CC BY
56
УДК 622.271
О.А. Лукашук, К.Ю. Летнев
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГОЗАТРАТ ПРИ ЭКСКАВАЦИИ ГРУНТА
Аннотация. Показано, что процесс экскавации грунта одноковшовым экскаватором с рабочим оборудованием прямая лопата характеризуется повышенной энергоемкостью. Рост энергоемкости обусловлен как затратами энергии на подъем груженого ковша при экскавации, так и увеличением мощности двигателей главных механизмов при их совместном действии ввиду рассогласования движущих сил (усилий подъема и напора). С целью оценки уровня энергопотребления при экскавации грунта выполнен вычислительный эксперимент на основе имитационной модели рабочего процесса одноковшового экскаватора на примере ЭКГ-20А производства ПАО «Уралмашзавод». Уровень развиваемых двигателями мощностей оп-ределяется значениями мгновенных и цикловых коэффициентов полезного действия общего передаточного механизма, состоящего из главных механизмов и механизма рабочего оборудования. Установлена степень влияния закона движения ковша на величину коэффициентов полезного действия. В качестве основного направления повышения энергоэффективности экскавационного оборудования определено создание и внедрение технологии и средств отработки блоков грунта, исключающих подъем рабочего оборудования.
Ключевые слова: одноковшовый экскаватор, энергозатраты, экскавация грунта, мощности двигателей главных механизмов, мгновенный и цикловой коэффициенты полезного действия, повышение энергоэффективности, энергосберегающая концепция проектирования.
DOI: 10.25018/0236-1493-2018-6-0-113-118
Введение
Одним из основных технико-экономических показателей технологического оборудования являются удельные энергозатраты на единицу продукции.
Практика проектирования и эксплуатации одноковшовых экскаваторов показывает [1—7], что с ростом единичной мощности и производительности машин удельные показатели функционирования экскаваторов с оборудованием прямая лопата практически не изменяются.
Изыскание резервов снижения уровня энергопотребления и повышение энергоэффективности одноковшовых экскаваторов возможно на основе системного анализа и синтеза компоновочно-конструктивных схем рабочего обору-
дования одноковшовых экскаваторов, реализующих принципы энергосберегающей концепции проектирования технологического оборудования.
Цель и задачи исследования
Цель исследования — обоснование способов и средств, обеспечивающих повышение энергоэффективности одноковшовых экскаваторов.
Задачи работы:
• выявление основных факторов, определяющих формирование энергозатрат при экскавации грунта;
• установление закономерностей формирования энергозатрат;
• сравнительная оценка уровня энергопотребления экскаваторов отечественного и зарубежного производства.
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2018. № 6. С. 113-118. © О.А. Лукашук, К.Ю. Летнев. 2018.
Решение задач исследования
Объектом исследования является экскаватор с рабочим оборудованием прямая лопата.
Предмет исследования — рабочий процесс экскаватора и, главным образом, процесс экскавации грунта, при котором формируются максимальные значения энергосиловых параметров силового оборудования (привода).
Характерными особенностями функционирования главных механизмов (механизмов подъема и напора) одноковшовых экскаваторов с рабочим оборудованием прямая лопата (мехлопаты) являются:
• процесс экскавации грунта заключается в совместном действии главных механизмов и механизма рабочего оборудования, соединяющего главные механизмы с ковшом;
• ведущим звеном общего передаточного механизма привода главных механизмов является ковш, закон движения которого формирует режимные параметры главных механизмов [8— 11].
В работе на основе имитационной модели рабочего процесса одноковшового экскаватора [12, 13] выполнен вычислительный эксперимент с целью оценки уровня энергопотребления при экскава-
Рис. 1. Рабочая зона карьерного экскаватора (мехлопаты): ХОУ— система координат: ОХ — уровень стояния экскаватора; 0У — ось вращения платформы; А, Б, В — траектории перемещения
ковша; Н — высота оси напорного вала; Н — максимальная высота копания; R — макси' н ft к.тах ' к.тах
мальный радиус копания; RKyo min, R^ max — минимальный и максимальный радиусы копания на уровне стояния экскаватора .
Fig. 1. Active zone of open pit mine excavator (power shovel): X0Y— coordinate system (0X—datum level of shovel; 0Y—platform pivot axis); A, B, C—bucket paths; Hp—height of pressure shaft axis; Hdmax—maximum digging height; Rdmax—maximum digging radius; Rddlmin, Rddlmax—maximum and minimum digging radii at the datum level of shovel
ции грунта экскаватором ЭКГ-20А производства ПАО «Уралмашзавод».
