Обоснование рациональных параметров рабочего оборудования карьерных экскаваторов с замыканием рабочих нагрузок

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Обоснование рациональных параметров рабочего оборудования карьерных экскаваторов с замыканием рабочих нагрузок

Специальность 05.05.06 - «Горные машины»

Иванов Игорь Юрьевич

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Научный руководитель -

доктор технических наук, доцент Комиссаров Анатолий Павлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Подэрни Роман Юрьевич;

кандидат технических наук, доцент Таугер Виталий Михайлович.

Ведущая организация -

Дивизион «Горное оборудование» ОАО «Уралмаш-Инжиниринг» МК «Уралмаш» (г. Екатеринбург).

Защита диссертации состоится _22_ _декабря___ 2011 г. в _14 _ ч.
на заседании диссертационного совета Д 212.280.03 при ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» в зале заседаний Ученого совета по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ГСП, ул. Куйбышева, 30.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Автореферат разослан __18__ _ноября_______ 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор М.Л. Хазин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Акуальность темы. Интенсификация открытого способа разработки месторождений полезных ископаемых в значительной степени определяется внедрением высокопроизводительных комплексов горнотранспортного оборудования.

Ведущим звеном в технологической цепи оборудования являются карьерные экскаваторы, технический уровень которых во многом обусловливает технико-экономические показатели функционирования горного предприятия в целом.

Как показывает практика открытых горных работ, развитие конструкций карьерных экскаваторов идет по пути роста единичной мощности и массы машины. Экстенсивный рост параметров карьерных экскаваторов сопровождается увеличением грузоподъёмности транспортных средств (карьерных автосамосвалов) и требует выполнения значительного объёма горно-строительных работ для размещения крупногабаритного оборудования. В результате экономический эффект от применения мощных экскаваторов существенно снижается.

Наиболее радикальный способ повышения технического уровня выемочно-погрузочного оборудования заключается в принципиальном изменении характера взаимодействия рабочего органа с горной породой и схемы силового потока машины, т.е. способа передачи и восприятия рабочих нагрузок.

В связи с этим обоснование рациональных конструктивных схем рабочего оборудования карьерных экскаваторов с замыканием рабочих нагрузок, обеспечивающих повышение технического уровня экскаваторов, является актуальной научно-технической задачей.

Объект исследования - рабочее оборудование карьерного экскаватора.

Предмет исследования - способы передачи и восприятия рабочих нагрузок, действующих на рабочее оборудование и в целом на экскаватор.

Цель работы - повышение технического уровня карьерных экскаваторов за счёт снижения нагруженности и металлоёмкости экскаватора.

Идея работы заключается в реализации внутреннего замыкания рабочих нагрузок в пределах рабочего органа.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Формирование рабочих нагрузок при экскавации горной породы на рабочем органе карьерного экскаватора определяется структурой рабочего органа - при двухковшовом рабочем органе и оппозитном расположении ковшей рабочие нагрузки, действующие на режущих кромках ковшей, частично уравновешиваются.

2. Рациональная схема нагружения рабочего органа с замыканием рабочих нагрузок обеспечивается за счет введения в конструкцию рабочего органа механизма замыкания.

3. Показателем степени совершенства конструктивной схемы рабочего оборудования карьерного экскаватора является относительная величина вместимости рабочего органа, отнесенная к длине пути его наполнения.

Научная новизна результатов исследований:

· установлены теоретически и экспериментально закономерности рабочего процесса карьерного экскаватора с замыканием рабочих нагрузок;

· обоснованы рациональные значения основных параметров рабочего оборудования из условия уравновешивания рабочих нагрузок;

· разработана методика расчёта параметров рабочего оборудования с замыканием рабочих нагрузок.

Методы научных исследований. В ходе выполнения работы применялись методы, базирующиеся на принципах классической механики и теории подобия механических систем.

Достоверность научных положений, выводов и результатов исследований подтверждается корректным использованием методов теории подобия и математического моделирования; удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, относительное расхождение которых не превышает 10…15 %.

