Основы конструирования ковшей нового научно-технического уровня для карьерных роторных экскаваторов



Предыдущая | Следующая

 

Основы конструирования ковшей нового научно-технического уровня для карьерных роторных экскаваторов Первый карьерный роторный экскаватор с рабочим органом в виде колеса с ковшами, установленными по его периметру, был построен в Германии фирмой «Gumbolt» в 1916 г., когда цепные многоковшовые экскаваторы уже широко применялись на открытых горных работах в буроугольной промышленности. Эксплуатационные преимущества новой машины и резкое уменьшение потребности в качественных конструкционных сталях в сравнении с цепными многоковшовыми экскаваторами сразу же привлекли внимание конструкторов и специалистов. К 1936 г. в Германии уже было построено 22 крупных роторных экскаватора и они окончательно утвердились на открытых горных работах.
В условиях Германии роторные экскаваторы разрабатывали сравнительно слабые покрывающие породы и бурые угли невысокой крепости, поэтому вопросы теории экскавационного процесса глубоко не разрабатывались и при конструировании ковшей вполне удовлетворялись упрощенными решениями, основанными главным образом на инженерной интуиции. На рис. 1 представлены различные схемы ковшей роторных экскаваторов, применяемых на практике. Ковши (черпаки) выполнялись с режущим козырьком полукруглой (см. рис. 1, а), прямоугольной со скругленными углами (см. рис. 1, б) или трапециевидной (см. рис. 1, в) формы.
Позже опыт работы привел к выводу о целесообразности установки на ковшах режущих зубьев (ножей). Их режущие кромки прерывистой линией повторяют очертание козырька, и при этом основную работу резания выполняют зубья, режущие кромки которых составляют с направлением боковой подачи ротора vп угол?????0.
В СССР первый опыт применения роторных экскаваторов, полученных после войны от Германии, для разработки более крепких вскрышных пород выявил несовершенство их режущего оборудования, которое проявлялось в высокой удельной энергоемкости и динамичности экскавационного процесса, отрицательно влияющих на производительность, эффективность и надежность машин. Осо Приведены результаты теоретических проектирование режущего оборудования и экспериментальных исследований, для новых роторных экскаваторов для тяжелых условий работы на заводах «НКМЗ», «Донецгормаш» и «Ждановтяжмаш» попрежнему велось исходя из инженерной интуиции и производственного опыта.
Причины высокой энергоемкости резания грунта ковшами традиционной немецкой конструкции исследователи усматривали в том, что при совместном участии всех зубьев в отделении от массива стружки серповидного сечения, тем применения на их рабочих органах каждый из них работает в режиме блорежущего оборудования нового научно- кированного резания, отличающегося, технического уровня. как известно, высокой энергоемкостью, Ключевые слова: карьерный роторный а также в том, что создаваемые соседними экскаватор, ковш, режущие зубья. зубьями зоны напряженного состояния в Контактная информация – массиве перекрываются и это приводит к e-mail:

vchudnovsky@gmail.com

излишнему дроблению и переизмельчению некоторой части стружки и дополбенно остро серьезность этих проблем нительным затратам энергии. Отмечали была осознана в 1960-х гг. с началом также, что наблюдаемый при работе ковстроительства и широкого применения шей абразивный износ участков козырька роторных экскаваторов в сложных горно- между соседними зубьями указывает на геологических и климатических условиях их контакт с забоем, создающий неко торое дополнительное сопротивление резанию.
Чтобы устранить участие козырька в работе резания, в [1] был предложен ковш (см. рис. 1, г) с козырьком в виде трапеции, с углом между передней и боковыми стенками, равным углу развала прорези при блокированном резании??пр????0 и двумя режущими зубьями, установленными в углах козырька по оси их симметрии. Ковш выполняет повторное подрезное резание забоя зубом, режущая кромка которого составляет с направлением боковой подачи ротора vп угол?????0. Предполагалось, что при расчетном ромбическом сечении среза линии разрушения грунта в боковых уширениях прорези должны, как в схеме блокированного резания, располагаться симметрично относительно ножа и параллельно кромкам козырька, что приведет к устранению их контакта с забоем.
Опыт применения ковшей на первых роторных экскаваторах ЭРГ-1600 (НКМЗ) показал, что на грунтах крепких связных, не склонных к растрескиванию, они отделяют от забоя куски больших размеров, серьезно нарушающих работу конвейерных линий и перегрузочных узлов. Этот недостаток завод устранил путем установки на каждой боковой стенке козырька трех режущих зубьев под углом?????0 с боковым и траекторным смещением (см. рис. 1,
д), каждый из которых обеспечивает независимое резание части сечения стружки.
