На правах рукописи
ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ КАРЬЕРНЫХ ЭКСКАВАТОРОВ
Специальность 05.05.06 – «Горные машины»
Автореферат
диссертации на соискание ученой
степени кандидата технических наук
Москва 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Московский государственный горный университет на кафедре Горные машины и оборудование (ГМО МГГУ)
Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент
(доцент ГМО МГГУ)
Официальные оппоненты: , доктор технических наук,
профессор, заведующий кафедрой «Техника и
технология нефтегазового производства» ГОУ ВПО
«Московского государственного открытого
университета им. »;
,
кандидат технических наук, генеральный директор .
Ведущая организация: – институт горного дела им. А. А Скочинского», (МО, г. Люберцы)
Защита состоится « 5 » апреля 2012 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.128.09, созданного на базе Московского государственного горного университета по адресу: Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, дом 6, E-mail: ud@msmu.ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета
Автореферат разослан « 2 » марта 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета, канд. техн. наук, профессор
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Железорудная промышленность является одной из ведущих отраслей, базирующихся на мощной минерально-сырьевой базе Курской магнитной аномалии (КМА). По подтвержденным запасам железистых кварцитов РФ занимает ведущее место в мире. Основные запасы железистых кварцитов в РФ в основном сосредоточены в районах со сложными горно-геологическими условиями.
Сегодня открытый способ разработки твердых полезных ископаемых неоспоримо превалирует как в мировой горной промышленности, так и в России и республиках постсоветского пространства.
В настоящее время российские производители не смогли предложить карьерные механические лопаты с вместимостью ковша более 15 м3 с опытом эксплуатации по добыче железных руд. Основу парка выемочно-погрузочных машин России составляют экскаваторы – ЭКГ–8И, ЭКГ–10 и их модификации производства ИЗ–КАРТЭКС им. », однако длительный опыт эксплуатации карьерных экскаваторов показал их недостаточно высокую производительность при выемке взорванных скальных пород (в основном железных руд). Это объясняется тем, что техническая производительность карьерного экскаватора при заданных его конструктивных и энергетических параметрах зависит не только от технологических, но и от динамических параметров рабочего оборудования, хотя стратегия ИЗ–КАРТЭКС им. » предусматривает переход к выпуску современных экскаваторов ЭКГ–12К, ЭКГ–20 и ЭКГ–30.
Поэтому разработка комплекса научно-технических мероприятий для обоснования и выбора рациональных динамических параметров рабочего оборудования карьерных экскаваторов, эксплуатирующихся в различных горнотехнических условиях в зависимости от их конструктивных, кинематических, силовых характеристик, является актуальной научной задачей.
Целью работы является установление закономерностей формирования динамических параметров рабочего оборудования карьерных экскаваторов, эксплуатирующихся в различных горнотехнических условиях, в зависимости от их конструктивных, кинематических, силовых характеристик.
Идея работы заключается в минимизации коэффициента динамичности рабоче -
го оборудования карьерного экскаватора за счет оснащения упругодемпфирующим
устройством одного из его механизмов.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
· минимальный уровень статического нагружения (Pτ → min, Pn → min, ) рабочего оборудования в процессе отработки экскаватором породного уступа может быть достигнут только при оптимальных параметрах кардиоидальной траектории движения (ρmax, ρmin, t0 ) и конструкции вооружения ковша экскаватора (δ1= const);
· минимальный уровень динамического нагружения (kд → min) рабочего оборудования экскаватора в процессе отработки породного уступа может быть достигнут путем оснащения одного из его приводов упругодемпфирующим устройством – пневматической шиной с минимально возможной жесткостью (СУДУ(y0+y) → min) при зарядном давлении p0, обеспечивающем заданную величину начального прогиба шины y0;
· многопараметрическая имитационная модель определения уровня удельной технической производительности экскаватора (система совместных нелинейных алгебраических уравнений), отличающаяся учетом влияния конструктивных (E,H, r, r1, L, b, B,D, βН, kk), кинематических (ωП, ωН, ωпл, φз), силовых (ψ,η, NП, NН , NПов ,kI ,kг, kп) , жесткостных ( скi(βH), сУДУ, кi, кΣi ), диссипативных (μi, μΣi ,μУДУ) и инерциальных (I(β), Iд ,Ij) динамических параметров экскаватора , работающего в забоях с различными технологическими и прочностными характеристиками (σ , ρП, kр , a1).
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций базируются на применении современных научных методов исследований, включающих аналитические исследования с использованием фундаментальных положений: теоретической механики твердого тела, жидкости и газа; теории колебаний механических систем; математического моделирования; системного анализа процесса нагружения приводов рабочего оборудования карьерных экскаваторов. Относительная ошибка результатов математического моделирования составила по амплитуде 8 %, по частоте 0,5%.