Практическая значимость полученных результатов:

установлены основные технические характеристики рабочего оборудования с замыканием рабочих нагрузок;

получен патент на полезную модель;

разработана инженерная методика выбора параметров рабочего оборудования.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты работы внедрены в ОАО «Ураласбест». Предложенный для ОАО «Ураласбест» вариант конструктивного решения рабочего оборудования карьерного экскаватора обеспечивает снижение нагруженности оборудования и массы машины.

Получен патент на полезную модель № 92033 «Рабочее оборудование экскаватора» от 10.03.2010, бюл. № 7.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы с 2009 по 2011 гг. докладывались и получили одобрение на научных симпозиумах и семинарах, в том числе на симпозиумах «Неделя горняка - 2009…2011 гг.», МГГУ (г. Москва), международной научно-технической конференции «Чтения памяти В.Р. Кубачека. Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности» (г. Екатеринбург, 2008-2011 гг.).

Публикации.

Основные научные результаты опубликованы в шести работах, в том числе в двух из Перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК Министерства образования и науки РФ.

Личный вклад автора в публикации, выполненные в соавторстве: формирование основной идеи, выбор метода исследований, анализ полученных результатов и подготовка на их основе методик расчета и рекомендаций.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 139 наименований. Работа изложена на 128 страницах машинописного текста, в том числе содержит 39 рисунков, 21 таблицу и 3 приложения на 32 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение посвящено обоснованию актуальности работы, показаны цель, идея и новизна научных положений, практическая ценность работы.

В первой главе выполнен анализ современного состояния и перспектив развития конструкций карьерных экскаваторов.

Основоположником научной школы в области карьерных экскаваторов является доктор технических наук Домбровский Н.Г.

Основные предпосылки по повышению технического уровня карьерных экскаваторов на основе общей теории рабочего процесса экскаваторов изложены в работах докторов технических наук Ю.И. Белякова, Ю.А. Ветрова, Д.П. Волкова, В.Р. Кубачека, С.А. Панкратова, Р.Ю. Подэрни, Б.И. Сатовского, Н.Н. Чулкова, В.М. Штейнцайга.

Большой вклад в решение задач, связанных с повышением технического уровня и надежности карьерных экскаваторов, внесли кандидаты технических наук К.С. Гаевская, Ю.А. Девяткин, А.В. Крикун, В.А. Оленев, Е.М. Садовников, В.А. Свирский, Л.С. Скобелев, Е.Я. Тимошпольский.

В настоящее время в практике открытых горных работ наблюдаются негативные тенденции в изменении горно-геологических, горно-технологических и климатических условий разработки месторождений полезных ископаемых, вызываемые увеличением доли крепких скальных пород, ростом глубины карьеров, освоением новых месторождений, в основном в районах Сибири и Крайнего Севера, и другими факторами.

Изменения технологической ситуации приводят к росту материальных и энергетических затрат на добычу полезных ископаемых и, в конечном счёте, к снижению эффективности горного производства.

Успешное развитие горной промышленности в этих условиях неразрывно связано с совершенствованием выемочно-погрузочного оборудования, повышением производительности оборудования при одновременном снижении металлоемкости оборудования и, в конечном счете, удельных затрат на экскавацию горной массы.

С целью создания рациональной конструкции рабочего оборудования прямых лопат во ВНИИстройдормаш с 1960 по 1965 гг. проводились экспериментальные исследования. Эти исследования позволили сделать вывод о целесообразности разработки и использования на прямых лопатах ковшей принципиально новой конструкции, копание грунта которыми осуществляется при встречном движении в горизонтальной плоскости двух полуковшей - челюстей.

Основным фактором, ограничивающим производительность карьерного экскаватора, является опрокидывающий момент внешних нагрузок (сил тяжести элементов рабочего оборудования и силы сопротивления копанию на рабочем органе), величина которого определяется массой экскаватора.

