Анализ параметров технологического нагружения основных механизмов карьерного комбайна за цикл его работы Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 622.015.002 А.А. Грабский

АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ ОСНОВНЫХ МЕХАНИЗМОВ КАРЬЕРНОГО КОМБАЙНА ЗА ЦИКЛ ЕГО РАБОТЫ

Выполнен анализ технологического нагружения основных механизмов карьерного комбайна за цикл его работы, рассчитана относительная энергоемкость работы карьерного комбайна в режимах: «выемка слоя породы»; «поворот (разворот)»; «смена карьерного поля».

Ключевые слова: технологическое нагружение, карьерный комбайн, основные механизмы комбайна, энергоемкость.

Семинар № 22

Ж^Жзвестно, что при отработке породного блока (рис. 1) карьерный комбайн вы-.жЛ. полняет вспомогательные операции: врезку, повороты и развороты с длительностью цикла - Т составляющего:

Т =

ц

3,6 1 •ю3

W_

1 + RnBpnB

W

W

* ' ПІ

\

(1)

где RПВ - радиус поворота (разворота), м; рПВ - угол поворота (разворота), рад; Lп -длина полосы (продольной или поперечной см. рис. 2), м;

В свою очередь, коэффициент забоя - КЗ характеризующий потери длительности цикла на вспомогательные операции и представляющий собой отношение длительности фрезерования слоя породы к длительности цикла:

Кз = • (2)

1+

L

W

* ' ГГ

При разработке продольного пласта, Джерой-Сардаринского месторождения фосфоритов длиной LnB=500 м, (см. рис. 1) карьерный комбайн MTS 250 осуществляет поворот (разворот) на угле рПВ = л радиан радиусом в RnB =7,8м.

Потребная суммарная мощность ДВС силовой установки карьерного комбайна в режиме «выемка слоя породы» составит:

^=і BhW J-

Л ІРс

f+(1 + к Щ?„.

Лшм л хм

+ 4n yk — L >, Вт,

к пк I 5 5

Лкм I

(3)

где в - безразмерный коэффициент, представляющей собой отношение скорости передвижения карьерного комбайна к скорости резания породы его шнеко-фрезерном рабочим органом:

ч

L

П

в=

2W

rnD

(4)

Рис. 1. Принципиальная схема отработки пласта поперечными и продольными полосами карьерным комбайном МТS 250 фирмы “MAN TAKRAF” (фосфоритовое Джерой-Сардаринское месторождение. Республика Узбекистан)

Направление движения комбайна

Рис. 2. Карьерный комбайн MTS 250 на разработке продольного пласта Джерой - Сардарин-ского месторождения фосфоритов

Поскольку карьерный комбайн работает с возможностью одновременного бесступенчатого регулирования скоростей вращения шнека - а> и его подачи - W (скорости движения комбайна), то машинист-оператор при выемке слоя породы различной высоты - h для поддержания максимальной толщины стружки в вертикальной плоскости (но не превышающей 80% вылета резца шнека), практически выдерживает постоянным безразмерное соотношение:

в = const. (5)

Для карьерного комбайна MTS 250 в = 56,3 10-3

При варьируемых параметрах: Bmin < B < [B]; hmin < h < hmax; Wmin < W < Wmax;

Gmin < G < Gmax; ^0min < ф0 < ф0тах; /min < f </max; ^ max < ^ ^ min.

Потребная суммарная мощность ДВС силовой установки карьерного комбайна в режиме «поворот (разворот)» составит [1]:

N2 = £

BhW W гг пв

п W

0.5 + fKl^„ Т®'( WnB

G------— + 3njL |

Bh^M Пм l W

, Вт. (6)

при постоянных параметрах: В= [В]; h = hmax; W = Wmax;, при варьируемом параметре: 0 < WПВ < WПВmax.

