CC BY
13
Число моментов диагностирования п выбирается как наибольшее целое число, удовлетворяющее следующему неравенству:
С-Т
/»(/1-1) < 2—5— . (6) С1
После того, как п выбрано, определяются моменты проведения диагностирования Хи Х2ч. А'з, ... , Л"к, соответствующие условию (5). Рассчитанное оптимальное число моментов диагностирования позволяет при любой интенсивности изменения технического состояния на. участке эксплуатации в интервале [0, Твп.с] установить оптимальную продолжительность эксплуатации за межремонтный период, ремонтный цикл и срок службы по критсрик> энергозатрат.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Бабаев С.Г. Надежность нефтепромыслового оборудования. - М.: Недра, 1987.-264 с.
2. Боярских Г. А., Кук л и в Л. Г. Теория старения машин. - Екатеринбург: Изд-во УГГГ А, 1998 -192 с.
3. Боярских Г. А. Надежность и ремонт горных машин. - Екатеринбург: Изд-во У111 А. 1998.-
340 с.
УДК 621.879
В.С.Шестаков, А.П.Комиссаров
ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ
КАРЬЕРНЫХ ЭКСКАВАТОРОВ
Гидравлические карьерные экскаваторы (ЭГ) по сравнению с канатными мехлопатами типа ЭКГ обладают рядом преимуществ: меньшей в 1,8 ... 2,2 раза металлоемкостью, большими усилиями копания, возможностью ведения селективной добычи полезного ископаемого. Все эти преимущества привели к тому, что гидравлические экскаваторы начинают вытеснять канатные.
Использование гидравлического привода в горных машинах, в частности в гидравлических экскаваторах, обусловливает необходимость проведения исследований с целью установления закономерностей функционирования гидрофицированного оборудования и обоснования рациональных конструктивных и режимных параметров. Анализ публикаций за последние годы показал, что многие фирмы и научные коллективы проводят работы по совершенствованию конструктивных и гидравлических схем гидравлических экскаваторов. На кафедре горных машин
УГГГА также уже длительное время проводятся подобные исследования. В качестве одного из перспективных направлений определено совершенствование поворотных механизмов с целью снижения энергоемкости процесса поворота. В настоящее время на отечественных гидравлических экскаваторах применяются, в основном, механизмы поворота электромеханического типа. На кафедре разрабатываются новые конструктивные исполнения гидравлических механизмов поворота и гидравлических схем с гидропневмоаккумуляторами.
Для повышения коэффициента полезного действия (КПД) механизма поворота и снижения массы решено было применять гидроцилиндры. Механизмы поворота с гидроцилиндрами были известны и из других публикаций, но всем им были присущи тс или -иные недостатки. Так, часть механизмов не обеспечивала поворот на полный угол, у других происходило изменение крутящего момента по мере выдвижения штоков. Во всех разработанных в других организациях механизмах гидроцилиндры располагаются
горизонтально (рис.1) (1], что при эксплуатации приведет к износу и
_ _ Рис. 1. Вид механизма
снижению КПД. Дтя исключения подобных недостатков нами с ГОрИЗОКПпьнымн
разработан механизм с вертикальным расположением гидро- гидроцилиндрами цилиндров на поворотной платформе (рис.2) (2). Такое исполнение
позволяет применять средства механизации для обслуживания и быструю замену вышедших из строя элементов. Вертикальное расположение цилиндров позволит уменьшить износ уплотнении. Усилие от поршня цилиндра через шток и опорные ролики передается на скошенную поверхность венца, преобразуется в окружное усилие, которое через направляющие ролики передается на жесткие направляющие и обеспечивает поворот платформы. Применение жестких направляющих разгружает штоки цилиндров от изгибающих моментов и снижает их износ. Применение роликов обеспечивает чистое качение и за счет этого высокий КПД силовой передачи и минимальный износ. Для исключения динамических ударов в конце хода поршня выступы и впадины венца должны быть выполнены радиусом большим радиуса опорных роликов Лор. Стабильность крутящего момента наиболее просто обеспечивается при числе цилиндров, кратном трем, и при подключении к напорной гидролинии только третьей их части, тех, ролики которых находятся на прямолинейных участках рабочей поверхности венца. Проекции / прямолинейных участков рабочих поверхностей зубьев и сумма проекций двух участков закруглений принимаются равными. Гидравлический привод такого механизма поворота может быть таким же, что применяется для механизмов с гндромоторами, но здесь потребуется специальный круговой гидрораспрсделитсль, ротор которого соединяется с ходовой тележкой, а корпус - с поворотной платформой.
