CC BY
17
УДК 622.33.5
DOI: 10.33764/2618-981X-2020-2-45-51
ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ ГИДРОУДАРНЫХ УСТРОЙСТВ КОВША АКТИВНОГО ДЕЙСТВИЯ ПРИ ПРЯМОМ ПОДКЛЮЧЕНИИ К ГИДРОСИСТЕМЕ ЭКСКАВАТОРА II РАЗМЕРНОЙ ГРУППЫ
Леонид Владимирович Городилов
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, доктор технических наук, заведующий лабораторией, тел. (383)205-30-30, доб. 118, e-mail: gor@misd.ru
Николай Александрович Маслов
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, кандидат технических наук, научный сотрудник, тел. (383)205-30-30, доб. 240, e-mail: namaslov@mail.ru
Александр Николаевич Коровин
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, инженер, тел. (383)205-30-30 доб. 154, e-mail: alexh523vt@ mail.ru
Определена ударная мощность системы гидроударных устройств активного ковша емкостью 0.25 м3 экскаватора ЭО-2628 (Беларус), необходимая для эффективной разработки горных пород с пределом прочности на сжатие 60-80 МПа и мерзлых грунтов V-VIII категории. Приводится схема прямого подключения системы гидроударных устройств к гидросистеме экскаватора. С применением программы HPS ыбраны параметры и характеристики ударных устройств.
Ключевые слова: экскаватор, система гидроударных устройств, активный ковш, ударная мощность.
EVALUATION OF PARAMETERS OF HYDRAULIC IMPACT DEVICES OF ACTIVE BUCKET WITH DIRECT CONNECTION TO THE HYDRAULIC SYSTEM OF II GRADE EXCAVATOR
Leonid V. Gorodilov
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, D. Sc., Head of Laboratory, phone: (383)205-30-30, extension 118, e-mail: gor@misd.ru
Nikolai A. Maslov
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, Ph. D., Researcher, phone: (383)205-30-30, extension 240, e-mail: namaslov@mail.ru
Alexander N. Korovin
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, Engineer, phone: (383)205-30-30, extension 154, e-mail: alexh523vt@mail.ru
The impact power of hydraulic percussion system of active bucket of Belarus EO-2628 excavator with a capacity of 0.25 m3 required for the effective mining of rocks with ultimate compressive strength of 60-80 MPa and frozen soils of V-VIII category is determined. The diagram of di-
rect connection of hydraulic impact devices to excavator hydraulic system is presented. Using the HPS software, the parameters and characteristics of impact devices are selected.
Key words: excavator, system of hydraulic impact devices, active bucket, impact power.
Введение
Процесс отбойки или отделения от массива горных пород или других твердых материалов, сопровождаемый ее разрушением, является одним из наиболее сложных и энергозатратных процессов при добыче твердых полезных ископаемых. В настоящее время основным способом разрушения прочных горных пород является взрывной. Альтернативой ему при определенных условиях может служить использование технологии разработки с использованием активных исполнительных органов горных машин, которые позволяют совмещать процессы отбойки и погрузки горных пород.
В ИГД СО РАН в 80-90-е годы прошлого века были созданы активные ковши (КАД) для строительных (ЭО-4121) [1] и карьерных (ЭКГ-5В) [2] экскаваторов, которые позволяли без предварительного разупрочнения разрабатывать мерзлые грунты V-VIII категории, а также трещиноватые горные породы крепостью до 80 МПа [3]. При этом удельная энергия удара на единицу длины кромки клиновидного зуба составляла ~100 Дж/см. Одним из наиболее значимых преимуществ предложенной технологии являлся ее ресурсосберегающий и безопасный (по сравнению с взрывной) характер.
В настоящее время этот опыт остался в прошлом, что в определенной степени обусловлено недостаточной мощностью и технологичностью применявшейся в ковше ударной системы, оснащенной пневмомолотами. Применение гидроударных устройств (ГУ) (КПД - до 70-80%) [4, 5] позволяет обеспечить требуемую энергонасыщенность КАД. Кроме того, на гидравлических экскаваторах есть возможность использовать уже имеющуюся маслостанцию для привода гидроударников активных ковшей. Поэтому создание систем гидроударных устройств (СГУ) для ковшей карьерных и строительных экскаваторов, позволяющих разрабатывать прочные горные породы, представляется перспективным направлением развития открытых горных технологий.
В работе на примере экскаватора 2-й размерной группы ЭО-2628 (Беларус) с ковшом емкостью 0.25 м3 рассмотрена процедуру выбора параметров СГУ, обеспечивающих эффективную разработку прочных горных пород и мерзлых грунтов. Также на основе применения разработанной в лаборатории моделирования импульсных систем ИГД СО РАН программы HPS, производится выбор параметров ГУ.
Оценка мощности гидропривода, необходимой для работы СГУ,
и характеристик ГУ
Будем считать, что эффективность работы активного ковша определяется суммарной ударной мощностью установленных на нем ударных устройств, об-
щее количество которых примем равным трем. По практическим соображениям при разработке систем гидроударных устройств КАД гидравлических экскаваторов целесообразным представляется конфигурация, когда ударные устройства соединены параллельно и питаются от одного источника расхода, в качестве которого желательно использование маслостанции экскаватора. Для привода навесного оборудования на экскаваторе ЭО-2628 используется насос НШ100А с номинальными подачей и давлением соответственно ^0=173 л/мин ирп=16 МПа, коэффициентом подачи /70=0.95.
Возможно подключение СГУ к резервной секции распределителя гидросистемы (если таковая имеется), однако более целесообразным представляется схема подключения параллельно цилиндрам стрелы, рукояти и ковша. Схема подключения СГУ представлена на рис. 1. Оценку необходимой ударной мощности КАД произведем исходя из следующих соображений.
Рис. 1. Принципиальная схема подключения СГУ к гидросистеме экскаватора:
М - маслостанция базовой машины (Н - насос; КП - предохранительный клапан, Т - бак), 1 и 2 - напорная и сливная магистрали; СГУ - система гидроударных устройств (ГУ1...ГУ3 - гидроударные устройства); АК - пневмогидроаккумуля-тор; Р - распределитель; Б - боек; А, В - камеры обратного и прямого хода; С -линия управления распределителем.
По условию достижения достаточной производительности (подачи ковша) в породах с пределом прочности на сжатие 60-80 МПа, энергия удара на 1 см длины кромки зуба ковша должна быть равной 100 Дж (при частоте ударов / =8-10 Гц) [2][5]. Массу бойка ГУ из геометрических ограничений, обусловленных размерами ковша, выбираем равной ~5 кг. При длине кромки лезвия зуба 4 см суммарная ударная мощность 3-х активных зубьев ковша экскаватора ЭО-2628 должна составлять не менее
N = 3 • 4 см-100— -10 Гц = 12 кВт. (1)
см
В случае одновременной работы трех устройств, мощность каждого должна быть не менее 4 кВт, энергия удара бойка массой 5 кг при предударной скорости 8 м/с будет
Е, = 5 кг • (28 м/с)2 = 160 Дж.
Для достижения установленной ударной мощности 4 кВт частота такого ударного должна составлять
/ = 4200Вт = 25 Гц.
160 Дж
Примем потери мощности в механических элементах и ветвях гидравлической системы, в распределителях ГУ равными 25% от N, тогда суммарная мощность, отбираемая СГУ при одновременной работе трех устройств
1.25 • N = 15кВт, (2)
что составляет
-N--100% =-6-15-3--100% « 34%
pn • q016-106 • 2.9•Ю-3 • 0.95
общей мощности привода навесного оборудования. С учетом коэффициента одновременности работы ударных устройств [1], представленная цифра позволяет рассчитывать на удовлетворительную скорость продвижения рабочего оборудования экскаватора в условиях работы СГУ.
Выбор параметров ГУ
При выборе параметров ГУ использовали разработанную нами программу HPS [6], фрагмент главного окна которой в случае ее применения к гидроударной системе двухстороннего действия представлен на рис. 2. В программе по ограниченному количеству параметров и ограничениям на остальные параметры и на характеристики ГУ, можно определить все параметры системы.
Окно задания параметров и характеристик с выбранными параметрами и ограничениями показано на рис. 3. В левую колонку текстовых окон вносятся задаваемые параметры (показатель адиабаты у установлен по умолчанию и равен 1.4), в среднюю и правую - ограничения на остальные параметры и характеристики. В рамке «Насос» задаются параметры источника: идеальная подача q0, номинальное давление pn и объемный КПД eta0. В рамке «Боек» параметры и ограничения определены геометрией ковша экскаватора и возможностью размещения в его передней стенке заданного количества ударных устройства. В рамке «Аккумулятор» задан объем газожидкостного аккумулятора, суще-
ственно превышающий возможный объем рабочих камер устройства x1 (Sa+Sb) (x1 - длина фазы обратного хода бойка, Sa и Sb - соответственно площади бойка со сторон рабочих камер обратного и прямого хода), чтобы сгладить колебания давления в гидравлических камерах ГУ в течение рабочих циклов. Ограничения на характеристики бойка определены прочностью металла (предударная скорость vI) и его геометрией (максимальный размах колебаний Xmax). Ограничения на характеристики аккумулятора определены допустимыми колебаниями давления в системе.
На рис. 4 представлена таблица полученных в результате расчета параметров и характеристик ГУ. В ее столбцах, кроме уже описанных параметров (q0, x1, Sb, Vi, Xmax), выводятся: p0 и V0 - начальные давление и объем аккумулятора; Pmin и Pmax - минимальное и максимальное давление в аккумуляторе в течение рабочего цикла, f, N и eta - частота ударов, ударная мощность и КПД ГУ.
4s HPS (HydroИ ammer Parameter Select)
Главная Данные Справка Q I Двухстороннего действия т| ^^ Bgg ^^ [Щ^
Параметры и характеристики системы заданы
Табличные данные заданы
Фильтры
Рис. 2. Главное окно программы HPS
Как видим, ударная мощность 3-х устройств, полученная в расчетах 3(5.2^5.8)=15.6^17.4 кВт, превышает ту, что была получена при оценке требуемой общей мощности СГУ (1),(2) даже при учете заложенных при этом потерь.
Очевидно, что полученные результаты носят оценочный характер, во-первых, в связи с идеализацией модели гидроударной системы, используемой в программе HPS, и во-вторых, с тем, что при рассматриваемой схеме подключения гидроударных устройств к гидросистеме экскаватора знания о динамике гидроударных систем, включающих одно устройство, требует уточнения, так как в течение работы они могут оказывать взаимное влияние друг на друга. Также требуется анализ влияния работы СГУ на функционирование гидроцилиндров ковша, рукояти и стрелы экскаватора. При изменяющемся внешнем воздействии, приводящем к изменению количества одновременно работающих устройств, изменяется расход и давление жидкости на входе каждого из них,
что также приводит к изменению их характеристик. Неясно и влияние небольших отклонений в параметрах элементов устройств системы на их выходные характеристики: энергию и частоту ударов бойков. Эти и другие вопросы требует дополнительного исследования, которое может быть выполнено с использованием имитационного моделирования.
4s hps (HydroHammer Parameter Select) Параметры и характеристики
0 жл
Параметры: необходимо задать ровно б параметров, включая у
Сохранить и продолжить
Насос (Н)
Идеальная подача Номинальное давление Объемный КПД
Боёк (Б)
Масса
Длина, фазы обратного хода Площадь со стороны камеры А Площадь со стороны камеры В
Аккумулятор(А)
Объем газа при давлении рп Показатель адиабаты
Распределитель (Р)
Давление задержки
Характеристики
Боёк (Б)
Предударная скорость Максимальный размах колебаний Частота ударов
Mm значение Мах значение
Чс.
рп
МПа
30
16.0 В
0.95
Min значение Мах значение
ш кг
xl мм
Sa см1
Sb см3
5.0
20.0 □ 40.0
1.3
2.0 □ 4.0
Min значение
Мах значение
Vn см-5
У
60.0 В
1.4 в
рЗ МПа
Min значение Мах значение
□
1.0
Min значение
Мах значение
Vf и/с
Хшаз? мм t Гц
8.0 в 9.0
в 70.0
ы
Аккумулятор(А)
Объем газа при давлении р0 (р0 = О.Е'ршш) У0 Давление в течении цикла р
Min
значение
Мах
значение
МПа
ы
14 □ 18
Рис. 3. Окно задания параметров программы HPS
Фильтры
q0 л/с х1 мм SbCM* | VI м/с | Хтах мм рО МПа V0 см1 Pmin МПа Ртах МПа f Гц N кВт eta %
20.4 29.9 2.1 80 48.0 12.0 73.8 15.0 17.4 32.0 5.2 95.0
22.9 37.7 2.1 9.0 60 1 11.7 75.1 14.6 17.7 28.6 5.8 950
Рис. 4. Таблица выбранных параметров и характеристик
Заключение
1. Предварительная оценка показала, что маслостанция экскаватора ЭО-2628 имеет достаточно ресурсов для обеспечения ударной мощности системы гидроударных устройств ковша активного действия, необходимой для эффективной разработки без предварительного разупрочнения трещиноватых горных пород с пределом прочности на сжатие до 80 МПа и мерзлых грунтов V-VIII категории.
2. Расчет в программе HPS показал возможность создания гидроударных устройств с параметрами и характеристиками, обеспечивающими заданную ударную мощность ковша активного действия, согласованными с характеристиками гидросистемы экскаватора ЭО-2628.
3. Проектирование системы гидроударных устройств ковша активного действия требует детального анализа ее функционирования с учетом их совместной работы со стандартным оборудованием гидравлического экскаватора. Также требуется расчет параметров гидроударных устройств с учетом геометрических ограничений, гидравлических и механических потерь. Для решения этих задач необходима разработка имитационной модели системы гидроударных устройств, исследование с ее помощью функционирования системы, оптимизация параметров.
Работа выполнена в рамках проекта ФНИ № гос. регистрации АААА-А17-117122090003-2.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Шишаев С.В., Федулов А.И., Маттис А.Р. Расчет и создание ковша активного действия. Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1989. 115 с.
2. Маттис А.Р. и др. Экскаваторы с ковшом активного действия : опыт создания, перспективы применения. Новосибирск: Наука, Сиб. издат. фирма РАН, 1996. 174 с.
3. Маттис А.Р. и др. Безвзрывные технологии открытой добычи твердых полезных ископаемых : моногр. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2007. 335 с.
4. Галдин Н.С., Бедрина Е.А. Ковши активного действия для экскаваторов: Учеб. пособие. Омск: Изд-во СибАДИ, 2003. 53 с.
5. Городилов Л.В., Лабутин В.Н. Ковш активного действия к строительным экскаваторам // Машиноведение. 2016. № 2(4). С. 45-53.
6. Городилов Л.В., Вагин Д.., Распутина Т.Б. Методика, алгоритм и программа выбора параметров гидроударных систем // ФТПРПИ. 2017. № 5. С. 64-70.
© Л. В. Городилов, Н. А. Маслов, А. Н. Коровин, 2020
