CC BY
20
- © Ф.Э. Шсйн, A.B. Гилёв, Ю.А. Хомич,
H.H. Гилёва, 2013
УДК 622.233.06
Ф.Э. Шейн, А.В. Гилёв, Ю.А. Хомич, Н.Н. Гилёва
ОБОСНОВАНИЕ МЕХАНИЗИРОВАННОГО СКРЕПЕРНОГО КОМПЛЕКСА РАБОЧИХ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ОБВОДНЕННЫХ РОССЫПНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Приведено современное состояние применения канатных скреперов на добыче обводненных полезных ископаемых и конструкция опытного образца шагающего скрепера с обоснованием его геометрических, силовых параметров и параметров рабочего органа.
Ключевые слова: обводненное месторождение, шагающий скрепер, геометрические параметры, привод, гидросистема, устойчивость, ковш, перфорация.
овременное состояние применения канатных скреперов
Промышленность строительных материалов, производимых из горных пород в России, является самой крупной по объемам добывающей отраслью народного хозяйства [1]. Производство нерудных строительных материалов в Российской Федерации на рубеже XX—XXI веков составляло примерно 1,5 млрд м3, а по научным прогнозам в перспективе может достигнуть 2,2— 2,4 млрд м3. При этом около 25 % от указанных объемов занимают песчано-гравийные смеси, из которых примерно 60 % добывают на обводненных месторождениях.
На карьерах нерудного сырья основной объем приходится на добычу полезных ископаемых. Поэтому основными горно-транспортными комплексами здесь являются выемочно-транспортно-разгрузочный и экскаваторно-транс-портно-разгрузочный (табл. 1).
Таблица 1
Основные структуры комплексной механизации аобьми общераспространенных полезных ископаемых
Наименование комплекса Выемочно-погрузочное оборудование Транспортное оборудование Средства первичной переработки
Выемочно- транспортно- разгрузочный Роторный экскаватор Цепной экскаватор Драга Земснаряд Конвейерный транспорт Гидротранспорт Дробильно-сортировочный и обезвоживающий комплекс
Экскаваторно- транспортно- разгрузочный Экскаватор-мехлопата Экскаватор-драглайн Канатный скрепер Башенный экскаватор Автотранспорт Железнодорожный транспорт Конвейерный транспорт Дробильно-сортировочный и обезвоживающий комплекс
В приведенной структуре на зарубежных нерудных карьерах широкое применение получили канатные скреперные установки, особенно эффективно работающие на обводненных месторождениях [2].
Один из представленных вариантов механизированного комплекса с использованием канатного скрепера применен в г. Красноярске при освоении песчано-гравийных месторождений. Скрепер канатный шагающий
сконструирован, изготовлен в ООО «Торговый Лом» (производство нерудных строительных материалов) и введен в эксплуатацию на карьере «Песчаный», расположенном в пойме р. Енисей (рис. 1) [3].
Созданию канатного шагающего скрепера (СКШ) предшествовало теоретическое обоснование его основных рабочих параметров, таких как параметры забоя, геометрические параметры, силовые характеристики приводов и параметры рабочего органа.
Обоснование параметров забоя и геометрических
параметров СКШ
Параметры забоя обусловлены горно-геологической характеристикой месторождения и техническими показателями силовых механизмов (рис. 2 и табл. 2).
Рис. 1. Скрепер канатный шагающий при глубинной добыче песчано-гравийной смеси
Таблица 2
Параметры забоя при работе СКШ
№ п/п Параметры Значение
1 Глубина черпанья, Нчер., м 30
2 Угол откоса борта, а, град 30
3 Ллина черпанья, Цер., м 125
4 Ширина черпанья, Вчер., м 125
5 Максимальный угол черпанья, X, град 60
Геометрические размеры СКШ рассчитаны и приняты, исходя из параметров забоя, характеристик скреперной лебедки (тип 100 ЁС) и гидросистемы (рис. 3 и табл. 3).