Создание конструкций рабочего оборудования карьерных экскаваторов, обеспечивающих снижение опрокидывающего момента за счет замыкания рабочих нагрузок, т.е. сил сопротивления копанию на рабочем органе, позволит снизить уровень нагруженности экскаватора и массу машины.

Анализ основных результатов выполненных исследований дает возможность сформулировать задачи настоящего исследования:

- выявление кинематических особенностей рабочего процесса карьерного экскаватора с замыканием рабочих нагрузок;

- установление закономерностей формирования режимных параметров механизма замыкания в зависимости от конструкции рабочего органа;

- моделирование рабочего процесса экскавации при замыкании рабочих нагрузок;

- разработка методики выбора и обоснования параметров рабочего оборудования с замыканием рабочих нагрузок.

Во второй главе обоснованы геометрические параметры рабочего органа с замыканием рабочих нагрузок и установлены закономерности формирования сил сопротивления при экскавации горной массы.

Геометрические параметры рабочего органа определяются в соответствии с технологической схемой экскавации горной массы (рис. 1), заключающейся в захвате объема горной массы, равного по величине объему цилиндрического сегмента:

, (1)

где В_к - ширина ковша; R - радиус ковша; б_з - угол замыкания рабочего органа; К_р - коэффициент разрыхления горной массы.

Установлена зависимость вместимости рабочего органа от геометрических параметров радиуса ковша и угла замыкания:

Е_РО = 0,46 R³((б_з - sin б_з)K_р/К_н)^3/2, (2)

где К_н - коэффициент наполнения ковша.

Составлены номограммы для определения вместимости рабочего органа при черпании скальных и полускальных пород при удельном сопротивлении черпанию К₁ = 325 и 250 кПа (рис. 2).

Процесс экскавации горной массы при замыкании рабочих нагрузок
(рис. 3) характеризуется следующими особенностями:

- при копании силы сопротивления зависят от величины угла замыкания;

- ввиду переменности толщины слоя породы, силы сопротивления при замыкании рабочего органа возрастают при одновременном уменьшении скорости копания;

- мощность сил сопротивления копанию при замыкании рабочего органа стабильна по величине;

- сила сопротивления копанию рабочим органом с замыканием рабочих нагрузок равна силе сопротивления копанию на одном ковше, т.е. относительная (отнесенная к вместимости рабочего органа) сила сопротивления уменьшается в два раза.

Получена зависимость мощности сил сопротивления черпанию рабочим органом с замыканием рабочих нагрузок от геометрических параметров рабочего органа и режимных параметров механизма замыкания

, (3)

где v_з - скорость штока гидроцилиндра замыкания; R_з и в_з - координаты точек крепления гидроцилиндра.

На рис. 4 приведены графики изменения мощности сил сопротивления черпанию скальной породы (К₁ = 325 кПа).

В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования процесса экскавации пород рабочим органом с замыканием рабочих нагрузок.

Для выполнения экспериментального исследования процесса экскавации рабочим органом с замыканием рабочих нагрузок разработана экспериментальная установка (рис. 5).

Методикой проведения исследований предусматривалась синхронная регистрация (и осциллографирование) следующих параметров: давления рабочей жидкости, перемещения штока гидроцилиндра замыкания и толщины слоя породы.

В ходе эксперимента копание производилось в различных породах: в щебне при среднем размере куска d_ср = 3 см, что соответствует натурному размеру D_ср = 210 см, и заглиненной горной массе.

На рис. 6 приведена осциллограмма давления рабочей жидкости при копании щебня.

Была проведена серия опытов и выполнена оценка погрешности определения удельного сопротивления черпанию щебня и заглиненной горной массы.

В таблице 1 приведены результаты эксперимента (серия испытаний при угле замыкания б_з = 90°) и расчетные данные.

