Обоснование параметров скреперов с подгребающим устройством внутри ковша Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

© А.Ю. Чсбан, С.А. Шемякин, 2008

УДК 621.879.38:622.232

А.Ю. Чебан, С.А. Шемякин

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СКРЕПЕРОВ С ПОДГРЕБАЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ ВНУТРИ КОВША

Семинар № 21

Ллину ковшей скреперов, считая от кромки боковых ножей до задней стенки, принято выбирать из условия удовлетворительного заполнения ковша связной породой под давлением срезаемой стружки. Из этого условия длина ковша составляет 0,55-0,80 его ширины. Большинство технических решений в области скре-перостроения направлено в настоящее время на создание различного рода интенсификаторов, повышающих коэффициент заполнения таких коротких ковшей. Из большого разнообразия предлагаемых технических решений следует выделить интенси-фикаторы в виде подгребающих промежуточных стенок (ППС), позволяющих заполнять значительно более длинные ковши, чем те, которые имеют место на современных скреперах [1].

В исходном положении ППС находится рядом с заслонкой (положение I, рис. 1). После полного заполнения породой передней и средней части ковша, ППС перемещается в заднюю часть ковша (положение II), а освобожденная передняя часть ковша снова заполняется породой под давлением срезаемой стружки.

Увеличение длины, а следовательно, вместимости ковша, ведет, с одной стороны, к увеличению производительности скрепера, а с другой - к

увеличению времени копания породы, собственной массы скрепера, к снижению транспортных скоростей, возрастанию времени рабочего и холостого пробега, увеличению общего времени цикла работы и, как следствие, к снижению производительности.

При увеличении длины ковша масса скрепера возрастает, во первых, за счет увеличения объема породы над днищем ковша (объем АБСД, рис. 1) и эта зависимость линейная, но не прямопропорциональная. Во-вторых, масса скрепера возрастает в связи с удлинением металлоконструкции рабочего оборудования, увеличения диаметра шин, утяжеления седлового шарнира, бампера и т.д. Эта зависимость ускоренно возрастающая (параболическая), а поэтому общая зависимость увеличения массы машины от удлинения ковша параболическая. Зависимость изменения скорости движения скрепера, а следовательно и производительности от его массы практически прямо-пропорциональная. Качественные отличия в функциональных изменениях скорости движения скрепера и его массы предопределяют наличие оптимальной длины ковша. Следует также учитывать, что на карьерах скреперы и автосамосвалы движутся из-за мер предосторожности и плохих, временно устроенных дорог, со средней скоро-

Рис. 1. Продольный профиль короткого ( ЬК 0 ) и

длинного ковша (ЬК ):

1 - ППС; 2 - гидромеханизм перемещения ППС; 3 - задняя стенка; 4 - направляющие

движения ППС

стью 20-25 км/ч и развивают несколько большую скорость (до 30...40 км/ч) только на коротких участках пути [2].

Для определения оптимальной длины ковша скрепера с ППС составлена целевая функция, представляющая собой зависимость удельных затрат на разработку и перемещение единицы объема породы скрепером Сіуд от длины ковша 1і при определенной дальности транспортировки Цр. В основу целевой функции заложена известная зависимость для определения себестоимости выполнения единицы объема работ і машины

С УД = С + , (1)

П,

$ Ен

ПІЗТ Г '

где С. - себестоимость часа работы і-ой машины; ПЭ - часовая эксплуатационная производительность і-й машины; $ - стоимость і-й машины; Ен - коэффициент рентабельности машины; ТГ - фонд времени работы машины в году.

После выявления зависимостей $, П,Э, С. от длины ковша, целевая функция принимает вид (см. формлу 2). Где О - суммарный вес скрепера и

грунта; О™, Щч, О™ - соответственно металлоемкость, сцепной вес, вес пары шин при і-й длине ковша; КП

коэффициент наполнения передней части ковша (область заслонки); I - отношение фактической длины ковша к длине ковша эталонной машины; N в,NХ - мощности, затрачиваемые на преодоление ветрового сопротивления, соответственно при движении с груженым и порожним ковшом; ю ,е - соответственно

’ I сц? ’ к ’

коэффициенты сцепления, сопротивления качению, буксования и уклона местности при копании; - рыночная цена скрепера, приведенная к единице его веса; НР,НА -норма годовых затрат на ТО и ремонт и соответственно, амортизационных отчислений; Зп, Нз - соответственно зарплата машиниста и начисления на зарплату; Зт, Зс, Зр - соответственно

затраты на топливо, смазочные материалы и рабочую жидкость; Цш - рыночная цена шин, приведенная к единице их веса; п ,П - соответствен' ш

