CC BY
0ГОРНЫЕ МАШИНЫ MINING MACHINES
УДК 621.879
Комиссаров А.П.1'2, профессор, Лагунова Ю.А.1,2, профессор, Шестаков B.C.1, профессор, Лукашук O.A.2, заведующий кафедрой
1 Уральский государственный горный университет, 620144, Россия, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30
2Уральский Федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, 620002, Россия, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19
E-mail: [email protected]
ОЦЕНКА РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГЛАВНЫХ МЕХАНИЗМОВ ЭКСКАВАТОРА «ГОРНЫЙ»
Аннотация: Актуальность работы определяется темой исследования, заключающейся в определении основных параметров рычажного рабочего оборудования карьерного экскаватора - принципиально новой конструкции рабочего оборудования типа прямая лопата, защищенной патентом РФ. На основе математической модели передаточного механизма, образующегося в процессе экскавации горных пород при совместном действии главных копающих механизмов и соединяющего главные механизмы с ковшом, установлены зависимости между энергосиловыми параметрами, реализуемыми на режугцей кромке ковша, и режимными параметрами главных механизмов. Составлена программа расчета на ЭВМ режимных параметров главных механизмов при отработке экскаваторного забоя. Результаты работы: Разработанная имитационная модель процесса экскавации позволит создать адаптивную систему управления рабочим процессом и повысить эффективность функционирования карьерного экскаватора.
Ключевые слова: карьерный экскаватор; рычажное рабочее оборудование; режимные параметры главных механизмов; имитационная модель процесса экскавации.
Информация о статье: принята 01 августа 2019 г.
Э01: 10.26730/1816-4528-2019-3-3-8
Введение
В современных условиях конкурентного развития экономики особое значение приобретает проблема повышения технического уровня карьерных экскаваторов и создания высокопроизводительного и ресурсосберегающего оборудования.
Основным базовым элементом карьерного экскаватора является рабочее оборудование, определяющее тип экскаватора, его конструктивную схему, а также количественные и качественные показатели функционирования экскаватора.
Разработка принципиально новой схемы рабочего оборудования типа прямая лопата - рычажного рабочего оборудования - обусловливает необходимость проведения специального исследования, направленного на обоснование параметров рычажного рабочего оборудования и на выявление взаимосвязей между параметрами новой схемы рабочего оборудования и параметрами других базовых элементов карьерного экскаватора, особенно главных копающих механизмов.
Цели и задачи работы
Цель исследования - оценка выемочно-погру-зочного потенциала карьерного экскаватора с рычажным рабочим оборудованием.
Задачи работы:
- определение зависимостей между энергосиловыми параметрами, реализуемыми на режущей кромке ковша, и режимными параметрами главных механизмов;
- разработка методики идентификации положения ковша в экскаваторном забое;
- составление программы расчета режимных параметров главных механизмов при отработке экскаваторного забоя.
Объектом исследования является принципиально новая схема рабочего оборудования типа прямая лопата - рычажное рабочее оборудование.
Предмет исследования - исследование процесса экскавации горных пород рычажным рабочим оборудованием и определение режимных параметров главных копающих механизмов.
Методы исследования - математическое моделирование и вычислительный эксперимент.
