CC BY
20
УДК 622.619
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ МЕХАНИЗМА НАГРЕБАЮЩЕЙ ЛАПЫ ПОГРУЗОЧНОЙ МАШИНЫ ТИПА ПНБ
© Н.А. Белоус1, В.В. Скутельник2, И.П. Тимофеев3, А.Ю. Кузькин4
1Д4Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», 199026, Россия, г. Санкт-Петербург, Васильевский остров, 21-я линия, 2. 2Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Показано влияние геометрических и кинематических параметров схемы механизма нагребающей лапы погрузочной машины типа ПНБ на увеличение теоретической производительности в зависимости от положения площади нагребания. Дан анализ изменения скорости и ускорения передней кромки нагребающей лапы за один оборот кривошипа.
Ил. 5. Библиогр. 6 назв.
Ключевые слова: радиус кривошипа; горная масса; нагребающая лапа; траектория; координата; радиус кривизны.
RATIONALE FOR PNB LOADER GATHERING ARM MECHANISM PARAMETERS N.A. Belous, V.V. Skutelnik, I.P. Timofeev, A.Yu. Kuzkin
National Mineral Resources University (University of Mines), 2, 21 Line Vasilyevsky Ostrov, St. Petersburg, 199026, Russia. Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The article demonstrates the effect of geometric and kinematic parameters of the circuit of the PNB loader gath ering arm mechanism on the increase in the theoretical productivity, depending on the position of the area of gathering. The analysis is given to the changes in speed and acceleration of the leading edge of the gathering arm per one revolution of the crank.
5 figures. 6 sources.
Key words: crank radius; rock mass; gathering arm; trajectory; coordinate; curvature radius.
Транспорт
Анализ средств механизации погрузки горной массы, используемых в отечественной практике, показал, что значительная доля погрузочных машин приходится на машины непрерывного действия с парными нагребающими лапами. Однако используемый в них механизм исполнительного органа не всегда позволяет добиться на практике заявленной производительности. Это объясняется тем, что механизм исполнительного органа погрузочных машин не обеспечивает эффективный захват и передачу насыпного груза на конвейер, что приводит к накоплению материала в зоне перед приемным окном конвейера, а траектория движения передней кромки нагребающей лапы не охватывает полностью площадь приемной плиты.
Производительность погрузочной машины непрерывного действия с парными нагребающими лапами
напрямую зависит от объема материала, зачерпываемого за один цикл работы (один оборот кривошипа), который определяется площадью, заключенной внутри траектории движения передней кромки лапы. Таким образом, повышение производительности погрузочной машины можно достичь совершенствованием формы нагребающей лапы и кинематики ее движения, улучшая траекторию движения передней кромки при заданных условиях захвата горной массы в процессе погрузки [1-5].
В процессе погрузки насыпного груза каждая из лап совершает одинаковые непрерывно повторяющиеся движения, которые включают четыре периода: период внедрения лапы в штабель горной массы, период нагребания груза на плиту, период перемещения груза по плите до приемного конвейера, период холо-
1 Белоус Наталья Андреевна, аспирант, тел.: 89643103922, e-mail: belous@mail.ru Belous Natalia, Postgraduate, tel.: 89643103922, e-mail: belous@mail.ru
2Скутельник Виталий Викторович, кандидат технических наук, доцент кафедры менеджмента и логистики на транспорте Института авиамашиностроения и транспорта, тел.: (3952) 405135, 8914888 6044; e-mail: scutvv@gmail.com Skutelnik Vitaly, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Transport Management and Logistics of the Institute of Aircraft Engineering and Transport, tel.: (3952) 405135, 89148886044, e-mail: scutvv@gmail.com
3Тимофеев Игорь Парфенович, доктор технических наук, профессор кафедры машиностроения, тел.: 89111944081, e-mail: partim@mail.ru
Timofeev Igor, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Mechanical Engineering, tel.: 89111944081, e-mail: par-tim@mail.ru
4Кузькин Андрей Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры механики, тел.: 89043341156, e-mail: kuskinay@bk.ru Kuzkin Andrei, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Mechanics, tel.: 89043341156, e-mail: kuskinay@bk.ru
1ШШ1
Транспорт
стого хода лапы до начала следующего цикла. При этом траектория движения передней кромки лапы погрузочной машины представляет собой сложную замкнутую кривую.
Кинематическая схема механизма нагребающей лапы погрузочной машины 2ПНБ2 [6] представляет собой кривошипно-балансирный механизм с параметрами: радиус кривошипа г = 0,205 м; радиус балансира R = 0,355 м; длина нагребающей лапы 0,94 м; длина шатуна АВ = 0,365 м. Координаты на приемной плите неподвижной оси вращения балансира относительно оси вращения кривошипа х = 0,18 м, у = 0,375 м. Размеры приемной плиты: ширина 2 м, расстояние до приемного конвейера от передней кромки плиты 0,75 м. Координаты центра вращения кривошипа X = 0,345 м от боковой грани плиты и У = 0,75 м от передней кромки плиты. Площадь, заключенная внутри траектории передней кромки лапы, составляет 0,33 м2. Частота вращения кривошипа 44 мин-1.