б)
Рис. 2. Расположение СКШ в забое: а) разрез забоя; б) вид сверху забоя
Таблица 3
Геометрические параметры СКШ
№ п/п Параметры Значения
1 Вместимость ковша, м3 3
2 Емкость бункера-перегружателя, м3 5
3 Ллина/ширина лыжи, мм 2500/700
4 Высота базы, мм 580
5 Высота бункера-перегружателя, м3 3100
6 Ллина скрепера, м 14700
7 Ширина скрепера, м 5400
8 Высота скрепера, м 8150
14700
700
11000
Рис. 3. Общий вид СКШ
Обоснование привода ходового оборудования и гидросистемы СКШ
В конструкции СКШ предусмотрены приводы ходового оборудования и скреперной лебедки. Привод ходового оборудования расходует энергию на подъем скрепера массой шс, его перемещение и перенос шагающих лыж. Последнюю составляющую можно не учитывать из-за её относительно малой величины.
Работа, расходуемая на вертикальный подъем скрепера А, (кДж) А\ = Шс-я-И, (1)
Работа, расходуемая на перемещение скрепера А2 (кДж), А1 = Б-ШсяЛ, (2)
где 5 — длина шага (5 = 0,15 м); N — коэффициент, учитывающий угол, при котором скрепер начинает двигаться по инерции (в зависимости от угла наклона рабочей площадки N = 0,4—0,6).
Если принять продолжительность одного шага, равное 7(с), то привод за время, примерно равное 0,25 7, производит подъем скрепера и его перемещение, а за время, равное 0,75 7, осуществляет перенос лыж.
С учетом (1) и (2) мощность N (кВт) привода ходового оборудования определится
м = тс • д(Ь + 5 • N) х 0,25 • Г-п ,
где п — КПЛ механизма шагания (п = 0,5 + 0,7), Т = 22 с.
Скорость хода Vх (км/ч) шагающего скрепера при числе шагов в час пш определяется по формуле:
V = 10-3- К- 5- пш,
где К — коэффициент, учитывающий проскальзывание лыж по грунтовому основанию в начале и конце шага (К = 0,7 — 0,9); пш = 3600/Т
Лля функционирования гидросистемы СКШ произведен расчет производительности гидронасоса при прямом (фпх) и обратном (фох) ходе, которую можно определить по формуле (м3/с):
? - с0ш
Qпх = Qох= " , (3)
4 • П0
где — скорость движения штока в прямом и обратном направлениях, м/с; ?-диаметр гидроцилиндра, м.
Лиаметр гидроцилиндра установлен, исходя из рассчитанного значения, определяемого по формуле:
I =
V
4 • Я
р
где Яр — расчетное усилие штока, Н; Рраб — рабочее давление жидкости, Н/м . Сш — диаметр штока, определяемый из условий прочности и устойчивости, м.
Лиаметр штока из условия прочности равен:
с=
4 • п Я
--—-, (4)
[8с]• п , ( )
где пп — запас прочности (пп = 1,4); [5сж] — допускаемое напряжение сжатия для материала штока, Н/м2.
Лиаметр штока из условия устойчивости равен
С,, >
(64• Яр.К2 пу^0,25
п3 •£
(5)
где К — коэффициент, учитывающий схему крепления штока. К = 2, когда один конец штока закреплен жестко, а другой свободен, 10 — рабочий ход штока, м; пу — запас устойчивости (пу = 1,4); Е = 2-106 — модуль Юнга, Н/м2. Исходя из (4) и (5), диаметр штока принимают наибольшим.
Результаты расчетов параметров ходового оборудования приведены в табл. 4.
Таблица 4
Рабочие параметры ходового оборудования
№ п/п Параметры Значения
1 Гидроцилиндр подъема: Гц06-100х50х430: - рабочее давление, МПа 20
2 Гидроцилиндр тяги: Гц01-80х40х320: - рабочее давление, МПа 20
3 Насосная установка:С400-А-РГ-1-16-200-37-3-10-УХЛЧ: - номинальное давление, МПа - номинальная подача, л/мин - номинальная приводная мощность, кВт при частоте вращения 1500 об/мин 1,6-32 5-200 1,5-45
4 Скорость хода, Ух, км/ч 0,02
Образование нагрузок лебедки
Для определения нагрузок, преодолеваемых скреперной лебедкой, необходимо рассчитать усилия, действующие на ковш скрепера (рис. 4).
