CC BY
117
----------------------------------------------- © В.Г. Кудрявцев, 2006
УДК 622.232.3 В.Г. Кудрявцев
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПНЕВМОМОЛОТОВ ДЛЯ КОВША АКТИВНОГО ДЕЙСТВИЯ
Семинар № 20
ту ыемка полезного ископаемого из
.О массива при открытом способе разработки может осуществляться с использованием различного добычного оборудования, среди которого весьма существенную часть занимают одноковшовые экскаваторы. Однако область их применения ограничивается прочностными свойствами разрабатываемой породы. При пределе прочности породы на сжатие стсж
£ 20 МПа требуется проведение буровзрывных работ, которые отрицательно влияют на экологическую обстановку (выброс пыли, газов, сейсмическое воздействие) и приводят к простою выемоч-но-погрузоч-ного оборудования. Кроме того, в некоторых случаях проведение буро-взрывных работ может оказаться недопустимым. Выходом из подобных ситуаций может быть использование экскаваторов с ковшом активного действия (рис. 1).
Применение ковшей активного действия (рис. 2) с установленными в кожухах передней стенки пневмомолотами (рис. 3) позволяет получить в импульсе на лезвии ударного зуба усилия до 4500 кН и более [1]. Эти значения на порядок превышают показатели современных гидравлических экскаваторов аналогичного класса и позволяют значительно расширить технологические возможности и область применения одноковшовых карьерных экскава-торов-мехлопат.
В табл. 1 представлены некоторые характеристики горных пород (по данным геологических служб карьеров) и значения средней эксплуатационной производи-
тельности экскаваторов на карьерах, где проводились исследования экспериментальных образцов ковшей активного действия (Антоновское рудоуправление и Жайремский ГОК) или эксплуатировались первые экскаваторы ЭКГ-5В.
В последних вариантах ковша активного действия экскаватора ЭКГ-5В применялись пневмомолоты, основные характеристики которых приведены в табл. 2.
Энергетические характеристики указанных пневмомолотов являются недостаточными. Результаты проведенных экспериментальных исследований и опыта эксплуатации экскаваторов ЭКГ-5В [2] показывают, что для эффективной разработки горных пород прочностью от 80 до 100 МПа удельная энергия удара на лезвиях ударных зубьев должна быть повышена ориентировочно до 20.0 - 25.0 кДж/м. В [3] отмечается, что при таких значениях удельной энергии удара и использовании качественных современных сталей еще могут быть обеспечены приемлемые удельные нагрузки и удовлетворительный срок службы ударных зубьев (50 - 70 тыс. м3 горной массы до их предельного износа).
В то же время для обеспечения скорости копания ковша активного действия, равной 0.9-1.1 м/с, что соответствует номинальной скорости подъема ковша экскаваторов ЭКГ-5А и ЭКГ-12, частота ударов в применяемых ударных устройствах должна составлять 8 - 12 Гц [2].
Рекомендуемые энергетические параметры ударных устройств ковшей
Рис. 1. Общий вид экскаватора ЭКГ-5В
Рис. 2. Общий вид ковша активного действия экскаватора ЭКГ-5В
Наиболее пригодны для использования в экскаваторных ковшах активного действия пневмомолоты с золотниковой, беззо-лотниковой и комбинированной системами воздухораспределения. Упоминания пневмомолотов большой мощности (порядка 15 кВт и более) с другими типами воздухораспределения в литературе не встречаются.
Пневматические ударные машины с золотниковым распределением (рис. 4) помимо трущейся пары ствол - ударник содержат пару трения золотник - золотниковая коробка. И если требования, предъявляемые к точности изготовления и качеству трущихся поверхностей ствола и ударника являются одинаковыми для машин одного типоразмера, то для золотника
активного действия для разработки пород повышенной крепости приведены в табл. 3. Обоснование требуемых энергетических параметров приводится в [3].
Рис. 4. Схема пневмоударной машины с золотниковой системой воздухораспеделения: 1 - ударник, 2 - ствол, 3 - золотник, 4 - золотниковая коробка, 5 - инструмент, 6 - камера обратного хода, 7 - камера рабочего хода, 8 - выхлопные каналы.
и золотниковой коробки требования по точности и качеству довольно высоки. Кроме того, золотниковые машины имеют в стенках ствола протяженные каналы для подвода сжатого воздуха к рабочим камерам. Процесс глубокого сверления, которым выполняют эти каналы, связан с определенными технологическими трудностями, а существенная протяженность и небольшая площадь поперечного сечения каналов создают предпосылки к увеличению сопротивления всего воздухоподводящего тракта.
