Развитие теории динамических и тепловых процессов в силовой гидрообъемной установке карьерного комбайна Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

© А.А. Грабский, 2012

УДК 622.232 (043.3) А.А. Грабский

РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ ДИНАМИЧЕСКИХ И ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В СИЛОВОЙ ГИДРООБЪЕМНОЙ УСТАНОВКЕ КАРЬЕРНОГО КОМБАЙНА

Рассмотрена проблема повышения эффективности работы карьерных комбайнов со шнекофрезерным рабочим органом и показываются возможные пути ее решения, основанные на развитии теории динамических и тепловых процессов в системах силовой гидрообъмной установки карьерных комбайнов. Впервые разработана математическая модель взаимодействия шнекофрезерного рабочего органа комбайна со слоем снимаемой породы, учитывающая действие виброреологического эффекта, возникающего в зоне контакта шнека с породой. Дается описание эффекта от разработанной инновационной конструкции гидрообъемной силовой установки комбайна с гидроимпульсным приводом рабочего органа и с системой автоматического поддержания требуемого теплового режима гидропривода в условиях сезонного и суточного колебаний температуры окружающей среды.

Ключевые слова: карьерный комбайн, гидрообъемная силовая установка, динамические и тепловые процессы.

~П РФ и СНГ ведется непрерывный поиск и внедрение в про-

АД изводство технологий с новым оборудованием высокого технического уровня, значительно повышающего эффективность горных работ. Однако первый опыт эксплуатации карьерных комбайнов с дизель-гидрообъемной силовой установкой также показал их недостаточно - высокую производительность при выемке породных пластов различной мощности дискретными порциями. Это объясняется тем, что техническая производительность карьерного комбайна при заданных его конструктивных и энергетических параметрах зависит не только от технологических, но и от виброреологических параметров, а также от эффективности работы тепловой системы кондиционирования рабочей жидкости в условиях сезонного и суточного диапазонов колебаний температуры от отрицательных до положительных значений.

Таким образом, увеличение объемов и расширение номенклатуры добычи полезных ископаемых может быть достигнуто на основе модернизации и создания перспективных образцов комбайнов непрерывного действия, эксплуатирующихся на месторождениях РФ и государств СНГ с системами гидрообъемной силовой уста-

новки нового технического уровня. Это требует поиска новых инженерных решений на основе теоретических и экспериментальных изысканий с учетом достигнутого уровня теории и практики моделирования динамических и тепловых процессов. Поэтому развитие теории динамических и тепловых процессов в системах силовой гидрообъемной установки карьерных комбайнов, эксплуатирующихся на карьерах, расположенных в районах с резко континентальным климатом, является актуальной научной проблемой.

Исследования закономерностей формирования сил сопротивления при разрушении породного массива шнекофрезерным органом осуществлялось следующим образом: траектории взаимодействия вооружения у шнекофрезерного карьерного комбайна с породным массивом образуются в результате сочетания его поступательного движения со скоростью - W и вращательного движения шнека со скоростью - ( . При постоянном отношении скоростей комбайна и относительного вращения шнека эти траектории представляются удлиненными циклоидами (трахоидами - рис. 1), показанными на участке взаимодействия с забоем (кривая 1). За время одного оборота РО некоторая точка на режущей кромке шнека, двигаясь по траектории - 1 с относительной угловой скоростью -( , переместится из положения - А1 в положение - А2 и далее в положение Аз. За то же время шнекофрезерный орган переместится из положения- I в положение- II, пройдя путь - S0 с переносной

скоростью - W. Перемещение - S0 соответствует одному рабочему циклу зуба шнека. Траектории движения режущих элементов в шнеке представляются идентичными кривыми, расположенными в плоскости рисунка 1, причем траектория - 2 образуется с опережением траектории - 1. После прохода вооружения по всей дуге забоя, оно отделит элемент грунта ограниченный линиями 1 и 2. Толщина стружки - С в плоскости рис. 1 в любом положении точки А вооружения определится отрезком нормали к линии - 1 заключенным между последней и линией - 2. В этой главе установлены основные кинематические особенности и закономерности процесса выемки породы шнекофрезерным рабочим органом (РО) карьерного комбайна: -подача шнека на один радиан; - средняя толщина стружки; - угол контакта витка шнека со слоем породы и сечение стружки в горизонтальной плоскости приведенные на рис. 1.

