CC BY
1
Journal. 1984. Vol. 85. N4. P. 46-59.
5. Muller G. Shenkung der betriebsconsten im Festgesteein - Tagebau durch Einsatz von Brecher-Band System // Fordern und heben.1986. Bd. 36. N 8. S. 556-559.
6. Engineering Contractors // Mining Magazin. 1998. Vol. 179. N 2. P. 75.
7. Marek T.M. In-Pit Crushing and Conveying-Mine Planning and Operations // Skil-lings Mining Review. 1985. Vol.74. №22. P.6-10.
8. Utley R. W. "In-Pit Crushing," in SME Mining Engineering Hand-book // 3rd ed. P.Darling, Ed. Society for Mining, Metallurgy and Exploration, 2011. pp. 941- 957.
9. Londono J. G., Knights P., Kizil M. "Review of In-pit Crusher Con-veyor (IPCC) application," in 2012 Australian Mining Technology Conference-ence. 2012. p. 63-82.
10. Crushing and reloading plant: pat. 2168631 RF, No. 98100368/03; application. 05.01. 98; publ. 10.06.01. Bul. No. 16. 3 p.
11. Chirkin A.A., Kantemirov V.D. Technological aspects of the operation of mobile crushing and reloading plants in open-pit mining // Heavy engineering. 2003. No. 8. pp. 28 -32.
УДК 621.879.323
ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МЕХАНИЗМА
ШАГАНИЯ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПЕРЕДВИЖЕНИЯ ЭКСКАВАТОРА -ДРАГЛАЙНА
Н.М. Суслов, С.А. Чернухин, О.А. Лукашук, М. Д. Лукашук
Рассматривается трехопорный механизм шагания с гидравлическим приводом, которым оснащают мощные экскаваторы-драглайны, являющиеся основным оборудования при добыче угля открытым способом. Представлены результаты аналитических исследований влияния геометрических параметров механизма шагания на основные показатели механизма шагания, такие как скорость перемещения экскаватора-драглайна и величина шага.
Ключевые слова: экскаватор-драглайн, угольный разрез, механизм шагания, гидропривод, размер шага.
Разработка угольных месторождений, невзирая на сланцевую революцию, внедрение возобновляемых источников энергии и применение атомной энергии являются одними из главных направлений по добыче сырьевых энергоресурсов, так, на 2020 год доля потребления угля в совокупном мировом потреблении энергии составляет 27 % (рис.1) [1].
Основным потребителем угля в мире на 2021 год стал Китай, потребность в угле которого составляет 4,102 Мт в год, что составляет 51% от общемирового потребления [1]. Китай является лидером по вводам новых мощностей угольных тепловых электростанций (ТЭС), он обеспечивал от 50 до 90 % глобальных вводов ежегодно в течение 2006 - 2018 гг. За период с 2006 г. по июль 2018 г. Китай и Индия обеспечили 85 % вводов угольной генерации в мире (более 870 ГВт).
Природный газ | Электроэнергия Биомассы Теплоэнергетика
Рис. 1. Доля в мировом совокупном потреблении энергии в 2021 году
Европа на данный момент насчитывает порядка 300 активно эксплуатируемых электростанций с угольными энергоблоками. Данная статистика позволяет сделать заключение об отсутствии снижения спроса на уголь как топливо, следовательно, в ближайшем будущем не предвидится сокращения объемов добычи.
Согласно исследованиям [2] доля угля в мировой генерации электроэнергии в 2021 году вновь начала расти, достигнув 36 %. Производство электроэнергии на основе угля составило рекордные 10,244 тераватт-часов.
В 2022 году угольный рынок обновил эти рекорды. По предварительным оценкам МЭА, спрос на уголь в 2022 году вырос на 1,2 % до нового исторического рекорда в 8,025 млрд метрических тонн. Добыча также достигла нового исторического максимума в 8,3 млрд метрических тонн
[3].
Угольная генерация электроэнергии в мире в 2022 году также поставила новый рекорд, увеличившись на 1,5 % до 10,3 тераватт-часов.
Таки образом прогнозируется рост объемов угольной генерации в Китае, Индии, России, Южной Корее, Малайзии, Индонезии и Вьетнаме. Страны, в которых угольная генерация будет уменьшаться - США, Германия, Польша, Япония, Турция, ЮАР, Австралия. В результате по 14 странам выработка возрастет на 22 % [2, 4].