Наиболее простыми по своей конструкции являются пневматические ударные машины с беззолотниковым распределением (рис. 5). Единственной рабочей парой трения у них является сопряжение ударника со стволом. Однако, для подвода энергоносителя к рабочим камерам также необходимы каналы в стволе, и тогда проявляются недостатки, присущие золотниковым машинам, или каналы в ударнике, что также является негативным моментом. Кроме того, поскольку управление впуском и выхлопом энергоносителя осуществляется самим ударником, величина габа-
ритного хода последнего определяется расположением отсечных
Таблица 2
Основные характеристики пневмомолотов ковша активного действия экскаватора ЭКГ-5В
Параметр Пневмомолот
ПК1700 ПК 2/12М1
Воздухораспределение золотниковое комбинированное
Рабочее давление, МПа 0,6 0,6
Энергия удара, Дж 1700 2060
Частота ударов, с-1 6,5 6,5
Мощность, кВт 11,05 13,33
4 1 8 2 8 3
Рис. 5. Схема пневмоударной машины с беззолотниковой системой воздухораспределения: 1 - ударник, 2 - ствол, 3 - задняя гайка, 4 - букса, 5 - инструмент, 6 - камера обратного хода, 7 - камера рабочего хода, 8 - выхлопные каналы
кромок. По этой причине получение большого габаритного хода, а, следовательно, и высокой энергии удара затруднено. Еще одним недостатком пневматических ударных машин с без-золотниковым воздухораспределением является большое противодавление в рабочих камерах, что создает тенденцию к уменьшению энергии удара. Снижение противодавления возможно
за счет увеличения «паразитного» объема рабочих камер, но в этом случае падает экономичность машины и ухудшаются ее удельные показатели.
Главным недостатком машин с клапанным распределением (рис. 6) является наличие непроизводительного расхода сжатого воздуха, обусловленного ситуациями, когда в момент перекидки клапана магистраль через рабочую камеру напрямую сообщается с атмосферой. В связи с этим происходит снижение экономичности машины (удельный расход энергоносителя порядка 1,5 м3/минхкВт).
Таблица 1
Показатели эксплуатации экскаватора ЭКГ-5В и экспериментальных образцов ковшей активного действия
Показатели экс- Предприятия
плуатации Карьер «Гремя-чевнеруд», Нижегородская область Полотнянозаводское карьероуправление, Калужская область Афанасьевский карьер, Московская область Майкюбенский разрез, Казахстан Антоновское рудоуправление, Кемеровская область Жайремский ГОК, Казахстан
Разрабатываемые породы Доломит с карстовыми прослоями Известняк с прослоями мергеля и глины Мергель с прослоями известняка и доломитов Уголь с прослоями породы Кварцит Свинцовоцинковая руда
Предел прочности на сжатие <гсж, МПа 18 - 157 28 - 160 40 - 60 15 - 30 15 - 120* 132 - 151 60 - 120
Категория по трещиноватости, к II IV II, III II V III
Общий показатель трудности разрушения породы П 4 - 5 9 - 10 6 - 7 3 - 4 13 - 14 5 - 6
Суммарная ударная мощность пневмомолотов ХМ кВт 35,7 35,7 35,7 35,7 35,7 35,7
Средняя эксплуатационная производительность Q1, м3/ч 275 95 190 240 40 155
*предел прочности на сжатие породных прослоев
Таблица 3
Расчетные энергетические параметры ударныш устройств и производительность экскаваторов с ковшом активного действия
Наименование параметров Единица измере- ния Значения параметров
ЭКГ-5 В ЭКГ-12В
Удельная энергия удара, А Дж/см 200 250 200 250
Частота ударов, п Гц 8 12 8 12 8 12 8 12
Ширина лезвия ударного зуба мм 170 220
Энергия единичного удара кДж 3.40 4.25 4.40 5.50
Мощность молота кВт 27.2 40.8 34.0 51.0 35.2 52.8 44.0 66.0
Количество молотов в ковше шт 3 4
Суммарная ударная мощность молотов в ковше кВт 81.6 122.4 102.0 153.0 140.8 211.2 176.0 264.0
Фактическая техническая производительность экскаватора при А=100 Дж/см, 1 =120-150 МПа м3/ч 50 -
Условная удельная энергоемкость ударного разрушения е при Х1 =100 МПа кВт-ч/м3 0,7
Прогнозная техническая производительность экскаватора при Х1 = 100 МПа м3/ч 120 175 150 220 200 300 250 380
Удельная техническая производительность при Х1 =100 МПа (на 1 м3 вместимости ковша) м3/ч 24 24 30 44 17 25 21 32
Указанный недостаток можно уменьшить, применив комбинированную систему воздухораспределения: для камеры рабочего хода - клапанную, для
Рис. 6. Схема пневмоударной машины с клапанной системой воздухораспределения: 1 - ударник, 2 -ствол, 3 - задняя гайка, 4 - букса, 5 - инструмент, 6 - камера обратного хода, 7 - камера рабочего хода, 8 - выхлопные каналы, 9 - клапан
камеры холостого хода - беззолотнико-вую. Отличительной особенностью этой схемы является наличие дополнительного канала разрядки, связывающего камеру рабочего хода с атмосферой при обратном ходе ударника (рис. 7). Это позволяет существенно снизить противодавление в камере рабочего хода и, следовательно, уменьшить необходимый импульс для обратного хода ударника, т.е. взвести ударник меньшим количеством сжатого воздуха. Данное обстоятельство создает благоприятные предпосылки для снижения как абсолютного, так и удельного расхода энергоносителя, т.е. для повышения экономичности машины.