Траектории движения вооружения шнеко-фрезерного рабочего органа карьерного комбайна при его вращении: а - по часовой стрелке; б - против часовой стрелки

Подача шнека на один радиан Угол контакта витка шнека со слоем породы

IV с _ Ло - ю , м/рад „ ээ 2/? б Фо = е и 0 . (-^Д

Средняя толщина стружки Сечение стружки в горизонтальной плоскости

ИЪ 8 о

%хОср0 , М со />рм , М

О — диаметр шнека, м; И — высота слоя породы, м;

Ж— скорость движения комбайна, м/с; В — ширина захвата слоя породы, м;

а) - угловая скорость вращения шнека, рад/с

Рис. 1. Кинематические особенности процесса выемки породы шнеко- фрезерным рабочим органом: а - вращение РО по часовой стрелке; б - вращение РО против часовой стрелки

В свою очередь, особенностью процесса фрезерования является переменная толщина стружки, и соответственно усилие на вооружении шнека изменяется в зависимости от его положения на траектории. Определение сил сопротивления породы разрушению производится при следующих допущениях: - внедрение вооружения шнека происходит в изотропный породный массив прочностью о=сотР, - под действием сжимающих напряжений перед вооружением шнека образуется ядро диспергированной породы. Под действием сдвигающих напряжений, появляющихся от сил действующих перпендикулярно плоскости вращения шнека, выдавливание породы в свободное пространство между забоем и обечайкой шнекофрезерного органа.

В процессе выемки слоя породы на шнекофрезерный орган действует сила реакции забоя которую можно определить по двум ее ортогональным составляющим - Ft, направленной по касательной к окружности обечайки шнека и равной окружному усилию и нормальной составляющей - Fn , направленной по радиусу к оси окружности обечайки шнека. (Схема сил, действующих на шнекофрезерный рабочий орган карьерного комбайна при его вращении по часовой стрелке, приведен на рис. 2).

Сегодня, вопросы трения шнекофрезерного органа, возникающего при его работе, практически мало освящены в технической литературе. Сложность учета сил трения, возникающих в резьбовом соединении «винт-гайка», впервые была установлена Н.Е. Жуковским.

Если в резьбовом соединении «винт-гайка», рассмотренном подробно Н.Е. Жуковским, условно принять за неподвижный «винт» - шнек, а за подвижную «гайку»- горную массу (породу) отделенную шнеком, то при допущении, что распределение нагрузки между витками шнека равномерно, можно достаточно точно установить силовые соотношения в паре трения «шнек-порода». Для аналитического определения момента трения при транспортировании горной массы вдоль оси вращения шнекофре-зерного органа рассмотрим силы, действующие на породу при ее взаимодействии с винтом шнека (см. рис. 3). Под действием осевой силы - Fy виток шнека воздействует на породу (условно непоказан-ную на рис. 3), последняя прижимается к витку с нормальной силой - N В направлении противоположном

Рис. 2. Схема сил, действующих на шнеко-фрезерный рабочий орган карьерного комбайна при его вращении по часовой стрелке

Вид Б

я/2

■А

Зона контакта витка шнека с* породой

К, =

Соя

Сила инерции слоя породы Сила сдвига слоя породы

^ _ в у И Ж | г (а V

-- — 1

я Б а 1 ч 2я )

у - удельный вес породы, Н/м3; / - шаг винтовой линии витка шнека, м; 2 - число заходов витка шнека, ед;

вы¥ <о£>?£(Х

_ Bhw у _

н

у ((а ^ 2zkao g 12п) tga

н

Осевая сИЛа сопротивления вращению шнека ка - отношение прочностей породы

при её сдвиге и сжатии; а - угол наклона винтовой линии шнека, рад.

