автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Совершенствование ковшовых рабочих органов экскаваторов выполнением днища в виде роликовой поверхности

Ляшенко Алена Юрьевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОВШОВЫХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ЭКСКАВАТОРОВ ВЫПОЛНЕНИЕМ ДНИЩА В ВИДЕ РОЛИКОВОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Специальность 05.05.04 - «Дорожные, строительные и подъёмно-транспортные машины»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новочеркасск - 2013

005538312

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно - Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова» на кафедре «Машины и оборудование предприятий стройин-дустрии»

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Евстратов Владимир Александрович, доктор технических наук, профессор

Максимов Валерий Павлович, доктор технических наук, профессор

Адигамов Касьян Абдурахманович, доктор технических наук, профессор

ФГБОУ ВПО Тульский государственный университет

Защита состоится « 5 » декабря 2013г. в 10.00 на заседании диссертационного совета Д.212.304.04 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно - Российский государственный политехнический университет (НПИ)» имени М. И. Платова» по адресу: 346428, г. Новочеркасск, Ростовской обл., ул. Просвещения, 132, ауд. 149 глав, корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно - Российского государственного политехнического университета (НПИ) имени М.И, Платова. С текстом автореферата можно ознакомиться на сайте ЮРГПУ (НПИ) www.npi-tu.ru.

Автореферат разослан «¡Р/" » ноября 2013г.

Ученый секретарь диссертационного совета, /У

доктор технических наук, профессор ЛС/^-^^ / В.С. Исаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность задачи. Рост объемов капитального и дорожного строительства в России способствует динамичному развитию рынка нерудных материалов. Темпы его роста соответствуют росту общего рынка строительства и составляют около 10-15% в год. Благодаря повсеместному распределению месторождений, добыча и производство нерудных строительных материалов находятся практически во всех регионах страны.

Проблема дальнейшего улучшения использования техники на карьерах должна базироваться на энергосберегающих технологиях, решаться комплексно и охватывать, в том числе, разработку и внедрение высокопроизводительных машин и оборудования.

Одним из звеньев в парке машин и оборудования для производства карьерных работ при добыче нерудных материалов являются одноковшовые экскаваторы. Использование рабочих органов рациональных конструкций и параметров при эксплуатации одноковшовых экскаваторов может значительно повысить производительность машин и оборудования для производства карьерных работ, повысить их надежность и долговечность, снизить энергозатраты и себестоимость технологического процесса. Поэтому задача улучшения конструкции рабочих органов одноковшовых экскаваторов для производства карьерных работ является весьма актуальной.

Соответствие диссертации плану работ ЮРГПУ(НПИ) и целевым комплексным программам. Диссертационная работа составляет часть исследований научного направления: «Теория и принципы создания робото-технических и мехатронных систем и комплексов», утвержденного Ученым советом ГОУВПО ЮРГТУ (НПИ) 1.03.2006 г., по госбюджетной теме: ПЗ-845 «Повышение эффективности технологических и транспортирующих машин промышленности строительных материалов».

Цель работы. Снижение энергозатрат процесса погрузки нерудных материалов на карьерах путем совершенствования конструкций рабочих органов одноковшовых экскаваторов.

Идея работы. При совершенствовании рабочих органов одноковшовых экскаваторов заданный объем единичного черпания реализуется с минимизацией коэффициента трения погружаемых скальных грунтов об днише, выполнением его в виде роликовой поверхности.

Научные положения, разработанные лично соискателем:

• установлены параметры среднестатистического экскаватора эксплуатируемого в условиях погрузки скальных грунтов, составляющих до 38 % объема добычи нерудных материалов на карьерах Ростовского региона со средним значением объема производства 139 тыс. м3/год, согласно которым экскаватор является гидравлическим (58% в общем парке выемочно-погрузочных машин) с емкостью ковша 2,3 м3 (при интервале 0,65 + 8 м и

сопротивлении внедрению днища ковша в штабель погружаемого грунта составляющем от 80 % и выше);

• установлено, что снижение коэффициента трения скальных грунтов по плоскостям элементов ковша при внедрении в штабель и зачерпывании, являющегося одним из факторов, определяющих энергоемкость рабочего процесса одноковшового экскаватора, возможно путем перехода от трения скольжения к трению качения выполнением днища в виде роликовой поверхности;

• уточнена математическая модель вычисления сопротивления внедрения инновационного ковша в штабель как суммы сопротивлений внедрению ядра уплотнения, роликового днища и боковых стенок в функции от глубины внедрения вводом коэффициента, учитывающего улучшение трибометрических свойств рабочей поверхности днища и определяемого отношением коэффициента трения грунта по роликовой поверхности к коэффициенту трения грунта по гладкому днищу.

Новизна научных положений состоит в том, что:

• установленные параметры среднестатистического экскаватора позволили определить значимость днища в формировании сопротивления внедрению ковша в штабель погружаемого скального грунта, что делает нецелесообразным при совершенствовании ковшового рабочего органа варьированием конструктивными параметрами боковых стенок;

• установленная возможность снижения коэффициента трения скальных грунтов по плоскостям элементов ковша при внедрении в штабель способствовало улучшению трибометрических свойств при разработке конструкции усовершенствованного ковша с роликовым днишем;

• уточненная математическая модель определения сопротивления внедрения ковша в штабель позволяет с достаточной точностью описать рассматриваемый процесс с учетом улучшения трибометрических свойств рабочей поверхности днища.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждает применение комплекса современных апробированных методов исследований: научное обобщение выполненных к настоящему времени работ по рассматриваемому вопросу; статистические методы, планирования экспериментов, выполненных в условиях эксплуатации натурных образцов машин и оборудования для производства карьерных работ при добыче нерудных материалов, на установке для физического моделирования взаимодействия элементов ковша с погружаемой средой и физической модели рабочего оборудования одноковшового экскаватора; достаточным объемом экспериментальных данных; применение современных программных продуктов; адекватность расчетных моделей реальному процессу при принятой доверительной вероятности р = 0,85 и относительной ошибке в определении среднего значения, не превышающей 16%.

Научное значение работы:

• уточнена математическая модель вычисления сопротивления вне-

дрения в штабель для ковша с улучшающим трибометрические свойства роликовым днищем как суммы сопротивлений внедрению ядра уплотнения, роликового днища и боковых стенок в функции от глубины внедрения.

Практическое значение работы:

• предложено новое техническое решение конструкции ковша с роликовым днищем, обеспечивающее снижение энергоемкости рабочего процесса одноковшового экскаватора при погрузке скальных грунтов;

• разработана инженерная методика расчета основных конструктивных параметров и технико-эксплуатационной оценки ковша с роликовым днищем.

Внедрение результатов диссертационной работы.

Результаты работы нашли практическое использование в ООО «Управление механизации «Тоннельдорстрой»». Внедрены в ООО «Балтик - Гран» и ОАО «Павловскгранит».

Материалы диссертационной работы использованы при создании виртуального лабораторного практикума и внедрены в учебный процесс в виде электронного учебного издания предназначенного для студентов специальности 190205 «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование».

