Обоснование и выбор динамических параметров привода роторного ковшового рабочего органа карьерного комбайна тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.06, кандидат технических наук Губенко, Антон Анатольевич

• Губенко, Антон Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Губенко, Антон Анатольевич

Введение.

1 Состояние вопроса, цель и задачи исследования.

1.1 Современное состояние и перспективы развития конструкций карьерных комбайнов для непрерывной послойной выемки прочных пород.

1.2 Основные результаты исследований нагрузок в приводах роторных рабочих органов горных машин.

1.3 Цель, задачи и алгоритм исследования.

Выводы по главе.

2 Закономерности формирования сил сопротивления при экскавации породного массива карьерным комбайном с роторным ковшовым органом.

2.1 Кинематические особенности рабочего процесса карьерного комбайна с роторным ковшовым органом.

2.2 Формирование момента сопротивления вращению роторного ковшового рабочего органа карьерного комбайна.

2.3 Влияние технологических, кинематических и силовых параметров на техническую производительность карьерного комбайна с роторным ковшовым рабочим органом.

Выводы по главе.

3 Теоретические основы рабочего процесса упругодемпфирующих устройств.

3.1 Статические и динамические параметры упругодемпфирующих устройств.

3.2 Конструкция, принцип действия и конструктивные параметры пневмогидравлического упруго демпфирующего устройства.

3.3 Математический аналог пневмогидравлического упруго демпфирующего устройства.

Выводы по главе.

4 Исследование динамики процесса экскавации роторным рабочим органом карьерного комбайна.

4.1 Особенности взаимодействия роторного ковшового органа с породой в зоне фрикционного контакта.

4.2 Параметры генератора импульсов давления (расхода) рабочей жидкости для формирования вынужденных колебаний вращения роторного ковшового рабочего органа.

4.3 Математическая модель автоколебательной системы «карьерный комбайн забой» (уравнения движения электромеханической системы).

4.4 Моделирование электромеханической системы «карьерный комбайн — забой».

Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование и выбор динамических параметров привода роторного ковшового рабочего органа карьерного комбайна»

Актуальность работы. Горнодобывающая промышленность является одной из ведущих отраслей, базирующихся на мощной минерально-сырьевой базе Российской Федерации. По ряду важнейших полезных твердых ископаемых, например, таких как каменный уголь, железные и алмазосодержащие руды, РФ по подтвержденным запасам не только занимает ведущее место в СНГ, но и входит в первую десятку государств мира. Основные запасы полезных твердых ископаемых в РФ в основном сосредоточены в районах со сложными горно-геологическими условиями.

При разработке скальных и полускальных пород производственный цикл, по сложившейся технологии, включает, как правило, буровзрывную подготовку горного массива и последующую "выемку горной- массы из навала экскаваторами с погрузкой в транспортные средства. Такая технология обеспечивает высокую производительность выемочно-погрузочного оборудования при разработке пород любой крепости, но не удовлетворяет современным требованиям в отношении качества извлекаемого полезного ископаемого, ресурсосбережения и экологии, поэтому естественным является стремление исключить процесс рыхления массива взрывом. На основе опыта проектирования и эксплуатации шахтных добычных и проходческих комбайнов, а также оборудования для дорожного и аэродромного строительства был разработан ряд образцов комбайнов непрерывного действия для открытой разработки месторождений методом послойного фрезерования (такие комбайны получили название «Krupp Surface Miner», или сокращенно KSM).

В СНГ ведется непрерывный поиск и внедрение в производство технологий с новым оборудованием высокого технического уровня, значительно повышающего эффективность горных работ. Однако первый опыт эксплуатации карьерных комбайнов показал их недостаточно высокую производительность при выемке породных пластов различной мощности. Это объясняется тем, что техническая производительность карьерного комбайна при заданных его конструктивных и энергетических параметрах зависит не только от технологических, но и от динамических параметров.

Таким образом, расширение номенклатуры добычи твердых полезных ископаемых может быть достигнуто на основе модернизации и создания перспективных конструкций карьерных комбайнов с роторным ковшовым рабочим органом, эксплуатирующихся на месторождениях Российской Федерации, с трансмиссиями, имеющими рациональные динамические параметры.

Поэтому разработка многопараметрической математической модели процесса взаимодействия роторного ковшового рабочего органа с породой для обоснования и выбора рациональных динамических параметров трансмиссий приводов карьерного комбайна в зависимости от характеристик его электромеханической системы является актуальной научной задачей.