Таблица 1. Режимные параметры главных механизмов экскаватора с рычажным рабочим оборудованием
№№ пп Исходные данные Расчетные данные
Хк,М Ук,М Ск+п,кН Унб,м/с Ун,м/с Рнб,кН Рн,кН
Начальная траектория (Хко = 9 м)
1 9,0 0 400 -0,21 -0,87 1140 -690
2 10,1 2,0 435 -0,32 -0,82 935 -676
3 11,3 3,9 469 -0,47 -0,76 805 -633
4 12,4 5,9 504 -0,68 -0,66 692 -534
5 13,5 7,8 537 -0,96 -0,52 584 -337
6 14,6 9,8 572 -1,15 -0,31 495 -7
7 15,8 11,7 606 -0,94 -0,04 461 392
8 17,3 14,3 652 -0,31 0,32 553 803
9 18,8 17,0 700 0,0 0,58 782 1070
Средняя траектория (Хко = 12 м)
10 12,0 0 400 -0,27 -0,76 1620 -456
11 13,5 2,6 446 -0,34 -0,72 1410 -447
12 14,3 3,9 469 -0,48 -0,60 1150 -371
13 15,0 5,2 492 -0,55 -0,51 1070 -299
14 16,5 7,8 537 -0,66 -0,30 950 -69
15 17,3 9,1 560 -0,66 -0,17 923 87
16 18,8 11,7 606 -0,51 0,11 954 443
17 20,3 14,3 652 -0,27 0,37 1100 807
18 21,8 17,0 700 -0,06 0,56 1350 1170
Конечная траектория (Хко = 15 м)
19 15,2 0 400 -0,30 -0,63 2160 -134
20 16,7 2,6 446 -0,39 -0,50 1740 -95
21 17,5 3,9 469 -0,43 -0,42 1620 -38
22 18,2 5,2 492 -0,45 -0,33 1030 41
23 19,7 7,8 537 -0,46 -0,13 1470 265
24 20,5 9,1 560 -0,43 -0,02 1480 406
25 22,0 11,7 606 -0,31 0,20 1570 733
26 23,5 14,3 652 -0,15 0,40 1760 1110
27 25,0 17,0 700 0,02 0,55 2050 1560
В Уральском горном университете разработан новый тип рабочего оборудования карьерного экскаватора [1]. Рабочее оборудование (рис.1) включает рукоять, жестко соединенную с ковшом и установленную в седловом подшипнике, несущую балку, установленную в седловом подшипнике и соединенную с рукоятью посредством рамы и тяги. Седловые подшипники и главные механизмы (напорный механизм и механизм перемещения несущей балки) размещены на поворотной платформе.
Нови зна технического решения рычажного рабочего оборудования заключается в следующем [2,3]:
- использование в качестве основного опорного элемента рабочего оборудования вместо стрелы несущей балки, опирающейся на раму, установленную на поворотной платформе;
- замена подъемного механизма зубчато-реечным механизмом перемещения несущей балки;
- установка главных механизмов (механизма напора и механизма перемещения несущей балки) на поворотной платформе.
Существенные особенности компоновочно-конструктивной схемы рычажного рабочего оборудования обусловливают и особенности кинематики рабочего оборудования.
Установлено [4,5], что в процессе экскавации горных пород рабочим оборудованием прямая лопата при совместном действии главных копающих
механизмов ввиду наличия кинематических связей между звеньями главных механизмов и элементами рабочего оборудования образуется передаточный механизм, соединяющий главные механизмы с ковшом.
Передаточный механизм (рис.2) состоит из выходных звеньев главных механизмов (кремальерных шестерен и седловых подшипников) и элементов рабочего оборудования.
Число степеней свободы механизма составит 5 = Зп - 2Р5 - Рл = 3-4 - 2 4 - 2 = 2, где п = 4 - число подвижных звеньев; Р5 = 4 -число кинематических пар пятого класса (однопо-движных); Рл = 2 - число кинематических пар четвертого класса (двух подвижных - вращательное и поступательное движения).
Следовательно, число обобщенных координат (независимых координат, определяющих положение всех звеньев механизма) равно двум.
В механизме с двумя обобщенными координатами в качестве обобщенных координат могут быть приняты координаты двух звеньев или одного звена, если оно образует со стойкой двухподвижную пару [6].
Так, если звено «рукоять-ковш» (а именно ковш) совершает основное рабочее движение, то в качестве обобщенных координат механизма рабочего оборудования следует принять координаты звена
Мшищ Ецшртсчи апс! Екч^готесИатсэ. N0. 3, 2019. РР. 3-8
№№ пп Исходные данные Расчетные данные
Хк,м Ук,м Ок+п,кН Уп,м/с Ун,м/с Рп,кН Рн,кН
Начальная траектория (Хко = 9 м)
1 9,0 0 400 0,95 -0,87 290 -630
2 10,15 2 435 0,92 -0,81 350 -620
3 11,30 4 470 0,84 -0,70 420 -605
4 12,45 6 506 0,70 -0,51 520 -580
5 13,60 8 541 0,52 -0,19 700 -555
6 14,75 10 576 0,50 0,19 975 -590
7 15,90 12 611 0,66 0,50 1270 -700
8 17,05 14 646 0,80 0,70 1560 -850
9 18,20 16 682 0,89 0,81 1810 -1005
10 18,80 17 700 0,91 0,84 1910 -1060
Средняя траектория (Хко = 12 м)
11 12,0 0 400 0,90 -0,72 517 -411
12 13,15 2 435 0,85 -0,61 560 -402
13 14,3 4 470 0,78 -0,45 595 -395
14 15,45 6 506 0,78 -0,45 595 -395
15 16,6 8 541 0,65 0,04 755 -294
16 17,75 10 576 0,66 0,29 838 -217
17 18,9 12 611 0,69 0,50 886 -95
18 20,05 14 646 0,68 0,65 896 115
19 21,20 16 682 0,49 0,75 890 497
20 21,8 17 700 0,25 0,78 960 806
Конечная траектория (Хко = 15 м)
21 15,2 0 400 0,85 -0,55 690 -207
22 16.35 2 443 0,80 -0,42 722 -187
23 17,55 4 486 0,74 -0,24 754 -152
24 18,7 6 529 0,69 -0,04 791 -91
25 19,9 8 572 0,64 0,16 835 9
26 21,05 10 615 0,60 0,35 885 156
27 22,25 12 658 0.51 0,50 937 372
28 23.4 14 700 0,32 0,62 1010 685
29 24.8 17* 700 -0,12 0,74 1350 1420
* - вариант расчетный, не реализуется из-за конструктивных ограничений
«рукоять-ковш» - координаты точки К (вершины режущей кромки ковша) Хк и Ук.