Потребная суммарная мощность ДВС силовой установки карьерного комбайна в режиме «смена карьерного поля» составит [1]:

^ |Ш(0,5 + ^, Вт. (7)

г] Вщм W

-і

При постоянных параметрах: В= [В]; к = ктах; W = ^тах;

при варьируемом параметре: 0 < WПВ < WПвmax.

где £ - коэффициент увеличения потребной мощности ДВС за счет практически постоянной работы вспомогательных механизмов и электрогидро - аппаратуры управления и защиты. Величина £=1,05^1,07 [2]; Пшм, Цхм, Пкм - механический КПД приводов вращения шнека, ходового механизма и конвейера карьерного комбайна, соответственно; п - КПД РК гидрообъемной силовой установки карьерного комбайна.

Далее, поделив уравнения (3), (6) и (7) на величину секундной теоретической производительности карьерного комбайна получим удельную работу (энергоемкость) - Ит для і - того режима работы карьерного комбайна.

Энергоемкость карьерного комбайна при работе в режиме «выемка слоя породы» составит:

Hw 1 = Ц — П 1%

f+(1 + /к щ*. Т)в

Пшм Ц хм

+ 4nJkK — Li . Н/м2. (В)

г*

При варьируемых параметрах: Отт < О < отах; ^тах < ^< ^ тт; ф0тт < ф0 < ф0тах . Энергоемкость карьерного комбайна при работе в режиме «поворот (разворот)» составит:

G 05+£ + 3nvL—| WSB. Bhn ц | W

і хм I км v

-і

пв

Н/м2. (9)

- W Н = — пв

W 2 ТТТ

Т W

При постоянных параметрах: W = Wmax; В=[В]; h = hmax; и при варьируемом параметре: 0 < WnB < WnBmax.

Следует отметить, что при WnB/W = 0 выражение (9) принимает вид:

Hwk2 = 3njL , Шм2, (10)

Т Ткм

и характеризует уровень энергоемкости работы транспортной системы карьерного комбайна на холостом ходу.

Энергоемкость карьерного комбайна при работе в режиме «смена карьерного поля» составит:

Hw3 = -(0,5 + /)-TWnB, Н/м2. (11)

Т BhT W

При постоянных параметрах: W = Wmax; В=[В]; h = hmax;

и при варьируемом параметре: 0 < WnB < WnBmax.

На рис. 3 приведены относительные значения энергоемкости работы карьерного комбайна MTS 250 в режимах:

- «выемка слоя породы» при: £ = 1,06; /к=0,045; / = 0,55; у=2,09104 Н/м3; k„=1,25; — =0,2; L=12 м; ик=2; т = Тм = Тм =0,89; в = 56,3 10-3; ц = 0,9; для g = 25 106Па (¥=0,6) и для g = 50106 Па (¥=0,3). При этом угол контакта витка шнека со слоем фрезеруемой породы составит для hmin =0,1 м, ^0mm = 0,505, а для hmax = 0,65 м, ^0max = 1,382 рад. Безразмерные функционалы, в этом случае примут значения A(h=0,1, ¥=0,6)=0,745 и A(h=0,65, ¥=0,3)= 0,366 (рис. 3, а);

- «поворот (разворот)» (рис. 3, б); «смена карьерного поля», в зависимости от отношения - WnB/W средней скорости маневрирования к скорости его движения (рис. 3, в)

Анализ зависимостей, приведенных на рис. 3, свидетельствует, что:

- максимальная энергоемкость (Н7тах=100%) работы карьерного комбайна при выемке слоя породы, при всех прочих равных условиях, независимо от величины отношения - WПв /№ средней скорости маневрирования к скорости его движения, определяется только максимальной прочностью породы - а и минимальной высотой слоя - ^

- при повороте (развороте) карьерного комбайна относительная энергоемкость его работы - Н№2/Н№1тах имеет минимальное значение. Которое по величине равно относительной энергоемкости работы транспортной системы на холостом ходу (Н^шп/Н^щгк = Нцгк2/Нттхх = 0,25%) и возрастает прямо пропорционально величине отношения - №ПВ/№ средней скорости маневрирования к скорости движения комбайна и составляет при №ПВ/№ = 10,928, Н№2тах/Н№1тах = 2,5 %;

- при переезде с одного карьерного поля на другое относительная энергоемкость работы карьерного комбайна (Н№3/Н№1тах) возрастает от нуля прямо пропорционально отношению средней скорости маневрирования к скорости движения комбайна (№ПВ№) и при №ПВ/№=10, 928 составляет 2,256 %;.

