Оценка составляющих сопротивления копанию на ковшах роторного траншейного экскаватора при выемке мерзлых пород Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Ю.А. Мамаев, А.Ю. Чебан, А.В. Еренков, 2010

УДК 622.232 (043.3)

С.А. Шемякин, С.Н. Иванченко, Ю.А. Мамаев,

А.Ю. Чебан, А.В. Еренков

ОЦЕНКА СОСТАВЛЯЮЩИХ СОПРОТИВЛЕНИЯ КОПАНИЮ НА КОВШАХ РОТОРНОГО ТРАНШЕЙНОГО ЭКСКАВАТОРА ПРИ ВЫЕМКЕ МЕРЗЛЫХ ПОРОД

Ускоренное развитие добычи нефти и газа в Российской Федерации требует совершенствования процесса отрывки траншей под магистральные трубопроводы в вечномерзлых породах, а также в породах, промерзших за зимний период на всю глубину копания. В нефтегазовой промышленности для отрывки траншей широко используются роторные траншейные экскаваторы (ЭТР), однако ЭТР отечественного производства не способны отрывать траншеи в породах, промерзших на всю глубину черпания. Основная причина этого заключается в малой удельной мощности двигателя, приходящейся на единицу площади поперечного сечения траншеи [1] и, соответственно, недостаточно надежные по прочности и долговечности трансмиссия привода ротора и металлоконструкция рабочего оборудования.

Для определения потребной мощности двигателя ЭТР для работы на мерзлых породах необходимо, прежде всего, с достаточной степенью достоверности определить нагрузки на ковшах ротора, находящихся в забое. В настоящее время на отечественных и большинстве зарубежных ЭТР применяют ступенчато-шахматные схемы расстановки зубьев на ковшах, которые обеспечивают резание породы сотовым способом (крупным сколом). При работе ЭТР в мерзлоте резание породы осуществляется только зубьями, а режущие кромки ковшей должны быть исключены из процесса копания. Весь опыт эксплуатации ЭТР на мерзлых породах [2, 3] свидетельствует о том, что при касании режущих кромок ковшей с забоем сопротивление черпанию резко возрастает и это приводит к стопорению ротора, даже при значительной мощности двигателя.

77Г —

і І С

і /// 5

А І

5 Г

Рис. 1. Способы резания мерзлой породы: а - блокированный; б - сотовый; в - щелевой; г - свободный

В Тихоокеанском государственном университете были проведены экспериментальные стендовые исследования по резанию мерзлых мелкозернистых пород одиночным зубом в лабораторных и полевых условиях, а также эксперименты по копанию мерзлых пород на натурных машинах (ЭР-7А, ЭТР-204А). Резание одиночным зубом осуществлялось на глинистых, суглинистых, супесчаных и песчаных породах различными способами, а именно: блокированным, сотовым, щелевым и свободным (рис. 1).

Наблюдения за поверхностью выработанного забоя траншеи и формой кусков породы, вынесенной конвейером в отвал, показывают, что все четыре приведенных на рис.1 способа резания присутствуют при работе экскаватора. Блокированный способ имеет место в начальной стадии заглубления ротора при срезании зубьями поверхностного слоя породы. Сотовым способом разрабатывается верхняя и средняя часть забоя. В нижней части забоя при углах

поворота ковша ф = 0...300 , считая от вертикальной оси ротора, из-за малой толщины срезаемой зубьями стружки разрушение породы идет щелевым способом. На некоторых экскаваторах, например ЭТР-254-01, предназначенных для работы в мерзлых породах, устанавливают между линиями резания основных зубьев еще и укороченные зубья. Укороченные зубья работают в нижней части забоя траншеи и подрезают остающиеся целики мерзлой породы между линиями

резания основных зубьев свободным способом. Этим самым они предотвращают касание режущей кромки ковша с забоем.

Проведенные экспериментальные исследования сопротивлений резанию мерзлой породы позволили отыскать зависимости (регрессионные уравнения) для определения коэффициентов удельных сопротивлений сотовому, блокированному, щелевому и свободному способам резания одиночным зубом. Отыскание регрессионных зависимостей проводилось согласно известным [4] методам многофакторного исследования. Регрессионные уравнения, устанавливающие связь средних значений коэффициентов удельных сопротивлений сотовому резанию Кср с глубиной

резания h (см), шириной зуба £ (см), шагом резания t (см) и числом ударов « с » плотномера ДорНИИ соответственно для мерзлого песка с влажностью о = 16% , мерзлой супеси (о = 16% ), мерзлого суглинка (о = 18% ) и мерзлой глины (со = 18% ) имеют вид:

"2 +104,17^ -189) еа • с0 46

сР

сР

9,8 (-14,552 +104,175-189) еа _

1 ' Н/см2 ; (1)

Н/см2 ; (2)

Ив • t036

9,8 (-14,552 + 205,65 - 287) еа • с0’43

Ив • t036

9,8 (-14,552 + 3 1 25 - 5 67) еа • с0’416 Н

Ив • t036

9,8 (-14,552 + 3815 - 667) еа • с0’405 А

см2 ; (3)

/см2 ; (4)

ср Ив • t036

Здесь а = (-0,0137252 + 0,09335 + 0,0841) И ;

в = (-0,13 352 +1,175 + 0,425) ; е - основание натурального логарифма.

