Повышение технического уровня горных машин на основе внутреннего замыкания рабочих нагрузок Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

СЕМИНАР 8

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 99" МОСКВА, МГГУ, 25.01.99 - 29.01.99

Ю.А. Лагунова, к.т.н., А.П. Комиссаров, к.т.н.,

Уральская государственная горно-геологическая академия

ПОВЫШЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ ГОРНЫХ МАШИН НА ОСНОВЕ ВНУТРЕННЕГО ЗАМЫКАНИЯ РАБОЧИХ НАГРУЗОК

Центральной проблемой горного производства является разработка горной техники нового поколения, обеспечивающей существенное снижение материальных и трудовых затрат.

Для большинства горных машин характерным является отсутствие внутреннего (в пределах рабочего органа) силового замыкания рабочих нагрузок. При этом внешние нагрузки, действующие на рабочий орган, передаются через рабочее оборудование (РО) на металлоконструкцию машины и ее базовый элемент, что определяет низкую эффективность использования машины, в частности, высокую степень нагруженности узлов и деталей, малую надежность, большую массу машины и рост энергозатрат. Так, например, для одноковшовых экскаваторов при теоретической энергоемкости черпания скальных пород порядка 0,1-0,15 кВт-ч/м3 (соответствующей значению удельного сопротивления черпанию) фактическая энергоемкость рабочего процесса экскаватора составляет по данным экспериментальных исследований

0,4-0,6 кВт-ч/м3 . Кроме того, величины внешних нагрузок ограничиваются исходя из устойчивости (силы сцепления) машины. В наибольшей степени такое «ухудшение» показателей проявляется для наиболее распространенного вида выемочно-погрузоч-ного оборудования - одноковшовых экскаваторов, отличающихся большими размерами и значительной единичной мощностью.

С ростом единичной мощности оборудования все большую актуальность приобретают вопросы совершенствования конструктивных схем машин и, главным образом, конструкции РО, непосредст-

венно увязанные с выбором принципа работы машин. Наиболее наглядно взаимосвязи между характером рабочего процесса и конструктивной схемой машины можно проиллюстрировать на примере карьерных экскаваторов. Так, переход с послойного черпания на операцию внедрения ковша в породу позволил получить существенный рост технико-экономических показателей гидравлических карьерных экскаваторов типа ЭГ по сравнению с ЭКГ. Основным преимуществом этих экскаваторов является увеличение вместимости ковша при одинаковой массе машин за счет существенного роста усилий на ковше ввиду возможности реализации горизонтальных (наиболее рациональных с точки зрения энергозатрат) траекторий движения режущей кромки рабочего органа. Однако при крутонаклонных траекториях движения режущей кромки (в частности, при разработке забоя) также будет действовать большой опрокидывающий момент, что обусловливает снижение внешних нагрузок. Кроме того, в процессе внедрения при совместной работе гидроцилиндров ввиду кинематических связей между элементами РО часть гидроцилиндров работает в режиме насоса, что приводит к росту энергозатрат.

В целом, традиционные конструкции горных машин ввиду отсутствия внутреннего силового замыкания характеризуются большими материалоемкостью и энерговооруженностью, а использование машин не позволяет получить существенной экономии материальных и энергетических затрат.

Кардинальное решение проблемы повышения технического уровня горных машин может быть

достигнуто за счет изменения силовой схемы машины. Как известно, силовая схема является рациональной, если внешние нагрузки замыкаются на минимально коротком участке элементами, работающими предпочтительно на растяжение или сжатие.

В ряде конструкций горных машин частично реализуется принцип внутреннего силового замыкания - гидравлические экскаваторы с поворотным ковшом («выламывание» крупных кусков), грейферы и комбайны бурового действия с двумя планшайбами.

В настоящее время разработан ряд принципиально новых технических предложений по конструкциям карьерных гидравлических экскаваторов и рыхлителей, в которых реализуется внутренее силовое замыкание. В схемах РО гидравлического экскаватора внутренее силовое замыкание осуществляется за счет применения механизма замыкания при использовании составной конструкции рабочего органа (рис. 1). Процесс черпания сводится в данном случае к «замыканию» рабочего органа, т.е. стыковке его составных частей. Ввиду замыкания внешних нагрузок в пределах рабочего органа и снижения опрокидывающего момента могут быть значительно увеличены вместимость ковша и максимальный радиус черпания при постоянстве массы экскаватора. За счет интенсивного уплотнения породы в рабочем органе достигается повышение коэффициента экскавации и, соответственно, производительности экскаватора. Кроме того, может быть расширена область применения экскаваторов при работе без предварительного рыхления.