- обоснование и выбор параметров системы «гидробак-охладитель» гидрообъемной силовой установки следует производить только для режима «выемка слоя породы» минимальной высоты (г = hmln) при ее максимальной прочности (а = атах), поскольку этот режим является самым энергоемким режимом работы карьерного комбайна;

Для этого, установим зависимость КПД РК гидрообъемной силовой установки карьерного комбайна от температуры окружающей среды - , которая после соот-

ветствующих алгебраических преобразований имеет вид [1]:

1 , (12)

V =-------

1 + рсхЫ

ЛРН

здесь рс] - произведение констант РЖ, Дж/м3град; Д?0 - температурный перепад РЖ между входом и выходом из силовой установки карьерного комбайна, град.

Как показывают выполненные в работе [3] исследования, произведение констант РЖ - рс1 составляет величину равную 1.554 106 Дж/м3град. В свою очередь, максимальной установившейся температурой для гидрообъемной трансмиссии современного привода считается температура не выше 700С [4], а оптимальной температура 50 0С [3,4] в заданном температурном диапазоне окружающей среды.

Допустимый температурный перепад РЖ - А?0 между входом и выходом из гидросистемы силовой установки при номинальном перепаде давления - ДРн в диапазоне температур эксплуатации < ?тах карьерного комбайна определится как:

А?0 =[?В ]- ?00, град, (13)

где [?В ] - допустимая температура РЖ на выходе из РК силовой установки карьерного комбайна, град, [?В ]=70 0С.

Рис. 3. Относительная энергоемкость работы карьерного комбайна MTS 250 в режимах: а

«выемка слоя породы»; б - «поворот (разворот)»; в - «смена карьерного поля»

или в соответствии с результатами полученными в работе [13] температурный перепад РЖ можно определить как:

А/0 = аАР, град, (14)

здесь а - температурный ингредиент давления РЖ, град/Па.

По данным, приведенным в работе [4] температурный ингредиент давления для мощных насосов (моторов) составляет величину а = 0,2-10-6 град/Па.

Приравняв, правые части выражений (14) в (13) и решив полученное уравнение относительно перепада давления на РК силовой установки - АР получим:

АР =

Па.

(15)

Далее, подставив результат (15) в (12) с учетом, того что оптимальный перепад температуры в РК силовой установки карьерного комбайна должен составлять А° = 50° С , получим зависимость КПД РК гидрообъемной силовой установки карьерного комбайна от температуры окружающей среды - /°°:

1=7--------77Г-------— . (16)

1 + -

50°

Л

аРс1

1г

Подставим выражение (16) в (8) и получим зависимость величины энергоемкости работы карьерного комбайна при выемке слоя породы от температуры окружающей

^1 (1° ) = I

1 + -

5°°

7°° - Г,

-арс1

+4пкГк„к—L

1км

, Н/м2, (17)

где Пг - гидравлический КПД элементов РК, определяется по формуле [16]:

ЛQсЖ

Q

(18)

где АQсж - расход на сжатие РЖ в элементах РК, м /с, который, по результатам полученным в [5,6,7] составляет величину:

(19)

АQCЖ = АР, м3/с,

Епр

здесь Епр - приведенный модуль упругости РЖ, Па.

В случае применения минерального масла с плотностью до 900 кг/м3, приведенный модуль упругости имеет величину [5] Епр=1,7-10 МПа.

