CC BY
50
Секция 5 ТЕОРИЯ, ПРАКТИКА И ИННОВАЦИИ В ОБЛАСТИ СОЗДАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ И ДОРОЖНЫХ МАШИН
УДК 621.879.34(06)
Ю.М. Ляшенко, В.А. Евстратов, А.Ю. Ляшенко РЕЗУЛЬТАТЫ РАЗРАБОТКИ И ИССЛЕДОВАНИЯ КОВШОВОГО РАБОЧЕГО ОРГАНА ДЛЯ ПОГРУЗКИ СКАЛЬНЫХ ГРУНТОВ
Рассмотрена возможность и даны количественные показатели снижения энергозатрат рабочего процесса экскаватора за счет перехода от трения скольжения к трению качения скальных грунтов о днище ковша с устанавливаемыми вращающимися роликами.
Одноковшовый экскаватор, процесс внедрения, ковш, совершенствование конструкции, снижение энергозатрат
U.M. Liashenko, V.A. Evstratov, A.U. Liashenko THE RESULTS OF WORKING OUT AND RESEARCH OF A BUCKET WORKING ORGAN FOR LOADING ROCKY GROUNDS
The possibility is considered and the quantity index of lowering power wastes of the excavator working process at the expense of transition from sliding friction to rolling friction of rocky grounds along the bucket bottom with rotating rollers mounted.
One bucket excavator, the process of inculcation, bucket, perfecting the construction, lowering power wastes
При решении задачи разработки энергосберегающего рабочего оборудования используемой на карьерах техники получены результаты статистических исследований, позволившие установить среднестатистические параметры наиболее востребованного у потребителя оборудования для добычи нерудных материалов. Указанным требованиям в наибольшей мере отвечает гидравлический экскаватор со средней емкостью ковша 2,3 м3 (при колебании 0,65 8 м3), работающий в Ростовском регионе на
погрузке песчаника в карьере со средним значением объема производства 139 тыс. м3/год [1].
Процесс черпания является одной из основных операций рабочего цикла одноковшового экскаватора. Результаты выполненных экспериментально-
теоретических исследований процесса взаимодействия элементов ковша экскаватора с рабочей средой, предусматривавшие в рамках разработанной общей методики реализацию методов: графоаналити-ческогого (метод проф. С.С. Голушкеви-ча), компьютерного и физического моделирования, позволили составить представление о качественной картине исследуемого процесса (рис. 1, 2).
В процессе физического моделирования определены основные
Рис. 1. Экспериментальная установка для физического моделирования взаимодействия элементов ковша с погружаемой средой:
1 - бункер; 2 - поворотная плита; 3 - стойки;
4 - подшипниковые узлы; 5 - видеокамера
физико-механических свойства исследуемого материала с использованием специального комплекса приборов по известным методикам. Для физического моделирования и изучения процесса взаимодействия элементов ковша с погружаемой средой использована экспериментальная установка со стеклянной боковой стенкой, которая позволила получить кинограммы процесса взаимодействия поворотной плиты с рабочей средой.
Рис. 2. Построение зон деформаций сыпучего тела при взаимодействии с элементами ковша: а - графоаналитический метод; б - компьютерный симулятор
Сопоставление площадей зон предельного напряженного состояния рабочей среды при взаимодействии с элементами ковша, построенных с помощью программного продукта, реализующего графоаналитический метод проф. С.С. Голушкевича с зонами, полученными на физической модели свидетельствует об удовлетворительной сходимости результатов
математического и физического экспериментального исследования процесса взаимодействия элементов ковша с рабочей средой [2].
Как показали результаты математического и физического моделирования, снижение энергозатрат процесса внедрения ковша возможно за счет снижения коэффициента трения скальных грунтов о днище путем перехода от трения скольжения к трению качения. Это обеспечивает разработанная конструкция ковша с роликовым днищем (рис. 3) [3].
При создании полноразмерных образцов одноковшовых экскаваторов от правильного определения нагрузок на элементы рабочего оборудования зависят работоспособность конструкции, ее надежность и масса, а также энергоемкость рабочего процесса. Определение фактических значений нагрузок при проведении натурных испытаний экскаватора - процесс трудоемкий, требующий значительных временных и финансовых затрат. Снизить последние при выполнении экспериментальных исследований позволяет разработка и использование физической модели.