Как видно, пневмомолоты, выполненные по разным схемам, отличаются степенью сложности и технологичностью конструкции. Для решения вопроса о выборе той или иной схемы воздухораспределе-ния необходимо сравнить технические ха-
рактеристики пневмомолотов, достижимые в одинаковых условиях.
Для сопоставления параметров певмо-молотов различных типов необходимо сравнить их технические характеристики, достижимые в одинаковых условиях. Ниже приведены основные расчетные зависимости для определения энергетических параметров пневмомолотов. Их вывод приводится в [4].
1) Уравнение движения ударника
сС^ = рв - р2в2 ± тд сії т ’
где р1 и р2 - давления, 5'1 и Б2 - площади со стороны камеры рабочего и холостого хода соответственно, т - масса ударника, g -ускорение свободного падения.
2) Уравнение изменения давления в рабочей камере
бр к Г Є ИТ бх
-?— = — х-----------р ---- ,
а х _ в а _
где к - показатель адиабаты, О - массовый расход воздуха, поступающего в рабочую камеру, Я - газовая постоянная, Т - температура воздуха в камере.
5 2
12
Рис. 7. Схема пневмоударной машины с комбинированной системой воздухораспределения: 1 -
ударник, 2 - ствол, 3 - клапан, 4 - клапанная коробка, 5 - инструмент, 6 - камера обратного хода, 7 -камера рабочего хода, 8 - надклапанная камера, 9 - канал подвода сжатого воздуха в камеру обратного хода, 10 - канал подвода сжатого воздуха в надклапанную камеру, 11 - канал разрядки камеры прямого хода, 12 - выхлопные окна
3) Уравнение расхода через воздухопроводящий канал в рабочую камеру (здесь и далее индекс «2» относится к камере холостого хода, индекс «0» - к магистрали)
г х 1 (—2—У-1*/-2д— РоТо ,
кк + 1 V к + 1Н0/0’
при Р2/Р0 < 0,5282,
а
2 дк к -1
сСап_
а
— х СР*.
Ро С
5) Уравнение изменения температуры
Тв рабоче
й камере
Сх
(П ово - Р2 в2 — - П 2в2) -Сі
при Р2/Р0 > 0,5282, где г - коэффициент расхода, / - площадь поперечного сечения впускного канала, р0
- давление воздуха в магистрали, у0 -удельный вес воздуха в магистрали, а0.2 -отношение давления в камере к давлению в магистрали.
4) Уравнение изменения отношения давлений в камере и магистрали
dT2 _ 2^
~СТ _ 3 ИМ
1
_ ((Э0 - ^2) Х Т2 М,
де г - молярная масса газа, М - масса газа, П - количество энергии в одном килограмме газа.
6) Уравнения количества энергии в одном килограмме воздуха:
поступающего из магистрали в камеру
п _ 3ИТ>
0 2М ’
истекающего из камеры (с утечками) dП 2 3 И dT2
сИ ~ 2/и Х dt ’
7) Уравнение координаты ударника
Сх Су ^2ч , _
— _ V , где V _ у0 + (— х t )/ 2 .
0 dt
В приведенных уравнениях движение ударника увязывается с термодинамическими параметрами газа в рабочих камерах, что позволяет получить расчетные результаты близкие к реальным. В табл. 4 приведены результаты расчета пневмомолотов для ЭКГ-5В при давлении 0,6 МПа.
