CC BY
55
-------------------------------- © С.Н. Иванченко, Ю.А. Мамаев,
С.А. Шемякин, А.Ю. Чебан,
В.А. Моторный, 2007
УДК 621.879.38: 622.232
С.Н. Иванченко, Ю.А. Мамаев, С.А. Шемякин,
А.Ю. Чебан, В.А. Моторный
МЕТОД ОЦЕНКИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ГОРНЫХ МАШИН ПРИ ВЫЕМКЕ ПОРОДЫ
И я оследние два-три десятилетия характеризуются бурным
Л. Л. развитием выемочной техники, предназначенной для разработки пород средней крепости, вплоть до значений 6.. .8 единиц по шкале М.М. Протодьяконова. К такой технике, прежде всего, следует отнести фрезерные комбайны непрерывного действия ^М, КСМ), которые нашли широкое применение во всем мире за счет возможности вести селективную экскавацию полезного ископаемого в сложноструктурных месторождениях по послойнополосовой технологии. Имеется информация [1] об отработке этими комбайнами отдельных слоев пород с пределом прочности на сжатие до 200 МПа, что соответствует коэффициенту крепости 1214. В определенной степени разработку пород средней крепости могут вести навесные рыхлители на базе тракторов промышленного назначения, траншейные экскаваторы непрерывного действия, буровые установки и ряд других типов машин, обеспечивающих разрушение массива по принципу резания.
Горные и строительные предприятия испытывают определенные сомнения при покупке указанной техники. Дело в том, что по технической характеристике той или иной машины, которая дается заводом-изготовителем, невозможно судить насколько она будет эффективна в данных горно-климатических условиях. Проблема усугубляется тем, что зачастую покупка импортной и отечественной техники проводится с помощью посреднических фирм, главной задачей которых является все-таки получение прибыли с продажи. Кроме того, получение оценки работоспособности покупаемой техники для данного предприятия практически невозможно из-за отсутствия каких-либо экспертных комиссий или советов. В технических характеристиках, как правило, указывается мощность на
привод, габариты и масса, скорости хода машины, теоретическая или расчетная техническая производительность по рыхлой или плотной массе. Степень плотности породы ни в одной характеристике не дифференцируется. Для того, чтобы судить об эффективности работы машины на данной породе, необходимо знать удельные энергетические показатели для разрушения массива. Одним из таких показателей является коэффициент удельного сопротивления резанию, который по физической сущности характеризует энергоемкость процесса и численно пропорционален удельной энергоемкости.
Определение коэффициентов удельного сопротивления резанию породы возможно косвенным путем. Перед освоением какого-либо месторождения или крупной стройки всегда проводится достаточно полный анализ физико-механических свойств залегающих пород, в том числе и предельных сопротивлений пород на одноосное сжатие стсж . Знание стсж позволяет определить коэффициент крепости породы f, например, по известной формуле, которую предложил Л.И. Барон
где стсж в МПа.
Проведенное авторами данной статьи сопоставление стсж и коэффициентов удельного сопротивления резанию К для различных пород по многочисленным литературным источникам [2],[3],[4] и определение f по указанной выше зависимости позволили сделать вывод о том, что между К и f есть надежная корреляционная связь (рис.1). Коэффициент корреляции между К и f составляет не менее 0,94.0,95.
Коэффициенты удельного сопротивления резанию К на рис.1. приведены для соотношения толщины срезаемой стружки h к ширине зуба S равным 3.4, хотя каждая из упомянутых выемочных машин может резать породу с различными . Известно, что К
весьма существенно зависят от соотношения . Используя дан-
ные Абезгауза В.Д. [2] и Шемякина С.А. [5] возможно выразить коэффициенты удельного сопротивления резанию в функции от для различных крепостей породы (рис. 2).
Рис. 1. Зависимость максимального коэффициента удельного сопротивления резанию:
Ктах , среднего Кср и минимального Кт,п при = 3...4 от крепости породы f: 1 - суглинок (влажностью 33-35%), замерзший при Т =258К
до стсж
= 6 -6,2МПа ; 2 - известняк инкерманский стсж = 6 -7,5МПа; 5 - песок (влажностью 9 %), замерзший при Т = 258К достсж = 7,5 — 10МПа ; 4 - песок (влажностью 9 %), замерзший при Т = 258К
до стсж
= 6,8 — 9МПа ; 5 - известняк пашканский; стсж = 5,3 — 11,5МПа; 6 - уголь; стсж = 10 — 20МПа; 7 - горючий сланец; а^ = 19 — 20МПа; 10 - известняк; а^ = 20МПа ; 11 - антрацит;а^ = 18 — 23МПа ; 12 - известняк маломи-лештский; а = 21,5МПа; 13 - известняк маломилештский; а„„ =8МПа; 14 - известняк маломилешт-
ский; асж = 4,3 — 5МПа ; 15 - песчано-глинистый сланец; асж = 31МПа ; 16 - глинистый сланец; асж = 36МПа ; 17 - туф фельзитовый айрумский, асж = 48МПа; 19 - известняк коробчеевский; асж = 50 — 55МПа; 20 - гранит розовый; асж = 69 — 74МПа; 21 - мрамор коелгинский; асж = 78 — 98МПа; 22 - базальт; асж = 138 — 147МПа; 23 - гранит серый; асж = 186 —196 МПа
К„,
Н м’
Рис. 2. Зависимость коэффициентов удельного сопротивления резанию К от соотношения толщины стружки h к ширине зуба S при различных крепостях породы (нумерация пород соответствует рис.1)
Знание коэффициентов удельного сопротивления резанию позволяет проводить силовой и экономический расчеты машин и в конечном итоге выходить на такие показатели, которые определяют целесообразность ее использования в данных условиях. Метод заключается в следующем. Вначале определяется распределение крепости породы по глубине черпания (выемки). Последовательно задаваясь подачей (скоростью) машины составляют затраты (баланс) мощности на работу машины, до тех пор пока не будет исчерпана номинальная мощность двигателя (двигателей). При таком расчете затраты мощности выражают через техническую производительность и определяют фактическое ее значение из баланса затрат мощности. Знание фактической технической производительности позволяет определять доход, индекс доходности, срок окупаемости и другие экономические показатели, характеризующие эффективность работы машины.
Этот метод более подробно можно рассмотреть на примере роторных траншейных экскаваторов ЭТР, работоспособность которых длительное время исследовалась в Тихоокеанском государственном университете (ТОГУ). Суть метода заключается в том, что необходимая мощность двигателя ЭТР складывается из мощности, затрачиваемой на черпание N ч, на разгон породы N р, на подъем породы N, на привод ленточного конвейера ^р и на перемещение экскаватора N пр, и эти слагаемые мощности можно выразить через производительность ЭТР. Таким образом, техническая производительность П (м3/ч), исходя из условий баланса мощности для ЭТР, можно выразить следующей зависимостью
П =______^_____________
А (К' эп Ф)ср + В(К)
В этой формуле
А =------—ф-+ Уг^Р + —— Г .Ёж + Н01 + —Ь— (ю + tga) Lр гае а;
367 • 103 -лНи 340д^ 367^1 2 0 ) 367^/ ’ р
В = ^ ,С = К^^
(к) 367 • 103 Пг ПмНТрВТр’ 1 102Л1
где R - радиус ротора по режущим кромкам зубьев; Нтр - глубина траншеи; уг - объемный вес породы; Vp - окружная скорость ротора; g - ускорение свободного падения; ф1 - угол поворота ковша ротора от нижней точки траншеи до точки выгрузки породы на конвейерную ленту; Втр - ширина траншеи; ц - коэффициент трения породы о сталь; ц - к.п.д. привода ротора; Н0 - расстояние от поверхности породы до точки выгрузки; К1 - коэффициент, учитывающий сопротивление на барабане; ю - коэффициент сопротивления движению ленты конвейера по горизонтали; qr - погонный вес породы на ленте; L - длина ленточного конвейера по горизонтали; ц. - к.п.д. привода ленточного конвейера; а - угол наклона ленточного конвейера; цг - суммарный к.п.д. гусеничного движителя экскаватора; Vn - скорость движения ленты конвейера; цм - механический к.п.д. привода гусеничного движителя; (К' sin ф)ср - среднее
значение коэффициента удельного сопротивления черпанию по глубине выемки породы.
Средний коэффициент удельного сопротивления черпанию по глубине выемки в зимний период года определяется в зависимости от распределения температуры или числа ударов плотномера ДорНИИ породы по глубине массива, определяемых экспериментально. В настоящее время разработаны достаточно надежные зависимости для определения и числа ударов плотномера ДорНИИ от температуры породы и определения коэффициентов удельного сопротивления резанию при определенных параметрах резания [6]. Следует учесть, что удельные сопротивления черпанию несколько выше по величине коэффициентов удельных сопротивлений резанию и их можно определять по зависимости:
К' = (1,05...1,07) К.
Некоторое увеличение коэффициентов удельного сопротивления черпанию на мерзлых породах и породах средней крепости по сравнению с коэффициентами удельного сопро-тивления резанию происходит из-за наличия незначительных дополнительных сопротивлений, связанных с зачерпыванием породы ковшами.
Однако в выведенной формуле производительность П выражена неявно, так как в правой части уравнения удельные сопротивления К' зависят, как и производительность, от подачи. В результате этого невозможно сразу определить производительность при полном использовании мощности двигателя. Наиболее простой метод решения заключается в последовательном приближении и сравнении. В этом случае при последовательном задании возрастающих значений подачи экскаватора каждый раз целесообразно определять как бы условную производительность по формуле:
3,6 • 103п8В Н
П = ’ тр тр
1 Ц ’
где п - число оборотов ротора; 8 - подача на оборот ротора.
Затем при тех же заданных подачах определяется распределение удельных сопротивлений черпанию по забою и находится производительность П из условия баланса мощности.