Общее построение методики экспериментальных исследований рабочего процесса одноковшового экскаватора на физической модели подчиняется следующим принципам: формулируются цель исследований и решаемые в процессе эксперимента задачи; определяются влияющие на рабочие процессы факторы; устанавливаются значения постоянных и пределы изменения переменных факторов, принятых к исследованию; разрабатываются методы решения поставленных задач и техника обработки получаемых результатов; проектируется конструкция экспериментальной установки.
Рис. 3. Ковш с роликовым днищем:
1 - ковш, 2 - боковые стенки, 3 - днище, 4 - вращающиеся ролики
Экспериментальные исследования рабочего процесса одноковшового экскаватора на физической модели включали рассмотрение следующих вопросов: уточнение механизма взаимодействия с погружаемой средой роликовой поверхности - днища ковша; получение количественных показателей рабочего процесса одноковшового экскаватора.
Физическая модель разрабатывается на базе универсального гидравлического манипулятора, обладающего функциональными возможностями моделирования рабочего процесса одноковшового экскаватора, и выполняется в масштабе 1:3 по отношению к натурному образцу (рис. 2). Линейные размеры физической модели рабочего оборудования экскаватора принимались с учетом моделирования процесса погрузки скальных грунтов с крупностью частиц йср = 180 ^ 250 мм (параметром модели является ширина ковша).
Для оценки влияния коэффициента трения скальных грунтов о днище ковша на энергоемкость процесса внедрения днище выполняется в 3 вариантах (рис. 3): сплошное металлическое, ролики металлические, ролики пластиковые.
Рис. 4. Конструкции экспериментальных ковшей
Полученные при выполнении работы результаты теоретических и экспериментальных исследований (рис. 4) послужили основой для разработки инженерной методики расчета основных конструктивных параметров ковша с роликовым днищем.
Процесс расчета представляет собой последовательность действий, целью которых является технико-эксплуатационная оценка ковша усовершенствованной конструкции.
В качестве постоянных параметров при составлении алгоритма и программы расчета принимаются:
1 - конструктивные размеры базового ковша (В - ширина, м; Ь длина, м; С - угол сопряжения боковых стенок с днищем, град.; С1 - угол отклонения боковой стенки от вертикали, град.; 81 - длина выступающей части днища относительно боковых стенок, м);
2 - технологические параметры, характеризующие процесс внедрения ковша в грунт (£ - глубина внедрения ковша, м; а - угол наклона почвы забоя к горизонту, град.; А - угол наклона передней кромки боковой стенки к почве выработки, град.; Ь - угол наклона днища к почве, град.);
3 - горнотехнических условия процесса погрузки (вид погружаемого грунта; йср - средний размер частиц погружаемого грунта, м; Ншт - высота штабеля, м).
4 - коэффициенты, характеризующие трибометрические свойства рабочей поверхности днища ковша (Аптр - коэффициент трения грунта по днищу базового ковша; к1 - коэффициент трения качения между частицей грунта и роликом; /1 - коэффициент трения скольжения между роликами и их осями).
5 - пределы изменения рассчитываемых размеров роликов и их осей (г^ - максимальный радиус ролика, м; г1шіп - минимальный радиус оси ролика, м).
Расчет осуществляется в следующей последовательности.
1. Определяется коэффициент трения грунта по днищу с роликами:
Ктр = Гкі+УІ^/п
2. Определяется коэффициент Kf, учитывающий улучшение трибометрических свойств рабочей поверхности днища ковша относительно плоской металлической:
К{ = К рТр /К пТр где Кртр - коэффициент трения грунта по днищу с роликами, Кптр - коэффициент трения грунта по гладкому днищу.