Тогда, уравнение (18) с учетом (19) принимает вид:

АР

Пг = 1 . (20)

Епр

При минимальном давлении в РК (0,7 МПа) г)г=0,99, а при максимальном (40 МПа) ^г=0,97.

а

+

Учитывая, что энергоемкость работы карьерного комбайна (8) имеет максимальное значение при а = <ттах и /? = Итт естественно, считать что зависимость

1,000

Рис. 4. Зависимость относительной энергоемкости работы карьерного комбайна MTS 250 от температуры окружающей среды в диапазоне -150 < < +450 и высоты слоя породы 0,1 м < h

< 0,65м

1 °С

1,2

1

0,8

0,6

0,4

0,2

0

Высот а слоя пород: 1Ы, м

И,м

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

Рис. 5. Зависимость относительного потребления мощности затраченной ДВС силовой установки карьерного комбайна MTS 250 на выемку одного кубического метра в секунду крепких пород при повышении температуры окружающей среды на 1 0С от высоты слоя породы (17) также будет иметь максимальное значение при а = amax и h = hmin и при

^Omax . Примем HW1 = ^max; h = hmin; t0 = t0max ) за 100 %.

На рисунке 4 приведены значения относительной энергоемкости работы карьерного комбайна MTS 250 от температуры окружающей среды в диапазоне -15' 0 < t“< +450 в режиме выемки слоя породы высотой 0,1 м < h < 0,6 м при: £ = 1,06;

/к=0,045; / =0,55; у=2,09 1 04 Н/м3; кпк=1,25; 6 =0,2; L=12 м; nK=2;

Лшм = V =Vm =0,89; в = 56.310-3; Пг = 0,9В; pa = 1.554 106 Дж/м3град;

а = 0,2-10-6 град/Па; для а = 50-106 Па (Y =0,3).

Анализ зависимостей, приведенных на рис. 5, свидетельствует, что:

- в режиме выемки слоя породы высотой 0,1 м < h < 0,6 повышение температуры окружающей среды на 10С приводит к увеличению потребления мощности затраченной ДВС силовой установки карьерного комбайна на выемку одного кубического метра в секунду крепких пород, в среднем на 1%.

Таким образом, выражение (17) представляет собой интегрально-

параметрическую модель технологического нагружения гидрообъемной силовой установки карьерного комбайна в течение технологического цикла отработки пласта, с заданными физико-механическими свойствами. Модель отличается учетом: - относительного уровня установленных мощностей двигателей основных механизмов комбайна и относительной длительности их активации в течение цикла в диапазоне

температур эксплуатации * t00 < С карьерного комбайна.

------------------------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Грабский А.А. Расчет мощности привода транспортной системы карьерного комбайна.

2. Супрун BM. и др. Перспективная техника и технология для производства открытых горных работ. Учебное пособие. - М.: МГГУ, 1996, 222 с илл.

3. Сайдаминов И.А. Обоснование и выбор параметров и средств температурной адаптации гидрообъемных трансмиссий карьерного оборудования. Докт. дисс. - М.: МГГУ, 2003, 319с. с ил.

4. Ковалевский B.Ф. Теплообменные устройства и тепловые расчеты гидропривода горных машин, - М.: Недра, 1972, 224 с. с ил.

5. Коваль n.B. Гидравлика и гидропривод горных машин: Учебник для вузов по специальности «Горные машины и комплексы»,- М.: Машиностроение, 1979.- 319с., ил.

6. Башта Т.М., Руднев С.С., Некрасов Б.Б. и др. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы. 2-е изд. Перераб., - М.: Машиностроение, 1982, 423с. с ил.

7. Докукин A.B., Берман B.M., Рогов А.Я. и др. Исследования и оптимизация гидропередач горных машин. - М.: Наука, 1978, 196 с., с илл. ЕШ

— Коротко об авторе -------------------------------------------------

Грабский А.А. - кандидат технических наук, профессор кафедры ГМО, Московский государственный горный университет,

Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru

220