Таким образом, положения и движения звеньев передаточного механизма и звеньев главных механизмов определяются положением и законом движения звена «рукоять-ковш» и, соответственно, режимные параметры главных механизмов определяются энергосиловыми параметрами, реализуемыми на режущей кромке ковша, т.е. при экскавации горных пород происходит «обратимость» главных механизмов [7].
В результате кинематического и силового анализа передаточного механизма [8] определены кинематические передаточные функции механизма, т. е. соотношения между скоростями рабочих движений (напора и подъема) и скоростью копания.
В общем виде кинематические передаточные функции составят
Пфн = Т1 = ЛООя' У ко Ф, 0) '
"к
где Ут, УнБг - текущие значения скоростей напора и перемещения несущей балки; Ук, ^-заданные значения скорости копания и угла наклона касательной к траектории перемещения ковша в
характерных точках траектории по схеме отработки экскаваторного забоя;Хк{, Ую-текущие значения координат точки К; /) - геометрические размеры (длины) звеньев механизма рабочего оборудования.
На основе кинематических передаточных функций составлена программа расчета режимных параметров главных механизмов на ЭВМ, учитывающая кинематические свойства передаточного механизма.
Выполнен вычислительный эксперимент по расчету режимных параметров главных механизмов при экскавации рычажным рабочим оборудованием.
С целью сопоставительного анализа режимных параметров основные параметры "расчетного" экскаватора приняты равными параметрам экскаватора ЭКГ-20А производства ПАО «Уралмашзавод».
В табл. 1 и 2 приведены результаты вычислительных экспериментов по расчету режимных параметров главных механизмов экскаватора с рычажным рабочим оборудованием и экскаватора ЭКГ-20А при следующих значениях исходных данных (в скобках приведены значения данных экскаватора ЭКГ-20А):
- вместимость ковша Е= 20 м3;
Рис. 1. Схема рычажного рабочего оборудования экскаватора «Горный»:
1 - рукоять, жестко соединенная с ковшом;
2 - несущая балка; 3, 4 - седловой подшипник; 5 - рама; 6 - тяга
Рис. 2. Схема передаточного механизма, соединяющие главные механизмы с ковшом: Ук, Уш, Ун - скорости копания, перемещения несущей балки и напора; цг - угол наклона касательной к траектории перемещения ковша
Ук,М
Рис. 3. Положения элементов рабочего оборудования Рис 4 Графики скоростей рабочих
экскаватора «Горный» при перемещении ковша по Движений при рычажном и традиционном
рабочем оборудования конечнои траектории г ^
- масса порожнего и груженого ковша соответственно Мк = 40 т и Мс+п = 70 т;
- длина и масса рукояти Ьрук= 13,6 (12) м и Мрук=34 (30) т;
- максимальный радиус копанияЯКтах = 25 (23.4);
- максимальная и расчетная высота копания Яктах = 17м и Як расч. = 12м;
- минимальный и максимальный радиусы копания на уровне стояния экскаватора Яус.тт = 9 м и кустах = 15,2 м;
- скорость копания I гк = 1 м/с;
- сила сопротивления копанию при максимальной высоте копания /м = 230 кН и при расчетной высоте (равной высоте оси напорного вала) РС2 = 325кН;
- траектории перемещения ковша (вершины режущей кромки - точки К) проходят по границам и середине рабочей зоны экскаватора под углом 60°.