Научное значение работы заключается в установлении закономерностей:
· изменения параметров процесса взаимодействия ковша с породой с учетом коэффициента динамичности рабочего оборудования карьерного экскаватора;
· изменения уровня удельной технической производительности карьерного экскаватора от физико-механических свойств породы, технологических, энергетиче-
ских, конструктивных и динамических параметров его рабочего оборудования.
Практическое значение исследования состоит в разработке методики и про -
граммного обеспечения для моделирования и расчета рациональных динамических параметров рабочего оборудования карьерных экскаваторов.
Реализация выводов и рекомендаций работы.
Основные результаты диссертационной работы нашли применение в плановых проектно-конструкторских разработках –КАРТЭКС им. » на гг. по совершенствованию существующих и созданию инновационных конструкций рабочего оборудования карьерных экскаваторов и использованы:
· в технических требованиях на модернизацию рабочего оборудования карьерного экскаватора ЭКГ–10 (производства «ИЗ – КАРТЭКС им. »), находящегося в эксплуатации на железорудном карьере ГОК»;
· в методике статического и динамического расчета рабочего оборудования карьерных экскаваторов, оснащенных упругодемпфирующим устройством с регулируемыми жесткостью и демпфированием;
· в программном обеспечении для моделирования динамических характеристик рабочего оборудования карьерных экскаваторов с упругодемпфирующим устройством.
Научная новизна и личный вклад автора состоят:
· в установлении кинематических особенностей рабочего процесса экскаватора с рабочим оборудованием «прямая напорная лопата» и в обосновании оптимальных параметров траектории движения и конструкции вооружения ковша экскаватора;
· в разработке математического аналога пневматического упругодемпфирующего устройства механизмов карьерных экскаваторов;
· в моделировании процесса взаимодействия ковша карьерного экскаватора с поро-
дой при отработке породного уступа в зависимости от прочности породы, конструктивных и кинематических параметров рабочего оборудования, а также силовых, жесткостных, диссипативных и инерциальных динамических параметров приводов экскаватора.
Апробация работы. Основные положения и содержание работы были доложены и обсуждены на Международных научных симпозиумах «Неделя горняка» в 2008, 2009, 2010, 2011, 2012 гг. (г. Москва, МГГУ); XIII, XIV и XV Международных экологических конференциях студентов и молодых ученых «Горное дело и окружающая среда. Инновационные и высокие технологии XXI века» - 2009, 2010, 2011 гг. (г. Москва, МГГУ); Международной научно-технической конференции «Современные техника и технологии горно-металлургической отрасли и пути их развития» - 2010 г., (Республика Узбекистан, Навои); XIV Международной конференции «Технология, оборудование и сырьевая база горных предприятий промышленности строительных материалов» - 2010 г (г. Москва, МГГУ).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, две из них в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых журналов.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка использованных источников информации из 107 наименований и включает 30 рисунков и 18 таблиц.
Автор выражает благодарность всем сотрудникам кафедры «Горные машины и оборудование» Московского государственного горного университета за поддержку и участие, особенно профессорам , и доценту за методическую помощь при работе над диссертацией.
Основное содержание работы
Во введении обосновываются актуальность исследования, его цель, идея, приведены новизна научных положений, практическая ценность и реализация работы в промышленности.
В первой главе выполнен анализ современного состояния и перспектив развития конструкций рабочего оборудования карьерных экскаваторов. Рассмотренный круг вопросов, связанных с установлением закономерностей формирования динамических параметров рабочего оборудования карьерных экскаваторов, отражен в работах ряда российских ученых: докторов технических наук И, , , , и многих других.
Опыт эксплуатации карьерных экскаваторов и анализ данных ведущих проектных и конструкторских организаций СНГ показывают, что наиболее емкими потребителями карьерной техники в ближайшее время будут карьеры черной и цветной металлургии ( до 800 млн м3 горной массы в год).
Сегодня в России одним из ведущих производителей экскавационной техники является компания –КАРТЭКС им. ». Она имеет более чем 50–летний опыт производства карьерных экскаваторов. Основу парка добычной техники всех крупных горных предприятий России и стран СНГ составляют машины этой компании – ЭКГ–8И, ЭКГ–10, ЭКГ–12,5, ЭКГ–15 и их модификации. Компания постоянно наращивает производительность экскаваторов путем увеличения линейных параметров их конструкций и мощности приводов основных механизмов.
В свою очередь современное состояние технической эксплуатации карьерных экскаваторов не обеспечивает проектных технико–экономических показателей вследствие высокой динамической нагруженности их рабочего оборудования. В настоящее время оценка уровня технической производительности карьерных экскаваторов производится без учета динамических параметров их рабочего оборудования, в то время как процесс формирования сил сопротивления на рабочем оборудовании является динамическим.
