Колесные машины с плоскостью колеса наклоненной к оси вращения. Возможности использования на подземных разработках Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

© А. Д. Кольга, В. С. Вагин, 2005

УДК 629.1.02; 622.61/67

А.Д. Кольга, В.С. Вагин

КОЛЕСНЫЕ МАШИНЫ С ПЛОСКОСТЬЮ КОЛЕСА НАКЛОНЕННОЙ К ОСИ ВРАЩЕНИЯ. ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НА ПОДЗЕМНЫХ РАЗРАБОТКАХ

Семинар № 17

~П настоящее время при подземном спо-

-О собе разработки месторождений для доставки полезных ископаемых используются три независимых вида транспорта: подземный транспорт, шахтный подъем и транспорт на поверхности.

Транспортирование горной массы по горизонтальным и пологонаклонным участкам под землей или на поверхности шахт особых проблем не вызывает. В качестве подземного транспорта и транспорта на поверхности шахт используются высокоэффективные конвейерный, железнодорожный или автомобильный транспорт. Каждый из этих видов транспорта имеет свои достоинства и недостатки, которые и определяют условия их использования на конкретном горном предприятии. Основным общим недостатком этих видов транспорта является невозможность преодоления больших уклонов. Максимальные преодолеваемые при транспортировании горной массы углы, для конвейерного транспорта (ленточный конвейер) составляют = 15°, для автомобильного транспорта = 6°, для железнодорожного транспорта = 4°. Поэтому, в настоящее время для транспортирования горной массы, людей, материалов и оборудования под большими углами или по вертикали (стволу шахт) используются шахтные канатные подъемные установки (скиповые, клетевые и т. п.), и альтернативы им пока что нет.

Вместе с тем, следует заметить, что важнейшим показателем машин, определяющим степень их технического совершенства, являются масса и габариты.

При рассмотрении технических характеристик, применяемых при эксплуатации на шахтах подъемных машин можно заметить, что при относительно небольших статических натяжений каната, последние имеют значительную массу от 14 до 300 т. Причем масса элек-

тромеханического редукторного привода составляет 25-40 % от полной массы подъемной машины. Применение же безредукторного электрического привода усугубляет эти показатели.

Таким образом, анализ технических характеристик подъемных машин показывает, что одноканатные и многоканатные подъемные машины громоздки, массивны, требуют строительства крупных зданий и сложных монолитных фундаментов. При этом, трудоемкость и стоимость работ, связанных с установкой подъемных машин достигает в среднем 35% от общей трудоемкости и стоимости строительномонтажных работ по оснащению поверхности шахты.

Кроме того, подъемные установки являются одним из основных факторов сдерживающих дальнейшее увеличение производительности действующих рудников и шахт. Поскольку они являются стационарными машинами, которые устанавливаются в период строительства шахты и работают до самого закрытия шахты.

Малые уклоны при транспортировании грузов конвейерным, железнодорожным и автомобильным транспортом обусловлены тем, что передача тягового усилия для перемещение грузов осуществляется за счет сил трения, величина которых определяется нормальной реакцией поверхности движения N и коэффициентом трения / контактирующих тел. Для ленточных конвейеров - это сила трения груза о ленту, для железнодорожного транспорта - сила трения стального колеса о рельс, для автомобильного - сила трения резиновой шины колеса о поверхность дороги. Сила трения определяется зависимостью Е = При величине угла наклона трассы к горизонту а = 0° нормальная реакция N принимает максимальное значение равное весу груза или машины О. С увеличением преодолеваемого уклона величи-

на нормальной реакции, которая выражается зависимостью N = Осот, уменьшается и при достижении угла а = 90° нормальная реакция N обращается в ноль, при этом соответственно и сила трения и тяговая сила также обращаются в ноль.

Вместе с тем, необходимо отметить следующее, из всех видов транспорта, автомобильный транспорт, не смотря на все присущие ему недостатки, имеет одно неоспоримое преимущество. Это единственный на сегодняшний день вид наземного транспорта способный транспортировать груз к месту его непосредственного использования благодаря своей высокой маневренности и мобильности.

