые мощности приводов ходовых опор и их просадки в грунт.

Практическое значение работы заключается в разработке методики выбора и расчета основных параметров инверсионного ходового оборудования для транспортных и других карьерных горных машин, перемещаемых в процессе эксплуатации с низкими скоростями в рекомендуемых схемах инверсионного ходового устройства для этих машин.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Методика выбора и расчета основных параметров инверсионного ходового оборудования для карьерных горных машин использована АОЗТ «ВНИИЗеммаш» при разработке конструкторской документации инверсионного ходового оборудования рыхлителя фрезерного РФ-250.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты работы докладывались и получили одобрение на научных симпозиумах и семинарах в МГГУ: «Неделя горняка 98», «Неделя горняка 99»; на НТС в НПК «Стройкарьермаш» в 1999г; на АО «ВНИИЗеммаш» в 2000г. Публикации: По результатам выполненных работ опубликовано 5 статей. Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 34 рисунка, 42 таблицы, список литературы из 83 наименований и 3 приложений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации дано решение новой актуальной научной задачи определения основных параметров инверсионного ходового оборудования для определенного класса карьерных горных машин, что обеспечивает повышение эффективности при их эксплуатации.

Выполненные в работе исследования позволили сделать следующие основные выводы и рекомендации:

1. Инверсионное ходовое оборудование (ИХО) рекомендуется к применению на транспортных и других, редко и на небольшие расстояния перемещаемых горных машинах, для которых недостатки ИХО (повышенная энергоемкость при передвижении и низкие скорости) не имеют определяющего значения. В сравнении с применяемым ходовым оборудованием на горных машинах ИХО обладает следующими преимуществами: простотой конструкции, малой массой и высокой маневренностью. При создании этого ходового оборудования возможно достижение низких удельных давлений на грунт и упрощение конструкции машины.

2. Мощность, потребляемая приводами опор ИХО, и величина их просадки в грунтовое основание нелинейно зависит от плотности грунта и снижаються с увеличением плотности.

Скорость передвижения машины с ИХО нелинейно возрастает с увеличением плотности грунтового основания и снижается с ростом вертикальных нагрузок на опору ИХО

3. При развороте машины с ИХО на 3-ходовых опорах, развернутых так, что нормали к направлению их перемещения пересекаются в одной точке, не возникает дополнительных сил сопротивлений на опорах и разворот машины с ИХО происходит вокруг этой точки.

4. При развороте машины с 4-х опорным ИХО с поворотом ходовых опор установлено, что:

- на жестком основании разворот машины осуществляется вокруг точки пересечения нормалей к направлениям перемещения внутренних ходовых опор. При этом поперечное проскальзывание этих опор отсутствует, и величины поперечных сил на них могут иметь любое значение в пределах полных сил трения; на податливом основании центр разворота машины не совпадает с точкой пересечения нормалей и смещается ближе к внутренним опорам. При этом силы сопротивления развороту уменьшаются, но приводы ходовых опор должны преодолевать моменты сопротивления, связанные с просадкой опорных дисков в грунт.

5. Разворот машины с ИХО с жестким креплением ходовых опор осуществляется так же, как и машины с 2-гусеничным ходовым оборудованием, т.е. путем задания разных скоростей движения опорным дискам ходовых опор правой и левой сторон вплоть до остановки или реверсирования одной из сторон. Силы сопротивления развороту машины будут наибольшими при движении по жесткому основанию, когда отсутствуют скольжения от вращения опорных дисков. Однако в этом случае привод не испытывает нагрузок, связанных с моментом трения при вращении опорных дисков. При движении по податливому основанию сопротивления от разворота уменьшаются, однако на приводы ходовых опор действуют моменты от сил сопротивления, связанные с просадкой опорных дисков.

6. По сравнению с прямолинейным движением машин с ИХО при их разворотах коэффициенты перегрузки приводов ходовых опор не превышают значений: 1,36 - для жесткого основания и 1,5 - для податливого основания. Эти значения ниже допустимых коэффициентов перегрузки электродвигателей приводов ходовых опор. Поэтому выбор электродвигателей для приводов ходовых опор рекомендуется вести по сопротивлениям при прямолинейном перемещении машины с ИХО.

7. Предложенная методика расчета основных параметров ИХО обеспечивает их выбор для ИХО транспортных и других карьерных горных машин при их прямолинейном движении и разворотах с учетом внешних сил сопротивления, действующих на машины.

8. Результаты исследований внедрены при изготовлении АОЗТ «ВНИИЗеммаш» новых горных машин: перегрузочного самоходного устройства УПС-2x100/2000 и фрезерного рыхлителя РФ-250. Рассчетный экономический эффект на этих машинах составил около 1,8 млн. рублей на один комплекс оборудования от использования в них .

1. Расчет унифицированных экскаваторов с ковшом емкостью 0,3 м3 : Э - 302, Э - 303, Э - 304. Ленинградский экскаваторный завод.

2. Кифер А.Г., Абрамович H.H. "Грузоподъемные машины. М. Машгиз, 1957 г.

3. Епифанов С. П. "Исследование давлений на опоры автомобильного крана во время его работы". Автореферат. М. 1950 г.

4. Комаров М.С. "Динамика грузоподъемных машин". 1962 г.

5. Рабинович И.Ш. "К расчету давлений на колеса поворотных кранов на пневмошинах". "Механизация строительства", №3, 1950 г.

6. Рейш А.К., Монадеев Л.Ш. "Пневмошинные шасси зарубежных экскаваторов и кранов". НИИ информациистройкоммунмаш, серия 1 "Строительные и дорожные машины", Москва, 1967 г.

7. Научно-исследовательский отчет по теме "Технические требования к эксплуатационным качествам новых строительных машин", ЦНИИОМТП, 1961 г.

8. Научно-исследовательский отчет по теме "Обследование в эксплуатационных условиях пневмоколесного хода одноковшовых экскаваторов и стреловых самоходных кранов". ЦНИИОМТП, 1963 г.

9. Чудаков Е.А. "Теория автомобиля". Москва, 1950 г.

10. Фалькевич Б.С. "Теория автомобиля". Машгиз, 1963 г.

11. Ротенберг Р.В. "Подвеска автомобиля и его колебания". Машгиз, 1960 г.

12. Чудаков Д.А. "Основы теории трактора и автомобиля". Издательство Сельхозмет, 1962 г.

13. Чжан Хун Син "Исследование динамических нагрузок, действующих на автомобиль". Диссертация. Горький. 1960 г.

14. Фортунков Д.Ф. "Исследование колебаний управляемых колес автомобиля с переменным радиусом"."Автомобильная промышленность", №6, 1966 г.

15. Вопросы исследования колебаний сельскохозяйственныхтракторов. Труды НАТИ. Выпуск 183, 1966г.

16. Бабков В.Ф.,Бируля А.К., Сиденко В.М. "Проходимость колесных машин по грунту". Автотрансиздат. 1959 г.17