Целью работы является установление закономерностей формирования динамических параметров трансмиссии привода роторного ковшового рабочего органа карьерного комбайна в зависимости от характеристик его электромеханической системы.

Идея работы заключается в снижении момента трения роторного ковшового рабочего органа о породу за счет пневмогидравлической упругодемпфирующей заделки хвостовика редуктора привода ротора карьерного комбайна, оснащенной автоколебательным генератором импульсов движущего момента.

Методы исследований. При выполнении диссертационной работы использовались основные положения и методы теоретической механики твердого тела, газа и жидкости, виброреологии и математического моделирования с использованием современных пакетов прикладных программ.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

• формирование динамических характеристик электромеханической системы привода роторного ковшового рабочего органа карьерного комбайна для уменьшения уровня динамических нагрузок может быть осуществлено путем оснащения привода пневмогидравлическим упругодемпфирующим устройством с оперативным регулированием жесткости и демпфирования;

• выемка слоя породы с более высокой- прочностью без снижения производительности карьерного комбайна может быть достигнута путем оснащения пневмогидравлического упругодемпфирующего устройства привода роторного ковшового рабочего органа автоколебательным генератором импульсов давления (расхода) рабочей жидкости;

• рациональные динамические параметры электромеханической системы приводов карьерного комбайна в режиме номинальной нагрузки и рациональные виброреологические параметры взаимодействия роторного ковшового рабочего органа комбайна с породой могут быть получены на основе имитационной многопараметрической математической модели.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций базируется на применении современных научных методов исследований, включающих аналитические исследования, с использованием фундаментальных положений: теоретической механики твердого тела; математического моделирования; системного анализа процесса нагружения приводов силовой установки карьерного комбайна. Сходимость результатов аналитических исследований и математического моделирования при относительной ошибке до 0,15 составляет не менее 85%.

Научное значение работы заключается в разработке многопараметрической математической модели процесса взаимодействия роторного ковшового рабочего органа карьерного комбайна с породой с учетом динамических параметров электромеханической системы привода и в установлении закономерностей изменения производительности карьерного комбайна с роторным ковшовым рабочим органом от физико-механических свойств породы, технологических, энергетических, конструктивных, динамических и виброреологических параметров привода.

Практическое значение работы состоит в разработке методики и программного обеспечения для моделирования и расчета рациональных динамических параметров системы привода роторного ковшового рабочего органа карьерного комбайна.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Основные результаты диссертационной работы нашли применение в проектно-конструкторских разработках ООО «ИЗ-Картэкс» по совершенствованию существующих и созданию инновационных конструкций карьерных комбайнов с роторным ковшовым рабочим органом, а также будут использованны в научно-технических разработках конструкторского бюро в 2012-2014гг:

• технические требования на модернизацию привода роторного ковшового рабочего органа карьерного комбайна КСМ-2000Р совместной разработки фирмы «Krupp Fordertechnik» (Германия), ФГУП «ННЦ ГП - ИГД им. A.A. Скочинского», ОАО «ИЗ-КАРТЭКС» (РФ), находящегося в эксплуатации на Таллинском угольном разрезе ОАО «Угольная компания «КУЗБАССРАЗРЕЗУГОЛЬ»;

• методика статического и динамического расчета трансмиссии привода роторного ковшового рабочего органа карьерного комбайна с оперативным регулированием её жесткости и демпфирования;

• программное обеспечение для моделирования взаимодействия роторного ковшового рабочего органа карьерного комбайна со слоем породы в зависимости от прочности» породы, параметров пласта, кинематических, силовых и динамических параметров привода рабочего органа.

Научная новизна и личный вклад автора состоит:

• в установлении кинематических особенностей рабочего процесса карьерного комбайна с роторным ковшовым органом;

• в разработке многопараметрической математической модели процесса взаимодействия роторного ковшового рабочего органа карьерного комбайна с породой;

• в моделировании процесса взаимодействия.роторного ковшового рабочего органа, карьерного комбайна со слоем породы в зависимости от прочности породы, параметров пласта, кинематических, силовых и динамических параметров привода рабочего органа.

Апробация работы. Основные положения и содержание работы были доложены и обсуждены на: Международных научных симпозиумах «Неделя Горняка» в 2008, 2009, 2010, 2011 гг. (г. Москва, МГГУ); XIII, XIV и XV Международных экологических конференциях студентов и молодых ученых «Горное дело и окружающая среда. Инновационные и высокие технологии XXI века» - 2009, 2010, 2011 гг. (г. Москва, МГГУ); Международной научно-технической конференции «Современные техника и технологии горно-металлургической отрасли и пути их развития» - 2010 г., (Республика Узбекистан, Навои); XIV Международной конференции «Технология, оборудование и сырьевая база горных предприятий промышленности строительных материалов» - 2010, (г. Москва, МГГУ).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, 3 из них опубликованы в журналах, входящих в перечень рецензируемых изданий, утвержденных ВАК Минобрнауки России.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений, списка использованных источников информации из 142 наименований и включает 31 рисунок и 3 таблицы.