Поэтому цель работы заключается в установлении закономерностей формирования динамических параметров рабочего оборудования карьерных экскаваторов, эксплуатирующихся в различных горнотехнических условиях, в зависимости от их конструктивных, кинематических, силовых характеристик.
Цель достигается решением следующих основных задач: анализ современного состояния исследований и достигнутого уровня техники и технологии выемки горных пород карьерными экскаваторами с рабочим оборудованием «прямая напорная лопата»; установление закономерностей изменения уровня удельной технической производительности карьерного экскаватора от физико-механических свойств породы, технологических, кинематических, силовых, жесткостных, диссипативных и инерциальных динамических параметров его рабочего оборудования; установление кинематических особенностей рабочего процесса карьерного экскаватора с рабочим оборудованием «прямая напорная лопата» и закономерностей формирования сил сопротивления движению ковша; разработка математического аналога рабочего оборудования с упругодемпфирующим устройством; разработка многопараметрической математической имитационной модели процесса взаимодействия ковша карьерного экскаватора с породой с учетом кинематических, силовых, жесткостных, диссипативных и инерциальных динамических параметров электромеханической системы привода; моделирование процесса взаимодействия ковша карьерного экскаватора с породой.
Вторая глава посвящена исследованию параметров технологического нагружения механизмов подъема, напора ковша и поворота экскаватора с рабочим оборудо-
ванием «прямая напорная лопата».
Отделение стружки от породного массива ковшом карьерного экскаватора с рабочим оборудованием «прямая напорная лопата» (рисунок 1) осуществляется в вертикальной плоскости путем сочетания двух движений: подъема ковша со скоростью vп и его подачи на забой со скоростью vн. При этом соотношение скоростей напора и подъема определяет траекторию перемещения ковша в забое в вертикальной плоскости.
Рисунок 1 – Параметры рабочего процесса выемки породы карьерным экскаватором с рабочим оборудованием «прямая напорная лопата»
Доктор технических наук и кандидат технических наук считают, что за траекторию движения режущей кромки ковша, близкой к опти-
мальной, можно принять правую логарифмическую спираль. При движении ковша по этой траектории в начальном положении рукоять должна быть строго вертикальна – зубья на подошве забоя. Это не позволяет на высоте Н напорного вала обеспечить 100%–ное наполнение ковша заданной вместимости Е. На практике для достиже -
ния толщины стружки t0 на уровне напорного вала, обеспечивающей 100%–ное наполнение ковша, экскаватор начинает черпание с угла α0 , близкого к 30 градусам.
Поэтому с достаточной точностью траекторией движения вооружения ковша близкой к оптимальной, можно считать обобщенную конхоиду (часть «улитки Паскаля»), которая при одном полюсе (рисунок 2 точка О1) превращается в кардиоиду (термин введен Кастиллоном в 1741 году).
Угол построения кардиоиды связан с центральным углом контакта ковша экскаватора с породным массивом βН, а угловая координата точки наиболее удаленной от оси ОY (рисунок 1), до нижней ветви кардиоиды является начальным положением ковша при черпании. Текущее изменение толщины стружки с(β), срезаемой ковшом экскаватора, определяется центральным углом βН контакта вооружения ковша экскаватора с породным массивом высотой h, при этом сечение (площадь) стружки в вер-
Рисунок 2 – Геометрические параметры рабочего оборудования карьерного экскаватора с кардиоидальной траекторией движения ковша: а – расчетная схема для определения вертикального сечения стружки; б – основные геометрические соотношения параметров рабочего оборудования экскаватора и кардиоиды
тикальной плоскости FВ имеет серповидное очертание (рисунок 3) и определяется из выражения:
, м, (1)
где L – часть длины геометрического хода рукояти, м; b – расстояние от переднего упора рукояти до режущей кромки вооружения ковша экскаватора, м; k – коэффициент использования геометрической длины хода рукояти, зависящий от положения экскаватора на рабочей площадке забоя. Он определяется расстоянием от нижней бровки внутренней заходки до оси вращения платформы экскаватора a1 (рисунок 3).
Сечение (площадь) стружки в вертикальной плоскости FВ (βН) в функции центрального угла контакта ковша экскаватора с породным массивом высотой h составляет:
Рисунок 3 – Расчетная схема определения толщины стружки на высоте напорного вала
, м2. (2)
Длительность напора βН /ωР по длине текущего значения толщины стружки c(β) при угле поворота рукояти на угол βН составит величину(рисунок 3):
. (3)
Решая уравнение (3) относительно ωР с учетом выражения (1) и с учетом того,
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 |