Такие ковши применяются на всех роторных экскаваторах «НКМЗ». В то же время завод «Донецгормаш» применяет ковши с режущим козырьком полукруглой формы (см. рис. 1, а), а завод «Ждановтяжмаш» — трапециевидной формы (см. рис. 1, в).
Возможность существенного снижения энергоемкости резания при работе ковшей, имеющих форму, как представлено на рис. 1, г, д, не кажется убедительной.
Конструкция ковшей подчинена частной задаче — устранению только дополнительного сопротивления резанию от контакта козырька с забоем, составляющего весьма малую часть общего усилия резания, а ее решение основано на использовании при?????0 повторной подрезной схемы резания, близкой к схеме блокированного резания, отличающейся высокой энергоемкостью. При этом возможность применимости и эффективность других схем повторного резания в [1] не были исследованы. Упрощенность подхода к обоснованию конструкции ковшей проявляется также в том, что не рассматривались и не решались чрезвычайно важные для практики задачи устранения затупления режущих зубьев в работе, увеличивающего, по оценкам [1, 2], сопротивление резанию не менее чем на 30 %, и снижения уровня значительных динамических возмущений, создаваемых в процессе резания забоя ковшами. Не решены эти задачи и в ковшах традиционной немец- закономерностей рабочего процесса, кой конструкции. Поиск путей их решения выполненных автором [3, 4, 6, 7]. В теоретребует проведения исследований, выхо- тических исследованиях использовались дящих за рамки тривиальных инженерных аналитические методы и математическое возможностей. моделирование, экспериментальные исКак видим, ковши, созданные на осно- следования проводились на экскаваторах, ве инженерной интуиции, несовершенны. лабораторных стендах и физической моМежду тем, они устанавливаются на ро- дели динамической системы экскаватора, торных экскаваторах, предлагаемых и се- впервые учитывающей критерии подобия годня к поставке, как заводами Украины, параметров конструкции и рабочего протак и признанными мировыми лидерами цесса модели и натуры.
роторного экскаваторостроения — фир- Исследования закономерностей резамами «Krupp», «MAN TAKRAF» (Германия), ния грунта одиночным ножом показали «PRODECO» (Чехия). Их применение не [3, 4], что в режиме повторного резания позволяет в полной мере реализовать при расчетном ромбическом сечении потенциальные технические, экономи- среза геометрические особенности сечеческие и конкурентные возможности ма- ния прорези практически не зависят от шин в сложных условиях эксплуатации и угла установки ножа??? а энергетические серьезно тормозит научно-технический характеристики прорезей существенно прогресс в области роторного экскавато- различны. Установлено, что наименьшей ростроения. энергоемкостью обладает срез при????? Задача разработки научных основ когда реализуется ступенчатая схемы репроектирования режущего оборудова- зания, близкая к полусвободному резания роторных экскаваторов была целью нию, — ее энергоемкость на 25-30 % ниже всесторонних комплексных теорети- подрезного резания при?????0, близкого ческих и экспериментальных исследо- к блокированному резанию. Преимущесваний энергетических и динамических тва ступенчатой схемы резания выявили также теоретические исследования влияния угла?? на закономерности формирования ортогональных составляющих реакции забоя на ротор, одна из которых нагружает привод ротора, другая — привод поворота, третья — погашается реакциями опор ротора [4]. Наиболее благоприятное пространственное положение реакция забоя занимает при????? В этом случае в сравнении с углом?????0 окружное усилие резания и нагрузка привода ротора снижаются на 5-20 %, а усилие боковой подачи и нагрузка привода поворота экскаватора — не менее чем в 2,5-3 раза. Уместно заметить, что до сих пор вопрос о применении ступенчатой схемы резания в роторных экскаваторах не ставился и не исследовался. Между тем эффективность ступенчатой схемы резания уже давно определила ее широкое использование в работе режущих органов шахтных горных машин, где, по данным [5], ее энергоемкость при резании каменного угля и антрацитов оценивается в 62 % от значений при блокированном резании.
Совместимость ступенчатой схемы резания с установкой зубьев на ковшах с боковым и траекторным смещением проверялась в опытах на грунтах естественного сложения путем имитации резания внедрением клинового индентера в поверхность грунта у вертикальной стенки при шаге установки зубьев 12 см и их боковом смещении 7,5 см (рис. 2).
Имитируя траекторное смещение зубьев, вначале разрушали верхнюю часть сечения среза, затем — нижнюю. Расположение линий скола указывает на достижение эффекта расчленения и автономного разрушения зубьями частей сечения среза.
В поиске возможных путей дальнейшего снижения энергоемкости резания автором исследовались закономерности износа зубьев из однородного материала и с твердосплавными покрытиями, характер и параметры их затупления, а также особенности распределения контактных напряжений на рабочих гранях зубьев [3].