Заключение диссертации по теме «Горные машины», Губенко, Антон Анатольевич

8. Основные результаты диссертационной работы нашли применение в плановых проектно-конструкторских разработках ООО «ИЗ-Картэкс» на 2012-2014 гг. по совершенствованию существующих и созданию инновационных конструкций карьерных комбайнов с роторным ковшовым рабочим органом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основе выполненных исследований дано новое решение актуальной научной задачи: разработки многопараметрической математической модели процесса взаимодействия роторного ковшового рабочего органа с породой для обоснования и выбора рациональных динамических параметров трансмиссий приводов карьерного комбайна в зависимости от характеристик его электромеханической системы.

Основные научные выводы и результаты диссертационной работы, полученные лично автором, заключаются в следующем:

1. Процесс выемки породы карьерным комбайном с роторным ковшовым органом, имеющим г0 ковшей, характеризуется следующими кинематическими особенностями: с уменьшением угла контакта роторного ковшового органа (ро со слоем породы размах процесса колебаний суммы горизонтальных сечений стружек уменьшается при постоянной частоте выхода ковша из забоя (входа ковша в забой) равной /= 20ш/2лг, Гц;

2. Установлено, что максимальное значение отношения скоростей Уоти/Ут относительного колебания вращения роторного ковшового рабочего органа к его тангенциальной скорости равно 0.7, при этом снижение момента трения АМт составит 18 %, что соответствует уменьшению коэффициента эффективного трения /э роторного ковшового рабочего органа о породу с 0.55 до 0.451.

3. Разработана принципиальная схема автоколебательного генератора импульсов давления, (расхода) рабочей жидкости пневмогидравлического УДУ и установлены его основные конструктивные, жесткостные и динамические параметры для формирования вынужденных колебаний вращения роторного ковшового рабочего органа как при сжатии, так и при растяжении;

4. Разработана многопараметрическая математическая модель системы «карьерный комбайн — забой» — дифференциальные уравнения движения электромеханической системы карьерного комбайна, описывающие автоколебательный процесс во времени в зависимости от скорости движения комбайна и толщины стружки роторного ковшового рабочего органа.

5. Моделированием многопараметрической системы «карьерный комбайн — забой» установлено, что: на вынужденной частоте входа (выхода) ковшей в забой из забоя) коэффициент динамичности электромеханической системы при упругодемпфирующей заделке хвостовика редуктора привода роторного ковшового рабочего органа уменьшился на 15 %; при упругодемпфирующей заделке хвостовика редуктора привода рабочего органа на вынужденной зарезонансной частоте генератора импульсов давления (расхода) рабочей жидкости пневмогидравлического УДУ максимальное значение нормированной спектральной плотности составило величину 8п(/и =18 Гц) = 0.082, что позволило уменьшить коэффициент эффективного трения роторного ковшового рабочего органа о породу с 0.55 до 0.451

6. Установлена зависимость фактической удельной технической производительности карьерного комбайна от коэффициента динамичности электромеханической системы привода роторного ковшового рабочего органа и эффективного коэффициента трения для породы различной прочности.

7. Анализом результатов моделирования фактической удельной технической производительности карьерного комбайна установлено, что: удельная техническая производительность карьерного комбайна независимо от величины прочности породы нелинейно убывает с увеличением коэффициента динамичности электромеханической системы привода роторного ковшового рабочего органа и нелинейно возрастает с уменьшением эффективного коэффициента трения роторного ковшового рабочего органа о забой; при* упругодемпфирующей заделке хвостовика редуктора привода удельная техническая производительность карьерного комбайна на 26 % выше, чем-при жесткой,заделке.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Губенко, Антон Анатольевич, 2011 год

1. Волков Д.П., Крикун В.Я., Тотолин П.Е. и др. Машины для земляных работ: Учебник для студентов вузов по специальности «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование» М.: Машиностроение, 1992-448 с.:ил.

2. Демченко И.И. Научное обоснование и разработка комплекса средств механизации для обеспечения качества угле-продукции. Автореферат докт. дисс. Иркутск: ИрГТУ., 2009, 48'е., ил.

3. