CC BY
34
- © А.П. Комиссаров, П.А. Побегайло,
В.С. Шестаков, 2014
УДК 622.23:658.26
А.П. Комиссаров, П.А. Побегайло, В.С. Шестаков
МЕТОДИКА ЭКСПРЕСС АНАЛИЗА ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ ПРИ ЭКСКАВАЦИИ ГОРНЫХ ПОРОД
Для определения технического уровня карьерных одноковшовых механических экскаваторов может быть использован энергетический подход. В этом случае энергопотребление характеризуется рядом показателей: энергоемкостью рабочего процесса (энергопоглощением); общей энергоемкостью и КПД рабочих механизмов при их совместной работе. В настоящей работе показано, что для карьерных одноковшовых механических экскаваторов процесс экскавации (копание) сопряжен с большими непроизводительными энергозатратами, превышающими энергозатраты на преодоление сопротивления копанию.
Ключевые слова: экскавация горных пород; энергопотребление; энергоемкость; энергопоглощение; коэффициент полезного действия.
В
условиях реального производства необходимо иметь возможность оценивать технический уровень применяемой техники и делать это быстро. Необходимы методы экспресс-анализа технического уровня машин. Эти методы должны быть основаны на минимуме исходных данных и минимуме расчетов, и давать близкую к реальности качественную картину происходящего. Отталкиваясь от этих требований, нами разработан энергетический метод экспресс-анализа технического уровня карьерных одноковшовых механических экскаваторов (КОМЭ). Выбор КОМЭ обусловлен их важностью и распространенностью на открытых горных работах [1-3 и др.]. Рассмотрим предлагаемый метод подробнее.
Энергопотребление КОМЭ в общем случае характеризуется следующими показателями [1-6 и др.]:
• энергоемкостью рабочего процесса или энергопоглощением;
• величиной работы движущих сил;
• удельными энергозатратами, отнесенными к объему экскавируемой породы (общей энергоемкостью);
• суммарным КПД рабочих механизмов;
• степенью использования установленной мощности привода.
Известно [1, 2, 4, 6 и др.], что величины энергозатрат и, соответственно, потребляемой мощности при экскавации (копании) значительно превышают энергозатраты при транспортировании груженного и порожнего ковшей. Уровень энергопотребления при экскавации определяется режимом работы копающих механизмов (подъемного и напорного). Поэтому далее мы рассматриваем лишь операцию копания (экскавацию).
Энергоемкость экскавации горных пород можно определить по формуле:
_ лс
а=V , (1),
где AC - работа, затрачиваемая на преодоление сил сопротивления копанию; V - объем экскавируемой породы.
В свою очередь, величина указанной выше работы определяется так:
^С = р01 • ^ , (2),
где P01 - касательная составляющая сил сопротивления копанию; L - путь наполнения ковша.
Объем экскавируемой породы можно найти по формуле:
V = 5 • L , (3),
где 5 - среднее значение площади поперечного сечения объема экскавируемой породы.
На базе формул (2) и (3) формулу
(1) можно записать в виде: р
а = р01 = К
5 ' , (4),
где Кр - коэффициент сопротивления копанию [3-5 и др.].
При экскавации горных пород карьерными экскаваторами типа ЭКГ КР = 0,016...1,2 МПа. Расчетное значение коэффициента для скальных пород Кр = 325 кПа, т.е. расчетное значение энергоемкости экскавации скальных пород а = 325 кПа.
Удельные энергозатраты (общая энергоемкость) могут быть определены по зависимости:
в кинематических парах можно определить так:
^ = = рк „ Русг V QK~ QK
(5),
QK =— = 1,15
8,7 ' м/с,
ПСУМ = д ~ р
ддв руст , (6),
где Рс - мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления копанию. Ее можно оценить по следующей формуле:
рс = р01 • V , (7),
где Ук - скорость вершины зуба ковша при копании.
Расчетное значение касательной составляющей сопротивления копанию определяется из условия заполнения ковша на уровне оси напорного вала. Это можно представить в виде следующего соотношения:
р = К • Е • К р=
где АДВ - работа движущих сил (усилий подъема и напора); РК - потребляемая мощность при копании; РУСТ -установленная мощность привода; QK - производительность экскаватора (отнесенная к длительности копания).
Например, для экскаватора ЭКГ-10 (при мощности сетевого двигателя РУСТ = 800 кВт; расчетной длительности копания TK = 8,7 с) расчетная производительность при работе в скальном забое и удельные энергозатраты соответственно равны:
Э = « 700
1,15 кПа.
Суммарный КПД копающих механизмов (подъемного и напорного) без учета потерь энергии на трение
Нн • Кр , (8),
где Е - вместимость ковша; Кн, Кр -соответственно коэффициенты наполнения ковша и разрыхления породы; Нн - высота оси напорного вала, определяемая от уровня стоянки экскаватора.
Величина скорости копания определяется видом траектории вершины зуба ковша и обычно лежит в диапазоне 0,6.1,2 м/с. Большие значения соответствуют крутонаклонным траекториям. Фактические значения скорости копания при работе в скальном забое таковы: Ук = 0,8.0,9 м/с [7-9 и др.].
Для экскаватора ЭКГ-10 (при Р01 = 250 кН и Ук = 0,85 м/с) приближенное значение суммарного КПД таково:
250 • 0,85
псум =-= 0,2 /
сум 800 .
Суммарный КПД может быть определен и через отношение энергоемкости экскавации к общей энергоемкости. Для этого можно воспользоваться формулой вида:
ПСУМ = '
Для экскаватора ЭКГ-10 при экскавации скальных пород
325
Чет = 700 = 0,46
Разница в значении КПД определенного для ЭКГ-10 по разным формулам может быть объяснена в первую очередь неточностью исходных данных, а во вторую - грубостью нашей модели. Однако это разумная цена за скорость и простоту метода экспресс - оценки технического уровня КОМЭ.
В целом же низкий КПД при экскавации обуславливается как низким КПД рычажного механизма (механизма рабочего оборудования) ввиду разнонаправленности движущих сил и скоростей подъема и напора, так и энергозатратами на подъем груженого ковша и рукояти на высоту разгрузки.
При выполнении остальных операций рабочего цикла потери энергии обуславливаются потерями на трение и КПД механизма составит «0,9.
Степень использования установленной мощности привода за рабочий цикл относительно мала ввиду снижения уровня потребляемой мощности
при выполнении операций транспортирования ковша и разгрузки.
Выводы
В настоящей работе предложен метод экспресс-анализа технического уровня КОМЭ построенный на энергетическом подходе. Приведен пример его применения для ЭКГ-10. Данный метод может быть использован как в реальных условиях эксплуатации, так и на ранних стадиях проектирования подобного рода машин. Очевидно, что поставленный в рамках этой статьи вопрос требует своего дальнейшего развития и углубления.
Частные выводы на базе приведенного нами примера с ЭКГ-10 таковы:
• в целом характер формирования энергозатрат при экскавации определяется изменением потребляемой мощности. Для карьерных экскаваторов типа ЭКГ процесс экскавации сопряжен с большими непроизводительными энергозатратами, превышающими энергозатраты на преодоление сопротивления копанию;
• энергоемкость экскавации горных пород (энергопоглощение) адекватна коэффициенту сопротивления копанию;
• суммарный КПД капающих механизмов определяется соотношением между энергоемкостью экскавации и общей энергоемкостью.
1. Лагунова Ю.А., Комиссаров А.П., Шестаков В.С. и др. Горные машины. Машиностроение. Энциклопедия. Т. 1У-24 / Под общ. ред. В.К. Асташева. Ред. совет: К.В. Фролов (пред.) и др. - М.: Машиностроение, 2011. - 496 с.
2. Горное оборудование Уралмашзаво-да / Коллектив авторов; отв. ред.-составитель Г.Х. Бойко. - Екатеринбург: Уральский рабочий, 2003. - 241 с.
3. Подэрни Р.Ю. Механическое оборудование карьеров. - М.: Издательство МГГУ, 2007. - 680 с.
_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Тангаев И.А. Энергоемкость процессов добычи и переработки полезных ископаемых. - М.: Недра, 1986. - 232 с.
5. Анистратов Ю.И. Эффективность буровзрывных технологий разработки крепких горных пород на карьерах // Горная промышленность. - 1997. - № 2.
6. Анистратов Ю.И. Технологические потоки на карьерах (энергетическая теория открытых горных работ). - М.: Глобус, 2005. -304 с.
7. Крагель А.А., Рехтман А.П. Комплексные испытания экскаватора ЭКГ-12 //
Механизация строительства. - 2001. -№ 1.
8. Шестаков В. С. Оптимизация параметров горных машин: учебное пособие. - Екатеринбург: Издательство УГГГА, 2004. - 227 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
9. Шестаков В. С. Расчет на ЭВМ параметров горного оборудования: учебное пособие. - Екатеринбург: Издательство УГГУ, 2009. - 258 с. ЕШ
Комиссаров Анатолий Павлович - доктор технических наук, профессор, e-mail: yu.lagunova@mail.ru, Уральский государственный горный университет, Побегайло Петр Алексеевич - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, e-mail: petrp214@yandex.ru, ИМАШ им. А.А. Благонравова РАН,
Шестаков Виктор Степанович - кандидат технических наук, профессор, e-mail: yu.lagunova@mail.ru, Уральский государственный горный университет.
UDC 622.23:658.26
TECHNIQUE THE EXPRESS TRAIN OF THE ANALYSIS OF POWER CONSUMPTION AT DIGGINS OF ROCKS
Komissarov A.P., Doctor of Technical Sciences, Professor, e-mail: yu.lagunova@mail.ru, Ural State Mining University, Pobegailo P.A., Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, e-mail: petrp214@yandex.ru,
Blagonravov Mechanical Engineering Research Institute of RAS, Shestakov V.S. , Candidate of Technical Sciences, Professor, e-mail: yu.lagunova@mail.ru, Ural State Mining University.
Power approach bi used for determination of technical level quarry excavators. Energy consumption describe by the next indicators: energy absorption general and working process; efficiency. Explained, what working process of quarry excavators entail great energy con sumption.
Key words: excavation of rock; expenditure of energy; specific expenditure of energy; absorption of energy; total efficiency of working mechanisms.
REFERENCES
1. Lagunova Yu.A., Komissarov A.P., Shestakov V.S. Gornye mashiny. Mashinostroenie. Entsiklopediya. T. 1V-24. Pod red. V.K. Astasheva (Mining machines. Machine engineering. Encyclopaedia. Vol. 1V-24. Asta-shev V.K. (Ed.)), Moscow, Mashinostroenie, 2011, 496 p.
2. Gornoe oborudovanie Uralmashzavoda, otv. red.-sostavitel' G.Kh. Boiko (Uralmash mining machinery, Boiko G.Kh. (Editor-in-Charge)), Ekaterinburg, Ural'skii rabochii, 2003, 241 p.
3. Poderni R.Yu. Mekhanicheskoe oborudovanie karerov (Open-pit mine machinery), Moscow, Izdatel'stvo MGGU, 2007, 680 p.
4. Tangaev 1.A. Energoemkost' protsessov dobychi i pererabotki poleznykh iskopaemykh (Energy intensity of operations in mineral mining and processing), Moscow, Nedra, 1986, 232 p.
5. Anistratov Yu.1. Gornaya promyshlennost', 1997, no 2.
6. Anistratov Yu.1. Tekhnologicheskie potoki na kar'erakh (energeticheskaya teoriya otkrytykh gornykh rabot) (Process flows at open-pit mines (energy theory of open-pit mining)), Moscow, Globus, 2005, 304 p.
7. Kragel' A.A., Rekhtman A.P. Mekhanizatsiya stroitel'stva, 2001, no 1.
8. Shestakov V.S. Optimizatsiya parametrov gornykh mashin: uchebnoe posobie (Optimization of mining machine parameters: Educational aid), Ekaterinburg, Izdatel'stvo UGGGA, 2004, 227 p.
9. Shestakov V.S. Raschet na EVM parametrov gornogo oborudovaniya: uchebnoe posobie (Computer-aided calculation of mining equipment parameters: Educational aid), Ekaterinburg, Izdatel'stvo UGGGA, 2009, 258 p.