Касательная составляющая усилия Р01 (кН) сопротивления горной породы капанию на режущей кромке ковша скрепера (рис. 4) вместимостью Е (м3), при
условии его 100 %-го наполнения на пути 1п (м), определяется из выражения [4]: Е(1 + Х )КР
Р01 = —-, (6)
01 К ■ I ■ К
'*пуг 'К
где Х0 — отношение объема призмы волочения к объему ковша (принимается для лёгких пород Х0 = 0,4); КР — коэффициент удельного сопротивления копанию, кПа (принимается равное КР = 42 кПа); Кпуш — отношение пути 1п к длине ковша 1к (принимается равное 1к = 2,5); Кр — коэффициент разрыхления (принимается равное Кр = 1,08).
Тяговые усилия 5р (кН), массу ковша шк (т), а также высоту гТ (м) крепления тягового каната от уровня режущей кромки определяют на основании следующих уравнений:
2РХ = 0; + Рв-з1па = ц1-Ск+п-еоза + Р01 + Ргс-з1па + Ск+п-з1па + Рлс; (7)
!Ру = 0; Р02 + Рв-еоэа = Ск+п-соза + Ргс-соза; (8)
ХМо = 0; 5т-гт + Рв-э1па-Г0 + Рв-сова-Р^ = Рлс-И/2 + Ргс-з1па-Ик+ РГс-еоза-.1к/2-з1па-Г0 + Ск+п-соза-1к/2 (9)
где а — предельный угол откоса (принимаем а = 30о); щ — коэффициент трения ковша о породу (в среднем щ = 0,4); гт — плечо приложения усилия 5Т; Рв — выталкивающее усилие, действующее от воды, (Архимедова сила); кН; г0 ~ Ик/2 расстояние от кромки до центра тяжести ковша; Рв = 10-3р-д-^, Ргс — сила давления жидкости, кН [5]:
м, Мо
Рис. 4. Схема к расчету усилий, действующих на ковш скрепера
_ 10-3 • P-g-H
г Гс _ F ,
где р — плотность жидкости, кг/м3; Н — высота столба жидкости, м; F — пло-
2 3
шадь верхней части ковша, м ; V — объем ковша, м ; Рлс — сила лобового сопротивления, кН [5]:
Р _с-5P- V2- 10-3 ,
лс 2
где с — коэффициент лобового сопротивления:
24- и
с _- ,
d3-V'
где и — кинематическая вязкость воды, м2/с; 0э — эквивалентный диаметр ковша, м; Vrp — скорость перемешения груженого ковша в воде, м/с; S — пло-шадь проекции поверхности ковша на нормаль к вектору скорости (Миделево сечение), м2. В расчетах принято: S = Ьк- в, где Ьк — высота ковша, в — ширина ковша.
Решая совместно уравнения (7), (8) и (9), получаем [5]: ST = Р01 [1 + Ki (щ + tga)] — (Ргс — Рв)-Щ-еоза + РЛс, (10)
(рлс - Poi •Ki)' hk/2 sin a
Pol • [1 + K (| + - (Prc - Рв) Ia! • cos a + Pk
(11)
kc
где K\= Pq2 / Poi.
Расчеты, полученные по формулам (10) и (11) показывают, что усилие тяги St = 82 кН, высота крепления тягового каната гт = 0,7 м.
При этом мощность привода лебедки при копании составит:
р = V^ = 82000 ^.З7.10-3 = 125 кВт,
П„ 0,9 ,
где Цр — скорость перемещения груженого ковша, м/с; птд — тягового механизма (птд = 0,8 — 0,9).
Обоснование параметров ковша
Большое значение в эффективной работе канатного скрепера имеют параметры рабочего органа и его устойчивость в процессе экскавации породы. Условие устойчивости ковша против опрокидывания определяется выражением:
ST-rT — Prc-Г'к + РвТк < Ск+п-1'к + Рлс-Дк/2 (12)
При пустом ковше его масса тк , с учетом выражений (10) и (11) и принятии условия: 1''к ~ 1'к ~ 1к/2 • aosa, равна
ГР (1 - sin a) + P01 • K1 /cos a-P + P тк <L --01 ^ 11---1 (13)
rT =
Рис. 5. Вид коша СКШ с учетом степени перфорации
Для принятых геометрических параметров ковша (рис. 5) его масса, по расчетам (13), составляет: шк = 2,0 т.