Именно поэтому большое значение имеют работы направленные на увеличение тяговой способности и величины преодолеваемых уклонов наиболее перспективного автомобильного транспорта. Увеличение тяговой способности и преодолеваемых уклонов автомобильного транспорта в настоящее время достигается за счет использования специальных шин (обеспечивающих увеличение сцепления колеса с поверхностью движения) и увеличения сцепного веса. Эффективность использования автомобильного транспорта в настоящее время существенно повышена. Однако возможности в этом направлении еще далеко не исчерпаны.

Одним из путей решения задачи увеличения тягового усилия и величины преодолеваемых уклонов колесными машинами может быть использование машин с наклоненной к оси вращения плоскостью колеса движущимся по специальным путям [1]. Тяговое усилие таких машин создается не только за счет сил трения колеса с поверхностью движения, но и главным образом за счет зацепления поверхности качения наклоненного колеса с жесткой недеформируемой колеей выполненной из металла (см. рисунок). В этом случае, максимальное тяговое усилие, развиваемое колесной машиной, будет ограничено только мощностью силовой установки а также прочностью конструкции ходовой части и жесткой колеи. Движение машины возможно под любыми углами к горизонту и даже по потолку при условии обеспечения зацепления наклоненных колес с жесткой колеей посредством специальных направляющих.

Общий вид оси с установленными на ней наклоненными колесами при качении по жесткой колее: 1 -

ось; 2 - колеса; 3 - колея

Для оценки перспективности применения предлагаемого технического решения приведем сравнительный анализ использования многоканатной подъемной установки для односкипового подъема с противовесом и условной колесной машины с наклоненными колесами для транспортирования горной массы в условиях подземного рудника.

Исходные данные:

1)

2)

3)

4)

12 м/сек.

5)

6)

7)

8)

тип подъемной машины - МК 4х4; тип скипа - 4СН17-2; грузоподъемность скипа - 25 т.; проектная скорость подъема V

высота подъема Н = 536 м.; число рабочих смен в сутки, Пс = 3; продолжительность смены, 1сМ = 6 час.; число рабочих дней в году, Пд = 305.

Детальный расчет подъемной установки дан в справочной литературе [1], поэтому приведем только основные результаты этого расчета.

1. Расчетная годовая производительность

подъемной установки-^ = 2530000 т.

2. Эквивалентная мощность двигателей

N = 2320 кВт.

Условная машина с наклоненными колесами имеет следующие характеристики:

1) грузоподъемность, Мг = 2000 кг;

2) масса самой машины, Ма = 1500 кг;

3) скорость движения, V = 2 м/с.;

Произведем тяговый и эксплуатационный

расчет колесной машины для принятых условий.

Мощность силовой установки необходимой для транспортирования груза со скоростью 2 м/с можно определить из зависимости

= (Ма + Мг)^ = (ШО + 2000)-10 •2 = 87,5 кВт,

0 1000пм 0,8 • 1000

где т)м - КПД трансмиссии колесной машины.

Время движения машины в грузовом направлении составит

Н 536

ї = — =-----= 268 сек = 4,5 мин'

гр V 2

Скорости движения в грузовом и порожнем направлении примем одинаковыми. Следовательно, время рейса одной машины составит Тр = к + їр + Ґр +1пор = 0,5 + 4,5 + 0,5 + 4,5 = 10 мин, где = ґр = 30с. - время погрузки и разгрузки машины соответственно.

Сменная эксплуатационная производительность одной машины

тсм ' тр

-• IV • г

60 • 6 10

- • 2 • 1 • 0,7 = 50,4 т / смену

Рабочий парк машин при годовой производительности шахты Qг = 2530000 т должен составлять:

Qг 2530000

N =-

■ = 54,9.

О • п • пО 50,4 • 3 • 305

лі-см С О 5

Все эти машины должны одновременно находиться в стволе шахты, из них половина движется в грузовом направлении вверх, остальные в порожнем направлении вниз. Интервал между машинами будет составлять около 20 м.

Суммарная мощность тяговых двигателей машин движущихся в грузовом направлении составит

КУм = N • пгр = 87,5 • 27 = 2362,5 кВт

Эти грубые предварительные расчеты показывают, что одну мощную, массивную, больших габаритов подъемную установку можно заменить 54 небольшими, легкими и мобильными машинами. Причем и скорость движения колесных машин, и их грузоподъем-

ность при расчетах были приняты минимальными. Для определения оптимальных величин грузоподъемности и скорости движения, как в грузовом, так и в порожнем направлении применительно к конкретным горнотехническим условиям можно установить дополнительными исследованиями.