но, число шин на скрепере и нормативный пробег шины; ПГ - годовой

пробег скрепера; Кд1

коэффици-

ент, учитывающий затраты на доставку шин и на проведение работ по их замене; Кразр - коэффициент разрыхления породы; Кр - коэффициент

удельного сопротивления резанию; К - коэффициент, учитывающий по-

С=

°іУД

Gм Sу {На + Нр К

100ТГ

+ ЗП + НЗ + Зт + Зс + 3p +

ЦиР7Кдшпшпг

2 ПшТг

Тг + Sу gmeh

3600 (( + qj, Кд К К

2К К Ксца> -УGa)(q К"3 + q.дІ.Кд + УВН2К

p ep у і г сц і )\±пз іи -І ід і и І

(ВНКР + R Гфсц _ У G®)) (К - N е - N И К(1 -S')

1 + (о±е )У G

R СЦ

УGL К ±е )

і mp \ mp mp j

N

rp\

N - N---e

П

ПКШ (1 S mp )

LL+_

v, f

Gм L К ± е )

і mp у mp mp j

•+ tA,

N

N - N -—± П

Л (1 Smp )

(2)

тери времени при копании; д1а -

соответственно геометрические объемы ковша в области заслонки и эталонного ковша в области днища; Кдн -коэффициент наполнения породой области над днищем ковша; У - коэффициент, учитывающий объем породы перед заслонкой; В,Н - соответственно ширина ковша и высота наполнения; И - минимальная толщина стружки в конце копания; N, N, ЫИ - соответственно мощность двигателя и мощности, затрачиваемые на привод вспомогательных механизмов и интенсификатора; Кв - коэффициент использования машиной внутрисменного времени; Ьтр - дальность транспортирования породы; ц -КПД трансмиссии; Кж - коэффициент, учитывающий использование двигателя по мощности в транспортном режиме; о ,е 5 - соответст-

1 ' тр5 тр, тр

венно, коэффициенты сопротивления качению, сопротивления уклона местности и буксования в транспортном режиме; 11 - длина эталонного ковша; V - скорость выдвижения задней стен-

ки; t

дополнительное время на раз-

вороты и переключение передач.

Решение целевой функции численными методами для каждого конкретного скрепера дает возможность выявить оптимальную длину ковша, при которой себестоимость работ достигает минимального значения (рис. 2).

Оптимальная длина ковшей скреперов превышает (рис. 2) длину ковшей существующих скреперов в 1,54... 1,77 раза в зависимости от дальности транспортировки породы и модели скрепера.

С целью определения затрат энергии и мощности на перемещение ППС внутри ковша, разработана расчетная схема для определения сопротивлений движению стенки (рис. 3).

Сопротивление перемещению ППС по сложной траектории можно разложить на две составляющие РХ,, PZ,, которые в общем виде равны:

РХ' = Pp^s (P~ac ) + 2Pmpб + Pmp.ди C0Sac -

- pmp cosap+(G+G) sin a + pj ,

PZ' = Pp Sin ( - О, ) - Pmp. ди Sinac +

+Pmp Sin ap + (G + GПВЛ + Gc ) C0S «с,

где P - сопротивление резанию, оп-

+

Рис. 2. Изменение удельной себестоимости разработки и транспортировки породы Сіуд скреперами в зависимости от относительной длины ковша I■: а) для дальности транспортировки 400 м; б) для дальности транспортировки 3000м; 1 - для скрепера ДЗ-13; 2 - для скрепера ДЗ-107

ределяемое из условия предельного состояния при пассивном отпоре породы призмы выпирания (ПВ), надвигающейся ППС; Ртр б - сопротивление

трения породы ПВ по стенке ковша; Ртр дн - сопротивление сдвигу основания ПВ; Р - сопротивление трения

' тр 1 1

породы ПВ о лобовую поверхность ППС; О - вес породы ПВ; Ос - вес ППС; Р] - сопротивление, связанное с преодолением сил инерции, при разгоне прирастающей массы породы в ПВ; ас - угол наклона траектории

движения ППС к горизонту; ар - угол установки ППС (резания породы); в -угол наклона ПВ по поверхности сдвига к горизонту.

Сопротивление сдвигу по лобовой поверхности ПВ

Рр =-В+ Н)2 -Н

4 К

где у’з - коэффициент, учитывающий изменение напряжения, возникающего от собственного веса породы, с высотой столба породы,

Н/м3;

КЗ1, КЗ 2 - радиусы следов пересечения (приняты в виде дуги окружности) секущих плоскостей параллельных днищу с лобовой поверхностью ПВ при загрузке ковша ППС, соответственно в верхней и нижней части ПВ, м; Н - высота ПВ, м; Н0 - высота породы в шапке ПВ, равномерно распределенной в качестве пригрузки по верхней плоскости ПВ, м; В - ширина ковша скрепера.