3. Определяется сопротивление внедрению в грунт базового ковша 'п вн.к как сумма сопротивления внедрения днища 'вн.днг, которое определяется суммарным сопротивлением ядра уплотнения 'ядг и непосредственно плоскости 'пль и сопротивления внедрения стенок 'вн.ст; в функции от глубины внедрения £г:
'п . = 'п . + 'п . =
~ “ вн.кг “ “ вн.днг 1 “ “ вн.стг
= ('п . + 'п ) + 'п
ядг 1 ““ плг/ 1 ““ вн.стг ч
4. Определяется среднее значение переменных параметров точек рассматриваемой совокупности сопротивления внедрению в грунт базового ковша в заданном интервале изменения хода £г:
вн.к1
Жп = г =1
'' вн.к
5. Определяется сопротивление внедрению в грунт ковша с роликовым днищем 'р вн кг :
'р вн.кг = 'рвн.днг + 'рвн.стг = = ('рядг + К •'„*) + 'рвн.стг,
6. Определяется среднее значение переменных параметров точек рассматриваемой совокупности сопротивления внедрению в грунт инновационного ковша в заданном интервале изменения хода £г:
п
Ж в
2 Жр •
вн.Щ / = 1_________
П
Рис. 5. Укрупненная блок-схема процедуры расчета уровня повышении эффективности процесса погрузки скальных грунтов от использования ковшей с роликовым днищем
5. Выполняется технико-эксплуатационная оценка конструктивного усовершенствования ковша. Уровень повышения эффективности процесса внедрения оценивается удельным показателем:
~Р —,
А
эф”
(1 - Ж вн.к/ Ж вн.к ) ® тах.
Оценка уровня повышении эффективности процесса погрузки скальных грунтов от использования ковшей с роликовым днищем выполнена на примере размерного ряда экскаваторов Е = 0,65 8 м3,
эксплуатируемых в Ростовском регионе. Для возможности сопоставления ковшей разного типоразмера полученные зависимости сопротивления внедрению приводились к единице объема рассматриваемого ковша ' вн. к /Е.
п
п
п
В рамках выполнения данного этапа работы были рассчитаны значения и построены графики зависимости удельного сопротивления внедрению в грунт Wвн.к /Е в функции от глубины внедрения для базовых ковшей с емкостью 0,65 8 м3 и проектируемых на их основе ковшей с роликовым дни-
щем которые показали, что величина удельного сопротивления внедрению ковшей с роликовым днищем существенно меньше, чем у базовых аналогов. При этом с увеличением ёмкости ковша в интервале Е = 0,65 8 м3, показатель эффективности достигает 35% и более, следовательно, технический уро-
вень предлагаемого ковша усовершенствованной конструкции намного выше существующих.
Таким образом, проведенные исследования показали, что использование ковшей с роликовым днищем обеспечит существенное снижение энергозатрат одной из основных операций процесса погрузки нерудных материалов на карьерах - процесса внедрения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ляшенко Ю.М., Ляшенко А.Ю. Статистические исследования оборудования для производства карьерных работ при добыче нерудных материалов в условиях Ростовского региона // Изв. вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2011. № 4. С. 117-120.
2. Ляшенко А.Ю. Моделирование процесса взаимодействия ковша экскаватора с рабочей средой // Изв. вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2012. № 1 С. 35-39.
3. Пат. на полезную модель ЯИ 101 056 и1, МПК Е02Б 3/40 (2006.01). Рабочий орган одноковшового экскаватора / Ю.М. Ляшенко, Е.А. Ревякина, А.Ю. Ляшенко. № 2010128718/03; Заявл. 09.07.2010; Опубл. 10.01.2011, Бюл. №1.
Ляшенко Юрий Михайлович -
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Технология и комплексы горных, строительных и металлургических производств» Шахтинского института (филиала) ЮРГТУ (НПИ)
Yury M. Liashenko -
Dr. Sc., professor, professor of department «Technology and complex mining, construction and steel production» of Shakhty Institute (branch) SRSTU (NPI)”
Евстратов Владимир Александрович -
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Машины и оборудование предприятий стройиндустрии» Шахтинского института (филиала) ЮРГТУ (НПИ)
Vladimir A. Evstratov -
Dr. Sc., professor, head of Department “Machinery and equipment building industry enterprises” of Shakhty Institute (branch) SRSTU (NPI)”
Ляшенко Алена Юрьевна -
аспирант Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института)
Alyona Yu. Liashenko -
postgraduate student of South Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnical Institute)
Статья поступила e редакцию 03.04.13, принята к оnублuкоeанuю 30.04.13