Получены патенты: на полезную модель № 101056 «Рабочий орган одноковшового экскаватора»; на изобретение № 2457169 «Рабочий орган погрузочной машины».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и получили одобрение на 56 - 61 научно - практические конференции Шахтинского института (филиала) ЮРГТУ(НПИ) (2007 - 2012 года); Межрегиональные научно - технические конференция студентов, аспирантов и молодых ученых Южного федерального округа «Студенческая научная весна» (г. Новочеркасск, 2009 - 2013 года); Научный симпозиум «Неделя горняка» ( г. Москва, 2010 - 2013 год); Всероссийская научная конференция - конкурс студентов выпускного курс (г. Санкт- Петербург, 2010 год); Десятая международная научно - практическая конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Научно-технологические, экономические и юридические аспекты, правовая зашита и коммерциализация интеллектуальной собственности) (г. Санкт-Петербург, 2010 год); Всероссийский конкурс научно - исследовательских работ, студентов, аспирантов и молодых ученых по нескольким междисциплинарным направлениям ЭВРИКА - 2011 (г. Новочеркасск, 2011 год); Первая международная научная конференция Наука. Образование. Культура: вклад молодых исследователей, (г. Новочеркасск, 2012 год); Академические фундаментальные исследования молодых ученых России и Германии в условиях глобального мира и новой культуры научных публикаций (г Новочеркасск, 2012 год); Энергоэффективность и энергоемкость (Ростов - на- Дону, 2012 год); 1Х-я Международная научная конференция «Актуальные вопросы Современной техники и технологии» (г. Липецк, 2012 г); XI Международная научно -

техническая конференция Чтения памяти В.Р. Кубачека (Екатеринбург 2013 год); Международная научно - практическая конференция «Прогрессивные методы обеспечения работоспособности транспортно-технологических средств, организации автотранспортных услуг и дизайна современных автомобилей» (Саратов, 2013 год).

Публикации. В настоящее время имеет 20 публикаций, в том числе 4 научных издания из перечня ВАК РФ; 8 публикации в международных сборниках; 6 публикаций в других изданиях; один патент на полезную модель и один патент на изобретение.

Объем работы. В диссертации, изложенной на 149 страницах с рисунками и таблицами, содержатся введение, четыре раздела, заключение, список использованных источников из 71 наименований, приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы диссертации, определены цели и задачи диссертационного исследования, сформулированы положения, выносимые на защиту, раскрыта научная новизна работы, подтверждена обоснованность и достоверность полученных результатов, а также их научно-практическое значение.

В первой главе выполнен анализ состояния вопроса, который показывает, что к настоящему времени проделана большая работа по исследованию процесса взаимодействия ковшовых рабочих органов с кусковой средой. Разработаны методы определения зон деформаций штабеля, влияющих на величину усилий при внедрении ковша и зачерпывании груза; предложены и апробированы базовые математические модели для описания процессов взаимодействия ковша с сыпучим материалом при внедрении и черпании; обоснованы-критерии оценки технического уровня конструкций проектируемых ковшей.

Большой вклад в развитие теории и методов расчета параметров рабочего оборудования одноковшовых экскаваторов внесли ученые научных школ: Московского автомобильно-дорожного института (В.И.Баловнев), Московского государственного горного университета (Р.Ю.Подэрни), Красноярского государственного технического университета (В.П.Павлов), Томского государственного архитектурно - строительного университета (В.Г.Ананин), Уральского государственного горного университета (А.П.Комиссаров), Южно - Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) (В.С.Исаков) и др.

Процесс черпания является одной из основных операций рабочего цикла одноковшового экскаватора, от характера выполнения которой во многом зависит степень наполнения ковша материалом, величины сопротивлений, возникающих в процессе взаимодействия рабочего органа с рабочей средой, и затраты времени на выполнение рабочего процесса.

Выполненный значительный объем экспериментальных и теоретических исследований по изучению рабочих процессов погрузочно - транспон-

ртных модулей взаимодействующих с кусковой средой, как следует из обзора работ Н.Г.Домбровского, С.Г.Калмыкова, В.Н.Стогова, Г.В.Родионова,

A.Д.Костылева, В.А.Баумана, И.П.Кривцова, П.А.Михирева, Р.Ф.Саблина,

B.И.Мещерякова, С.В.Абрамова, А.М.Лукина, Н.В.Тихонова, А.А.Соловьева, Я.Б.Кальницкого, С.С.Музгина, О.П.Иванова, В.Г.Сильня, Г.М.Водяника,

A.Н.Дровникова, Г.Ш.Хазановича, В.П.Максимова, Ю.М.Ляшенко,

B.А.Евстратова, А.С.Носенко, К.А. Адигамова, В.Д.Ерейского, О.Д.Гагина и др. позволил сформировать представления о физике процесса взаимодействия рабочих органов с горной массой.

В то же время, создание рабочих органов одноковшовых экскаваторов нового технического уровня потребует дополнительных исследований и доработки методической базы.

На основании выполненного анализа, а также в соответствии с целью работы сформулированы следующие задачи исследований:

1 - статистические исследования оборудования для производства карьерных работ при добыче нерудных материалов в условиях Ростовского региона для уточнения объемов производства и технологии добычи, установления параметров наиболее востребованных у потребителя одноковшовых экскаваторов как объектов конструктивного усовершенствования;

2 - математическое и физическое моделирование процесса взаимодействия элементов ковша с рабочей средой для оценки факторов, определяющих энергозатраты процесса погрузки нерудных материалов;

3 - обоснование путей усовершенствования рабочего оборудования одноковшовых экскаваторов, и разработка ковша, обладающего конструктивной новизной и обеспечивающего снижение энергозатрат процесса погрузки нерудных материалов;

4 - разработка, изготовление и испытание ковша для критериальной оценки достигнутого технического уровня;

5 - экспериментальные исследования рабочего процесса одноковшового экскаватора и уточнение на этой основе математических моделей для описания процессов взаимодействия ковша с сыпучим материалом при внедрении и черпании.

Во второй главе рассмотрены результаты статистических исследований оборудования для производства карьерных работ при добыче нерудных материалов в условиях Ростовского региона, выполненных по разработанной методике организации сбора и анализа информации. Описан вид добываемого на карьерах полезного ископаемого, объемы производства; описаны технологии и оборудование (рис.1); определены важнейшие физико - механические и горно - технологические свойства рабочей среды (табл.1). Установлены среднестатистические параметры наиболее востребованного у потребителя оборудования для добычи нерудных материалов. Указанным требованиям в наибольшей мере отвечает гидравлический экскаватор со средней емкостью ковша 2,3 м3 (при колебании 0,65 * 8 м3), работающий в Ростовском регионе на погрузке песчаника в карьере со средним значением объема производства 139 тыс. м3/год.