Наряду с совершенствованием конструкций механизмов поворота на кафедре горных машин проводились работы по созданию эффективного гидравлического привода для
1 - - / (
Лиу V 1 / / \
[б
> тч \ 1 ^ и 1 п ►а ^ 1 ;
Лг- ' к-- Мм 1 е <■1 К|
ЗЛ5
экскаватора, в том числе и отдельно для механизма поворота с гидроцилиндрами. На рис. 3 представлена схема насосно-аккумуляторного гидравлического привода механизма поворота с гидроцилиндрами [3]. В этом приводе механизм поворота имеет отдельный основной насос Н1 и небольшой насос для подзарядки гидроаккумулятора Н2.
При заторможенной платформе гидроаккумулятор АК заряжен, насос Н2 разгружен разгрузочным клапаном КПЗ, распределитель Р1 находится в положении «а», Р2 - «ё», основной насос Н1 перекачивает жидкость из бака в бак через Р1 и Р2.
При разгоне платформы Р1 переключается в положение «Ь», Р2 - в положение «с» или «е». Из АК жидкость подастся через Р1, Р2, круговой распределитель РЗ к гидроцилиндрам Ц, ролики которых находятся на прямолинейных участках зубчатого венца. Окружное усилие обеспечивает разгон платформы до заданной скорости. После разгона платформы Р1 возвращается в исходное положение «а», за счет этого АК отключается от гидроцилиндров и дальнейший поворот платформы осуществляется жидкостью, подаваемой насосом Н1 через Р1 и Р2. Переливной клапан КП2 настраивается на давление, пропорциональное моменту статических сопроти-влений поворот)' (примерно 5 % от давления зарядки аккумулятора), поэтому за смет подачи жидкости насосом Н1 будет осуществляться равномерное движение с любой скоростью, при которой произошло переключение Р1. Излишек жидкости от насоса Н1 сливается в бак через КП2, минуя гидроцилиндры, и тем самым обеспечивается регулирование скорости установившегося движения при нерегулируемом насосе при незначительных потерях энергии.
Для торможения платформы Р2 возвращается в нейтральное положение. Движущаяся платформа через скошенные поверхности зубьев заставляет перемещаться штоки цилиндров Ц. цилиндры переходят в насосный режим, потребляют жидкость через обратные клапаны К01 и подают ее через К02 в гидроаккумулятор, заряжая его. На платформу начинает действовать тормозной момент, за счет которого и происходит торможение.
В данном гидроприводе разгон платформы происходит за счет энергии, запасаемой в гидроаккумуляторе при торможении. За счет потерь при торможении пост> паст меньше энергии.
Рис.2. Исполнение механизма поворота с гидроцилиндрами:
Дп - диаметр поршня, Дш - диаметр иггока; 1, - длина проекции рабочей поверхности венца; Яз - радиус закруглений; 1з - шаг венка; В - ширина рабочей поверхности зенна (ширина опорных ротиков); Вир - ширина жестких направляющих (ширина напрвляющих роликов); Яор - радиус опорных роликов; Днр - диаметр направляющих роликов
чем требуется для разгона. Насос Н2 производит подзарядку аккумулятора. Его параметры определяются из условия дополнения энергии за время цикла, поэтому рабочий объем насоса и мощность приводного двигателя потребуются небольшими.
КПЗ
Р
€Н (5
Рис.3. Схема насосно-аккумуляторного гидропривода механизма поворота
Таким образом, разработанный механизм поворота и насосно-аккуму-
ляторный привод обеспечивают повышение КПД, снижение массы и потребления энергии на совершение поворотных движений, но одновременно происходит некоторое усложнение схемы гидропривода, изменение стоимости за счет дополнительных элементов (гидроаккумулятора, гидроцилиндров).
Дтя сравнения с существующими моделями и выявления наиболее перспективного варианта необходимо провести анализ по массе, стоимости и расходу энергии. Дтя расчета массы механизма на стадии эскизного проектирования для стандартных элементов используется паспортное значение, а для изготовляемых (редуктор, зубчатый венец) можно использовать уравнения регрессии, позволяющие определить массу через основной параметр. Расход энергии также можно выполнить по приближенным выражениям. Неточности вычислений будут присущи всем сравниваемым схемам, поэтому не приведут к ошибочным выводам. Расчет выполняется по моментам инерции поворотной части с груженым Уг и порожним ./„ ковшом, моменту сопротивления повороту А/с, ускорению торможения бт и скорости установившегося движения о)у> заданному углу поворота р0 , продолжительности цикла 7*ц и непосредственно поворотного
движения /'„. Через них можно определить все остальные параметры.
Для обеспечения торможения с заданным ускорением к платформе потребуется приложить движу щий момент
(1)
Для разгона платформы до заданной скорости потребуется потребить из сети или гидроаккумулятора энергию, равную сумме кинетической энергии, приобретаемой платформой к концу разгона, и потерь энергии на преодоление сопротивлений.
Потребление энергии при разгоне при повороте с груженым и порожним ковшом
УУп = [0.5- (Уг+Л) • соу2 +А/с ро V Л- , (2)
где п*- общий КПД механизма.