Для обеспечения эффективного захвата насыпного груза к траектории движения передней кромки лапы предъявляются следующие требования:
- вписываемость траектории движения передней кромки лапы в габариты приемной плиты;
- траектория должна выходить за переднюю кромку плиты для рыхления насыпного груза штабеля;
- для обеспечения эффективной перегрузки насыпного груза траектория должна быть максимально приближена к приемному окну конвейера;
- площадь, заключенная внутри траектории передней кромки, должна быть максимальной.
Для исследований принят кривошипно-шатунный механизм с качающимся ползуном и с криволинейной хвостовой частью лапы (рис. 1).
Основными изменяемыми параметрами кинематической схемы приняты: радиус кривошипа г, длина рабочей части лапы АС, радиус кривизны хвостовой части лапы R, координаты центра О3 качающегося ползуна х и у.
Тенденции изменения площадей внутри траектории передней кромки лапы, влияющих на объем зачерпывания насыпного груза в зависимости от переменных параметров, представлены при различных значениях радиуса кривошипа г, радиуса кривизны хвостовой части лапы R, длины рабочей части лапы АС и изменении координат х, у центра качающегося ползуна (ролика) на приемной плите (рис. 2).
Рис. 1. Кинематическая схема кривошипно-шатунного механизма с качающимся ползуном и криволинейной хвостовой частью лапы: 1 - кривошип; 2 - шатун; 3 - ползун;
4 - стойка (приемная плита)
lamnl
Транспорт
г) д)
Рис. 2. Изменение площади зачерпывания насыпного груза при переменных параметрах: а - радиусе кривошипа; б - радиусе кривизны хвостовой части лапы; в - длине лапы; г, д - координатах х и у расположения центра 03 качающегося ползуна (темная фигура соответствует меньшим значениям параметров)
Рациональные параметры механизма нагребающей лапы определены аналитическим путем. Проведено компьютерное моделирование алгоритма в диапазонах изменения переменных параметров механизма:
- радиус кривошипа г = 0,200-0,250 м;
- длина лапы (шатуна) АС = 0,5-0,6 м;
- радиус хвостовой части лапы R = 0,5-1,0 м;
- угол отклонения шатуна от прямолинейности в= 175-186 град.;
- координата х = 0,1-0,2 м;
- координата у = 0,2-0,35 м;
- угол поворота кривошипа ф = 360 град.;
- радиус-вектор траектории движения передней кромки лапы р.
- шаг интегрирования по углу вращения кривошипа ф принят 5 град.
Исследования показали, что увеличение радиуса кривошипа г от 0,205 до 0,225 м приводит к увеличению площади захвата насыпного груза на 21% и составляет 0,420 м2 по сравнению с г = 0,205 м - 0,330 м2, при этом форма траектории сохраняется, смещения относительно приемной плиты нет (рис. 2,а).
При изменении радиуса кривизны хвостовой части лапы площадь фигуры практически не изменяется. Увеличение составляет 5% от 0,422 до 0,445 м2. При уменьшении ее радиуса кривизны траектория меняет свое положение на приемной плите, поворачиваясь против часовой стрелки (рис. 2,6).
Увеличение длины рабочей части лапы приводит к смещению траектории в сторону передней кромки приемной плиты, форма траектории сохраняется, ее площадь увеличивается на 6% и составляет 0,449 м2 (рис. 2,е).
Координаты центра качания ползуна в большей степени влияют на положение траектории и ее площадь. Так, при уменьшении координаты х площадь траектории уменьшается, наблюдается ее поворот против часовой стрелки на приемной плите (рис. 2,г),
при этом площадь составляет 0,435 м .
При увеличении координаты y траектория выходит за боковую кромку плиты, площадь внутри траектории уменьшается и составляет 0,344 м2 (рис. 2,6).
Оценка влияния перечисленных параметров кинематической схемы механизма нагребающей лапы позволила установить следующие рациональные параметры: радиус кривошипа - 225 мм, радиус кривизны хвостовой части лапы - 580 мм, длина рабочей части лапы АС - 600 мм, координаты х - 100 мм, y -300 мм. Площадь, замкнутая в траектории, составляет при этих параметрах 0,449 м2.
В результате обработки зависимостей геометрических и кинематических параметров кинематической схемы механизма нагребающей лапы от угла поворота кривошипа ф получен график изменения длины радиус-вектора р траектории движения передней кромки лапы при повороте кривошипа за один оборот.
На рис. 3 показано изменение длины радиус-вектора р передней кромки лапы по периодам внедрения, нагребания, передачи насыпного груза на конвейер и холостого хода (участки I, II, III, IV) при угле поворота кривошипа 360 град.
Длина радиус-вектора при внедрении изменяется от 0,661 до 0,741 м, и угол поворота кривошипа составляет 45 град.