Рис. 3. Схема сил действующих на породу при ее транспортировании шнеко-фрезерным рабочим органом карьерного комбайна (Вид Б)

вращению, в зоне контакта витка шнека с породой, возникает сила трения - Fш. Что касается осевой силы - Fy, то она определяется, как сумма силы инерции слоя породы- F^, препятствующей его перемещению и силы- Fcд, сдвигающей слой вдоль продольной оси шнека:

Fy = FI + FcД, Н

В свою очередь определено, что величина силы сопротивления движению карьерного комбайна - Fx существенно зависит от направления вращения шнекофрезерного рабочего органа. Наименьшее значение силы сопротивления движению комбайна соответствует направлению вращения его рабочего органа по часовой стрелке при фрезеровании связанных пластичных пород, а наибольшее - против часовой стрелки при фрезеровании крепких хрупких пород.

Анализ всех сил действующих при разрушении породного массива шнекофрезерным органом позволил установить закономерности формирования моментов сопротивления при: - вращении шнека; - транспортировании породы шнеко - фрезерным рабочим органом; -преодолении инерции слоя породы и при её сдвиге (см. рис.

4).

При этом установлено, что: - момент сопротивления при разрушении слоя породы шнекофрезерным рабочим органом прямо пропорционально зависит от прочности породы- о, высоты- h и ширины-В слоя и величины отношения скорости движения- W карьерного комбайна к скорости вращения шнека- ( и обратно пропорционально от угла контакта витка шнека - рис 3,4. фо со слоем фрезеруемой породы; - момент сопротивления трению - МТ при выемке слоя породы шнекофрезерным органом, прямо пропорционально зависит от прочности породы- о , высоты- h и ширины-В слоя, эффективного коэффициента трения породы о шнек-f ,отношения нормальной составляющей реакции к её касательной

составляющей - ¥ и величины отношения скорости движения- W карьерного комбайна к скорости вращения шнека- ( и обратно пропорционально от угла контакта витка шнека- фо со слоем фрезеруемой породы.

На следующем этапе были проведены исследования взаимодействия шнекофрезерного рабочего органа с породой в зоне фрикционного контакта.

Полный момент сил сопротивления

Мс=Мт+МР

Момент сил сопротивления трению Момент сил необходимый ( \ для разрушения слоя

Мт = f о

BhW

(11ш

¥ 2zkо — +-0-

Полный момент сил сопротивления

( М

породы

вы¥

Мп = о

BhW

МР =а -

*0(11ш

™ПшФо

1 + Г

/— коэффициент трения шнека о породу; а^ — угол трапециидальности профиля витка шнека, рад; "Чш - общий КПД трансмиссии привода шнеко-фрезерного органа.

Рис. 4. Моменты сопротивления действующие на шнеко-фрезерный рабочий орган при его вращении

Известно, что эффективность работы карьерного комбайна со шнекофрезерным рабочим органом зависит от многих взаимосвязанных между собой факторов. Считается, что карьерный комбайн, являясь, машиной непрерывного действия, при отработке породного пласта в общем случае имеет техническую производительность в плотном теле равную:

ПТ =3,6 -103 ВИЖ , м3/час (1)

Естественно, что выражение (1) хотя и учитывает некоторые конструктивные ([ В ],[ И ]) и косвенно энергетические параметры (Ж) комбайна, практически не позволяет установить величину производительности при различных значениях, например, высоты слоя породы- И, ее прочности- о , установленной мощности силовой установки комбайна, а также приёмов работы машиниста-оператора при фрезеровании слоя породы.

