CC BY
31
УДК 622.233.06
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАБОЧИХ ПАРАМЕТРОВ КАНАТНОГО ШАГАЮЩЕГО СКРЕПЕРА ДЛЯ ОБВОДНЕННЫХ РОССЫПНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
А.В.Гилев1, Ю.А.Хомич2, Н.Н.Гилева3, Ф.Э.Шейн4
1,2,3Сибирский федеральный университет,
660025, г. Красноярск, пр. имени газеты «Красноярский рабочий», 95. 4ООО «Торговый дом» (производство нерудных строительных материалов), 660111, г. Красноярск, ул. Пограничников, 7а.
Рассмотрены особенности подводной добычи общераспространенных полезных ископаемых с помощью канатного шагающего скрепера (СКШ). Обоснованы рабочие параметры, определяющие параметры забоя. Рассчитаны и выбраны основные элементы гидросистемы ходового оборудования СКШ. Ил. 5. Табл. 4. Библиогр. 4 назв.
Ключевые слова: скрепер; ковш; рабочие параметры; устойчивость; степень перфорации; глубинная добыча.
THEORETICAL JUSTIFICATION OF THE BASIC WORKING PARAMETERS OF THE CABLE WALKING SCRAPER FOR WATERED GRAVEL DEPOSITS A.V.Gilev, Y.A.Homich, N.N.Gileva, F.E.Sheyn
Siberian Federal University,
95, Avenue named after the newspaper "Krasnoyarsk worker", Krasnoyarsk, 660025. Limited Liability Company "Trading House" (production of non-metallic building materials) 7a, Pogranichnikov St., Krasnoyarsk, 660111.
The authors consider the characteristics of underwater mining of widely-spread minerals with the help of a cable walking scraper (CWS). The working parameters that determine the parameters of the face are justified. The authors calculated and selected key elements of the hydraulic system of CWS navigation equipment. 5 figures. 4 tables. 4 sources.
Key words: scraper; shovel; operating parameters; stability; degree of perforation; deep mining.
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 ХХ-ХХ1 веков составляло примерно 1,5 млрд. м , 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 в этой добыче являются выемочно-транспортно-разгрузоч-ный и экскаваторно-транспортно-разгрузочный (табл.1).
Таблица 1
Основные структ] /ры комплексной механизации добычи 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
1Гилев Анатолий Владимирович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой горных машин и комплексов, тел.: (391)2132774, е-mail: Anatoliy.gilev@gmail.com
Gilev Anatoly Vladimirovich, a doctor of technical sciences, a professor, the head of the Chair of Mining Machinery and Complexes, tel.: (391) 2132774, e-mail: Anatoliy.gilev @ gmail.com
2Хомич Юрий Александрович, студент, тел.: (391)2132774, е-mail: Nook66@mail.ru Homich Yuriy Alexandrovich, a student, tel.: (391) 2132774, e-mail: Nook66@mail.ru
3Гилева Наталья Николаевна, ведущий инженер кафедры горных машин и комплексов, тел.: (391)2132774, е-mail: Natalgileva@yandex.ru
Gileva Natalia Nikolaevna, a leading engineer of the Chair of Mining Machinery and Complexes, tel.: (391) 2132774, e-mail: Natalgile-va@yandex.ru
4Шейн Фердинанд Эмильевич, главный инженер, тел.: (391)2936332, е-mail: f.shain@ gmail.com Sheyn Ferdinand Emilievich, a chief engineer, tel.: (391) 2936332, e-mail: f.shain @ gmail.com
В приведенной схеме на зарубежных нерудных карьерах широкое применение получили канатные скреперные установки, особенно эффективно работающие на обводненных месторождениях [2].
Рис. 1. Скрепер канатный шагающий СКШ-3 при глубинной добыче песчано-гравийной смеси на нерудном месторождении
Один из представленных вариантов механизированного комплекса с использованием канатного скрепера применен в г. Красноярске при освоении песча-но-гравийных месторождений. Скрепер канатный шагающий (СКШ) сконструирован, изготовлен в ООО «Торговый Дом» (производство нерудных строительных материалов) и введен в эксплуатацию на карьере
«Песчаный», расположенном в пойме Енисея (рис. 1) [3]. Созданию СКШ предшествовало теоретическое обоснование его основных рабочих параметров, таких как параметры забоя, геометрические параметры, силовые характеристики приводов и параметры рабочего органа.
Параметры забоя обусловлены горно-геологической характеристикой месторождения и техническими показателями силовых механизмов. Они представлены на рис. 2 и в табл. 2.
Геометрические размеры СКШ рассчитаны и приняты исходя из параметров забоя и характеристик скреперной лебедки (тип 100 ЛС) и гидросистемы. Они приведены на рис. 3 и в табл. 3.