Если П1 < П , то имеется запас мощности для реализации большей подачи, следовательно, и производительности. Если П1 > П , то мощность двигателя не обеспечивает работу с выбранной подачей. Равенство П и П1 свидетельствует о том, что заданные подача и производительность являются оптимальными при данных горно-климатических условиях. С целью проверки данного метода определения производительности в течение зимнего периода был проведен расчет на примере экскаваторов ЭТР-204А и ЭТР-254-01. Распределение числа ударов плотномера ДорНИИ по глубине массива принималось для южной части Хабаровского края [6]. Следует отметить, что в ТОГУ были проведены экспериментальные исследования на экскаваторах ЭР-7А и ЭТР-204А с заводской расстановкой зубьев и модернизированной. Модернизация заключалась в уменьшении количества основных зубьев на ковшах до одного и постановке укороченных зубьев по одному на ковш.
Результаты расчета для экскаватора ЭТР-204Ам представлены на рис. 3, где явно прослеживается возможность работы на модернизированном экскаваторе с более высокими скоростями
Рис. 3. Зависимость производительности от подачи (на примере ЭТР-204Ам и немодернизированного ЭТР-204А): 1 - на декабрь; 2 - на январь; 3 - на февраль; 4 - на март; 5 - на апрель (г. Хабаровск)
передвижения и производительностью, чем на немодернизирован-ном ЭТР-204А.
Тот же результат расчета изменения оптимальной производительности для экскаваторов ЭТР-204Ам и ЭТР-254-01, но в зависимости от времени зимнего периода приведен на рис.4. Пунктиром на кривой 1 изображен та возможная производительность машины, которая была бы при расширении диапазона рабочих скоростей передвижения экскаватора в сторону уменьшения их значений.
Проведенные испытания экскаваторов ЭР-7А и ЭТР-204А в модернизированном и немодернизированном вариантах подтвер-
дили высокую надежность результатов расчета, выполняемого по
предложенной методике.
года
Рис. 4. Изменение производительности ЭТР в течении зимнего периода (г Хабаровск): 1-ЭТР-204Ам с немодернизированной расстановкой зубьев; 2- ЭТР-204Ам с модернизированной расстановкой зубьев; 3- ЭТР-254-01 с модернизированной расстановкой зубьев
Так, при испытании экскаваторов в конце марта с модернизированной расстановкой зубьев была зафиксирована возможность работы на 4-ой рабочей скорости передвижения (84 м/ч), а техническая производительность пр этом достигала 180 м3/ч. Согласно расчетам (см. рис. 4) производительность равна 176 м3/ч. На тот же период времени была достигнута производительность экскаватора с немодернизированной расстановкой зубьев в 67,7 м3/ч, а по расчетам (см. рис. 4) производительность равна 65 м3/ч. Наконец, экскаватор ЭТР-254-01работал на вечномерзлых мелкозернистых породах с С = 300...400 при строительстве газопровода Уренгой-Пома-ры-Ужгород с модернизированной установкой зубьев, испытанной на ЭР-7Ам и ЭТР-204Ам с производительностью 121 м3/ч, а согласно расчетов производительность равна 124 м3/ч.
Фрезерные комбайны по своему конструктивному исполнению рабочего органа и принципу работы несущественно отличаются от ЭТР. В связи с этим предложенный метод расчета определения производительности полностью справедлив и для этих машин. Что касается определения производительности рыхлителей на базе
тракторов, то здесь расчет еще проще. Знание коэффициентов удельного сопротивления резанию и паспортного значения силы тяги позволяет сразу определить среднюю площадь поперечного сечения отрываемой борозды. Произведение площади поперечного сечения борозды на минимальную рабочую скорость рыхлителя дает производительность и возможность определять экономические показатели работы машины.
-------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Маттис А.Р., Васильев Е.И., Зайцев Г.Д. Перспективная техника для без-взрывной выемки пород из массива// Горный журнал. - 1998. - № 1. - С. 35-37.
2. Абезгауз В.Д. Режущие органы машин фрезерного типа для разработки горных пород и грунтов. - М.: Машиностроение, 1965. - 296с.
3. Гальперин М.И., Абезгауз В.Д. Машины для резания камня. - М.: Машгиз, 1959. - 283 с.
4. Зеленин А.Н. Основы разрушения грунтов механическими способами. -М.: Машиностроение, 1968.- 376 с.
5. Шемякин С.А., Иванченко С.Н., Мамаев Ю.А. Ведение открытых горных работ на основе совершенствования выемки пород. - М.: Изд-во «Г орная книга», 2006. - 315 с.
6. Шемякин С.А. Разрушение мерзлых мелкозернистых и крупнообломочных пород резанием (рыхлением). - Хабаровск: ДВО РАН, Приамурское географическое общество, 2003. - 143 с.
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------
Иванченко С.Н.- доктор технических наук, профессор, ректор Тихоокеанского государственного университета (ТОГУ),
Мамаев Ю.А.- доктор технических наук, профессор, директор Института горного дела ДВО РАН,
Шемякин С.А.- доктор технических наук, профессор,
Чебан А.Ю.- старший преподаватель,
Моторный В.А.- бакалавр, кафедры «Строительные и дорожные машины» со специализацией «Открытые горные работы»,
Тихоокеанский государственный университет (ТОГУ).