При расчетах приняты следующие исходные данные:
• грунт полускальный и скальный, насыпная плотность грунта составляет рн = 2,5 т/м3;
• ковш (вершина режущей кромки — точка К) при отработке блока грунта (рис. 1) перемещается по эквидистантным параллельным откосу уступа траекториям при различных углах наклона.
Вычислительный эксперимент включает расчеты показателей, характеризующих уровень энергопотребления:
• режимные параметры главных механизмов (скорости усилия);
• мощность силы сопротивления грунта копанию (экскавации);
• мощности сил, действующих на ведомых звеньях главных механизмов;
• мгновенный коэффициент полезного действия (КПД), т.е. отношение мощности внешних сил, действующих на режущей кромке ковша, к мощности сил на ведомых звеньях, определяемых из условий статического равновесия передаточного механизма;
• цикловой КПД, т.е. отношение работы, затрачиваемой на преодоление
силы сопротивления грунта, к работе движущих сил при установившемся движении (здесь при операции копания).
Результаты вычислительного
эксперимента
В результате эксперимента установлена степень влияния закона движения ковша на величину мгновенных и цикловых КПД.
В табл. 1 и 2 приведены расчетные значения мгновенных и цикловых КПД при перемещении ковша по траекториям с постоянным углом наклона (ц = = 60°) в процессе отработки блока грунта при расчетной и максимальной высоте копания.
Из данных табл. 1 следует, что величина циклового КПД меняется незначительно и составляет в среднем пс = = 0,42.
Значения мгновенных КПД изменяются в зависимости от высоты копания (координаты Ук). Максимальные значения мгновенных КПД достигаются при координате Ук, составляющей 8 и 6 м. при этом мощность, развиваемая двигателем механизма напора, практически равна нулю ввиду минимальных значений скорости напора и фактически
Таблица 1
Коэффициенты полезного действия передаточного механизма (расчетная высота копания) Efficiency of gear (estimated digging height)
X , м ко' YK, м 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
0 0,35 0,36 0,37 0,38 0,39 0,40 0,41 0,42 0,41 0,39
2 0,35 0,36 0,38 0,39 0,40 0,42 0,43 0,43 0,42 0,40
4 0,36 0,39 0,41 0,43 0,44 0,45 0,46 0,46 0,44 0,43
6 0,42 0,45 0,47 0,49 0,50 0,50 0,48 0,47 0,46 0,45
8 0,55 0,55 0,55 0,52 0,50 0,50 0,48 0,46 0,44 0,43
10 0,43 0,41 0,41 0,43 0,47 0,47 0,45 0,43 0,41 0,40
12 0,22 0,27 0,33 0,40 0,43 0,41 0,40 0,38 0,37 0,36
Цикловой КПД 0,38 0,40 0,42 0,43 0,45 0,45 0,44 0,44 0,42 0,41
Таблица 2
Коэффициенты полезного действия передаточного механизма (максимальная высота копания) Efficiency of gear (maximum digging height)
^^^^ X , м ко' ^ м ^^^ 9 10 11 12 13 14 15
0 0,28 0,29 0,29 0,30 0,31 0,32 0,33
2 0,28 0,29 0,30 0,32 0,33 0,34 0,35
4 0,30 0,32 0,34 0,36 0,38 0,38 0,39
6 0,35 0,38 0,41 0,36 0,43 0,43 0,42
8 0,49 0,50 0,49 0,46 0,44 0,43 0,43
10 0,38 0,36 0,36 0,38 0,40 0,42 0,40
12 0,20 0,24 0,28 0,35 0,39 0,37 0,35
14 0,13 0,19 0,28 0,34 0,33 0,32 0,31
16 0,10 0,21 0,29 0,29 0,28 0,28 0,28
18 0,08 0,26 0,26 0,26 0,25 0,25 0,25
Цикловой КПД 0,26 0,30 0,33 0,34 0,35 0,35 0,35
действует только механизм подъема, что приводит к росту значений мгновенных КПД до 0,50-0,55.
При совместном действии главных механизмов значения мгновенных КПД передаточного механизма уменьшаются в зависимости от степени рассогласования движущих сил (усилий подъема и напора) и, как следствие, роста мощности движущих сил.
Ф=50° / Ф=60°
'=70°
/
у _ ч\
у
у
у
Хко,
м
10 14 18
Рис. 2. Зависимость цикловых КПД от угла наклона траектории ковша Fig. 2. Cycle efficiency versus bucket path slope
В табл. 2 приведены значения КПД при максимальной высоте копания Нктах = 18 м. Из данных табл. 2 следует, что значения КПД при максимальной высоте копания меньше, чем при расчетной высоте копания. Среднее значение циклового КПД в этом случае составляет п = 0,33.
1 ср 7
Уменьшение КПД при максимальной высоте копания обусловливается уменьшением мощности силы сопротивления грунта копанию, так как при копании до максимальной высоты толщина срезаемого «слоя» грунта уменьшается из условия наполнения ковша и, соответственно, уменьшается расчетное значение силы сопротивления грунта. В целом, значения мгновенных и цикловых КПД зависят от величины работы движущих сил, затраченной на изменение потенциальной энергии элементов рабочего оборудования, и степени рассогласования движущих сил (усилий подъема и напора).
На рис. 2 представлен график зависимости цикловых КПД от угла наклона траектории перемещения ковша при отработке блока. Из графика видно, что
с уменьшением угла наклона величина циклового КПД возрастает, за исключением перемещения ковша в удаленной зоне отрабатываемого блока.
В целом, низкий КПД передаточного механизма экскаватора с рабочим оборудованием прямая лопата обусловливается, главным образом, значительной массой рабочего оборудования (сила тяжести рабочего оборудования превышает силу сопротивления грунта копа-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
нию в 2—3 раза), а также ростом мощностей двигателей главных механизмов при их совместном действии.
Заключение
Основным направлением повышения энергоэффективности экскавацион-ного оборудования является создание и внедрение технологии и средств отработки блоков грунта, исключающих подъем рабочего оборудования.
1. Лагунова Ю. А., Комиссаров А. П., Шестаков В. С. и др. Машиностроение. Энциклопедия. Т. IV-24 Горные машины / Под общ. ред. В. К. Асташева. — М.: Машиностроение, 2011. — 496 с.: ил.
2. Беляков Ю. И. Экскаваторные работы. — М.: Недра, 1992. — 288 с.: ил.
3. Подэрни Р. Ю. Механическое оборудование карьеров. — М.: Изд-во МГГУ, 2007. — 680 с.
4. Анистратов Ю. И. Эффективность буровзрывных технологий разработки крепких горных пород на карьерах // Горная промышленность. — 1997. — № 2.
5. Рехтман А. П., Крагель А.А. Комплексные изыскания экскаватора ЭКГ-12 // Механизация строительства. — 2001. — № 1.
6. Zweiri Y. H., Seneviratne L. D., Althoefer K. Parameter Estimation for Excavator Arm Using Generalized Newton Method // IEEE Transactions on Robotics, Vol. 20, No. 4, August 2004. Pp. 762—767.
7. Yoo W.-S., Kim O.-J., Kim K.-S. et al. Estimation of Maximum Lifting Load Capacities of a Hydraulic Excavator via Multibody Computer Modeling and Simulation // KSME International Journal, Vol. 12, No. 6, 1998. Pp. 1090—1096.
8. Geu Flores F., KecskemethyA., PottkerA. Workspace analysis and maximal force calculation of a face-shovel excavator using kinematical transformers / 12th IFToMM World Congress, Besancon, June 18—21, 2007, 6 p.
9. Гафурьянов Р. Г., Комиссаров А. П. Взаимосвязи режимных параметров главных механизмов карьерного экскаватора с технологическими параметрами процесса экскавации горных пород // Горное оборудование и электромеханика. — 2010. — № 6. — С. 7—10.
10. Komissarov A. P., Lagunova Y.A., Lukashuk O.A. Evaluation of Single bucket Excavators Energy Consumption // Procedia Engineering, 2016, Vol. 150, Pp. 1221—1226.
11. Лукашук О. А., Летнев К. Ю., Комиссаров А. П. Определение режимов работы двигателей главных механизмов одноковшового экскаватора // Известия вузов. Горный журнал. — 2017. — № 5. — С. 52—58.
12. Гафурьянов Р. Г., Комиссаров А. П., Шестаков В. С. Моделирование рабочего процесса карьерных экскаваторов // Горное оборудование и электромеханика. — 2009. — № 6. — С. 40—45.
13. Комиссаров А. П., Шестаков В. С. Имитационная модель функционирования рабочего оборудования гидравлического экскаватора // Горное оборудование и электромеханика. — 2013. — № 8. — С. 20—24. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Лукашук Ольга Анатольевна1 — кандидат технических наук,
доцент, зав. кафедрой, e-mail: [email protected],
Летнев Константин Юрьевич1 — аспирант, старший преподаватель,
1 Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б.Н. Ельцина.
ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2018. No. 6, pp. 113-118.
Determination of energy consumption in soil excavation
Lukashuk O.A.1, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, Head of Chair, e-mail: [email protected], Letnev K.Yu.1, Graduate Student, Senior Lecturer, 1 Ural Federal University, 620002, Ekaterinburg, Russia.