При решении задачи совершенствования техники, используемой на погрузке скальных грунтов, целесообразность улучшения рабочих качеств элементов ковша в работе определялась по результатам оценка весомости влияющих факторов в технике - эксплуатационных показателях одноковшовых экскаваторов. В качестве базовой зависимости, характеризующей размеры ковшового погрузочного органа, принята зависимость сопротивлений внедрению ковша в штабель от глубины внедрения Wвн.к(S) канд. техн. наук В. Д. Ерейского, рассматривающая сопротивления внедрению ковша с двумя боковыми стенками в штабель \УВН.К как сумму сопротивления внедрения дниша \УВН.Д„, которое определяется суммарным сопротивлением ядра уплотнения \УЯД и непосредственно плоскости ЧУщ,, и сопротивления внедрения стенок \УВн.ст-

\УВН.К = \УВН,„ + \УВН.СТ= (УУЯЛ + \УПЛ) + \УВН,Т , (1)

или

= Ю[В(0,1<Ц8 +Кр|82)+0,24<1СрА1'5( 1,45 - С,)( в - 8,)2]-2°-1в К,с К„ Ктп

где \УВК.К - полное сопротивление внедрению ковша, Н; В - ширина

днища ковша, см; (1Эф- эффективный «диаметр» частиц, т.е. усредненный «диаметр» частиц, одновременно взаимодействующих с передней кромкой ковша, см; Б - глубина внедрения ковша, см.; Кр, = 0,25+0,034(3] - коэффициент, учитывающий угол наклона днища ковша к почве, град.; Р1 - угол наклона днища к почве, град; А - угол наклона передней кромки боковой стенки к почве выработки, рад.; С\ - угол отклонения боковой стенки от вертикали, рад.; (Б - вО - глубина внедрения боковых

М - неполная ширина развала м В - полная ширина развала п И - Высока уступа м ф - устойчивый угол откоса уступа град а - рабочий угол откоса уступа град Яе - радиус разворота автосамосвала м Йр - радиус разгрузки экскаватора « Ят - радиус опасной зоны действия ковша м Рч у _ радиус черпания на уровне стояния п.

Рис. 1 - Образец паспорта забоя на карьере

Таблица I

Гранулометрический состав песчаников при паспорте на бурение скважин

СБУ-100Г СБШ-250МН

Размер фракции, мм Содержание фракции. % Размер фракции, мм Содержание фракции, %

0+5 2 0+10 1

5+20 9 10+20 2

20+40 12 20+25 1

40+60 9 25+60 3

60+70 4 60+100 5

70+80 3 100+150 6

80+180 22 150+200 4,7

180 и более (до 300) 39 >200 77,3

стенок, см; Б, - длина выступающей части днища относительно боковых стенок, см; а - угол наклона почвы выработки к горизонту, град; Кус - коэффициент, учитывающий влияние угла сопряжения боковых стенок с днищем; Кп- - коэффициент учитывающий влияние горнотехнических условий; Ктп -коэффициент, характеризующий «трудности» процесса погрузки, т.е. состояния почвы, разрыхленность горной массы после взрыва,.

Для оценки значимости сопротивления внедрения днища \УВН.Ш, и сопротивления внедрения стенок \Увн.ст в общем сопротивлении внедрению ковша \УВН.К выполняются следующие преобразования. Были составлены уравнения, описывающие отношения вн.аи№ ви.к и \У „,,.„/ \>УВ„.К:

W,ш.aн/\УБ„.К = В(0,1с1,ф+Кр8)/[В(0,1(1Эф+Кр8)+0,24с1срА''58 х(1,45 - С,)]

и

,Л'ВН.СТ/ \УВН.К= 1 - \¥внлвтвн.к

По результатам вычислений строится график зависимостей \УвиЛ/\¥вн.к=/(В/с1ср) (рис.2).

Границы области значимости определялись по следующей зависимости

проф. Р.Ю. Подэрни: В = 1,2 ЧЁ; или

В/ <1ср= (1,2 \1~Е)/ <1ср.

Как видно из графика, в ковшах емкостью более 0,65 м3 сопротивление внедрению дниша ковша составляет от 80 % и выше, что делает нецелесообразным при совершенствовании рабочего оборудования одноковшовых экскаваторов улучшение рабочих качеств боковых стенок. Решение задачи следует искать в направлении улучшения рабочих свойств дниша ковша.

В третьей главе рассмотрены результаты экспериментально - теоретических исследований процесса взаимодействия элементов ковша экскаватора с рабочей средой, предусматривавшие в рамках разработанной общей методики реализацию методов: графоанапитическогого (метод проф. С.С. Голушкевича), компьютерного и физического моделирования позволили составить представление о качественной картине исследуемого процесса (рис. 3-5).

В процессе физического моделирования определены основные

\У.„.|/ \Увн.к=/(В/<1ср)

Рис. 3 - Графоаналитический метод построения зон деформаций сыпучего тела при взаимодействии с элементами ковша

физико - механических свойства исследуемого материала с использованием специального комплекса приборов по "\ ' известным методикам. Для физического д моделирования и изучения процесса взаимодействия элементов ковша с погружаемой средой использована экспериментальная установка со стеклянной боковой стенкой, которая позволила получить кинограммы процесса взаи- ^ модействия поворотной плиты с рабо- Рнс 4 чей средой.

- Построение зон напряженного состояния

зического моделирования взаимодействия элементов ковша с погружаемой средой: 1 - бункер; 2 - поворотная плита; 3 - стойки; 4 - подшипниковые узлы; 5 - видеокамера

Сопоставление площадей зон предельного напряженного состояния рабочей среды при взаимодействии с элементами ковша, построенных с помощью программного продукта, реализующего графоаналитический метод проф. С .С. Голушкевича с зонами, полученными на физической модели свидетельствует об удовлетворительной сходимости результатов математического и физического экспериментального исследования процесса взаимодействия элементов ковша с рабочей средой.

Как показали результаты математического и физического моделирования, одним из факторов, определяющих энергоемкость рабочего процесса одноковшового экскаватора, является коэффициент трения погружаемого материала по плоскостям элементов ковша при внедрении в штабель и зачерпывании. При участии автора разработана обладающая новизной конструкция ковша с роликовым днищем, предусматривающая снижение коэффициента трения скальных грунтов о днище путем перехода от трения скольжения к трению качения (Патент на полезную модель 101056. Рабочий орган одноковшового экскаватора) (рис.6).

Предлагаемый рабочий орган одноковшового экскаватора выгодно отличается от существующих аналогов тем, что такое его исполнение обеспечивает при внедрении в штабель, зачер- ) пывании и разгрузке уменьшение энер-

Рис. 6 — Ковш с роликовым днищем. - ковш экскаватора, 2 - боковые стенки; 3 - днище; 4 - вращающиеся ролики.

и

гоемкости рабочего процесса. Кроме того, вращающиеся ролики обеспечивают равномерное истирание рабочей поверхности, что существенно увеличивает наработку на отказ рабочего оборудования и повышает эффективность рабочего процесса.

В четвертой главе даны результаты экспериментальных исследований рабочего процесса одноковшового экскаватора на физической модели. Разработанная физическая модель рабочего оборудования одноковшового экскаватора и методика установления силовых характеристик процесса взаимодействия ковша со скальным грунтом позволили провести экспериментальные исследования по определению количественных данных, характеризующих исследуемый процесс при варьировании коэффициентом трения грунта о днище путем перехода от трения скольжения к трению качения.

Определение фактических значений нагрузок при проведении натурных испытаний экскаватора — процесс трудоемкий, требующий значительных временных и финансовых затрат. Снизить последние при выполнении экспериментальных исследований позволяет разработка и использование физической модели.

Общее построение методики экспериментальных исследований рабочего процесса одноковшового экскаватора на физической модели подчиняется следующим принципам: формулируются цель исследований и решаемые в процессе эксперимента задачи; определяются влияющие на рабочие процессы факторы; устанавливаются значения постоянных и пределы изменения переменных факторов, принятых к исследованию; разрабатываются методы решения поставленных задач и техника обработки получаемых результатов; проектируется конструкция экспериментальной установки.

Экспериментальные исследования рабочего процесса одноковшового экскаватора на физической модели включали рассмотрение следующих вопросов: уточнение механизма взаимодействия с погружаемой средой роликовой поверхности - днища ковша; получение количественных показателей рабочего процесса одноковшового экскаватора.

При исследовании процессов взаимодействия рабочего органа одноковшового экскаватора с разрыхленными скальными грунтами на физической модели необходимо обеспечить подобие с натурным объектом в следующих аспектах: силовое (т.е. наличие сопротивлений внедрению); внутренних напряжений (при статическом приложении нагрузки); объемов единичного зачерпывания (при перемещении рабочего органа с малыми скоростями в реальном масштабе времени).

При проектировании физической модели рабочего оборудования одноковшового экскаватора в качестве базы используется экспериментальный стенд Шахтинского института (филиала) ЮРГТУ(НПИ) (рис.7).

Линейные размеры физической модели рабочего оборудования экскаватора принимались с учетом моделирования процесса погрузки скальных грунтов с крупностью частиц dcp = 180 250 мм (параметром модели является ширина ковша). Физическая модель выполняется в масштабе 1:3 по отношению к натурному образцу.

Для оценки влияния коэффициента трения скальных грунтов о днише ковша на энергоемкость процесса внедрения днище выполняется в 3* вариантах (рис.8): сплошное металлическое, ролики металлические, ролики пластиковые.

При выполнении экспериментальных исследований, для установления силовых характеристик процесса взаимодействия ковша со штабелем, используется метод сбора количественных данных, предусматривающий видео регистрацию искомых величин. Общее построение программы эксперимента подчинялось следующим принципам: сопротивления внедрению ковша в функции глубины внедрения получают для каждого из трех экспериментальных ковшей; исследования с каждым из ковшей производятся при постоянстве совокупности влияющих факторов; во всех сериях опытов строго изучается влияние одного фактора

Рис. 8 - Конструкции экспериментальных ковшей

Экспериментальные исследования процесса взаимодействия ковша с погружаемым материалом на разработанной физической модели способами, описанными выше, позволили получить искомые данные для оценки влияния коэффициента трения скальных грунтов о днище ковша на энергоемкость процесса внедрения и уточнения математического описания исследуемого процесса.

При обработке результатов исследований (видеограмм) и построении графиков (холостой ход, рабочий ход) первоначально заполняются таблицы значений / - точек (давление в рабочем цилиндре Р, и ход 5,), полученных экспериментальным путем (экспери.ментапьные данные), которые затем наносятся на график. Строятся аппроксимирующие зависимости, получаемые методом наименьших квадратов. Далее строится зависимость Ад, определяющая разность Р; (рабочий ход -холостой ход).

процессов технологических машин: 1 - штабель погружаемого материала, 2 - гидравлический манипулятор. 3 - манометр (регистрирующий давление в напорной магистрали гидросистемы), 4 - мерная линейка (позиционирующая процесс выдвижения штока рабочего цилиндра), 5 - видеокамера (осуществляющая видеозапись регистрируемого давление в рабочем цилиндре Р, и ход 5;).

3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0

ЛЩнж, Н

днище - сплошное металлическое дншце - ролики металлические днище - ролики пластиковые

' 0 0.05

-—- - теоретическая зависимость;

Рис. 9 - График зависимости XV

» -эксперементальная зависимость.

■ =Ш;)

Для оценки адекватности расчетных значений реальному процессу выполнен сопоставительный анализ графиков зависимости сопротивлений внедрению в функции от глубины внедрения \УВН ,к, = /№) (рис. 9).

При построе-

нии точек экспериментальных зависимостей \¥эвн к,- = /(£,) в качестве базовых используются зависимости Ал- с учетом результатов расчета по формуле, кН:

^эвн к = 0,25чг-й2-Арг , где - диаметр поршня рабочего цилиндра, м.

Как видно из графиков экспериментальных зависимостей \\'эвн.к; = /(5,), сопротивления внедрению ковшей с роликами ниже сопротивления внедрению ковша со сплошным металлическим днищем. Чтобы учесть влияние трибометрических свойств рабочей поверхности днища ковша на формирование сопротивления внедрению, предложено ввести в базовую математическую модель (1) соответствуюший коэффициент

Точки теоретической зависимости строятся на основании результатов расчета по формуле:

WTIÍH.K = \ПН.ДН + \УТВН.СТ = (\УТЯЯ + КГ\ГПЛ) + \¥твн.ст, (2) где К/ - коэффициент, учитывающий улучшение трибометрических свойств рабочей поверхности днища ковша относительно плоской металлической. АГрТр/АГПТр

где К{ = Крур/К\р - коэффициент, учитывающий улучшение трибометрических свойств рабочей поверхности днища ковша относительно плоской металлической, /¡Сртр-коэффициент трения грунта по днищу с роликами, К"-гр- коэффициент трения грунта по гладкому днищу.

Значения К/ для построения теоретических зависимостей определялись с учетом величин ХУ1«,,..«-, взятых из результатов проведенных экспериментальных исследований, и уточненной математической модели (2) как средние значения переменных параметров точек рассматриваемой совокупности в данном интервале изменения хода 5,-.

К, =

где К/1

п «

- значение случайной величины; и- количество опытов.

- \V\h.C,,- - WTЯД1•)/ Wтnлl■.

В результате анализа и сопоставления графиков (рис. 9), построенных по экспериментальным и расчетным значениям, было установлено, что полученная теоретическая зависимость (2) позволяет с достаточной точностью описать процесс формирования сопротивления внедрению ковша в штабель в функции от глубины внедрения с учетом улучшения трибометрических свойств рабочей поверхности дниша ковша относительно плоской металлической.

Расположение точек теоретической зависимости внутри зоны допустимых значений свидетельствует об адекватности расчетных моделей реальному процессу при принятой доверительной вероятности (3= 0,85 и относительной ошибке в определении среднего значения, не превышающей 16 %.

Приведенные выше результаты экспериментальных исследований послужили основой для оценки уровня повышения эффективности процесса погрузки скальных грунтов от использования ковшей с роликовым днищем, которая выполнена на примере размерного ряда экскаваторов £ = 0,65 -8м.

Уровень повышения эффективности процесса внедрения оценивается удельным показателем:

Д,ф= (1 - Wp B„.K,/Wn в„.к()-> max.

Для

icsbtii кое'.:]

Рис. 10- Графики зависимости Н'.н.к /£ = /(£)

висимости удельного сопротивления внедрению в грунт ХУ,,,,^ /Е в функции от глубины внедрения для базовых ковшей с емкостью 0,65 - 8 м3 и проектируемых на их основе ковшей с роликовым днищем.

Выполненные расчеты позволяют прогнозировать уровень повышении эффективности от внедрения ковша с роликовым днишем (рис.10 - 11). Из графи-

возможности сопоставления ковшей разного типоразмера полученные зависимости сопротивления внедрению приводились к единице объема рассматриваемого ковша \УВН.К /Е.

В рамках выполнения данного этапа работы были рассчитаны значения и построены графики за-

0,65 1 1,2 1,6 2,5 4 5,2 8 Рис. 11 - Уровень повышения эффективности процесса внедрения ковша в штабель

ков на рис. 10 можно видеть, что величина удельного сопротивления внедрению ковшей с роликовым днищем существенно меньше, чем у базовых аналогов. При этом с увеличением ёмкости ковша в интервале Е = 0,65 -=- 8 м , показатель эффективности достигает 35% и более, следовательно, технический уровень предлагаемого инновационного ковша с роликовым днищем намного выше существующих (рис. 11).

Таким образом, проведенные исследования показали, что использование ковшей с роликовым днищем обеспечит существенное снижение энергозатрат одной из основных операций процесса погрузки нерудных материалов на карьерах - процесса внедрения.

Полученные представления об эффективности оснащения роликовыми элементами рабочих органов при погрузке скальных грунтов получили развитие в обладающей новизной и разработанной при участии автора конструкции исполнительного механизма погрузочно - транспортного комплекса (Патент на изобретение 2457169. Рабочий орган погрузочной машины) (рис.12 - 13).

В основе данного устройства реализуется принцип непрерывности вра-врашения роликов и соответственно процесса погрузки грунта при цикличной работе рабочего органа.

Разработанное устройство может стать базовым элементом комплекса оборудования для погрузки и транспортировки скальных грунтов в карьере при реализации поточной технологии, обеспечивающей непрерывность грузопотока, ритмичность работы и повышение производительности труда.

Рис. 12 - Рабочий орган погрузочно -транспортного комплекса: 1- неподвижный желоб, 2 - подвижная рама, 3 -гидроцилиндр. 4 - исполнительные элементы (ролики), 5 - ведущий ролик, 6 и 7 - обгонные муфты, 8 - зубчатые колеса, 9 и 10 - рейки, 11 - цепная передача.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основании теоретических и экспериментальных исследований дано решение актуальной научно-технической задачи снижения энергозатрат процесса погрузки одноковшовыми экскаваторами кусковых скальных грунтов на карьерах, за счет перехода от трения скольжения частиц о рабочую поверхность к трению качения, путем использования усовершенствованного ковша с роликовым днищем.

Рис. 13-Схема погрузочно - транспортного комплекса Основные научные выводы и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Полученные результаты статистических исследований позволили формализовать представления о физико - механических свойствах рабочей среды и технических параметрах объектов исследования. Установлено, что исходным сырьем для производства щебня в Ростовском регионе является песчаник с пределом прочности до 1000 кг /см2, дробленный путем взрыва и размером кусков 200- 500 мм более 70 % в общем объеме, выемку которого осуществляют одноковшовые экскаваторы. Приоритетность совершенствования гидравлических одноковшовых экскаваторов со средней емкостью ковша 2,3 м3 (при колебании 0,65 г 8 м3), эксплуатируемых в условиях погрузки скальных грунтов, составляющих до 38 % объема добычи нерудных материалов на карьерах Ростовского региона со средним значением объема производства одним карьером 139 тыс. м3/год, предопределена весомостью последних (58%) в общем парке выемочно-погрузочных машин.

2. Выполненные экспериментально-теоретические исследования процесса взаимодействия элементов ковша экскаватора с рабочей средой, предусматривавшие в рамках разработанной общей методики реализацию методов: графоаналитическогого (метод проф. С.С. Голушкевича), компьютерного и физического моделирования позволили составить представление о качественной картине исследуемого процесса. Сопоставление площадей зон предельного напряженного состояния рабочей среды при взаимодействии с элементами ковша, построенных с помощью программного продукта, реализующего графоаналитический метод проф. С.С. Голушкевича с зонами, полученными на физической модели свидетельствует об удовлетворительной сходимости результатов математического и физического экспериментального исследования процесса взаимодействия элементов ковша с рабочей средой.

3. Как показали результаты математического и физического моделирования, одним из факторов, определяющих параметры зон предельно напряженного состояния рабочей среды, а следовательно влияющего на энергоемкость рабочего процесса одноковшового экскаватора, является коэффициент

трения погружаемого материала по плоскостям элементов ковша при внедрении в штабель и зачерпывании. При участии автора разработана обладающая новизной конструкция ковша с днищем в виде роликовой поверхности, предусматривающая снижение коэффициента трения скальных грунтов о днище путем перехода от трения скольжения к трению качения.

4. Разработаны физическая модель рабочего оборудования одноковшового экскаватора и методика установления силовых характеристик процесса взаимодействия ковша со скальным грунтом, которые позволили провести экспериментальные исследования по определению количественных данных, характеризующих исследуемый процесс при варьировании коэффициентом трения грунта о днище при переходе от трения скольжения к трению качения.

5. Предложено в базовую математическую модель сопротивления внедрения ковша в штабель, представляемого совокупностью ядра уплотнения, днища ковша и боковых стенок в функции от глубины внедрения, ввести коэффициент, учитывающий улучшение трибометрических свойств рабочей поверхности днища ковша относительно плоской металлической и определяемый отношением коэффициент трения грунта по днищу с роликами к коэффициенту трения грунта по гладкому днищу. Об адекватности расчетных моделей ковша с роликовым днищем реальному процессу свидетельствует расположение точек теоретической зависимости внутри зоны допустимых значений при принятой доверительной вероятности р = 0,85 и относительной ошибке в определении среднего значения, не превышающей 16 %.

6. По результатам аналитического расчета с использованием разработанной инженерной методики технико-эксплуатационной оценки ковша с роликовым днищем установлено, что величина удельного сопротивления внедрению ковшей с роликовым днищем существенно меньше, чем у базовых аналогов. При этом с увеличением ёмкости ковша в интервале Е = 0,65

8 м3, показатель эффективности достигает 35% и более и, следовательно, технический уровень предлагаемого инновационного ковша намного выше существующих.

7. Полученные представления об эффективности оснащения роликовыми элементами рабочих органов при погрузке скальных грунтов получили развитие в обладающей новизной и разработанной при участии автора конструкции исполнительного механизма погрузочно - транспортного комплекса. В основе данного устройства реализуется принцип непрерывности вращения роликов и соответственно процесса погрузки грунта при цикличной работе рабочего органа.

8. Результаты работы нашли практическое использование в ООО «Управление механизации «Тоннельдорстрой»». Внедрены в ООО «Балтик -Гран» и ОАО «Павловскгранит». Материалы диссертационной работы использованы при создании виртуального лабораторного практикума и внедрены в учебный процесс в виде электронного учебного издания предназначенного для студентов специальности 190205.65 «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование».

Основные положения диссертационной работы изложены в следующих публикациях автора:

Научные издания из перечня ВАК РФ

1. Ляшенко А.Ю. Статистические исследования оборудования для производства карьерных работ при добыче нерудных материалов в условиях Ростовского региона / Ю.М. Ляшенко, А.Ю. Ляшенко // Изв. вузов. Северо -Кавказский регион. Технические науки. 2011. -№4-С. 117-120.

2. Ляшенко А.Ю. Моделирование процесса взаимодействия ковша экскаватора с рабочей средой// Изв. вузов. Северо - Кавказский регион. Технические науки. 2012. - № 1 - С. 35-39.

3. Ляшенко А.Ю. Исследования физической модели ковша экскаватора с роликовым днищем / Евстратов В.А., Ляшенко А.Ю. Строительные и дорожные машины. 2013 - № 1 - С. 2-7.

4. Ляшенко А.Ю. Опыт разработки виртуального лабораторного практикума на основе созданной физической модели одноковшового экскаватора// Изв. вузов. Северо - Кавказский регион. Технические науки. 2013. -№ 2 - С. 113-117.

Публикации в международных сборниках

5. Ляшенко А.Ю. Рабочий процесс одноковшового экскаватора и его моделирование в среде Visual Studio.Net // Проблемы недропользования: Сб. науч. трудов. Часть П / Санкт - Петербургский государственный горный институт (технический университет). Спб, 2010. 269 с. (Международный форум - конкурс молодых ученых 21-23 апреля 2010 г). - С. 245- 246.

6. Ляшенко А.Ю. Структура НИР по созданию образцов новых типов рабочего оборудования одноковшовых экскаваторов / Е.А. Ревякина, А.Ю.Ляшенко // Высокие технологии и фундаментальные исследования. Т. 2: сборник трудов Десятой международной научно - практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». 09-11.12.2010, Санкт - Петербург, Россия/ под ред. А. П. Ку-динова. - СПБ.: Изд-во Политехи, ун-та, 2010. - С. 331- 335.

7. Ляшенко А.Ю. Экспериментальные стенды для диссертационных исследований как основа развития лабораторных практикумов высшего профессионального образования // Наука. Образование. Культура: Вклад молодых исследователей: материалы Первой Междунар. науч. конф. препод., аспирантов, магистров и студентов вызов / Под ред. Л. Н. Соколовой; Юж.-Рос. гос. техн.'ун-т (НПИ). - Новочеркасск: Лик, 2012. - С. 77 - 80.

8. Ляшенко А. Ю. Инженерная методика технико-эксплуатационной оценки экскаваторного ковша с роликовым днищем. /Академические фундаментальные исследования молодых ученых России и Германии в условиях глобального мира и новой культуры научных публикаций: материалы международной молодежной конференции, г. Новочеркасск, 4-5 октября 2012 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск: ЛИК, 2012. - С. 326-329.

9. Евстратов В.А., Ляшенко А. Ю. Актуальтные вопросы современной

техники и технологии [Текст]: Сборник докладов IX - й Международной научной конференции (г. Липецк, 27 октября 2012 г.). / Отв. ред. А. В. Горбенко. -Липецк: Издательский центр «Гравис», 2012. - С. 120 - 125.

10. Ляшенко А.Ю., Ляшенко Ю.М. Конструкция ковша с роликовым днишем для погрузки скальных грунтов // Бытовая техника, технология и технологическое оборудование предприятий ЖКХ, сервиса и машиностроения: юбилейный междунар. сб. науч. трудов / редкол. : А.В. Кожемяченко (гл. ред.) [и др.]; Федер. гос. бюдж. образоват. учреждение высш. проф. образования «Южно-Рос. гос. ун-т экономики и сервиса» (ФГБОУ ВПО «ЮР-ГУЭС»). - Шахты: ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2013. - С. 73 - 75.

11. Ляшенко А.Ю. Пути развития погрузочно-транспортных комплексов карьеров нерудных материалов Ляшенко Ю.М., Евстратов В.А., Ревякина Е.А., Ляшенко А.Ю. // Перспективы развития Восточного Донбасса: материалы 1У-й Междунар. и 62-й Всерос. науч.-практ. конф., апрель 2013, г. Шахты / Шахтинский ин-т (филиал) ЮРГТУ(НПИ). - Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2013.-С. 88-91.

12. Ляшенко А.Ю. Разработка и исследование ковшового рабочего органа с роликовым днищем. // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: сборник трудов XI международной научно -технической конференции «Чтения памяти В. Р. Кубачека», проведенной в рамках Урольской горнопромышленной декады 04-05 апреля 2013 г. / Оргкомитет: Н.М. Суслов, Ю. А. Лагунова. - Екатеринбург: Уральский государственный горный университет, 2013. - С. 85 -88.

Публикации в других изданиях

13. Ляшенко А.Ю. Анализ исследований в области параметрического проектирования одноковшовых экскаваторов// Перспективы развития Восточного Донбасса: сб. науч. тр. Часть 2/ Шахтинский ин-т (филиал) ЮРГТУ (НПИ). - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2009. - С. 105 - 109 .

14. Ляшенко А.Ю. Выбор критерия оптимизации линейных размеров рабочих органов одноковшовых экскаваторов// Студенческая научная весна -2009: материалы Межрегиональной научно - технической конференция студентов, аспирантов и молодых ученых Южного федерального округа / Юж. -Рос. Гос. Техн. ун-т. - Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2009.-С. 373

15. Ляшенко А.Ю. Современные технологии и оборудование для добычи нерудных материалов на карьерах Ростовского региона / В.А. Евстратов, Ю.М. Ляшенко, А.Ю. Ляшенко // Перспективы развития Восточного Донбасса. Часть 1: сб. науч. тр. по материалам 60-й Всероссийской науч.-практ. конференции «Перспективы развития Восточного Донбасса» / Шахтинский ин-т (филиал) ЮРГТУ(НПИ).-Новочеркасск:ЮРГТУ(НПИ), 2011.-С. 35 -39.

16. Ляшенко А.Ю. Разработка структурно - следственной схемы рабочего органа экскаватора как объекта взаимодействия с внешней средой // Перспективы развития Восточного Донбасса. Часть 1: сб. науч. тр. по материалам 60-й Всероссийской науч.-практ. конференции «Перспективы развития Восточного Донбасса» / Шахтинский ин-т (филиал) ЮРГТУ(НПИ). - Ново-

черкасск: ЮРГТУ(НПИ), 2011.- С. 92 - 94.

17. Ляшенко А.Ю. Предпосылки создания энергосберегающего рабочего оборудования одноковшового экскаватора для погрузки скальных грунтов // Сборник работ победителей отборочного тура Всероссийского конкурса научно - исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых ученых по нескольким междисциплинарным направлениям, г. Новочеркасск, октябрь -ноября 2011 г./ Мин - во образования и науки РФ, Юж. -Рос. гос. техн. ун-т. (НПИ). - Новочеркасск: Лик, 2011. - С. 262 - 264.

18. Ляшенко А.Ю. Разработка проекта и создание физической модели рабочего оборудования одноковшового экскаватора / Ю.М. Ляшенко, А.Ю. Ляшенко., В.В. Золотько // Перспективы развития Восточного Донбасса. Часть 2: сб. науч. тр. по материалам 60-й Всероссийской науч.-практ. конференции «Перспективы развития Восточного Донбасса» / Шахтинский ин-т (филиал) ЮРГТУ(НПИ). - Новочеркасск: Изд-во «НОК», 2011.- С. 33 - 37.

Патенты

19. Ляшенко А. Ю. Патент на полезную модель 101056 Российская Федерация, МПК Е02Р 3/40 (2006.01). Рабочий орган одноковшового экскаватора/ Ю.М. Ляшенко, Е.А. Ревякина, А. Ю. Ляшенко //№ 2010128718/03; заявлено 09.07.2010; опубл. 10.01.2011, Бюл.№ 1.

20 Ляшенко А. Ю. Патент на изобретение 2457169 Российская Федерация, МПК В650 65/02 (2006.01); В65С 13/06 (2006.01); В65С 13/12 (2006.01). Рабочий орган погрузочной машины / Ю.М. Ляшенко, Е.А. Ревякина, А.Ю. Ляшенко // № 2011110429/11; заявлено 18.03.2011; опубл. 27.07.2012, Бюл.№21.

