УДК 622.271 Михайлов Василий Юрьевич Научные руководители: канд

УДК 622.271
Михайлов Василий Юрьевич
Научные руководители: канд.техн.наук, доцент Булгаков Иван Семенович,
канд.техн.наук, старший преподаватель Терехин Евгений Петрович
Губкинский институт (филиал) государственное образовательное
учреждение высшего профессионального образования «Московский
государственный открытый университет», кафедра теоретической и
прикладной механики, г.Губкин
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ
КАРЬЕРНОГО ДРАГЛАЙНА
В настоящее время экскавация мягких пород при вскрышных
работах на карьерах выполняется двумя видами экскаваторов цикличного
действия – экскаватором с рабочим оборудование типа механическая
лопата (ЭКГ) и экскаватором с рабочим оборудованием типа драглайн
(ЭШ) [1]. Рассмотрим работу таких машин на одном уступе (рис.1). Для
сравнения возьмем экскаватор карьерный гусеничный с емкостью ковша
10м3 ЭКГ-10Ус и экскаватор шагающий с такой же емкостью ковша ЭШ
10/60.
Сравнительные параметры экскаваторов
Параметры
ЭКГ-10Ус ЭШ 10/60
1 Вместимость ковша основного, м3
10
10
2 Длина стрелы, м
13.85
60
3 Радиус черпания наибольший, м
18.4
58
13.5
35
4
Высота черпания
копания) м
наибольшая,
(глубина
Рис.1 Работа ЭКГ-10 и ЭШ 10/60 на одном уступе.
1
Как видно из сравнения, преимуществом драглайна перед
мехлопатой является большая высота обрабатываемого уступа, в следствии
чего:
 увеличивается генеральный угол откоса рабочего борта карьера на 69 градусов и, как следствие, уменьшается текущий коэффициент
вскрыши;
 сокращается количество уступов и транспортных горизонтов на
карьере, вследствие чего уменьшается дальность транспортирования
горной массы внутри карьера в режиме движения транспорта на
подъем и снижаются объемы работ по созданию и поддержанию
внутрикарьерных авто- и железных дорог в связи с сокращением их
протяженности.
 пропадает необходимость спуска железнодорожного состава на
нижний горизонт, подъем породы осуществляется экскаватором, что
экономит электроэнергию, затрачиваемую на спуск-подъем
железнодорожного состава.
Недостатком же является неприцельная выгрузка ковша драглайна в
транспортный сосуд, приводящая к просыпанию горной породы мимо
тары, что снижает эффективность использования этой машины, причем
выгрузка может производится только под головными блоками.
Использование шагающего экскаватора для загрузки автомобильного
транспорта и вовсе нарушает технику безопасности, в связи с возможным
падением крупногабаритных кусков породы на кабину автосамосвала.
Для исправления изложенных выше недостатков необходимо создать
драглайн, который мог бы прицельно, аккуратно, без просыпания
выгрузить ковш в транспортный сосуд в любой точке под стрелой, где
может находится груженый ковш. Во время выгрузки желательно, чтобы
ковш был управляемым.
Машиной решающей проблему прицельной выгрузки является
драглайн шагающий погрузочный ДШП, принципиальная схема которого
представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Принципиальная схема ДШП.
2
Однако этот экскаватор способен разгружать свой ковш только в
определенном месте под стрелой, где установлен блок подъемных канатов.
Так ДШП 10/38 может произвести выгрузку породы только на расстоянии
21 м от оси вращения экскаватора, что не позволяет ему эффективно
работать в отвал.
Известно изобретение, (патент РФ №2186 909 приоритет от
08.12.2000) которое предлагает устройство, позволяющее исправить
изложенные выше недостатки «классического» драглайна.
Это изобретение не предполагает изменения конструкции в базовых
узлах. Ось цапф подъемных цепей располагается на прямой между
центром тяжести порожнего и максимально загруженного ковша. Причем
расстояние от оси до центра тяжести порожнего ковша равно одной трети
расстояния между центрами тяжести. Меняется принцип опрокидывания
ковша на зубья – он вращается на зубья принудительно с помощью
разгрузочного каната, который одним концом шарнирно крепится к задней
стенки, а другим, огибая консоль ковша (рис. 3 б), наматывается на
барабан разгрузочной лебедки. При таком принципе опрокидывания ковша
машинист экскаватора может управлять как движением его вдоль осей
подъемных и тяговых канатов, так и вращением на зубья, что позволяет с
точностью до 0.25 м разгрузить ковш в любой точке под стрелой (рис.3 а).