экскаватор карьерный нагружение

Таблица 1

Оценка сходимости результатов экспериментальных и расчетных данных

Порода	Максимальное давление в системе, МПа	Максимальная сила на штоке гидроцилиндра, кН	Максимальная сила на зубьях ковша, кН
			экспериментально-расчетное значение	расчетное значение
Щебень	6,2	9,06	6,63	6,67
	5,95	8,79	6,37
	6,50	9,51	6,96
	5,80	8,48	6,21
	6,05	8,84	6,47
	6,3	9,21	6,74
	6,45	9,43	6,90
	6,35	9,28	6,79
Глина	3,85	5,63	4,12	4,02
	3,70	5,41	3,96
	3,40	4,97	3,64
	3,80	5,55	4,06
	3,60	5,26	3,85
	3,75	5,48	4,01
	3,90	5,70	4,17
	3,65	5,33	3,90

Максимальная относительная ошибка (отклонение) результатов эксперимента и математического моделирования составила:

- при копании щебня Д_щ = 6,9 %;

- при копании заглиненной горной массы Д_гл = 9,5 %.

В четвертой главе обоснованы рациональные параметры рабочего оборудования с замыканием рабочих нагрузок.

Основными комплексными характеристиками рабочего оборудования, определяющими производительность экскаватора и эффективность работы, являются энергоемкость процесса экскавации и удельная (отнесенная к производительности) мощность привода механизма замыкания.

На рис. 7 приведена зависимость удельной мощности привода механизма замыкания от конструктивных и режимных параметров. Из графика следует, что существует область минимальных значений удельной мощности при изменении угла замыкания в диапазоне 105-120 градусов.

Разработана методика выбора рациональных параметров рабочего оборудования с замыканием рабочих нагрузок. На рис. 8 и 9 приведены функциональная схема и блок-схема расчета алгоритма расчета параметров рабочего процесса при замыкании рабочих нагрузок.

Предложен алгоритм статического расчета карьерного экскаватора с учетом замыкания рабочих нагрузок. Получено выражение для определения вместимости рабочего органа при заданной массе экскаватора и его основных частей:

E_PO = ((1/K_y)[G_пл(r_пл+r_A)+G_xo·r_A+G_пр(r_пр+r_A)-G_p(r_p-r_A)-G_c(r_c-r_A)] /

[g(r_{po max}-r_A)(г_po+с_пК_н/К_р], (4)

где K_y - коэффициент устойчивости экскаватора; г_po - металлоемкость рабочего органа; с_п - плотность породы.

Реализация в конструкции рабочего оборудования принципа рациональности силовой схемы обеспечивает повышение технологической гибкости оборудования. Рабочее оборудование является универсальным как по способу черпания (выше и ниже уровня стояния экскаватора), так и по направлению перемещения рабочего органа (в вертикальной, горизонтальной и наклонных плоскостях).

Универсальность рабочего оборудования с замыканием рабочих нагрузок заключается в возможности использования рабочего органа при копании в породах с различным сопротивлением копанию: при экскавации скальных пород угол замыкания принимаем минимальным, при копании в породах меньшей крепости угол замыкания и объем зачерпываемой горной массы увеличиваются.



На рис. 10 приведен вариант применения рабочего оборудования с замыканием рабочих нагрузок при сложно-структурном залегании полезных ископаемых.

Предложены технические решения по конструкциям рабочего оборудования.

Обоснован показатель степени совершенства конструктивной схемы рабочего оборудования карьерных экскаваторов - отношение вместимости рабочего органа (ковша) к длине пути его наполнения: К_с = Е_РО(к) / L_н.

В таблице 2 приведены значения показателя степени совершенства конструктивной схемы рабочего оборудования с замыканием рабочих нагрузок и для рабочего оборудования карьерных экскаваторов типа ЭКГ.

