Способ повышения производительности бульдозерно-рыхлительного агрегата (БРА) Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.6

В.П. Сафронов, д-р техн. наук, проф., ((4872) 35-20-41), (Россия, Тула, ТулГУ)

СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ БУЛЬДОЗЕРНО-РЫХЛИТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА (БРА)

Рассмотрены причины малой производительности бульдозерно-рыхлительных агрегатов (БРА) на базе тракторов мощностью более 500 л.с. Предложен способ повышения производительности БРА.

Ключевые слова: бульдозерно-рыхлительный агрегат, мощность трактора, производительность, рыхление, способ.

Подготовка массивов горных пород к выемке, а именно - дробление или их рыхление, относится к тем технологическим процессам, от которых зависят все последующие технологические процессы, связанные с переработкой сырья в товарную продукцию. Результаты статистического анализа затрат на выемочно-погрузочные работы с применением БВР в карьерах со скальными породными массивами показывают, что затраты на подготовку породного массива к экскавации достигают в среднем 25 % от общих затрат на горные работы.

Известны следующие способы подготовки массивов горных пород к выемке: механическое рыхление; дробление взрывом; гидравлическое разрушение пород (нагнетанием, насыщением водой, растворением); физическое (термическое); химическое и комбинированное. Наибольшее распространение в карьерах для подготовки скальных горных пород к выемке получил буровзрывной способ. Однако все чаще встречаются условия, когда применение буровзрывного способа ограничено по ряду причин, например, ограничение накладывается охранной зоной или пределами допустимой концентрации пылегазовых выбросов от взрыва в окружающую среду и поэтому расширяется область попыток применения механического способа.

Выбор способа подготовки породных массивов к экскавации зависит от свойств породного массива, применяемых средств механизации, предъявляемых требований к качеству подготовки породной массы и условий возможного применения того или иного способа подготовки породного массива к экскавации. В этом случае необходимо решить задачи по совершенствованию буровзрывного способа или перейти к другому способу подготовки породного массива к экскавации, который, так же как и предыдущий, обеспечивал бы заданную производительность карьера.

Достигнутый уровень знаний о взрыве позволяет совершенствовать взрывной способ в направлении снижения нагрузки на окружающую сре-

ду. Однако с экономической точки зрения уровень удельных затрат с применением механического способа в среднем в 1,5 раза ниже уровня удельных затрат с применением буровзрывного способа, но при этом трудно удержать уровень производительности карьера, достигнутый с применением БВР.

Анализ результатов исследований по направлению механического способа разработки скальных породных массивов (особенно это относится к известнякам и доломитам) позволяет на сегодняшний день сформулировать технологическое предложение - использовать природные свойства породного массива и не дробить ничего лишнего в нем. Для реализации технологического предложения необходимо производить раскройку месторождений по основному показателю: минимальные энергетические затраты на единицу объема породной массы при обеспечении заданной производительности карьера.

При оценке пород, пригодных для рыхления, учитываются слоистость, трещиноватость, влажность и другие свойства. В качестве ускоренного исследования пород в последние годы широко используется акустический метод. В зависимости от скорости прохождения звуковой волны через природный массив определяются пригодность пород и возможное направление рыхления (чем породы монолитнее, тем выше скорость звуковой волны и наоборот). Однако этот метод только косвенно определяет физические свойства пород. Результатом раскройки тела залежи является паспорт технологических свойств карбонатного массива.

Паспортизация массива пород дает возможность установить участки месторождения, которые подходят для реализации механического способа подготовки породного массива к экскавации. К технологическим свойствам, которые наиболее существенно влияют на процесс рыхления породного массива, относятся мощность слоя, размеры отдельностей в каждом слое, прочностные характеристики цементационных связей отдель-ностей и слоев. При паспортизации технологических свойств породного массива следует обращать внимание на то, что такие параметры как мощность слоя и размер отдельности слоя связаны между собой через зависимость: при мощности слоя И длина и ширина природной отдельности карбонатного массива соответственно равны 2И и И.

На практике при рыхлении карбонатных массивов с прочностью пород до 40 МПа, себя зарекомендовали БРА на базе трактора более 500л.с. Главные достоинства БРА - простота конструкций рыхлителя и требуются сравнительно небольшие площади забоев. Однако область применения БРА ограничена и одной из основных причин является не мощность трактора, а невозможность реализовать паспортную мощность трактора в максимальные тяговые усилия из-за недостаточного зацепления гусениц трактора с поверхностью забоя.