На рис. 3 показаны положения элементов рабочего оборудования экскаватора «Горный» при перемещении ковша по конечной траектории.
Получены следующие расчетные данные:
Экскаватор с рычажным рабочим оборудованием:
- скорость перемещения несущей балки Унб",
- усилие, действующее на несущую балку, Рнб;
- скорость напора Ун;
- усилие напора Рн.
Экскаватор ЭКГ-20А:
- скорости подъема Уп и напора Ун;
- усилия подъема Рп и напора Рн.
Из приведенных расчетных данных следует, что режимные параметры главных механизмов зависят от положения ковша в забое и изменяются в широком диапазоне.
Мштй Ецшртеп! апс! Е1ес(готес11ашс8. N0. 3, 2019. РР. 3-8
На рис. 4 приведены графики скоростей рабочих движений при перемещении ковша по средней траектории для экскаваторов «Горный» и ЭКГ-20. Как видно из графиков, координация рабочих движений и степень согласования скоростей существенно отличаются. Так, скорости рабочих движений экскаватора «Горный» при перемещении ковша практически пропорционально возрастают, что обусловливается наличием кинематической связи рукояти и несущей балки.
Схема компоновки рычажного рабочего оборудования обеспечивает перемещение ковша по траекториям, параллельным откосу уступа. При этом исключаются нависающие козырьки и уменьшается вероятность обрушения пород.
Применение рычажного рабочего оборудования, отличающегося пониженной металлоемкостью ввиду отсутствия стрелы, позволит увеличить размеры рабочей зоны при постоянстве массы экскаватора, а также высоту и радиус разгрузки, т.е. размеры погрузочной зоны.
ВЫВОДЫ
В процессе экскавации горных пород рычажным рабочим оборудованием обеспечивается координация и повышение степени согласованности скоростей рабочих движений, что позволит значительно облегчить управление рабочим процессом.
В целом применение рычажного рабочего оборудования позволит повысить выемочно-погрузочные возможности экскаватора за счет увеличения выработки горной массы с одного места стояния экскаватора.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Патент на полезную модель «Экскаватор «Горный» № 178976; опубл. 24.04.2018. Бюл. № 12.
2. Комиссаров А.П., Лагунова Ю.А., Лукашук O.A., Плотников Н.С. Новый тип рабочего
оборудования карьерного экскаватора. Уголь, 2018. № 12(1113) с. 27-29.
3. Комиссаров А.П., Лукашук O.A., Плотников Н.С. Технические и технологические особенности карьерного экскаватора «Горный» // Актуальные проблемы повышения эффективности и безопасности эксплуатации горно-шахтного и нефтепромыслового оборудования: Материалы V Меяаду-нар.науч.-практ.конф. «Горная и нефтяная электромеханика - 2018». Пермь, 15-18 октября 2018 г. Изд. ПНИПУ. 2018. С 82-85.
4. Гафурьянов Р.Г., Комисаров А.П. Моделирование рабочего процесса карьерных экскаваторов. Горное оборудование и электромеханика, 2009. № 6. С. 40-45.
5. Комиссаров А.П., Лагунова Ю.А., Лукашук О. Плотников Н.С., Сайтов В.И. Взаимодействие главных механизмов карьерного экскаватора при экскавации горных пород. Известия УГГУ. 2018. Вып. 4(52). С 93-97.
6. Левитский Н.И. Теория механизмов и машин. М.: Наука. 1979. 576 с.
7. Комиссаров А.П., Плотников Н.С., Летнев К.Ю., Лукашук O.A. «Обратимость» главных механизмов карьерного экскаватора при экскавации горных пород // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: Сб. трудов XVI Междунар. науч.-техн. конф. «Чтения памяти В.Р. Кубачека». Екатеринбург, 12-13 апреля 2018 г. Изд. УГГУ. 2018. С. 48-50.'
8. Комиссаров А.П., Плотников Н.С. Математическая модель механизма рабочего оборудования карьерного экскаватора «Горный» //Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: Сб. трудов XVII Междунар.науч,-техн. конф. «Чтения памяти В.Р. Кубачека». Екатеринбург, 04-05 апреля 2019 г. Изд. УГГУ. 2019. С. 271-275.