Таблица 2 Параметры забоя при работе СКШ
№ п/п Параметры Значения
1 Глубина черпанья Нчер., м 30
2 Угол откоса борта а, град 30
3 Длина черпанья 1_чер., м 125
4 Ширина черпанья Вчер., м 125
5 Максимальный угол черпанья А, град 60
В конструкции СКШ предусмотрены приводы ходового оборудования и скреперной лебедки. Привод шагающего механизма расходует энергию на подъем скрепера массой тэ, его перемещение и перенос шагающих лыж. Последнюю составляющую можно не учитывать из-за её относительно малой величины.
б)
Рис. 2. Расположение СКШ в забое: а - глубина черпанья и угол откоса борта; б - длина и ширина черпанья,
Таблица 3 Геометрические параметры СКШ
№ п/п Параметры Значения
1 Вместимость ковша, м3 3
2 Емкость бункера- 3 перегружателя, м 5
3 Длина/ширина лыжи, мм 2500/700
4 Высота базы, мм 580
5 Высота бункера- 3 перегружателя, м 3100
6 Длина скрепера, м 14700
7 Ширина скрепера, м 5400
8 Высота скрепера, м 8150
Работа, расходуемая на вертикальный подъем скрепера А (кДж):
А1 = тэ^-И. (1)
Работа, расходуемая на перемещение скрепера А2 (кДж):
А! = 8-тэ-д^, (2)
где 8 - длина шага (8=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 Т(с), то привод за время, примерно равное 0,25 Т, производит подъем скрепера и его перемещение, а за время, равное 0,75 Т, осуществит перенос лыж.
С учетом (1) и (2) мощность N (кВт) привода ходовой части определится
^ шэ • д (И + Б • N) х 0,25 • Т •п ' где п -КПД механизма шагания (г| =0,5+0,7), Т=22 с.
Скорость хода Ух (км/ч) шагающего скрепера при числе шагов в час пш определяется по формуле
Ух=10"3-К- 8- пш,
где К - коэффициент, учитывающий проскальзывание лыж по грунтовому основанию в начале и конце шага, К=0,7-0,9; Пш=3600/Т.
Для функционирования гидросистемы СКШ произведен расчет производительности гидронасоса при прямом ходе (Опх) и обратном ходе (Оох), которую можно определить по формуле (м3/с):
4 • По '
где й-диаметр гидроцилиндра, м.
Диаметр гидроцилиндра установлен исходя из рассчитанного, определяемого по формуле:
Опх Оох
(3)
в =
4 • Яр
Р.
раб
• П
где Рр _ расчетное усилие штока, Н; Рраб _ рабочее давление жидкости, Н/м2; dш - диаметр штока, определяемый из условий прочности и устойчивости, м. Диаметр штока из условия прочности
ё =
4 • пп •Яр
[8СЖ ] п
(4)
где пп - запас прочности (пп = 1,4); [бсж] - допускаемое напряжение сжатия для материала штока, Н/м2. Диаметр штока из условия устойчивости
(
>
64 • Яр-К
•12 •п
у
•Е
(5)
где К - коэффициент, учитывающий схему крепления штока. К=2, когда один конец штока закреплен жестко, а другой свободен, 1ш - рабочий ход ^штока, м; пу - запас устойчивости (пу=1,4); Е = 2-10 - модуль Юнга, Н/м2. Исходя из (4) и (5), диаметр штока принимают наибольшим.
Результаты расчетов ходового оборудования приведены в табл. 4.
14700
700
11000
Рис. 3. Общий вид СКШ
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
I Мо=0; ST r-r=GK+n(ro sina+ acosa)- PB(r0 sina+ acosa),(9) где a- предельный угол откоса (принимаем равным 30о); ^ - коэффициент трения ковша о породу (в среднем 0,4); r0 - плечо приложения усилия ST; Рв -выталкивающее усилие, действующее от воды, кН.
Решая совместно уравнения (6), (7) и (8), получа-
ем
St= Poi(1+ Mi- Ki)+( GK+n- Рв) ■ sina,
_ (GK+n - Pe) •( ro • sina+ a ■ cosa)
(10) (11)
P01-(1 + м- K ) + („ - Pe )• sina '
где Ki= Р02/ Р01.
Расчеты, полученные по формулам (10) и (11) показывают, что усилие тяги ST=82 кН (Smax=106 кН), высота крепления тягового каната Ут=0,7 м, а масса порожнего ковша тк=2,0 т. При этом мощность привода при копании составит
Для определения нагрузок, преодолеваемых скреперной лебедкой, необходимо рассчитать усилия, действующие на ковш скрепера (рис. 4).