Для тех же пород, но для блокированного способа резания, имеют место аналогичные уравнения:

9.8 (-13,852 +103,15-178) её • с051

Кр =------^-------------г------------------ Н/см2 ; (5)

9.8 (-13,852 + 208,35 - 25 3) её • с0’48

Кр =------^^----------------------------------- Н/см2 ; (6)

9.8 (-13,852 + 301,15 - 481) её • с043

Кр =-------------------^------------------- Н/см2 ; (7)

9.8 (-13,852 + 3 75,55 - 59б) её • с0’41

Кр =------*------------И/------------------ Н/см2 ; (8)

Здесь ё = (-0,0148252 + 0,08985 + 0,091) И ;

/ = (-0,12952 +1,1355 + 0,329) .

Данные экспериментов свидетельствуют от том, что среднемаксимальные коэффициенты удельного сопротивления могут быть определены по средним значениям коэффициентов

удельных сопротивлений посредством коэффициента пропорциональности А , т.е. согласно зависимости:

Ктах = А • Кср . (9)

Для мерзлого песка А = 1,7...1,9 , для мерзлой супеси А = 1,5...1,6 , для мерзлого суглинка А = 1,2... 1,4 , а для мерзлой глины А = 1,1...1,2 . Большие значения А соответствуют большим значениям толщины стружки и крепости породы.

В процессе экспериментальных исследований были установлены зависимости коэффициентов удельных сопротивлений щелевому резанию от ширины зуба и крепости породы. Глубина

щелевого резания и изменялась от 1 до 10 см. При изменении глубины резания в указанных пределах не было обнаружено сколь-нибудь значительного изменения коэффициентов удельных сопротивлений щелевому резанию. Изменение ширины режущей кромки зуба 5 оказывает существенное влияние на изменение коэффициентов удельных сопротивлений щелевому резанию. С увеличением ширины 5 (в пределах исследованных значений 5 = 2...6см ) коэффициенты удельного сопротивления уменьшаются по кривой гиперболического типа. В пределах исследуемых параметров не было выявлено влияния типа мелкозернистой породы на коэффициент удельного сопротивления щелевому способу резания. При щелевом резании коэффициенты удельного сопротивления значительно выше (в 10-15 раз) коэффициентов удельного сопротивления сотового резания и пропорциональны числу « с ».

Регрессионные уравнения для определения средних Кср и максимальных Ктах

коэффициентов удельных сопротивлений щелевому резанию имеют вид:

^ = И^Н/см-; (10)

\5

К,ах = ^Н/см2. (11)

\5

Согласно проведенных экспериментов, значения коэффициентов удельного сопротивления резанию мерзлой породы свободным способом вдвое меньше, чем блокированным и это вполне согласуется с данными других исследователей [5].

Знание коэффициентов удельного сопротивления резанию позволяет достаточно просто определить касательные и нормальные составляющие сопротивления резанию на каждом ковше, находящемся в забое. Для этой цели необходимо расставить ковши ротора в забое так, что бы верхний ковш находился перед выходом из забоя, а именно, на глубине 100...150мм от дневной поверхности. Необходимо также учитывать распределение крепости породы или числа ударов « С » плотномера ДорНИИ по глубине промерзания. Глубину промерзания легко определить по зависимости:

Н = 2х^Т • п • Сп , (12)

где Н - глубина промерзания в м; Т - средняя из среднемесячных температур воздуха в зимний период; п - число дней с отрицательной температурой; х - коэффициент теплопроводности породы; Сп - коэффициент уменьшения глубины промерзания в зависимости от толщины слоя снега.

Кроме того, существуют зависимости [5, 7] между числом ударов плотномера ДорНИИ « С » и температурой породы. Например, зависимость «С» от температуры t о для суглинков имеет вид: с = 37#5 , (13)

а для песка

с = 90^0,5 . (14)

Температуру породы t о можно определять по данным метеослужбы. Кроме того, известно,

что наибольшая трудоемкость разработки мерзлых пород достигается в конце февраля - начале марта месяцев, когда глубина промерзания наибольшая. В этот период распределение крепости породы по глубине промерзания практически линейно уменьшается и необходимо определить крепость только в поверхностном слое. Следует учесть, что коэффициенты удельного сопротивления копанию на ковшах К'пшх и К'ср несколько отличаются от коэффициентов

удельного сопротивления резанию зубьев Ктах и Кср , поскольку при копании возникают дополнительные сопротивления, связанные с зачерпыванием породы ковшами.

Значения К'тх и К'ср для всех способов резания и копания можно определять согласно зависимостей:

К'тах =(1,08.. .1,1) К,ах , (15)

и К'р = (1,04...1,06) КСр . (16)

Максимальная касательная составляющая копанию Р, на каждом ковше будет равна:

Р=К па-г, (17)

где — - площадь поперечного сечения стружки, срезаемой і-тьім ковшом в забое.