Повышение производительности скрепера, осуществляющего разработку обводненных забоев, достигают за счет применения перфорированных ковшей. Такие ковши имеют в боковых стенках и днище отверстия различных размеров, чаще всего круглой, иногда щелевидной формы. При этом в боковых стенках отверстия располагаются горизонтальными рядами и в шахматном порядке, а в задних стенках эти отверстия располагаются вертикально в один и два ряда.
Необходимо отметить, что перфорация стенок и днища ковша не только способствует увеличению коэффициента наполнения ковша, но и частично улучшает качество песчано-гравийной массы, так как глинистые и пылевидные частицы выносятся вытекающей через отверстия водой.
Степень перфорации ковша определяют как отношение суммы площадей отверстий в ковше к общей площади стенок и днища ковша [2]:
У ¿100
А 0_< 7%
'ПК 1 - ' /и-
У1К
где £/0 — сумма площадей всех отверстий в ковше; 1/к — суммарная площадь стенок и днища ковша.
Учитывая гранулометрический состав грунта, нами приняты диаметр отверстий 35 мм, а расстояние между отверстиями 50 мм (рис. 5).
С учетом изложенного, степень перфорации ковша СКШ составляет Аж = 4,4 %.
Необходимо также отметить, что влажность песчано-гравийной массы, добытой с перфорированным ковшом, уменьшается в среднем на 5 % по сравнению с песчано-гравийной массой, добытой неперфорированным ковшом.
Для увеличения коэффициента наполнения ковша и уменьшения влажности добываемой песчано-гравийной массы отверстия необходимо располагать по всей плошади задней стенки ковша и его днища. Задняя стенка и днище ковша должны перфорироваться отверстиями диаметром 35 мм, а боковые стенки — отверстиями 25 мм.
Песчано-гравийная масса, выносимая из ковша водой, вытекающей через отверстия в стенках и днище ковша, составляет 0,115 % к общему объему грунта в ковше (рис. 5) [2]. Следовательно, можно считать, что при добывании пес-чано-гравийной массы перфорированным ковшом с отверстиями диаметром 25—35 мм потери грунта практически отсутствуют.
Таким образом, рассчитанные теоретическим путем основные рабочие параметры канатного скрепера позволили разработать и создать механизированный комплекс, эффективно работающий при добыче обводненных песчано-гравийных смесей.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гилёв, A.B. Особенности комплексной механизации добычи сырья для производства строительных материалов / A.B. Гилёв, Ф.Э.Шейн, Р.В.Суворов // Проблемы освоения минеральной базы Восточной Сибири: сб. науч. тр. / Под общ. ред. Б.Л. Тальгамера; Ир-ГТУ.-Иркутск, 2008. — С. 43—48.
2. Шпанский, O.B. Технология и комплексная механизация добычи нерудного сырья для производства строительных материалов / О.В. Шпанский, Ю.Д. Буянов // Учебное пособие для вузов. — М.: Недра, 1996. — 462 с.
3. Гилёв, A.B. Механизированный комплекс для добычи строительных материалов на обводненных месторождениях / A.B. Гилёв, Ф.Э. Шейн // Горное оборудование и электромеханика. — 2008. — № 6. — С. 18—20.
4. Подэрни, Р.Ю. Горные машины и комплексы для открытых горных работ / Р.Ю. По-дэрни // Учебник для вузов.— М.: Недра, 1985. — 544 с.
5. Гейер, В.Г. Гидравлика и гидропривод / В.Г. Гейер, В.С. Дупин, А.Г. Боруменский, А.Н. Заря // Учебник для вузов. — М.: Недра, 1981, — 295 с. ГТТШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Шейн Фердинанд Эмильевич - главный инженер, ООО «Торговый Дом» (производство нерудных строительных материалов), 1зЬат@ gmail.com;
Гилёв Анатолий Владимирович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Горные машины и комплексы», Anatoliy.gilev@gmail.com; Хомич Юрий Александрович - студент, Nook66@mail.ru;
Гилёва Наталья Николаевна - ведущий инженер кафедры «Горные машины и комплексы».
Natalgileva@yandex.ru;
Сибирский федеральный университет.