Komissarov A.P.12, Professor, Lagunova Yu.A.12, Professor, Shestakov V.S.1, Professor, Lukashuk O.A.2, Head of Department
1 Ural State Mining University, 620144, Russia, Yekaterinburg, ul. Kuybysheva, 30
2 Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin, 620002, Russia, Yekaterinburg, ul. Mira, 19
EVALUATION OF STANDARD PARAMETERS OF THE MAIN MECHANISMS OF THE "GORNYI" EXCAVATOR
Abstract: The relevance of the work is determined by the research topic, which consists in determining the main parameters of the implement linkage of an open-pit excavator - a fundamentally new design of the implement such as a front shovel protected by the RF patent. Based on the mathematical model of the transmission mechanism, which is formed during the excavation of rocks under the combined action of the main digging mechanisms and the mechanism connecting the main mechanisms with the bucket, the relationships between the energy-power parameters implemented on the cutting edge of the bucket and the standard parameters of the main mechanisms are established. A computer calculation program has been developed for the standard parameters of the main mechanisms during mining of the face by the excavator. Results: The developed simulation model of the excavation process will create an adaptive workflow management system and increase the efficiency of the mining excavator.
Keywords: mining excavator; implement linkage; standard parameters of the main mechanisms; simulation model of the excavation process.
Article info: received August 01, 2019 DOI: 10.26730/1816-4528-2019-3-3-8
REFERENCES
1. Patent na poleznuyu model' «Ekskavator «Gornyj» № 178976: opubl. 24.04.2018. Byul. № 12.
2. Komissarov A.P., Lagunova YU. A., Lukashuk O.A., Plotnikov N.S. Novyj tip rabochego oborudo-vaniya kar'ernogo ekskavatora. Ugol1. 2018 №12(1113) s. 27-29.
3. Komissarov A.P.. Lukashuk O.A., Plotnikov N.S.Tekhnieheskie i tekhnologieheskie osobennosti kar'ernogo ekskavatora «Gornyj» // Aktual'nye prob-lemy povysheniya effektivnosti i bezopasnosti eksplu-ataeii gorno-shahtnogo i neftepromyslovogo oborudo-vaniya: Materialy V Mezhdunar.nauch.-prakt.konf. «Gornaya i neftyanaya elektromekhanika - 2018». Perm', 15-18 oktyabiya 2018 g. Izd. PNIPU. 2018. S 82-85.
4. Gafur'yanov R.G., Komisarov A.P. Modeliro-vanie rabochego processa kar'ernyh ekskavatorov. Gor-noe oborudovanie i elektromekhanika, 2009. № 6. S. 40-45.
5. Komissarov A.P., Lagunova YU.A., Lukashuk O. Plotnikov N.S., Saitov V.l. Vzaimodejstvie glavnyh
Библиографическое описание статьи
Комиссаров А.П., Лагунова Ю.А., Шестаков B.C., Лукашук O.A. Оценка режимных параметров главных механизмов экскаватора «ГОРНЫЙ» // Горное оборудование и электромеханика - 2019. - № 3 (143). - С. 3-8.
mekhanizmov kar'ernogo ekskavatora pri ekskavacii gornyhporod. Izvestiya UGGU. 2018. Vyp. 4(52). S 93-97.
6. Levitskij N.I. Teoriya mekhanizmov i mashin. M.: Nauka. 1979. 576 s.
7. Komissarov A.P., Plotnikov N.S., Letnev K.YU., Lukashuk O.A. «Obratimost'» glavnyh mekhanizmov kar'ernogo ekskavatora pri ekskavacii gornyh porod // Tekhnologicheskoe oborudovanie dlya gornoj i neftegazovoj promyshlennosti: Sb. trudov XVI Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf. «CHteniya pamyati V.R. Kubacheka». Ekaterinburg, 12-13 aprelya 2018 g. Izd. UGGU. 2018. S. 48-50.
8. Komissarov A.P., Plotnikov N.S. Matematich-eskaya model' mekhanizma rabochego oborudovaniya kar'ernogo ekskavatora «Gornyj» //Tekhnologicheskoe oborudovanie dlya gornoj i neftegazovoj promyshlennosti: Sb. trudov XVII Mezhdunar.nauch.-tekhn. konf. «CHteniya pamyati V.R. Kubacheka». Ekaterinburg, 04-05 aprelya 2019 g. Izd. UGGU. 2019. S. 271-275.
Reference to article
Komissarov A.P., Lagunova Yu.A., Shestakov V.S., Lukashuk O.A. Evaluation of standard parameters of the main mechanisms of the "GORNYI"" excavator. Mining Equipment and Electromechanics, 2019, no. 3 (143), pp. 3-8.
Mining Equipment and Electromechanics. No. 3, 2019. PP. 3-8