P _-
1 тд
ST ■Vp
Птд
82000 ■1,37 0,9
10-3 _ 125 кВт,
где Vrp - скорость перемещения груженого ковша,
Рис. 4. Схема к расчету усилий,
Касательная составляющая усилия Р01 (кН) сопротивления горной породы копанию на режущей кромке ковша скрепера (рис. 4) вместимостью Е (м3), при условии его 100 %-го наполнения на пути 1п (м), определяется из выражения [4]:
р _ E(1 +Ло)KF
K пут ■ lK ■ Kp
(6)
где Л0 - отношение объема призмы волочения к объему ковша (принимается для лёгких пород 0,4); KF -коэффициент удельного сопротивления копанию, кПа (принимается равным 42 кПа); Knym - отношение пути
Ln к длине ковша Ц (принимается 2,5); Кр - коэффициент разрыхления (принимается 1,08).
Тяговые усилия ST (кН), массу ковша тк (т), а также высоту rT (м) крепления тягового каната от уровня режущей кромки определяют на основании следующих уравнений:
I Рх=0; S-^P^+G^ sina+LH G^cosa - Рв sina, (7) I Ру=0; Р02 = G^ cosa = К P01- Рв' cosa, (8)
действующих на ковш скрепера
м/с; птд - КПД тягового механизма (птд=0,8-0,9).
Большое значение в эффективной работе канатного скрепера имеют параметры рабочего органа.
Повышение производительности скрепера, осуществляющего разработку обводненных забоев, можно достичь 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 определяется как отношение суммы площадей отверстий в ковше к общей
у
x
площади стенок и днища ковша [2]
. /о100
Z Л
% < 7%,
где Z/o - сумма площадей всех отверстий в ковше;
ще ковша, составляет 0,115 % к общему объему грунта в ковше (рис. 5). Следовательно, можно считать, что при добывании песчано-гравийной массы перфорированным ковшом с отверстиями диаметром 25-35 мм потери грунта практически отсутствуют.
!/к - суммарная площадь стенок и днища ковша.
С учетом гранулометрического состава грунта нами приняты диаметр отверстий 35 мм и расстояние между отверстиями 50 мм (рис. 5). С учетом изложенного степень перфорации ковша СКШ составила ¡пк = 4,4 %.
Необходимо также отметить, что влажность пес-чано-гравийной массы, добытой перфорированным ковшом, уменьшается 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 площади 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 дни-
Библиографический список
Рис. 5. Вид ковша СКШ с учетом степени перфорации
Таким образом, рассчитанные теоретическим путем основные рабочие параметры канатного скрепера позволили разработать и создать механизированный комплекс, эффективно работающий при добыче обводненных песчано-гравийных смесей.
1. Гилёв А.В., Шейн Ф.Э., Суворов Р.В. Особенности комплексной механизации добычи сырья для производства строительных материалов // Проблемы освоения минеральной базы Восточной Сибири: сб.науч.тр./под общ.ред. Б.Л. Тальгамера. Иркутск, 2008. С. 43-48.
2. Шпанский О.В., Буянов Ю.Д. Технология и комплексная механизация добычи нерудного сырья для производства
строительных материалов. учеб. пособие для вузов. М.: Недра, 1996. 462 с.
3. Гилёв А.В., Шейн Ф.Э. Механизированный комплекс для добычи строительных материалов на обводненных месторождениях // Горное оборудование и электромеханика. 2008. № 6. С. 18-20.
4. Подэрни Р.Ю. Горные машины и комплексы для открытых горных работ: учебник для вузов. М.: Недра, 1985. 544 с.
УДК 67.014+67.017
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
И НАНОМАТЕРИАЛОВ В ГОРНО-
В.В.Кондратьев1, Н.А.Иванов2, Э.П.Ржечицкий3, И.А.Сысоев4
1,2,4Иркутский государственный технический университет,
664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
3ОАО «СибВАМИ»,
664007, г. Иркутск, ул. Советская, 55.
Рассмотрены вопросы применения нанотехнологий и наноматериалов в горно-металлургической отрасли. Показано, что модифицирование материалов при помощи наноразмерных структур способствует проявлению улучшенных свойств продукции.
1 Кондратьев Виктор Викторович, начальник отдела инновационных технологий Физико-технического института, кандидат технических наук.
Kondratjev Victor Victorovich, the head of the Department of innovative technologies of Physico-Technical Institute, a candidate of technical sciences.
2Иванов Николай Аркадьевич, зам. директора Физико-технического института, кандидат физико-математических наук, тел.: (3952)405654.
Ivanov Nikolay Arkadjevich, a deputy director of the Physico-Technical Institute, a candidate of physical and mathematical sciences, tel.: (3952)405654.
3Ржечицкий Эдвард Петрович, заведующий лабораторией охраны окружающей среды, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, заслуженный изобретатель РФ.
Rzhechitsky Edward Petrovich, a head of the laboratory of the Environmental Protection, a candidate of technical sciences, a senior research worker, an Honored Inventor of the Russian Federation.
4Сысоев Иван Алексеевич, доцент кафедры автоматизации производственных процессов, кандидат технических наук. Sysoev Ivan Alexeevich, an associate professor of the Chair of Automation of Production Processes, a candidate of technical sciences.