Несмотря на то, что стружка мерзлой породы срезается зубьями, определять — будем через

условную толщину, приходящуюся на ковш, по зависимости

, i 5 • sin p

h =----------— ,

усл ’

(18)

где 8 - подача экскаватора на оборот ротора; р - угол поворота режущих кромок зубьев і-того ковша относительно вертикальной оси ротора; zк - количество ковшей на роторе.

Тогда

- = Ксл • Втр , (19)

Рис. 2. Схемы сил, действующих на роторный траншейный экскаватор при копании породы: а- общая схема сил; б- геометрическое сложение составляющих сопротивления копанию на ковшах

где Втр - ширина траншеи.

Между касательной Р1г и нормальной Р2 составляющими сопротивления резанию

существует зависимость

Р2 = Р1- сі8 (Ор + Р2) , (20)

где ОСр - угол резания у зубьев; Р2 - угол внутреннего трения породы о породу.

Рассмотрение уточненной схемы действия нагрузок на рабочем органе и на экскаватор в целом позволяет с достаточно высокой степенью точности определять потребную мощность на привод ротора и проводить тяговые расчеты. В частности, полное сопротивление перемещению

экскаватора при копании будет равно X № = (Ог + М - N2) /г + Та =

= {СТ + - N2) /г + Рг + (Я]-Л2) /к

где От - сила тяжести базовой машины; М - вертикальная нагрузка на седловой шарнир А, вызванная силой тяжести рабочего оборудования Оро ; М - вертикальная нагрузка на седловой шарнир, вызванная вертикальной составляющей Ре геометрической суммы сил, действующих на ковши в забое; Та - суммарное горизонтальное усилие на седловой шарнир; Рг - нагрузка на седловой шарнир, вызванная горизонтальной составляющей (Рг ) геометрической суммы сил, действующих на ковши в забое; Я, - вертикальная нагрузка на заднюю опору, вызванная силой

(21)

к

тяжести рабочего оборудования Оро ; Я2 - вертикальная нагрузка на заднюю опору, вызванная

вертикальной составляющей Ре геометрической суммы сил, действующих на ковши в забое;

їг, /к - коэффициенты сопротивления движению, соответственно гусеничного и пневмоколесного рабочего оборудования.

Момент на роторе равен:

Мр = £ Р • Я , (22)

где Я - радиус ротора по режущим кромкам зубьев; Е р - сумма всех касательных

сопротивлений копанию на ковшах, находящихся в забое.

Фрезерные установки на базе тракторов, комбайны для селективной выработки полезного ископаемого, цепные траншейные экскаваторы по конструктивному исполнению несущественно отличаются от роторных траншейных экскаваторов. В связи с этим предложенный метод определения нагрузок можно рекомендовать и для этих машин.

------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Иванченко С.Н., Шемякин С.А., Афанасьев Д.Г. Улучшение конструкции и основных параметров роторных траншейных экскаваторов для работы на мерзлых породах // Горное оборудование и электромеханика. 2008. № 8. С. 1317.

2. Романюк Г.Д. Исследование работы ковша роторного траншейного экскаватора // Строительство трубопроводов. 1965. № 4. С. 21-23.

3. Клиге Н.Н., Добронравов С.С., Тяпкин А.Ф. Исследование усилий на рабочем органе роторного траншейного экскаватора ЭР-7Е методом механического тензометрирования в мерзлых грунтах // Экономика и организация строительства: Сборник научных статей ВЗИСИ. М., 1973. Ч. 1. С. 41-44.

4. Веденяпин Г.В. Общая методика экспериментального исследования и обработка опытных данных. М.: Колос, 1965. 312 с.

5. Зеленин А.Н., БаловневВ.И., КеровИ.П. Машины для земляных работ. М.: Машиностроение, 1975. 424 с.

6. Черкашин В.А., Червец С.М., Иванов Ю.А. Производство земляных работ в зимних условиях: Справочное пособие. М.: ЦНИИОМТП, 1971. 271 с.

7. Шемякин С.А. Разрушение мерзлых мелкозернистых и крупнообломочных пород резанием (рыхлением). Хабаровск: ДВО РАН, Приамурское географическое общество, 2003. 143 с. ЕШ

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

Шемякин С.А. - доктор технических наук, профессор кафедры «Транспортнотехнологические системы в строительстве и горном деле»,

Иванченко С.Н. - доктор технических наук, профессор, ректор,

Чебан А.Ю. - кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Транспортно-технологические системы в строительстве и горном деле»,

Еренков A.B. - бакалавр кафедры «Транспортно-технологические системы в строительстве и горном деле».

Тихоокеанский государственный университет (ТОГУ), г. Хабаровск, Email: lesch@sdm.khstu.ru.

Мамаев Ю.А. - доктор технических наук, профессор, главный специалист,

Институт горного дела ДВО РАН, E-mail: adm@igd.khv.ru.