Результаты позволили впервые обосновать и создать практическую конструкцию самозатачивающихся зубьев, сохраняющих технически острую форму в течение всего срока службы [3, 6]. Одним из условий достижения эффекта самозатачиваемости является постоянство угла резания зубьев в работе, что обеспечивается только при угле их установки????? Зависимость характера динамических явлений в роторных экскаваторах от конструктивных особенностей режущего инструмента ковшей автором впервые исследовалась на основе расчетной упругой модели, звенья которой в рабочем процессе охватываются обратными связями, отражающими влияние упругих колебаний ротора на параметры резания [3, 7]. Анализ дифференциальных уравнений фективную конструкцию ковшей нового движения ротора в забое на устойчивость научно-технического уровня, в полной показал, что при?? >0 в составе сил со- мере отвечающую современным критепротивления грунта резанию появляются риям минимизации энергоемкости и дисоставляющие со свойствами отрицатель- намики рабочего процесса.
ного сопротивления, вызывающие «накач- Расчетными параметрами схемы являку» энергии от привода в колебательную ются: число зубьев на каждой рабочей систему. «Накачка» регенерирует динами- стороне ковша z, толщина а и ширина b ческую систему и является главной причи- сечения среза грунта ковшом, радиальной отмечаемой в эксплуатации повышен- ный шаг установки режущих зубьев аш, ной склонности роторных экскаваторов к угол отклонения плоскости симметрии колебаниям. Установлено, что при?????0 зубьев от плоскости вращения ротора??? возникают условия переходы регенера- углы траекторного??Т и бокового??Б смеции в самовозбуждение и появления в щения зубьев.
системе автоколебаний. В случае???? и Величина аш зависит от ограничений, применения самозатачивающихся зубьев устанавливаемых на предельный размер явления регенерации и самовозбуждения кусков экскавируемой горной массы ак (в полностью устраняются, и в составе сил нормах на поставку угля тепловым электрезания формируются значительные по ростанциям ак=300 мм). Для надежности величине силы вязкого трения. Расчеты следует назначать а ш на ~25 % меньше показывают, что декремент горизонталь- ак. Тогда, а =0,75ак z. Ширина среза b при ных колебаний ротора в забое, создавае- расчетном ромбическом сечении среза мый этими силами, превышает декремент и среднем значении угла развала проресвободных колебаний конструкции в 6- зи для грунтов??пр? 1200 [1, 3] составляет 15 раз, а декремент вертикальных и кру- b=0,86ак. Подставив полученные для а и тильных колебаний ротора — более чем b зависимости в выражение для техничесв 20 раз, что свидетельствует о сильном кой производительности экскаватора QТ= подавлении колебаний. Таким образом, 60 H аb zк np, где: QТ — техническая проопределены конструктивные параметры, изводительность экскаватора в плотной при которых ковши, осуществляя резание массе, м3/ч; H — расчетная высота забоя, забоя, впервые одновременно эффектив- м; zк — число ковшей ротора; np— частота но выполняют новую специфическую фун- вращения ротора, мин-1; dim а, b — м; накцию демпфера колебаний. ходим расчетное число зубьев z:
Установленные выше рациональные параметры режущей части ковшей взаимно согласованы и позволяют в проектной Результат, полученный из (1), следует практике, используя представленную на увеличить до ближайшего целого числа, а рис. 3 схему, впервые синтезировать эф Угол?? для работы режущих зубьев в режиме прямоугольного резания, обеспечивающего минимальные значения сил сопротивления на боковых гранях, определяется условием???????? vп /vp, где vп, vp — составляющие скорости резания v:
vп — скорость боковой подачи; vp — окружная скорость ротора. Скорости vп и vp изменяются при регулировании главных приводов, поэтому угол?? является величиной переменной. В [3] показано, что при ??? степень блокированности боковой грани зуба со стороны поверхности забоя, открытой впереди идущим ковшом, значительно ниже, чем боковой грани со стороны целика, поэтому последнюю целесообразно исключить из контакта с забоем. Для этого следует принять??? (vп/vp) макс, где vп имеет наибольшее, а vp наименьшее значение в рабочем диапазоне их изменения.
При выборе угла бокового смещения зубьев??Б следует исходить из того, что при расчетном значении??пр? 1200 линия отрыва стружки от целика должна проходить от режущего зуба к углу канавки, образуемой режущей кромкой впереди идущего зуба. Линия отрыва при этом имеет наименьшую длину, и усилие резания снижается. Из равенства проекций на ось х ломаной линии с1с2с3с4 и отрезка с1с4 =аш /sin?Б находим, что указанное условие удовлетворяется, когда:
где: kb = b1/аш — коэффициент относительной длины режущей кромки зуба;
k?=с1с2/аш — коэффициент относительной высоты вертикальной стенки канавки прорези со стороны целика.