Поскольку различные типы и типоразмеры карьерных комбайнов имеют разные установленные мощности приводов вращения шнекофрезерного органа и хода, нами предлагается производительность карьерного комбайна - Пту со шнекофрезерным рабочим органом определять на единицу суммарной установленной мощности приводов вращения и подачи.

гг 1 м3/с

ПТу _-,-'— (2)

НЖ Ват

Наибольший для практики эксплуатации карьерного комбайна представляет случай, когда под воздействием вибрации в электро-гидро механической системе привода вращения шнекофрезерного органа, ее поведение резко изменяется. Характерной чертой виброреологических констант (модулей упругости, коэффициентов сухого трения, вязкости и т.п.) является их существенная зависимость от вибрации. Следует отметить, что такую характеристику, как эффективный коэффициент сухого трения

/э _ //^^тМ, (3)

который существенно зависит от параметров колебаний шнека в плоскости его вращения (ин, иотн -мгновенных скоростей нормальных колебаний и скольжения породы относительно витка шнека в зоне его контакта с породой, как виброреологическое)

Рис. 5. Зависимость относительного снижения эффективного коэффициента трения -/э от величины отношения скоростей - Ьотн/ ин

нельзя отождествлять с истинным коэффициентом трения Амонто-на-Кулона - f Зависимость относительного снижения эффективного коэффициента трения от величины отношения скоростей °отн /°н , анализ, которого выполнен нами в работе , показал, что можно выделить «зону существенного изменения виброреологического эффекта», характеризуемую снижением эффективного коэффициента трения на 68 % (с 0,55 до 0,16) в диапазоне отношения скоростей 0 < оотн /он < 3 (рис. 5).

Результаты моделирования удельной технической производительности (системы уравнений приведенной на рис. 6) для карьерного комбайна MTS - 250 фирмы «MAN TAKRAF» (D =1,6 м) в зависимости от высоты фрезеруемого слоя- h для прочности породы amin =10 МПа и атах =50 МПа (фосфоритовое Джерой-Сардаринское месторождение, Республика Узбекистан); при различных значениях эффективного коэффициента трения - f породы о шнек приведены на рис. 6.

Анализ выполненных аналитических исследований (моделирование системы уравнений см. рис. 6) свидетельствует, что:

Пт =

ТУ

и -п

1ш

а,.

1 + + lzka%j Cos -2- - tga

+ (1 + f) Х(%,

f = f [ 1 + -02L ] ^ ,0 < 3;

э V VH

2 2

Х(%-= Cos3% 3

1

— КПД привода шнеко-фрезерного РО.

ка— отношение прочностей породы при ее сдвиге и сжатии

z — число заходов шнеко-фрезерного РО.

2JV

° — г. — безразмерный коэффициент.

сoU

Рис. 6. Результаты моделирования удельной технической производительности для карьерного комбайна MTS-250 фирмы «MAN TARKRAF» (D=16 м) в зависимости от: высоты фрезеруемого слоя (h); прочности породы (о); эффективного коэффициента трения(f,)

- для связанных пластичных пород (о=10 МПа; ¥=0,6;

ко=0,33) при уменьшении эффективного коэффициента трения - /э

с 0,55 до 0,11 удельная техническая производительность увеличивается в 2,15 раз при высоте фрезеруемого слоя породы h = 0,08 м. и в 3,2 раза при высоте фрезеруемого слоя породы h=0,72 м;

- для крепких хрупких пород (о=50 МПа; ¥=0,3; кс=0,15) при уменьшении эффективного коэффициента трения - /э с 0,55 до 0,11 удельная техническая производительность увеличивается в 1,6 раз при высоте фрезеруемого слоя породы h = 0,08 м. и в 2,4 раза при высоте фрезеруемого слоя породы h=0,72 м (рис. 6).

Для проверки полученных результатов аналитических исследований следует их апробировать экспериментально, оценить их корректность и точность. Для этого в 2005-06 гг. проводились экспериментальные исследования на одном из двух карьерных комбайнов, эксплуатирующихся на участке по добыче фосфоритов «Ташкура» НГМК.