Таблица 2

Показатель степени совершенства конструктивной схемы

Модель экскаватора	ЕРО(к), м3	Lн, м	Кс
ЭГ-5	5	1,96	2,55
ЭКГ-5А	5,2	6,68	0,78
ЭКГ-8И	8	8,26	0,97

Величина показателя К_с характеризует интенсивность процесса копания, определяемую длиной пути наполнения рабочего органа и, соответственно, длительностью копания при постоянной скорости копания и, в конечном счете, производительность карьерного экскаватора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основе выполненных исследований дано новое решение актуальной научной задачи - обоснования рациональных параметров рабочего оборудования карьерных экскаваторов с замыканием рабочих нагрузок, обеспечивающего снижение металлоемкости экскаватора и повышение эффективности использования оборудования.

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

1. Показано, что основным фактором, ограничивающим рост производительности экскаватора и увеличение установленной мощности приводов копающих механизмов, является устойчивость экскаватора. Резервом повышения производительности и эффективности является использование принципа внутреннего замыкания рабочих нагрузок.

2. Процесс экскавации породы рабочим органом с замыканием рабочих нагрузок при оппозитном расположении ковшей характеризуется переменной энергоемкостью рабочего процесса, величина которой зависит от угла замыкания рабочего органа.

3. Разработана математическая модель процесса экскавации рабочим органом карьерного экскаватора с замыканием рабочих нагрузок, описывающая рабочий процесс в зависимости от толщины срезаемого слоя породы и конструктивных параметров рабочего органа.

4. В результате численного моделирования установлено, что удельная (отнесенная к производительности) мощность привода имеет область минимальных значений при углах замыкания в диапазоне 105-120 градусов.

5. Разработан алгоритм статического расчета карьерного экскаватора с учетом замыкания рабочих нагрузок для определения соотношения между вместимостью рабочего органа и массой экскаватора.

6. Разработаны технические решения по конструкциям рабочего оборудования карьерного экскаватора с замыканием рабочих нагрузок. Получен патент на полезную модель № 92033 «Рабочее оборудование экскаватора».

7. Экономический эффект при внедрении результатов диссертационной работы составит 550 тыс. руб. на один экскаватор типа ЭКГ.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ИЗДАНИЯХ

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, входящих в Перечень ВАК Минобрнауки России

1. Иванов И.Ю., Комиссаров А.П. Создание рабочих органов карьерных экскаваторов с замыканием внешних нагрузок - резерв повышения технического уровня оборудования // Горное оборудование и электромеханика. - 2009. - № 8. - С. 17-20.

2. Иванов И.Ю., Комиссаров А.П. Оценка энергоемкости рабочего процесса гидравлического экскаватора с замыканием внешних нагрузок // Горное оборудование и электромеханика. - 2011. - № 9. - С. 45-47.

Работы, опубликованные в научных сборниках и других изданиях

3. Иванов И.Ю., Комиссаров А.П., Гафурьянов Р.Г. Патент на полезную модель № 92033 «Рабочее оборудование экскаватора» от 10.03.2010, бюл. № 7.

4. Побегайло П.А., Иванов И.Ю. Выбор силовых и геометрических параметров привода рукояти на стадии предпроектного анализа // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: сб. докладов VII международной научно-технической конференции «Чтения памяти В.Р. Кубачека». - Екатеринбург: Уральский государственный горный университет, 2009. - С. 70-77.

5. Иванов И.Ю. Сравнительный анализ конструкций карьерных экскаваторов // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: сб. докладов VIII международной научно-технической конференции «Чтения памяти В.Р. Кубачека». - Екатеринбург: Уральский государственный горный университет, 2010. - С. 49-53.

6. Иванов И. Ю. Особенности рабочего процесса экскаватора, оборудованного рабочим органом с внутренним силовым замыканием // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: сб. докладов IХ международной научно-технической конференции «Чтения памяти В.Р. Кубачека». - Екатеринбург: Уральский государственный горный университет, 2011. - С. 68-73.

Подписано в печать 18.11.2011 г. Печать на ризографе.

Бумага писчая. Формат 60Ч84 1/16. Гарнитура Times New Roman

Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ №

Издательство УГГУ

620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30

Уральский государственный горный университет

Отпечатано с оригинал-макета

в лаборатории множительной техники издательства УГГУ

Размещено на Allbest.ru

...