В расчетах угла??Б по (2) принимаем, исходя из опыта проектирования ковшей, kb =0,5-0,7 и, по экспериментальным данным [3], — k?= 0,15-0,25.
Угол траекторного смещения режущих зубьев??Т может быть определен по методике, предложенной в [1]. Ориентировочно угол??Т составляет 40-500.
Принципы конструирования самозатачивающихся режущих зубьев рассмотрены в [6]. Установка их на козырьке ковша задается углами??????? и углом резания?? к, при котором конструктивная площадка со стороны задней грани длиной lпл должна находиться в плоскости резания.
На основе изложенных принципов в Донецком политехническом институте под руководством автора разработаны проекты ковшей ступенчатого резания вместимостью 120-1400 л, реализованные при модернизации ряда экскаваторов ЭР315, ЭР-1250, Rs-1200 в Украине, ЭРГ-400 в Узбекистане и др. [3]. Для примера на рис. 4 приведен общий вид нового ковша экскаватора Rs-1200.
Испытания и опыт работы роторных экскаваторов с ковшами новой конструкции в различных горных условиях, в том числе в Узбекистане, на крепких загипсованных глинах V категории с пропластками крепостью f=2 по Протодяконову, подтвердили их высокую эффективность и показали, что в сравнении с ковшами прежней конструкции они обеспечивают:
— снижение на 45-50 % энергоемкости резания горной породы и нагрузки привода рабочего органа;
— уменьшение не менее чем в 2,5-3 раза усилия боковой подачи ротора и нагрузки привода поворота экскаватора;
— уменьшение общей технологической нагрузки на несущую конструкцию экскаватора не менее чем в 2 раза;
— устранение неустойчивости движения ротора в забое и эффективное подавление динамических явлений при работе экскаватора.
Полученные теоретические и практические результаты свидетельствуют, что научно обоснованный подход к определению параметров и выбору конструктивных решений режущей части ковшей привел к созданию конструкций, обладающих принципиально новыми характеристиками и возможностями. Их учет при проектировании роторных экскаваторов позволяет снизить металлоемкость, уменьшить установочную мощность основных приводов, расширить возможную область безвзрывной экскавации углей и пород повышенной крепости, повысить надежность, эксплуатационную эффективность и конкурентоспособность машин, причем наиболее экономичным способом.
В угольной отрасли России доля роторных экскаваторов в выемке угля составляет 33 %. Большая часть машин давно находится в эксплуатации, выработала нормативный срок службы и их техническое состояние оценивается как неудовлетворительное. Между тем, на обновление парка машин в ближайшие годы вряд ли можно рассчитывать. Не готовы угольные предприятия вложить серьезные средства и в дорогостоящий капитально-восстановительный ремонт экскаваторов.
В сложившихся условиях модернизация рабочего органа путем оснащения его новым современным режущим оборудованием позволит снизить остроту проблем и обеспечить поддержание работоспособного состояния роторных экскаваторов и эффективности их использования. Благодаря более высокой режущей способности и сильному подавлению динамических явлений при работе нового режущего оборудования создается значительный резерв мощности главных приводов и прочности конструкции, позволяющий увеличить производительность, повысить надежность и продлить технический ресурс роторных экскаваторов, причем практически без капитальных затрат.
Высокий эффект, достигаемый обновлением режущего оборудования, должен стимулировать экономическую заинтересованность горных предприятий в проведении капитально-восстановительного ремонта роторных экскаваторов, выработавших ресурс, поскольку технические возможности восстановленных машин будут существенно превосходить первоначальные паспортные.
Таким образом, материалы настоящей работы свидетельствуют об актуальности, технической и экономической целесообразности перевооружения парка роторных экскаваторов на угольных разрезах России путем установки на их рабочих органах эффективного режущего оборудования нового научно-технического уровня.
Список литературы 1. Ветров Ю. А. Резание грунтов землеройными машинами. — М.: Машиностроение, 1971. — 360 с.
2. Домбровский Н. Г. Экскаваторы. — М.:
Машиностроение, 1969. — 319 с.
3. Чудновский В. Ю. Механика роторных экскаваторов. — Иерусалим: Изд-во МИКА К. А, 2002. — 329 с.
4. Чудновский В. Ю. Исследование условий снижения нагрузки главных приводов карьерных роторных экскаваторов // Горное оборудование и электромеханика.
— 2007. — № 11. — С. 42-48.
5. Резание угля / А. И. Берон, А. С. Казанцев, Б. М. Лейбов и др. — М.: Госгортехиздат, 1962. — 439 с.
6. Чудновский В. Ю. Принципы конструирования самозатачивающегося режущего инструмента роторных экскаваторов // Уголь. — 2006. — № 2. — С. 16-20.
7. Чудновский В. Ю. Исследование природы динамических явлений в роторных экскаваторах // Проблемы машиностроения и надежности машин. — 2006. — № 6.