Как правило, основной объем добычи угля приходится на открытый способ. На открытые разработки угля приходится порядка 68 %. Открытая разработка обладает рядом преимуществ: высокая производительность, низкая себестоимость угля и относительно высокая безопасность проведения горных работ, наличие таких преимуществ достигается за счет отсутствия ограничений по мощности и габаритам машин, используемых на угольных разрезах. К таким крупногабаритными машинам, применяемыми
при ведении вскрышных работ и выемке угля можно относят мощные экскаваторы-драглайны.
Экскаваторы драглайны имею значительное преимущество перед карьерными экскаваторами за счет значительной длины стрелы, на некоторых моделях устанавливается стрела длиной более ста метров, и вместительных ковшей, рабочий объем существующих ковшей достигает 125 кубических метров. Для перемещения этих гигантов применяется специальный шагающий механизм (рис. 2). Применение такого механизма позволяет драглайну передвигаться по гранатам с низкой несущей способностью, за счет обеспечения низкого удельного давления посредством больших опорных площадей. Опорной поверхностью механизма шагания при стационарной работе является база, а при перемещении - два опорных башмака и задняя кромка базы. К дополнительным достоинствам механизма шагания можно отнести маневренность и простоту изготовления [5].
Рис. 2. Трехопорный механизм шагания с гидравлическим приводом: 1 - опорная база; 2 - поворотная рама; 3 - подъемный гидроцилиндр;
4 - тяговый цилиндр; 5 - опорный башмак
Привод механизма перемещения осуществляется за счет гидроцилиндров или кривошипно-рычажного механизма. На более крупных моделях устанавливается гидравлический привод, так как использование кри-вошипно-рычажного механизма с увеличением массы машины становится конструктивно нецелесообразно. Также гидропривод обладает рядом преимуществ, такими как обеспечение плавности хода, что снижает нагрузки на звенья механизма и возможность регулировки величины шага. Ко всему прочему при использовании гидропривода металлоёмкость механизма шагания, включая опорную базу, снижается в среднем на 20...24 % [6] в отношении к механизму шагания с механическим приводом. Основными показателями механизма шагания является энергоэффективность и скорость перемещения машины. Скорость передвижения экскаваторов-драглайнов,
оснащенных трехопорным механизмом шагания не высока, а при перемещении по глинистым или с повышенной влажностью грунтам, за счет появления эффекта проскальзывания опорных башмаков, длина шага в реальных условиях снижается на 15...20 % при движении на подъем, а при движении на уклон на 10.12 % [6, 7]. Изменение величины шага соответственно сказывается на скорости перемещения машины, следовательно, величина шага является важным параметром.
В результате множества проведенных аналитических исследований [8, 9] установлено, что величина шага драглайна определяется геометрическими параметрами механизма шагания. Основным параметром, влияющим на величину шага, служит координаты подвески подъемных цилиндров.
Выявлена зависимость между рабочим ходом штоков подъемных цилиндров при подъеме базы К и длиной шага экскаватора (рис. 3) [10]:
К = ( К - К)-((к - К )2 - ь2 )05,
где К - расстояние от точки подвески подъемного гидроцилиндра до поверхности грунта (рис. 3), м; К2 - расстояние от подвески подъемного гидроцилиндра до точки крепления штока подъемного гидроцилиндра на опорном башмаке, м;Ь- длина шага драглайна, м.
Рис. 3. Схема трехопорного механизма шагания
Согласно взаимосвязи геометрических и силовых параметров гидравлического механизма шагания и энергозатрат на передвижение экскаватора показали, что выбор рациональной величины шага необходимо производить, исходя из полной продолжительности цикла шагания экскаватора Тц и скорости его передвижения V с учетом силовых и геометрических параметров [11, 12]. Полная продолжительность цикла рассчитывается:
Тц =1 ь + пз-м,
где Аt - время переключения золотников, с; пз - число переключений золотников за время перемещения драглайна; ti - время отдельных операций, с.
Время отдельных операций определяется согласно формуле:
0,06 • ^ • I
I =
Он •Поб
н
где ¥р - рабочая площадь поршня, м2; 1р - ход поршня, м; Он - расход жидкости м3/ч; поб - объемный КПД насоса.
Время цикла складывается из затраченного времени на вынос опорных башмаков, время опускания их на грунт, подъем базы, перемещение машины и подъем опорных башмаков (рис. 4) [13].