Основным решающим принципом работы такого драглайна является
то, что предлагаемое расположение неподвижной оси вращения на ковше
позволяет ему самоуравновешиваться относительно горизонтальной
плоскости с наклоном на заднюю стенку в пределах
, при
полном его загружении. Этот наклон зависит от усилия на разгрузочном
канате и является управляемым. Машинист экскаватора, изменяя
крутящий момент на валу разгрузочной лебедки, например, увеличив его и
уменьшив на валу тяговой лебедки, может установить любой желаемый
наклон ковша к горизонтальной плоскости.
а.
б.
Рис. 3. Схема «универсального» драглайна: а – возможные места
расположения транспортных сосудов; б – общий вид ковша
«универсального» драглайна емкостью
: 1 – ковш; 2 – консоль
ковша; 3 – разгрузочный канат.
3
При умелом управлении ковш при выгрузке должен переместиться
вдоль оси подъемных канатов на 2 – 3 метра, чтобы вся выгруженная
порода равномерно разместилась в транспортном сосуде. Такой экскаватор
по праву можно называть «универсальным» драглайном.
Чтобы доказать работоспособность «Универсального драглайна»
необходимо определить усилия на разгрузочном канате и тяговых цепях,
как в статическом равновесии, так и в динамике (во время опрокидывания
ковша на зубья).
; (1)
; (2)
. (3)
Система из уравнений (1) и (2) определяет, что если проекция на
координатные оси всех действующих на тело сил равна нулю, то сумма
этих сил образует замкнутый силовой многоугольник. Это дает
возможность определения всех действующих на ковш сил графическим
путем. Таких сил всего четыре:
1. Суммарная сила тяжести , где
- сила тяжести
горной массы в ковше, - сила тяжести порожнего ковша;
2. Усилия на тяговых цепях - ;
3. Усилие на разгрузочном канате - ;
4. Усилия на подъемных цепях - .
Направление этих сил известно.
Уравнение (3) говорит о том, что если сумма всех действующих на
тело моментов равно нулю, то оно находится или в статическом
равновесии или вращается вокруг неподвижной оси.
Выполним анализ работы упряжи «универсального» драглайна при
разгрузке в транспортный сосуд, когда ковш находится на середине вылета
стрелы (рис. 4. а.)
Плечи сил для расчета крутящих моментов, действующих на ковш,
определяем графическим методом:
Построение многоугольника сил (рис. 4 б.) начнем с суммарной силы
тяжести:
(34 т)
Сила тяжести направлена вертикально вниз. Имея направления сил
- замкнем треугольник. Из полученных отрезков определим
модули сил:
(29.5 т)
(46.8 т)
4
а.
б.
Рис. 4. Расчетная схема ковша «универсального» драглайна:
а – усилия, действующие на ковш; б – замкнутый треугольник сил.
Известно суммарное усилие на разгрузочном канате и тяговых и
тяговых цепях
. Для определения усилия на разгрузочном канате
и тяговых цепях
составим уравнение моментов для уравновешенного
ковша.
Упростив его получим:
Можно составить систему уравнений:
Решив данную систему получим следующие значения:
(2.6 т)
(26.9 т)
Как видно из расчетов усилие на разгрузочном канате
незначительно.
Определим необходимое усилие на разгрузочном канате, для того
чтобы ковш начал вращаться (разгружаться) с угловым ускорение ε=0.2
рад/с2.
Для того, чтобы ковш начал вращаться на зубья вокруг неподвижной
оси О, не меняя своего расположения под стрелой, необходимо выдержать
равенство, чтобы сумма сил, действующих в динамике, была равна сумме
сил статического равновесия, т.е.:
.
Поэтому, увеличивая усилия на разгрузочном канате, надо сразу же
ослаблять тяговое усилие. Процесс опрокидывания ковша на зубья
управляется машинистом экскаватора путем изменения усилий на тяговом
и разгрузочном канатах.
5
Закон перехода ковша во вращение можно описать следующим
уравнением:
=0
где,
- момент инерции ковша относительно оси вращения.
.
Подставив в уравнение все известные значения и упростив его
составляем систему уравнений:
Решив её получим:
Это говорит о том, что для того чтобы ковш начал вращаться с
угловым ускорением ε=0.2 необходимо увеличить усилие на разгрузочном
канате на 12.5 кН (с 25.6 кН до 38.08 кН) и уменьшить усилие на тяговом
канате на 12.5 кН (с 263.5 кН до 251.02 кН). С таким ускорением ковш
повернется на 60° примерно за 3 секунды.
Данные расчеты доказывают работоспособность «универсального»
драглайна.
Замена
«универсальными»
драглайнами,
машин
которые
применяется в данное время позволит изменить технологию вскрышных
работ в сторону увеличения эффективности использования выемочной
машины и снижения затрат на транспортирование породы, что в целом
повысит экономические показатели предприятия.
6