Заказ №145 от 30.10.2013 г. Тираж 100 экз. Печать оперативная. Бумага офсетная. Формат 60x84/16. Уч. п.л. 1,2

Отпечатано в типографии: ИП Бурыхин Б.М. Адрес типографии: 346500 Ростовская область, г. Шахты, ул. Шевченко -143

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ' «ЮЖНО-РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ V УНИВЕРСИТЕТ (НПИ) ИМЕНИ М. И. ПЛАТОВА»

На правах рукописи Ляшенко Алена Юрьевна

04201451540

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОВШОВЫХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ЭКСКАВАТОРОВ ВЫПОЛНЕНИЕМ ДНИЩА В ВИДЕ РОЛИКОВОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Специальность 05.05.04 — « Дорожные, строительные и подъёмно-транспортные машины»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор В.А. Евстратов

Новочеркасск - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................5

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.................10

1.1 Место одноковшового экскаватора в общем парке

выемочно - погрузочных машин...........................................................10

1.2 Рабочий орган одноковшового экскаватора -

как объект конструктивного усовершенствования.............................12

1.3 Физические процессы взаимодействия ковшовых рабочих

органов с кусковой средой: обзор результатов исследований............14

1.4 Математические модели процесса взаимодействия ковшовых рабочих органов с кусковой средой: обзор результатов исследований ................................................................................................................23

1.5 Методы оценки технического уровня конструкции рабочих органов

одноковшовых экскаваторов: обзор результатов исследований........27

1.6 Краткие выводы и постановка задач исследования............................28

2 СТАТИСТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КАРЬЕРНЫХ РАБОТ ПРИ ДОБЫЧЕ НЕРУДНЫХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ РОСТОВСКОГО РЕГИОНА................................................................................................30

2.1 Методика статистических исследований функционирования системы «внешняя среда - рабочие органы машин для производства карьерных работ»..................................................................................30

2.2 Разработка структурно - следственной схемы рабочего органа экскаватора как объект взаимодействия с внешней средой...............31

2.3 Определение объема выборки значений исследуемых параметров при проведении статистических исследований...............35

2.4 Методика обработки результатов статистических исследований.....38

2.5 Анализ результатов обработки данных статистических исследований.........................................................................................40

2.6 Оценка весомости влияющих факторов в технико — эксплуатационных показателях одноковшовых экскаваторов...........49

Выводы.......................................................................................................53

3 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЗАИМДЕЙСТВИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОВЩА ЭКСКАВАТОРА С РАБОЧЕЙ СРЕДОЙ...............................................54

3.1 Общие подходы экспериментального исследования методами математического и физического моделирования................................54

3.2 Графоаналитическое моделирование процесса взаимодействия элементов ковша с погружаемой средой.............................................55

3.3 Компьютерное моделирование процесса взаимодействия элементов ковша с погружаемой средой ............................................57

3.4 Методические основы физического моделирования процесса взаимодействия элементов ковша с погружаемой средой..................64

3.5 Определение основных физико - механических свойств взаимодействующей с элементами ковша погружаемой среды.........67

3.6 Физическое моделирование процесса взаимодействия элементов ковша с погружаемой средой...............................................................74

3.7 Оценка соответствия результатов математического и физического экспериментального исследования......................................................77

3.8 Разработка предложений по совершенствованию конструкции рабочего органа одноковшового экскаватора......................................79

Выводы.......................................................................................................83

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ОДНОКОВШОВОГО ЭКСКАВАТОРА НА ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ75

4.1 Теоретические предпосылки методики и программы экспериментальных исследований.......................................................84

4.2 Критерии подобия при физическом моделировании рабочих процессов одноковшового экскаватора.................................................................85

4.3 Подготовка экспериментального стенда для исследования рабочего процесса одноковшового экскаватора

на физической модели...........................................................................87

4.4 Программа экспериментальных исследований рабочего процесса одноковшового экскаватора на физической модели...........................95

4.5 Представление и обработка результатов исследований........................98

4.6 Инженерная методика расчета основных конструктивных параметров и технико-эксплуатационная оценка ковша

с роликовым днищем.............................................................................105

4.7 Пути дальнейшего развития погрузочно-транспортных комплексов карьеров нерудных материалов........................................112

Выводы........................................................................................................117

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................118

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ...................................125

ПРИЛОЖЕНИЯ...........................................................................................132

Приложение 1 Результаты статистических исследований оборудования для производства карьерных работ при добыче нерудных

материалов в условиях Ростовского региона....................133

Приложение 2 Акт практического использования научно - технической разработки ООО «Управление механизации

«Тоннельдорстрой», г. Сочи...............................................142

Приложение 3 Акт о внедрении результатов диссертационных исследований ОАО «Павловскгранит»,

г. Павловск, Воронежской обл...........................................144

Приложение 4 Акт о внедрении результатов диссертационных

исследований ООО «Балтик-Гран», г. Выборг..................146

Приложение 5 Акт о внедрении результатов диссертационных

исследований в учебный процесс Шахтинского института (филиала) ЮРГТУ (НПИ)...................................................148

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность задачи. Рост объемов капитального и дорожного строительства в России способствует динамичному развитию рынка нерудных материалов. Темпы его роста соответствуют росту общего рынка строительства и составляют около 10-15% в год. Благодаря повсеместному распределению месторождений, добыча и производство нерудных строительных материалов находятся практически во всех регионах страны.

Проблема дальнейшего улучшения использования техники на карьерах должна базироваться на энергосберегающих технологиях, решаться комплексно и охватывать, в том числе, разработку и внедрение высокопроизводительных машин и оборудования.

Одним из звеньев в парке машин и оборудования для производства , карьерных работ при добыче нерудных материалов являются одноковшовые экскаваторы. Использование рабочих органов рациональных конструкций и параметров при эксплуатации одноковшовых экскаваторов может значительно повысить производительность машин и оборудования для производства карьерных работ, повысить их надежность и долговечность, снизить энергозатраты и себестоимость технологического процесса. Поэтому задача улучшения конструкции рабочих органов одноковшовых экскаваторов для производства карьерных работ является весьма актуальной.

Соответствие диссертации плану работ ЮРГПУ(НПИ) и целевым комплексным программам. Диссертационная работа составляет часть исследований научного направления: «Теория и принципы создания робототехнических и мехатронных систем и комплексов», утвержденного Ученым советом ГОУВПО ЮРГТУ (НПИ) 1.03.2006 г., по госбюджетной теме: ПЗ-845 «Повышение эффективности технологических и транспортирующих машин промышленности строительных материалов».

Цель работы. Снижение энергозатрат процесса погрузки нерудных материалов на карьерах путем совершенствования конструкций рабочих

органов одноковшовых экскаваторов.

Идея работы. При совершенствовании рабочих органов одноковшовых экскаваторов заданный объем единичного черпания реализуется с минимизацией коэффициента трения погружаемых скальных грунтов об днище, выполнением его в виде роликовой поверхности.

Научные положения, разработанные лично соискателем:

• установлены параметры среднестатистического экскаватора эксплуатируемого в условиях погрузки скальных грунтов, составляющих до 38 % объема добычи нерудных материалов на карьерах Ростовского региона со средним значением объема производства 139 тыс. м /год, согласно которым экскаватор является гидравлическим (58% в общем парке вы-емочно-погрузочных машин) с емкостью ковша 2,3 м (при интервале 0,65

8 м3 и сопротивлении внедрению днища ковша в штабель погружаемого грунта составляющем от 80 % и выше);

• установлено, что снижение коэффициента трения скальных грунтов по плоскостям элементов ковша при внедрении в штабель и зачерпывании, являющегося одним из факторов, определяющих энергоемкость рабочего процесса одноковшового экскаватора, возможно путем перехода от трения скольжения к трению качения выполнением днища в виде роликовой поверхности;

• уточнена математическая модель вычисления сопротивления внедрения инновационного ковша в штабель как суммы сопротивлений внедрению ядра уплотнения, роликового днища и боковых стенок в функции от глубины внедрения вводом коэффициента, учитывающего улучшение трибометрических свойств рабочей поверхности днища и определяемого отношением коэффициента трения грунта по роликовой поверхности к коэффициенту трения грунта по гладкому днищу.