При определении тягового усилия Тн, развиваемого трактором (вес трактора с учетом навесного оборудования), учитывается сопротивление движению трактора Ш1, создаваемое рыхлителем (рис. 1). На наклонную поверхность наконечника рыхлителя действует равнодействующая сил сопротивления Я1 породы разрушению (рис. 2), направленная под углом к горизонтали. Ее составляющие: горизонтальная Я11 и вертикальная Я12. Вертикальная составляющая Я12. действует на трактор через подвеску рыхлителя.

Рис. 1. Схема к расчету баланса действующих сил БРА

Силы сопротивления породы резанию рассчитываются по формуле

Wi = Ян + W4, (1)

где W1 - сопротивление породы рыхлению зубом рыхлителя, МН (рис. 2); R11 - горизонтальная составляющая реакции силы R1, действующей на рабочий орган рыхлителя, МН; W4 - сопротивление перемещению рабочего органа, создаваемое силами трения, МН:

W4 = Я13 cos 5/1 + 0,11Я11, (2)

где R13 - нормальная составляющая реакции равнодействующей силы R1, действующей на рабочий орган рыхлителя, МН; 5 - угол резания скальных пород наконечником рыхлителя, град.; f1 - коэффициент трения породы по металлу, ^=0,3...0,5; R11 - горизонтальная составляющая реакции равнодействующей силы R1, действующей на рабочий орган рыхлителя, МН.

Силы сопротивления движению БРА

N = (О, + Я12Х/3 , (3)

где Gar - вес агрегата, МН; Я12 - вертикальная составляющая реакции равнодействующей силы Rj, действующей на рабочий орган рыхлителя, МН; f3 - коэффициент сопротивления качению (движению).

Тяговые усилия TH трактора с учетом коэффициента зацепления ходового механизма с поверхностью качения (забоем):

Гн =(<?„+^>9, С (4)

где Тн - номинальное тяговое усилие трактора по условию сцепления с поверхностью забоя, МН; фсц - коэффициент зацепления ходового механизма с поверхностью забоя (для гусеничного хода ф13ац=0,9).

И// V .

Рис. 2. Схема приложения сил, действующих на рабочий орган

рыхлителя

Возможность применения БРА проверяется балансом действующих

сил:

(5)

где ^ W - сумма действующих сил сопротивления, МН; Тн - номинальное тяговое усилие (наибольшее тяговое усилие, реализуемое базовым трактором на плотной породе с учетом догрузки его навесным оборудованием при скорости 2,5...3 км/ч и буксовании не более 7 % для гусеничных машин) по условию сцепления, МН; N - сопротивление движению механизма хода, МН.

Кроме условия (5) необходимо выполнение следующих условий:

в (Ф -А)

аг V ' зац ^ Ъ'

д,

(6)

СОБV — БШУ(фсц — Уз) '

(7)

Ф,ц-/з=0,8. (8)

где - равнодействующая сил, действующих на рабочий орган рыхлителя, МН; Ъ - коэффициент сопротивления качению (движению),

Рз=0,1-^0,2 для гусеничного хода; V - угол к горизонтали, под которым действует

Для определения производительности бульдозерно-рыхлительного агрегата необходимо yfqnb объем разрыхленной породы за определенный период времени. Объем одного прохода определяется умножением длины фронта работ на площадь сечения образующейся зоны разрушения. Площадь зоны разрушения рассчитывается по формуле

F = (l-m)V^+^Jз2ctgp2, (9)

о

где ¥ - площадь разрушения породы, м~; ш - коэффициент пропорциональности (т=0,02); Н0 - глубина рыхления, м; Ь0 - ширина полосы рыхления одной стойкой по низу, м.

Н

к=-*-, (10)

где /?3 - высота фигуры разрушения породы при рыхлении, выделенная в форме трапеции, м; Нр - глубина рыхления, м; к3 - отношение глубины рыхления к ширине наконечника, к3=3...5; Д - угол атаки наконечника рыхлителя, Д =45°.

(13)

(11)

с

где - сопротивление породы рыхлению зубом рыхлителя, МН; Сх -эмпирический коэффициент, рассчитывающийся по формуле

= т51асжА + [(1~т) + 1/кз (к3 - tgpз ]52арр2, (12)

4,2де

где аРск ~ предельное расчетное значение сопротивления породы разрушению при действии сил растяжения по условию пригодности для их рыхления рассчитывается по формуле (13).