Анализ современных схем гидрофицированного горного оборудования показывает, что охладитель может быть интегрирован в систему «гидробак-охладитель» в трех вариантах:

- первый вариант, когда охладитель - О устанавливается в нагнетательный линии системы «гидробак-охладитель», т.е. вход охладителя - О соединяется с нагнетательной линией насоса подпитки - Нт, (рис. 7, а);

- второй вариант, когда охладитель - О устанавливается в дренажной линии системы «гидробак-охладитель», а РЖ от насоса подпитки поступает непосредственно на вход нагнетательного фильтра - ФН, (рис. 7, б);

- третий вариант, когда охладитель - О установлен в системе «гидробак-охладитель» параллельно гидробаку, а РЖ от насоса подпитки подается непосредственно на вход нагнетательного фильтра - ФН, (рис. 7, в).

Что касается третьей схемы рис.. 7, в то здесь следует отметить, что при работе в холостом режиме, РЖ посредством насоса подпитки - Нт через обратный клапан - КО, дренажный фильтр -ФД, гидробак и охладитель - О поступает во всасывающий коллектор, непрерывно фильтруя и охлаждая РЖ.

Показано, что установка обратного клапана между нагнетательным и дренажным коллектором позволяет снизить динамику

тепловой нагрузки на РК при снижении уровня технологического нагружения, а также при переходе с одного режима работы РК на другой с одновременным уменьшением грязи потока через нагнетательный фильтр. Таким образом, для климатических условий эксплуатации карьерного комбайна в диапазоне температуры окружающей среды от ^вкл.р. до 450С температурные диапазоны работы охладителя для схем системы «гидробак-охладитель» (см. рис.7, а, б) - практически идентичны. При этом вязкостно-температурная характеристика РЖ как при отключенном, так и при включенном охладителе имеет ярко-выраженный нелинейный характер во всем диапазоне температур окружающей среды.

Анализ зависимости относительной температуры на входе в РК - tVt°n; от температуры окружающей среды - t0o (см. рис. 7, в) показывает, что температура включения, охладителя, и соответственно диапазон его работы идентичен схемам приведенным на рис. 7, а, б, но в отличие от означенных схем температура РЖ на входе в силовой РК в диапазоне температуры окружающей среды от (температуры включения радиатора) Лкл.р. до 450С может оставаться постоянной.

При этом вязкостно-температурная характеристика РЖ (см. рис. 7, в) при отключенном охладителе имеет ярко-выраженный нелинейный характер в диапазоне температур окружающей среды от -15 0С до ^вкл.р., а при включенном охладителе остается постоянной в диапазоне от ^вкл.р. до 45 0С.

Здесь, следует отметить, что коэффициент - k& (характеризующий долю тепловой мощности поглощенной баком) для конкурентных схем имеет только одно значение определяемое по формуле (см. рис. 7, в) а коэффициент - kQ (характеризующий долю потока РЖ подводимой к гидробаку) для схемы с охладтелем в линии параллельной гидробаку может варьироваться в пределах от 0 до 1. Причем, его значение равное единице соответствует работе системы «гидробак-охладитель» с отключенным охладителем, а значение равное нулю соответствует работе системы с отключенным баком.

Анализ этой зависимости - kQ (см. рис. 7) свидетельствует, что если известны: - максимальная допустимая температура РЖ; - максимальная температура окружающей среды; - доля генерируемой в РК тепловой мощности поглощенной в гидробаке- ke, то при оснащении датчиками для непрерывной регистрации температуры установ-

ленными в дренажном коллекторе (;0д) и вне машины (t0o), а также датчика положения исполнительного механизма регулятора потока -Д (kg), можно непрерывно и автоматически поддерживать температуру на входе в силовой РК на уровне не выше максимально допустимой температуры РЖ. То есть поддерживать оптимальную вязкость РЖ. Это может быть достигнуто регулированием дренажного потока посредством регулятора потока - Д(^) в соответствии с регулировочной характеристикой дренажного потока - kg (см. рис. 7).