Новизна научных положений состоит в том, что:

• установленные параметры среднестатистического экскаватора позволили определить значимость днища в формировании сопротивления

внедрению ковша в штабель погружаемого скального грунта, что делает нецелесообразным при совершенствовании ковшового рабочего органа варьированием конструктивными параметрами боковых стенок;

• установленная возможность снижения коэффициента трения скальных грунтов по плоскостям элементов ковша при внедрении в штабель способствовало улучшению трибометрических свойств при разработке конструкции усовершенствованного ковша с роликовым днищем;

• уточненная математическая модель определения сопротивления внедрения ковша в штабель позволяет с достаточной точностью описать рассматриваемый процесс с учетом улучшения трибометрических свойств рабочей поверхности днища.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждает применение комплекса современных апробированных методов исследований: научное обобщение выполненных к настоящему времени работ по рассматриваемому вопросу; статистические методы, планирования экспериментов, выполненных в условиях эксплуатации натурных образцов машин и оборудования для производства карьерных работ при добыче нерудных материалов, на установке для физического моделирования взаимодействия элементов ковша с погружаемой средой и физической модели рабочего оборудования одноковшового экскаватора; достаточным объемом экспериментальных данных; применение современных программных продуктов; адекватность расчетных моделей реальному процессу при принятой доверительной вероятности Р = 0,85 и относительной ошибке в определении среднего значения, не превышающей 16 %.

Научное значение работы:

• уточнена математическая модель вычисления сопротивления внедрения в штабель для ковша с улучшающим трибометрические свойства роликовым днищем как суммы сопротивлений внедрению ядра уплотнения, роликового днища и боковых стенок в функции от глубины внедре-

ния.

Практическое значение работы:

• предложено новое техническое решение конструкции ковша с роликовым днищем, обеспечивающее снижение энергоемкости рабочего процесса одноковшового экскаватора при погрузке скальных грунтов;

• разработана инженерная методика расчета основных конструктивных параметров и технико-эксплуатационной оценки ковша с роликовым днищем.

Внедрение результатов диссертационной работы.

Результаты работы нашли практическое использование в ООО «Управление механизации «Тоннельдорстрой»». Внедрены в ООО «Балтик - Гран» и ОАО «Павловскгранит».

Материалы диссертационной работы использованы при создании виртуального лабораторного практикума и внедрены в учебный процесс в виде электронного учебного издания предназначенного для студентов специальности 190205 «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование».

Получены патенты: на полезную модель № 101056 «Рабочий орган одноковшового экскаватора»; на изобретение № 2457169 «Рабочий орган погрузочной машины».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и получили одобрение на 56 - 61 научно - практические конференции Шахтинского института (филиала) ЮРГТУ(НПИ) (2007 - 2012 года); Межрегиональные научно - технические конференция студентов, аспирантов и молодых ученых Южного федерального округа «Студенческая научная весна» (г. Новочеркасск, 2009 - 2013 года); Научный симпозиум «Неделя горняка» ( г. Москва, 2010 - 2013 год); Всероссийская научная конференция - конкурс студентов выпускного курс (г. Санкт - Петербург, 2010 год); Десятая международная научно - практическая конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промыш-

ленности» (Научно-технологические, экономические и юридические аспекты, правовая защита и коммерциализация интеллектуальной собственности) (г. Санкт-Петербург, 2010 год); Всероссийский конкурс научно -исследовательских работ, студентов, аспирантов и молодых ученых по нескольким междисциплинарным направлениям ЭВРИКА - 2011 (г. Новочеркасск, 2011 год); Первая международная научная конференция Наука. Образование. Культура: вклад молодых исследователей, (г. Новочеркасск,

2012 год); Академические фундаментальные~ исследования молодых ученых России и Германии в условиях глобального мира и новой культуры научных публикаций (г Новочеркасск, 2012 год); Энергоэффективность и энергоемкость (Ростов - на- Дону, 2012 год); 1Х-я Международная научная

конференция «Актуальные вопросы Современной техники и технологии» (г. Липецк, 2012 г); XI Международная научно - техническая конференция Чтения памяти В.Р. Кубачека (Екатеринбург 2013 год); Международная научно - практическая конференция «Прогрессивные методы обеспечения работоспособности транспортно-технологических средств, организации автотранспортных услуг и дизайна современных автомобилей» (Саратов,

2013 год).

Публикации. В настоящее время имеет 20 публикаций, в том числе 4 научных издания из перечня ВАК РФ; 8 публикации в международных сборниках; 6 публикаций в других изданиях; один патент на полезную модель и один патент на изобретение.

Объем работы. В диссертации, изложенной на 149 страницах с рисунками и таблицами, содержатся введение, четыре раздела, заключение, список использованных источников из 72 наименований, приложения.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Место одноковшового экскаватора в общем парке выемочно - погрузочных машин

Одноковшовый экскаватор - это выемочно - погрузочная машина, которая в течение цикла ковшом внедряется в грунт, заполняет им ковш, переносит его на небольшое расстояние и грузит в транспортные средства или сбрасывает в отвал.

Для оценки парка выемочно - погрузочных машин используем показатели производства землеройной техники, которые публикует «Союз машиностроителей России» [ 1 ].

К настоящему времени создано много различных типов экскаваторов и классифицируют их по различным признакам - по характеру использования, по количеству ковшей, по движительной базе. Рассмотрим спрос на тот или иной тип экскаватора, учитывая общую тенденцию постоянного роста спроса в последние годы на 40% .

Многоковшовые экскаваторы выполняют довольно специфические операции - роют траншеи, добывают руду в карьерах. Как видим, спрос на них в 3 раза меньше чем на одноковшовые (рис. 1.1).

Многоковшовые экскаваторы; 21%

Одноковшовые экскаваторы; 79%

Рисунок 1.1— Спрос на экскаваторы по количеству ковшей Экскаваторы нужны на разном ходу. Где-то удобнее применять мо-

бильные - колесные экскаваторы, а где-то, подойдут только гусеничные.

Рассматривая вопрос, на каком ходу, с использованием какой движи-тельной базы, предпочитают покупать экскаваторы, следует отметить приблизительное равенство (рис. 1.2).

Гусенчный

Колесный ! к I ) экскаватор ;

экскаватор; 52%

48%

Рисунок 1.2 - Спрос на экскаваторы по движительной базе

Предназначений у экскаваторов немало, но вот как, конкретно, эти предназначения подразделяются в пристрастиях потребителей. Как видно из диаграммы, (1.3) популярны и востребованы у потребителей экскаваторы-погрузчики. Именно они выполняют большинство землеройных работ.

Планировщик; 3%

Карьерные; 5%

Мини; 16%

-Погрузчик; 76% Рисунок 1.3 - Спрос на экскаваторы по п