Для возможности максимальной реализации мощности тягача предлагается технологическая схема работы бульдозерно-рыхлительного агрегата с предварительной подготовкой поверхности забоя. Наиболее целесообразным представляется подготовка забоя в виде предварительно отсыпаемого технологического слоя щебня, который не обязательно должен быть кондиционным и может поставляться с предварительного грохочения первичного узла дробления перерабатывающей фабрики. Отсыпку необходимо производить только перед рыхлением первого слоя площади отработки (рис. 3, а), а для рыхления последующих слоев при буртовании разрыхленной массы предлагается оставлять необходимое количество разрыхленной массы, подготавливая тем самым нижележащий слой отработки. На рис. 3, б показан процесс буртования разрыхленного полезного ископаемого для последующей отгрузки в транспортные средства с учетом

оставления технологического подготовительного слоя для рыхления нижнего слоя. Таким образом, поочередно происходит процесс рыхления по всей мощности добычного уступа. После этого выделяется следующая площадь рыхления вдоль движения добычного фронта работ, для начала отработки которой также необходим первоначальный подготовительный слой щебня.

I I I I I I I I I ~Р~Г I I I I I I I I I I 1,1,1,1 и, ,1 и

......

III

1 г

1 г

I I I I I I

Рис. 3. Технология подготовки карбонатного массива к выемке при помощи БРА: а - процесс рыхления; б - процесс штабелирования

разрыхленной массы

Одной из задач данной работы является определение мощности отсыпаемого подготовительного технологического слоя (или оставляемого при последующем рыхлении), при котором коэффициент сцепления будет максимальным и будет эффективнее реализовывать тяговые возможности базовой машины. Для определения оптимальной мощности использовалась теория зернистой среды. Подробно этим вопросом занимался И.И. Кан-дауров. Им предложена формула для расчета деформации слоя безраспорного зернистого основания ограниченной мощности от линейной нагрузки:

2 Р

w =

2 71 2

1-Ф

'Jah 4

Iv^J >

(14)

В рамках теории расчета движения гусеничных машин получим систему уравнений, выражающих зависимость коэффициента зацепления от мощности отсыпаемого технологического подготовительного слоя:

кИ \ + п Т-\1уа

2д п т + кЬш

к

И =

+ 0,41^0^ -5)]' 2Р [аЯ

О

(15)

2л

261

Подставляя в систему уравнений (15) значения экспериментально полученных данных просадки гусениц на щебеночном основании разной мощности получаем значения коэффициента зацепления ходового механизма с поверхностью карбонатного массива, для нахождения оптимального значения мощности слоя, при котором коэффициент зацепления принимает максимальное значение.

Используя расчетный аппарат (формулы (1)...(15) и экспериментальные данные, были построены графики зависимости глубины рыхления от прочностных свойств рыхлимых пород и от коэффициента зацепления гусениц БРА с поверхностью карбонатного массива (рис. 4, рис. 5)

Рис. 4. Графики зависимости глубины рыхления карбонатного массива от предела прочности пород при одноосном сжатии и коэффициента зацепления ходового механизма с поверхностью забоя

3/5

ОД S 3,55

I о.з

и

g 3,25

К

О

2 0,1 3,05 0

450 500 550 650 700 750 Тяювая мощноаь БРА, кН

Рис. 5. Графики зависимости коэффициента сцепления от мощности подсыпаемого слоя и тягового класса бульдозерно-рыхлительного

агрегата

Промышленный эксперимент в условиях Падовского карьера по разработке месторождения известняков (Самарский регион) доказал, что предлагаемый способ повышения производительности БРА эффективен.

V.P. Safronov

METHOD OF RAISING BULLDOZER- RIPPER AGGREGATE (BRA) PRODUCTIVITY Origins of bulldozer- ripper aggregate (BRA) low productivity with using tractor, which have capacity more then 500 hp were considered. The method of raising the BRA productivity was proposed.

Key words: bulldozer- ripper aggregate, capacity of tractor, productivity, scarifying,

method.

Получено 24.11.11

УДК 622.33:622.23

П.Н. Чеботарев, асп., 89207598205, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)

СОВРЕМЕННЫЙ ПОДХОД К ИССЛЕДОВАНИЮ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ УГОЛЬНОГО МАССИВА

Обоснована актуальность применения положений механики разрушения при моделировании процессов разрушения угольного массива.

Ключевые слова: разрушение, горные породы, уголь, трещина.

При разработке полезных ископаемых открытым и подземным способами наиболее энергоемким технологическим процессом является разрушение горных пород. Чтобы уменьшить энергетические затраты на разрушение, необходимо, в частности, знать их прочностные параметры,