Кроме этого, необходимо отметить следующие возможности появляющиеся при использовании колесных машин вместо шахтных подъемных установок.

1. Потребление электроэнергии машиной происходит только при движении в грузовом направлении вверх, движение на спуск осуществляется под действием силы тяжести самой машины, двигатели в этом случае будут работать в генераторном режиме, отдавая вырабатываемую электроэнергию во внешнюю сеть.

2. Увеличивая или уменьшая количество выводимых на линию машин, становится возможным регулирование производительности подъема.

3. Становится возможным производить обслуживание и ремонт машин на поверхности в условиях специализированного цеха, без остановки процесса транспортирования грузов.

4. Колесные машины при установке на них специально оборудованных кузовов могут быть использованы не только для подъема грузов, но и для транспортирования людей, оборудования строительных материалов и т.д. Транспортирование этих грузов будет осуществляться без остановки основного грузопотока, одновременно с транспортированием горной массы.

5. Машины с наклоненными колесами могут работать в качестве подземного транспорта для доставки горной массы от забоев до ствола шахты и в качестве транспорта на поверхности шахт для доставки горной массы на обогатительную фабрику или к месту отгрузки. Таким образом, вместо трех видов транспорта, на подземных разработках месторождений полезных ископаемых может быть использован только один вид транспорта.

6. Учитывая, что прямолинейное движение по стволу шахты осуществляется по жестким металлическим направляющим, которые не позволяют машине выходить из колеи движение машины может осуществляться в беспилотном режиме.

7. По горизонтальным или

пологонаклонным участкам машина может двигаться без колеи, как обычный автомобиль Результаты проведенных исследований показывают, что предлагаемое техническое

1. Агейкин Я.С., Кольга АД. Повышение эффективности колесного движителя путем изменения угла наклона колеса к оси вращения// Известия вузов. Машиностроение, 1988, № 9, с. 87-90

решение в состоянии составить альтернативу как шахтному вертикальному, так и крутонаклонному канатному подъему при некоторых видах разработки месторождений полезных ископаемых подземным способом.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Справочник механика рудной шахты. Под ред. А.С. Донченко. - М.: Недра, 1978.- 583 с.

— Коротко об авторах -------------------------------------------------

Кольга А.Д., Вагин В.С. — Магнитогорский государственный технический университет.

-------^

^-------

------------------------------------------ © В.И. Сайтов, А.А. Чиркова,

2005

УДК 001. 891. 573. 622. 242. 5

В.И. Саитов, А.А. Чиркова

МОДЕЛЬ СТРУКТУРЫ АКТИВНОГО РАБОЧЕГО ОРГАНА ГОРНОЙ МАШИНЫ

Семинар № 17

о оценкам специалистов порядка 85 ж. Л. % извлекаемой из недр горной массы подготавливаются к выемке с помощью взрыва т. е. используется «взрывной» принцип технологии [БВР]. Однако взрывные работы наносят значительный экологический урон окружающей среде: массовые выбросы пыли и газов в атмосферу, нитраты взрывчатых веществ загрязняют грунтовые воды; относительно высокий выход негабаритных кусков; сейсмическое воздействие взрывов затрудняет производство работ вблизи зданий и сооружений; высокая стоимость работ и разубоживание полезного ископаемого и его дополнительные потери. Альтернативой взрывным способам разработки является безвзрывная технология ведения гор-

ных работ [БТ] [1-4]. В настоящее время эта технология является одним из наиболее перспективных путей повышения эффективности производства горных предприятий.

Преимущества БТ разработки скальных горных пород заключаются в следующем:

- снижение примерно в два раза трудозатрат;

- сохранение окружающей среды от сейсмического воздействия взрывов, включая здания, сооружения, массив бортов карьера, транспортные коммуникации. Это, в свою очередь, позволяет повысить устойчивость бортов карьера, увеличить углы откосов при их погашении, а, следовательно, уменьшить объемы пород в отвалах;