В качестве регулятора потока - Д (kg), нами предлагается гидравлическая машина с регулятором объема рабочих камер, причем ее вал должен быть кинематически связан с валом ДВС.

Основные выводы:

1. Момент сопротивления трению при выемке слоя породы шнекофрезерным органом МТ, прямо пропорционален прочности породы и , высоте h и ширине слоя B , эффективному коэффициенту трения породы о шнек отношению нормальной составляющей реакции к её касательной составляющей ¥ и величине отношения скорости движения карьерного комбайна W к скорости вращения шнека с и обратно пропорционален углу контакта витка шнека фо со слоем фрезеруемой породы.

2. Величина силы сопротивления движению карьерного комбайна Fx существенно зависит от направления вращения шнекофрезерно-го рабочего органа. Наименьшее ее значение соответствует направлению вращения рабочего органа по часовой, а наибольшее - против часовой стрелки.

3. Техническая производительность карьерного комбайна ПТ при заданных его конструктивных (W, D ) и энергетических (Nm,Nx,цх) параметрах не линейно зависит не только от технологических (n,ç0,y, А(^0,^)), но и от виброреологических (с ±Ас, f ) параметров.

Установлена зависимость относительного снижения эффективного коэффициента трения от величины отношения скоростей VomH / VH

и определена «зона изменения виброреологического эффекта», характеризуемая снижением эффективного

Рис. 7. Температурный режим работы системы кондиционирования РЖ гидрообъемной силовой установки карьерного комбайна MTS250 с охладителем: а- в нагнетательной линии насоса подпитки; б- в дренажной линии; в- с охладителем в линии, параллельной гидробаку

коэффициента трения на 68 % (с 0,55 до 0,16) в диапазоне отношений скоростей 0 < vomH/VH < 3.

4. Установлено, что: - схему с охладителем в линии, параллельной гидробаку, следует считать наиболее предпочтительной для условий работы карьерного комбайна в районах с жарким климатом, поскольку она обеспечивает эффективную температурную адаптацию гидрообъёмной силовой установки комбайна к температуре окружающей среды практически без перепадов температуры рабочей жидкости во всём положительном диапазоне рабочих температур; - схемы с охладителем в нагнетательной линии насоса подпитки или с охладителем, установленным в дренажной линии гидрообъемной силовой установки, следует признать конкурентоспособными только для условий работы комбайна в районах с холодным климатом.

--СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кантович Л.И. Влияние конструктивных, технологических и виброреологических параметров на производительность карьерного комбайна со шнеко-фрезерным рабочим органом / Кантович Л.И., Грабский А.А. // Горное оборудование и электромеханика №1, ООО «Издательство «Новые технологии», 2009, С 5-11.

2. Грабский А.А. Анализ тепловых потоков рабочей жидкости в линии низкого давления регулирующего контура гидрообъемной силовой установки карьерного комбайна // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), выпуск 11. - М.: Изд-во МГГУ, 2009. С 217-222.

3. Грабский А.А. Моделирование параметров системы кондиционирования рабочей жидкости гидрообъемной силовой установки карьерного комбайна различной структуры. // Горный информационно-аналитический бюллетень(научно-технический журнал), выпуск 11. - М.: Изд-во МГГУ, 2009. С. 223-231.

4. Грабский А.А. Аналитическая модель производительности карьерного комбайна со шнеко-фрезерным рабочим органом. // Материалы Международной научно-технической конференции «Современные техника и технологии горнометаллургической отрасли и пути их развития». Навои (Республика Узбекистан), 12-14 мая 2010. С. 178-179. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Грабский Александр Адольфович - отдел аспирантуры и докторантуры, Московский государственный горный университет, ud@msmu.ru