а
б
в г
Рис. 4. Процесс перемещения экскаватора-драглайна, оснащенного трехопорным механизмом шагания с гидравлическим приводом: а - исходное положение; б - вынос опорных башмаков; в - подъем базы; г - перемещение машины (рабочий ход)
Время выноса опорных башмаком рассчитывается [14 - 16] так:
0,06 • ^ • И
t _ ' ш.т т
1в ~ '
Он • Поб
где Еш,т - рабочая площадь поршня тягового гидроцилиндра, м2; Ит - ход поршня тягового гидроцилиндра при подаче опорных башмаков, м. Время опускания опорных башмаков:
0,06 • ^ •1
V _ _ш.п
об ~ ^ '
Он • Поб
где Гш.п - рабочая площадь поршня подъемного гидроцилиндра, м2; 2 - ход поршня подъемного гидроцилиндра до момента соприкосновения опорной поверхности башмаков с поверхностью грунта, м.
Расстояние 2 выражается по закону подобия через массу драглайна:
z _ k-G1
где О - масса экскаватора без опорных башмаков, т; - коэффициент пропорциональности, кё = 0,031. Время подъема базы
0,06-Е. -И
tn£
QH -Лоб
Время рабочего хода (перемещение машины)
0,06-F -h
t _ ' п.ш.т т
р.х
Qh 'Поб
где Еп.ш.т - разность между площадью поршня и штока тягового гидроци-
линдра, м2.
Время на подъем опорных башмаков:
0,06-F •( h + z)
' п.ш.п \ п J
qh ■ Поб
где Fn.um - разность между площадью поршня и штока подъемного гидроцилиндра, м2.
При заданном шаге экскаватора скорость его передвижения определится:
V _ L-T4\
Шаг экскаватора можно выразить через геометрические параметры механизма шагания:
L _( 2-h-hl + hi )05.
Следовательно, продолжительность цикла и скорость шагания Т _ 0,06-Пdim • hm + dii • (hn + z)] + 400-n3 • At- QH • Vo6 . ц 400-Qh Поб '
V _ 400-Qh Поб (2h-hn + hi)
0,5
0,06-п[<т - Ит + С (Ип + 2)] + 400-п3 - М-0Н - п
где И - расстояние от точки подвески подъемных гидроцилиндров до точки крепления штока подъемного гидроцилиндра на опорном башмаке И=И1-И2, м; - диаметр поршня подъемного гидроцилиндра, м; - диаметр поршня тягового гидроцилиндра, м.
Согласно представленным аналитическим зависимостям для определения продолжительности шага экскаватора в зависимости от влияния геометрических параметров механизма шагания на величину полной продолжительности цикла шагания экскаватора и скорости его передвижения
при неизменных скоростях перемещения выходных звеньев подъёмных и тяговых гидроцилиндров. Представлена зависимость продолжительность цикла шагания экскаватора Тц и скорость его передвижения V от высоты подвески подъемных цилиндров относительно оси шарниров опорных башмаков. Видно, что скорость передвижения экскаватора определяется как величиной его шага, так и высотой подвески подъёмных цилиндров. Причём, при любом реальном значении величины шага экскаватора с ростом высоты подвески подъёмных цилиндров скорость передвижения экскаватора увеличивается. С увеличением шага изменение скорости передвижения экскаватора происходит более интенсивно. Координата подвески тяговых цилиндров практически не влияет на скорость передвижения экскаватора, а высота подвески Доставалась неизменной.
Уменьшение высоты подвески приводит к увеличению рабочего хода поршней подъёмных цилиндров и уменьшению скорости шагания при неизменной величине шага экскаватора. Увеличение же высоты подвески подъёмных цилиндров приводит к возрастанию скорости шагания, но вместе с тем увеличивается металлоемкость механизма шагания, так экскаваторов в целом. Рост высоты подвески подъемных цилиндров вызывает увеличение расстояния между точкой подвески подъёмных цилиндров и осью шарниров опорных башмаков и влечёт необходимость усиления несущих металлоконструкций экскаватора при одной и той же величине шага.
Таким образом, выбор длины шага экскаватора для проектируемой машины необходимо производить, исходя из выполнения минимального возможного расстояния между точкой крепления подъёмных цилиндров и осью шарниров опорных башмаков с учетом продолжительности цикла и скорости передвижения экскаваторов.
Список литературы
1. Внутреннее потребление каменного угля и лигнита [Электронный ресурс] // Enerdata. Статистический Ежегодник мировой энергетики 2019. Режим доступа: https://yearbook.enerdata.ru/coallignite/coal-world-consumption-data. html. [19.03.2020].
2. Угольная генерация: новые вызовы и возможности. Московская школа управления Сколково. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://sk.skolkovo.ru/storage/file storage/980d8636-d0a8-4989-a51f3dec2 c3264f7/ SKOLKOVO EneC Coal generation 2019.01.01 Rus.pdf/.
3. Дрыгин М. Ю. Оценка перспектив добычи угля в Кузбассе // Вестник КузГТУ 2020. №2 (138).
4. Угольная отрасль: помощь Азии и умение выживать. Институт изучения мировых рынков [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://roscongress.content.rcmedia.ru/upload/Ugolnaya otrasl.pdf.
5. Золотухина, Н. В., Дудник А. В. Шагающие экскаваторы при добыче нерудных полезных ископаемых // Сб. науч. тр. науч.-практич. конф. Высшей инженерной школы САФУ Инженерные задачи: проблемы и пути решения. Архангельск, 20 ноября 2019 года. Архангельск: Северный, 2019. С. 129-132.
6. Гармаш Н.З., Бережной Ю.И. Конструкция, основы теории и расчета шагающего ходового оборудования горнотранспортных машин. М.: Недра, 1971. 144 с.
7. Вин З. Х., Певзнер Л. Д., Темкин И. О. Алгоритмическое и аппаратное обеспечение бортовой информационной системы шагающего драглайна // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2019. № 2. С. 190-196.
8. Суслов Н. М., Суслов Д. Н., Чернухин С. А. Аналитическое описание процесса работы гидропривода трехопорного механизма шагания экскаватора-драглайна // Вестник машиностроения. 2021. № 10. С. 19-22.
9. Суслов Н.М., Казаринова М.А. Аналитический метод определения основных параметров гидравлических шагающих механизмов мощных драглайнов // Известия ВУЗов. Горный журнал, 1975. №9.
10 Суслов Н.М., Кубачек В.Р. Рациональная величина шага тре-хопорных гидравлических механизмов шагания // Межвузовский научный тематический сборник. Проблемы повышения эффективности производства в условиях горнообогатительных комбинатов черной металлургии. Свердловск, 1977. Вып. 1.
11. Korsunskyi Georgii, Konoplyova E. Investigation of the schemes of draglines in the development of hollow fields. 2020. [Электронный ресурс].
12. Разработка математической модели трехопорного шагающего механизма со скользящими опорами / Н. М. Суслов, Д. Н. Суслов, С. А. Чернухин, И. Ю. Иванов // Упрочняющие технологии и покрытия. 2021. Т. 17. № 10(202). С. 447-451.
13. Backus TimothyModern design concepts provide high production on new generation P&H walking draglines. 1997. 45. 400-405.
14. Ваха П.К., Скибневский М.Я. Динамическая модель экскаватора // Журнал аэрокосмической техники. 1993. Т. 6. № 2. С. 148-158.
15 Братченко А. И. Модернизация механизма шагания экскаваторов типа ЭШ 15/90 и ЭШ 20/90 // ГИАБ. 2015. № С1-2.
16. Determining centre of mass of walking dragline excavation system / Krauze [and others] // Archives of Mining Sciences. 2010. 55. 5-19.
17. Demirel N, Golba§i O. Preventive Replacement Decisions for Dragline Components Using Reliability Analysis // Minerals. 2016. 6(2). Р. 51.
Суслов Николай Максимович, д-р техн. наук, проф., проф., [email protected], Россия, Екатеринбург, Уральский государственный горный университет,
Чернухин Станислав Алексеевич, канд. техн. наук, доц., stas chernuhinamail.ru, Россия, Екатеринбург, Уральский государственный горный университет,
Лукашук Ольга Анатольевна, канд. техн. наук, доц., зав. кафедрой, o.a.lukashukaurfu.ru, Россия, Екатеринбург, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина
Лукашук Михаил Дмитриевич, асп., м[email protected], Россия, Екатеринбург, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина
THE INFLUENCE OF GEOMETRIC PARAMETERS OF THE WALKING MECHANISM
ON THE EFFICIENCY OF MOVEMENT OF AN EXCAVATOR-DREDGER
N. M. Suslov, S.A. Chernukhin, O.A. Lukashuk, M.D. Lukashuk
This article examines a three-leg walking mechanism with hydraulic drive, which is equipped on powerful excavator-dredgers, the main equipment used in open-pit coal mining. The results of analytical studies on the influence of geometric parameters of the walking mechanism on its key performance indicators, such as the speed of movement of the excavator-dredger and the step size, are presented.