1
3
4
Таблица 4
Энергетические параметры пневмомолотов при давлении 0,6 МПа
Параметры Система воздухораспределения
комбинированная с разрядно-питающим клапаном золотнико- вая беззолотни- ковая
Энергия удара, Дж 2438 2533 2333
Частота, с-1 6,5 5,9 5,45
Мощность, кВт 15,847 14,94 12,7
Расход воздуха:
стендовый*, м3/мин 16,675 13,34 13,97
удельный, 3/мин*кВт 1,05 0,9 1,1
* здесь и далее под стендовым расходом понимается расход воздуха пневмомолотом при его непрерывной работе
Таблица 5
Энергетические параметры пневмомолотов при давлении 1,2 МПа
Система воздухораспределения
Параметры комбинирован- ная золотниковая беззолотнико- вая
Энергия удара, Дж 3356 3113 3211
Частота, с-1 11 12 12
Мощность, кВт 36,9 40 38,5
Погонная энергия на лезвии зуба, Дж/см Расход воздуха: 152,5 141,5 146
стендовый, м3/мин 46,11 36,1 38,63
удельный, м3/мин*кВт 1,25 0,97 1
Из приведенной таблицы видно, что наибольшую мощность в заданных габаритах обеспечивает комбинированная схема с разрядно-питающим клапаном. Однако, расход сжатого воздуха, как стендовый, так и удельный, при использовании этой схемы получается несколько выше, чем у машины с золотниковой схемой воздухораспределения. Максимальная энергия удара может быть получена при золотниковой, а наибольшая частота - при комбинированной схеме. Максимально достижимая мощность молотов не превышает 16 кВт, а частота не
превышает 6,5 Гц, что недостаточно для эффективной работы экскаватора. В связи с этим были проведены расчеты для выбранных схем пневмоударных машин на повышенном давлении (1,2 МПа). Результаты расчетов приведены в табл. 5.
Из табл. 5 видно, что наиболее экономичной, как и при давлении 0,6 МПа, является машина с золотниковой системой воздухораспределения дающая наибольшую мощность. Но в то же время энергия удара для этой машины является наименьшей среди рассматриваемых вариантов.
Таким образом, по результатам анализа конструктивных и технологических особенностей, а также по результатам расчетов, можно отметить следующее:
- наиболее простыми по своей конструкции являются пневмоударные машины с беззолотниковым воздухораспреде-лением, но для них характерны низкие технико-экономические показатели;
- клапанные машины, несмотря на относительную простоту конструкции, имеют весьма существенный недостаток в виде повышенного расхода сжатого воздуха, что потребует установки на поворотной платформе экскаватора компрессора с большей подачей и ресивера большей емкости. Это обстоятельство приве-
1. Зайцев Г.Д., Ческидов В.И., Маттис А.Р., Лабутин В.Н. Безвзрывная технология добычи полезных ископаемых: Состояние и перспективы. Ч. III: Техника для открытых горных работ // ФТПРПИ. - 2004. - №3 .
2. Маттис А. Р., Кузнецов В. И., Васильев Е. И и др. Экскаваторы с ковшом активного действия. Опыт создания, перспективы применения.
- Новосибирск: Наука, Сиб. изд. фирма РАН, 1996.
дет к увеличению габаритов всей поворотной платформы, массы экскаватора, и, как следствие, к удорожанию всей базовой машины;
- золотниковые машины позволяют получить высокие технико-экономические параметры, но являются довольно сложными, как в конструктивном, так и в технологическом отношении;
- по обобщенному критерию «конструктивная сложность - технологичность - достижимые показатели» можно рекомендовать пневмомолоты с комбинированной системой воздухораспреде-ления, несмотря на более высокий удельный расход энергоносителя.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Маттис А.Р., Лабутин В.Н., Ческидов В. И. и др. Обоснование мощности ударных устройств и оценка технических возможностей экскаватора с ковшом активного действия ЭКГ-ЗВ // ФТПРПИ. - 200З. - № З.
4. Кудрявцев В. Г. Моделирование работы ударной части пневмомолота с учетом термодинамических процессов в рабочих камерах // Горный информационно-аналити-ческий бюллетень.
- 2004. - № 2.
— Коротко об авторах
Кудрявцев В.Г. - ИГД СО РАН.
----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
КУЗБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ЛОБУР Ирина Анатольевна Исследование и моделирование электропотребления на угольных шахтах Кузбасса 0З.09.03 к.т.н.