В период нагребания насыпного груза при повороте кривошипа на угол 45-135 град. длина радиус-вектора увеличивается с 0,741 до 0,829 м.
В период передачи насыпного груза на конвейер угол поворота кривошипа составляет 135-240 град. В этот период передняя кромка лапы удаляется на максимальное расстояние по траектории до р = 0,830 м, угол поворота кривошипа при этом составляет 145 град.
На участке холостого хода длина радиус-вектора изменяется до минимума - 0,371 м при угле поворота кривошипа 285 град. и увеличивается с 0,371 до 0,661 м на участке поворота от 285 до 360 град.
Рис. 3. График изменения длины радиус-вектора передней кромки лапы в функции угла поворота кривошипа
На рис. 4 представлен график изменения абсолютной скорости точки C передней кромки лапы в функции угла поворота кривошипа.
В период поворота кривошипа от 0 до 230 град. скорость изменяется от 1,479 до 1,027 м/с с максимальным значением 2,11 м/с в этом промежутке, что соответствует периодам внедрения и нагребания насыпного груза.
При движении передней кромки лапы наблюдается два максимума и два минимума значений скорости точки C. Первый максимум достигается в период нагребания насыпного груза, а второй - при холостом ходе, и они соответствуют углу поворота кривошипа 90 и 285 град. соответственно.
Минимумы скорости характерны для периодов завершения передачи насыпного груза на конвейер и перед внедрением лапы в насыпной груз и соответ-
ствуют углам поворота 230 и 335 град.
Максимальная скорость точки C составляет 5,732 м/с, минимальная - 1,027 м/с.
На рис. 5 представлен график изменения абсолютного ускорения точки C. На участках внедрения и нагребания ускорение мало изменяется и имеет значение 5,83 м/с2 при угле поворота кривошипа 30 град., минимальное значение 5,642 м/с достигается при угле поворота кривошипа 145 град. и затем плавно увеличивается до 5,981 м/с2 при угле поворота кривошипа 180 град. График изменения ускорения имеет максимумы при углах поворота кривошипа на 270 и 300 град. при значениях 22,43 и 23,415 м/с2 соответственно. В этом промежутке ускорение падает до 13,457 м/с2 при угле поворота кривошипа 285 град. Падение ускорения объясняется «мертвым» положением механизма.
м/c 4 2 0
45
90 135
230 285 335 360
<Р
Рис. 4. График изменения скорости передней кромки лапы за один оборот кривошипа
1ШШ1
Транспорт
5,981 5,830 5,642
Г
0 30 145 180 270 285 300 360
Рис. 5. График изменения полного ускорения передней кромки лапы за один оборот кривошипа
Полученные рациональные геометрические параметры механизма нагребающих лап позволили увеличить площадь, заключенную в траектории движения передней кромки лапы, с 0,33 до 0,449 м2, что может повысить теоретическую производительность машины на 30%.
Анализ показал, что отношение абсолютных мак-
симальных значений скоростей передней кромки лапы за один оборот кривошипа равно 2,3, а ускорений -4,2. Найденные зависимости скорости и ускорения передней кромки лапы будут использованы при исследовании динамики привода нагребающих лап.
Статья поступила 26.06.2014 г.
Библиографический список
1. Белоус Н.А., Колтон Г.А., Тимофеев И.П. Теоретическое обоснование параметров механизма нагребающей лапы погрузочной машины // Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения: труды XI Междунар. науч.-практ. конф. (Воркута, 11-12 апр. 2013 г.). Воркута: Изд-во Воркутинского горного института (филиала) Горного университета, 2013.
2. Белоус Н.А., Соколова Г.В., Тимофеев И.П. Динамика исполнительного органа шахтной погрузочной машины // Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения: труды XI Междунар. науч.-практ. конф. (Воркута, 11-12 апр. 2013 г.). Воркута: Изд-во Воркутинского горного института (филиала) Горного университета, 2013.
3. Васильева М.А., Кузькин А.Ю., Тимофеев И.П. Синтез механизма исполнительного органа шахтной погрузочной машины с нагребающими лапами // Записки горного института. 2012. № 195.
4. Колтон Г.А. Теоретические основы синтеза механизма нагребающей лапы шахтной погрузочной машины // Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения: труды Х Междунар. науч.-практ. конф. (Воркута, 11-13 апр. 2012 г.). Воркута: Изд-во Воркутинского горного института (филиала) Горного университета, 2012. С. 95-99.
5. Колтон Г.А., Тимофеев И.П. Кинематическое исследование механизма нагребающей лапы шахтной погрузочной машины типа ПНБ // Социально-экономические и энергетические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики: труды VIII Междунар. конф. по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики (Тула -Донецк - Минск, 1-2 нояб. 2012 г.). Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. Т. 1.
6. Машины и оборудование для проведения горизонтальных и наклонных горных выработок / под общ. ред. Б.Ф. Братчен-ко. М.: Недра, 1975. 416 с.
2