Abstract. It is shown that soil excavation by power shovels is characterized by increased energy consumption. The growth in energy input is conditioned by power consumed to lift bucket loaded with soil and by the increase in power of motors of main mechanisms when working concurrently, due to disagreement of driving forces (lift and pressure). Aimed at estimation of energy consumption in soil excavation, a computation experiment is carried out using a simulation model of a single-bucket excavator in terms of EKG-20A machine manufactured by Uralmashplant. The power of motors is governed by the values of instantaneous and cycle efficiencies of the common gear composed of the main mechanisms and the implement mechanism. The effect of the bucket motion law on the values of the efficiencies is determined. The prime area of enhancement in the energy efficiency of excavating equipment is identified as the creation and introduction of the technology and means of excavation with the eliminated process of lifting of the excavator implement.
Key words: single-bucket excavator, energy consumption, soil excavation, motor powers of main mechanisms, instantaneous and cycle efficiencies, energy efficiency enhancement, energy-saving engineering concept.
DOI: 10.25018/0236-1493-2018-6-0-113-118
REFERENCES
1. Lagunova Yu. A., Komissarov A. P., Shestakov V. S. Mashinostroenie. Entsiklopediya. T. IV-24 Gornye mashiny. Pod obshch. red. V. K. Astasheva [Engineering. Encyclopedia, vol. IV-24 Mining machine. Asta-shev V. K. (Ed.)], Moscow, Mashinostroenie, 2011, 496 p.
2. Belyakov Yu. I. Ekskavatornye raboty [Excavation], Moscow, Nedra, 1992, 288 p.
3. Poderni R. Yu. Mekhanicheskoe oborudovanie kar'erov [Mechanical equipment of quarries], Moscow, Izd-vo MGGU, 2007, 680 p.
4. Anistratov Yu. I. Effektivnost' burovzryvnykh tekhnologiy razrabotki krepkikh gornykh porod na kar'erakh [Effectiveness of drilling and blasting technologies for the development of strong rocks in quarries]. Gornaya promyshlennost'. 1997, no 2. [In Russ].
5. Rekhtman A. P., Kragel' A. A. Kompleksnye izyskaniya ekskavatora EKG-12 [Complex researches of the EKG-12 excavator]. Mekhanizatsiya stroitel'stva. 2001, no 1.
6. Zweiri Y. H., Seneviratne L. D., Althoefer K. Parameter Estimation for Excavator Arm Using Generalized Newton Method. IEEE Transactions on Robotics, Vol. 20, No. 4, August 2004. Pp. 762-767.
7. Yoo W.-S., Kim O.-J., Kim K.-S. et al. Estimation of Maximum Lifting Load Capacities of a Hydraulic Excavator via Multibody Computer Modeling and Simulation. KSME International Journal, Vol. 12, No. 6, 1998. Pp. 1090-1096.
8. Geu Flores F., Kecskemethy A., Pottker A. Workspace analysis and maximal force calculation of a face-shovel excavator using kinematical transformers. 12th IFToMM World Congress, Besancon, June 18—21, 2007, 6 p.
9. Gafur'yanov R. G., Komissarov A. P. Vzaimosvyazi rezhimnykh parametrov glavnykh mekhanizmov kar'ernogo ekskavatora s tekhnologicheskimi parametrami protsessa ekskavatsii gornykh porod [Interrelations of regime parameters of the main mechanisms of the mining excavator with technological parameters of process of excavation of rocks]. Gornoe oborudovanie i elektromekhanika. 2010, no 6, pp. 7—10. [In Russ].
10. Komissarov A. P., Lagunova Y. A., Lukashuk O. A. Evaluation of Single bucket Excavators Energy Consumption. Procedia Engineering, 2016, Vol. 150, Pp. 1221—1226.
11. Lukashuk O. A., Letnev K. Yu., Komissarov A. P. Opredelenie rezhimov raboty dvigateley glavnykh mekhanizmov odnokovshovogo ekskavatora [Determination of operating modes of engines of main mechanisms of one-bucket excavator]. Izvestiya vuzov. Gornyy zhurnal. 2017, no 5, pp. 52—58. [In Russ].
12. Gafur'yanov R. G., Komissarov A. P., Shestakov V. S. Modelirovanie rabochego protsessa kar'ernykh ekskavatorov [Modeling workflow mining excavators]. Gornoe oborudovanie i elektromekhanika. 2009, no 6, pp. 40—45. [In Russ].
13. Komissarov A. P., Shestakov V. S. Imitatsionnaya model' funktsionirovaniya rabochego oborudovaniya gidravlicheskogo ekskavatora [Simulation model of hydraulic excavator working equipment operation]. Gornoe oborudovanie i elektromekhanika. 2013, no 8, pp. 20—24. [In Russ].