Сопротивление трения породы по стенке ковша

( Г-Т-Т тт \2 Ртр .б = ао

(н+н 0 )2 - Н

+

(И + Н0 )3 - Н03 + (Н + Но )3 - Н03 Л

(а( -а)

(К+К

~Гу

(

Н

^1, +МіГНо х л

Н

45 -й

0 2& (ар -ас)

где а0 - длина основания ПВ; уз -угол наклона линии пересечения ло-

Рис. 3. Расчетная схема к определению сопротивления перемещению ППС

В

Н

Н

2іЕГ, 2tg (ар - а с)

(

В

2 К-ср 2

-- В<1 Яр -—

В

Н

бовой поверхности ПВ и боковой стенки к горизонту; у'у, у"у - коэффициенты, учитывающие изменение на- О = УН

пряжений, возникающих в породе ПВ + к2 агсвт-

от давления ППС, с высотой столба с"

породы, соответственно в области контакта лобовой поверхности ПВ с боковой стенкой и ППС с боковой стенкой; Уу - коэффициент, учиты- +уНо

вающий изменение напряжения, возникающего от собственного веса породы с учетом коэффициента боково- где К - среднее арифметическое

го расширения, с высотой столба по- ср

роды; //, - коэффициент трения по- значе™е радиусов сёедов пересечения секущих плоскостей параллель-

роды по стаёи; ^2 - угоё внутреннего Ных днищу с лобовой поверхностью

(

Я1 аігап———К Я2 - — 31 2Я„ 2 V 31 4

трения породы.

Сопротивление сдвигу основания ПВ

( 2 В

а0 В + Я^аігат-

Р.

тр.дн

\

2 Я2

1

\

ПВ.

Сопротивление трения породы ПВ

о лобовую поверхность ППС М( 2 Н о + Н ) Н

Р =

тр

ху(Н + Н о )2,

где у - объемный вес породы; ц2

уН С08 (ар -ас)

■ уХВ 8Іп (ар -ас) -

^(ар -ас)

+ У'ХВ (ар -ас)

где Л- коэффициент бокового дав-

коэффициент внутреннего трения ления породы; у”х - коэффициент, породы.

Вес породы в ПВ

учитывающим изменение напряжения, возникающего в грунте ПВ от давле-

ния ППС, с высотой столба грунта, в области лобовой поверхности ППС.

Сопротивление, связанное с преодолением сил инерции, при разгоне прирастающей массы породы в ПВ

или

Рj =Р((2 ах + в) V2 + (3ах + 2вх + с) g sin ас), где р - плотность породы; ап - ускорение породы; dm - приращение разгоняемой массы породы на участке dx; а, в, с - аргументы функции изменения прирастающей массы породы в ПВ; V - скорость движения ППС; g -ускорение свободного падения; х -перемещение ППС по оси х'.

Расчеты по приведенным зависимостям показывают, что для привода интенсификатора типа ППС в зави-

1. Шемякин С. А. Повышение эффективности скреперов// Строительные и дорожные машины. 2001.№1. с. 14-16.

2. Шемякин С.А., Иванченко С.Н., Мамаев Ю.А. Ведение открытых горных ра-

симости от модели скрепера, длины его ковша и свойств породы может затрачиваться от 30 % до 50 % номинальной мощности двигателя базового тягача. Поскольку копание на заключительной стадии ведется с максимальным использованием мощности тягача, одновременное включение в работу ППС невозможно. Следовательно, для того чтобы включить ин-тенсификатор необходимо остановить скрепер и прекратить копание. Однако, это приведет к увеличению времени цикла машины. В связи с этим, предлагается для привода ППС использовать гидроаккумуляторы, заряжаемые при движении скрепера с порожним ковшом в сторону забоя. В частности для привода интенсификатора скрепера ДЗ-13 потребуются два газогидравлических аккумулятора с полезным объемом 10 литров каждый.

------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

бот на основе совершенствования выемки пород. - М.: Издательство «Горная книга», 2006. - 315 с.: ил. ШИЗ

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

Чебан А.Ю. - старший преподаватель,

Шемякин С.А. - профессор, доктор технических наук,

кафедра «Строительные и дорожные машины» со специализацией «Открытые горные работы» Тихоокеанский государственный университет (ТОГУ).

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 21 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. Ё.А. Кантович.