В большинстве механизмов поворота при торможении обеспечивается рекуперация энергии в электросеть или гидроаккумулятор. Возврат энергии при торможении платформы с груженым и порожним ковшом
9УШ = [0.5- (Л+Л ) • соу2 -Ме-Ро 1 • Л- • (3)
Разность между потреблением и возвратом и есть расход энергии на совершение поворотного движения:
ДW = WП-W, . (4)
По разности потребления энергии может быть определена требуемая мощность насоса и его приводного двигателя восполнения потерь в гидроаккумуляторе для схемы по рис. 2 и аналогичной ей
К = А IV/Ти. (5)
Дтя схем, у которых рекуперация энергии происходит через приводной электродвигатель (модель ЭГ-12), можно определить мощность по выражению
лг„= (1Уа + 1Ул)/Тч. (6)
У некоторых моделей применяется механизм поворота без рекуперации энергии, у них возврата энергии нет. Мощность двигателя у них
К = к / Гц.
(7)
Анализ выражений (2-7) показывает, что потребление энергии при разгоне и возврат ее при торможении, мощность приводных двигателей существенным образом зависят от КПД механизма.
Рассмотрим влияние исполнения механизма. Расчеты проведем применительно к экскаватору ЭГ-12, выпускаемому АО «Уралмаш». Привод поворота этой модели выполнен электрическим по системе ГД. Общий КПД механизма поворота будет состоять из КПД венцовой пары ( 0.92 - 0.94), редуктора (0.9 - 0.92), приводного двигателя (0,93-0,96), генератора (0,93-0,96), сетевого двигателя (0,93-0,96). Для нивой модели с гидроцилиндрами и аккумуляторами КПД будет определяться КПД гидроцилиндра с роликами (0,96-0,98), гидросети (0,96-0,98), гидроаккумулятора (0,99).
Таблица 1
Параметры базовой модели
Параметры Ед. измерения Значение
Момент инерции поворотной чисти :
с груженым ковшом кг м1 13,5-10*
с горожним ковшом кг м: 6,98 106
Момент статических сопротивлений повороту кН м 40
Передаточное отношение механических передач 242
Расчетный угол поворота рад 1.57
Скорость установившегося движения с-' 0.309
Продолжительность цикла с 30
Мощность сетевых двигателей кВт 630.
Масса редуктора т 2x1.35
Масса венцовой пары т 4.5
Масса двигателей поворота т 2x2
Масса генератора поворота т 3.48
Масса сетевого двигателя т 5.1
Суммарная масса механизма поворота т 19.8
Момент инерции поворотной части с приводом:
с груженым ковшом кг м1 14,32-10б
с порожним ковшом кг-м1 7,8-106
Число циклов за год 540000
Потребление энергии за год кВт- ч 141600
Результаты сравнения при ведены в табл. 1, 2.
Таблица 2
Параметры модели с механизмом поворота с гилроцилнплрами
Параметры Ед. измерения Значение
Момент инерции поворотной части с
приводом: КГ м2 13,8-Ю6
с груженым ковшом
с порожним ковшом кг-м7 7,МО4
Кол-во гидроцилиндров 9
Диаметр поршня мм 200
Масса с роликами КГ 400
Масса зубчатого венца кг 3700
Мощность сетевых двигателей кВт 450.
Масса сетевого двигателя т 5.3
Суммарная масса механизма поворота т 13,6
Потребление энергии за год кВт-ч 47400
Таким образом, разработанный механизм поворота с гидроприводом обеспечивает существенное снижение массы и расхода энергии на совершение рабочих операций и поэтому может быть рекомендован для реализации в новых моделях гидроэкскаваторов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. A.c. 619603 (СССР). Гидравлический механизм поворота экскаваторов / Свердл. горн, ин-т им. В В Вахрушева: Авт. изобрет. В.Р.Кубачек, А.П.Комиссаров. В.И.Филатов. Ю. Г. За каменных.- Заявл. 11.11.76 № 2418734/29-03; Опубл. в Б.И. № 30 1978: М. кл.2 Е 02 F 9/12. - УДК 621.879.34.
2. A.c. 989003 (СССР). Механизм поворота платформы экскаваторы / Свердл. горн, ин-т км. В.В.Вахрушева: Авт. изобрет. В.Р.Кубачек, Ю.Г.Закамснных. А.П.Комиссаров, В.С.Шестаков. - Заявл. 18.06.81 № 3303914/29-03: Опубл. в Б.И. №2 1983; М. кл.3Е02 F9/12.-УДК621.879.34.
3. A.c. 1076514 (СССР). Насосно-аккумуляторный гидравлический механизм поворота платформы землеройной машины / Свердл. горн, ин-т им. В.В.Вахрушева; Авт. изобрет. В.Р.Кубачек, B.C. Шестаков. -Заявл 15.02.82 №3390727/03;Опубл. в Б.И. №8 1984; М. кл.3Е02 F3/22.-УДК621.879.34.