Key words: excavator- dragline, coal mine, walking mechanism, hydraulic drive,
step size.
Suslov Nikolai Maksimovich, doctor of technical sciences, head of chair, Niko-lay. Suslov®,m. ursmu. ru, Russia, Ekaterinburg, Ural State Mining University.
Chernukhin Stanislav Alekseevich, candidate of technical sciences, [email protected], Russia, Ekaterinburg, Ural State Mining University.
Lukashuk Olga Anatolyevna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Ekaterinburg, Ural Federal University named after the First President of Russia B. N. Yeltsin.
Lukashuk Mikhail Dmitrievich, postgraduate, Ai.lukashuka.uifu.ru, Russia, Ekaterinburg, Ural Federal University named after the First President of Russia B. N. Yeltsin.
Reference
1. Internal change of the stone corner and the league [Electronic resource] // Ener-data. Statistical Yearbook of World Energy 2019. Let's continue the inspection: https://yearbook .enerdata.ru/coallignite/coal-world-consumption-data.html . [03/19/2020].
2. Coal generation: new challenges and opportunities. Moscow School of Management Skolkovo. [electronic resource]. Working hours: https://sk.skolkovo.ru/storage /file storage/ 980d8636-d0a8-4989-a51f3dec2c3264f7/SKOLKOVO_EneC_ Coal_generation _ 2019.01.01_ Rus.pdf/.
3. Drygin M. Yu. Assessment of coal mining prospects in Kuzbass // Bulletin of KuzSTU. 2020. №2 (138).
4. The coal industry: helping Asia and the ability to survive. The Institute for the Study of World Markets. [electronic resource]. Access mode: https://roscongress.content.rcmedia.ru/upload/Ugolnaya_otrasl.pdf .
5. Zolotukhina, N. V., Dudnik A.V. Walking excavators in the extraction of non-metallic minerals // Collection of scientific tr. scientific and practical conference. Higher Engineering School of NARFU Engineering tasks: problems and solutions. Arkhangelsk, November 20, 2019. Arkhangelsk: Northern, 2019. pp. 129-132.
6. Garmash N.Z., Berezhnoy Yu.I. Design, fundamentals of the theory and calculation of walking running equipment of mining vehicles. M.: Nedra, 1971. 144 p.
7. Vin Z. H., Pevsner L. D., Temkin I. O. Algorithmic and hardware support of an on-board information system of a walking dragline // Gorny information and analytical bulletin (scientific and technical journal). 2019. No. 2. pp. 190-196.
8. Suslov N. M., Suslov D. N., Chernukhin S. A. Analytical description of the operation process of the hydraulic drive of the tricycle gear of the excavator dragline // Bulletin of Mechanical Engineering. 2021. No. 10. pp. 19-22.
9. Suslov N.M., Kazarinova M.A. Analytical method for determining the main parameters of hydraulic walking mechanisms of powerful draglines // Izvestiya VUZov. Mining Journal, 1975. No.9.
10 Suslov N.M., Kubachek V.R. The rational value of the step of the three-stop hydraulic stepping mechanisms // Interuniversity scientific thematic collection. Problems of increasing the efficiency of production in the conditions of mining and processing plants of ferrous metallurgy. Sverdlovsk, 1977. Issue 1.
11. Korsunsky Georgy, Konopleva E. Investigation of dragline schemes in the development of hollow deposits. 2020. [Electronic resource].
12. Development of a mathematical model of a tricycle walking mechanism with sliding supports / N. M. Suslov, D. N. Suslov, S. A. Chernukhin, I. Yu. Ivanov // Strengthening technologies and coatings. 2021. Vol. 17. No. 10(202). pp. 447-451.
13. Backus Timothy Modern design concepts ensure high performance of new generation walking draglines P&H. 1997. 45. 400-405.
14. Vakha P.K., Skibnevsky M.Ya. The dynamic model of the excave torus // Journal of Aerospace Engineering. 1993. Vol. 6. No. 2. pp. 148-158.
15 Bratchenko A. I. Modernization of the stepping mechanism of the ESH 15/90 and ESH 20/90 excavators // GIAB. 2015. No. C1-2.
16. Determination of the center of mass of the tunneling system of a walking dragline excavator / Krause [et al.] // Archive of Mining Sciences. 2010. 55. 5-19.
17. Demirel N., Gelbashi O. Decisions on preventive replacement of dragline excavator components using reliability analysis // Minerals. 2016. 6(2). p. 51.