Таким образом, применение рациональных силовых схем в конструкциях горных машин по-

зволит существенно снизить на-груженность машин и, в конечном счете, повысить эффективность применения оборудования.

Для реализации предложенных конструктивных решений по рабочему оборудованию экскаваторов с внутренним силовым замыканием были выполнены следующие задачи.

1. Проведен структурный и функциональный анализ устройства замыкания внешних сил. При

этом были выделены структурные элементы и установлена их иерархия, что позволило установить основные элементы, детальная проработка которых при проектировании позволит добиться наибольшего эффекта.

2. Выявлены основные соотношения между геометрическими параметрами рабочего оборудования и элементами устройства замыкания.

3. Проведен кинематический анализ рабочего оборудования гидравлических экскаваторов с внутренним замыканием. При этом установлены скорости движения штоков гидроцилиндров рабочего оборудования и замыкающего звена, геометрические параметры резания, обеспечивающие эффективное заполнение рабочего органа.

4. Выполнен анализ формирования энергозатрат при замыкании.

© Ю.А. Лагунова, А.П. Комиссаров

Н.В. Савинова, инж.,

Уральская государственная горно-геологическая академия

Расчет на прочность сварных станин конусных дробилок (КСД, КМД)

Конструкция дробилок среднего и мелкого дробления не имела существенных изменений более полувека. За это время практика нашла методы изготовления корпусных деталей удовлетворительной материалоемкости и нужда в теоретических методах расчета не возникала. В процессе развития технологий горного производства происходит модернизация существующих схем дробления в сторону увеличения их функциональных возможностей. Любая интенсификация может привести к изменению силового потока в конструкциях, к перемене характера и величины нагрузок. Вследствие этого становиться актуальной задача разработки теоретических методов расчета корпусных деталей на основе численных методов, с использованием для расчетов современных ЭВМ.

Традиционно корпусные детали конусных дробилок представляют собой отливки из серого чугуна или стали литьевых марок. С развитием технологической базы машиностроения стало возможно изготовление сварных вариантов этих деталей. Несомненным достоинством сварных конструкций является применение материалов с высокими прочностными характе-

ристиками, что приводит к уменьшению ряда геометрических параметров, а вследствие этого снижается общая масса конструкции корпусов. Значительно облегчается необходимая механообработка, так как она производится до соединения деталей в единую сборочную единицу. Несколько дробилок с корпусами такого исполнения было выпущено УЗТМ. Материал сварных станин - Ст3, широко распространенная в машиностроении, имеет высокий предел текучести, пластичная, хорошо сваривается. Однако возникают проблемы связанные с концентрацией напряжений в местах сварных швов.

Расчеты на прочность однотипных литых и сварных деталей будут иметь существенные различия. Наряду с прочностными расчетами ставится задача поиска оптимального решения корпусной конструкции.

Основной численный метод для создания и решения целевой функции F(X) данного алгоритма является метод конечных элементов (МКЭ). Идея МКЭ состоит в создании дискретной математической модели реальной конструкции. Дискретные единицы - конечные элементы представляют собой простые геометрические

фигуры, связанные друг с другом в узловых точках. В настоящее время МКЭ достаточно широко применяется для анализа напряженно-деформированного состояния конструкций.

Технологические параметры цикла измельчения, в котором используется дробилка, определяют цель (рис. 1) создания конструкции корпуса (как и дробилки в целом).

Выбор варианта конструкции подразумевает:

♦ задание ожидаемых геометрических параметров;

♦ выбор материала и описание его свойств (для сварных конструкций наряду с механическими характеристиками большое значение имеют совокупность технологических характеристик определяющих свариваемость);

♦ выбор расчетных схем нагружения и граничных условий (расчетными режимами для конусных дробилок будем считать наиболее напряженные режимы их работы, а именно: пуск дробилки под завалом и прохождение через дробящее пространство недробимого тела);

♦ задание критериев оптимизации (масса конструкции, стоимостные параметры и т.д.) и ограни-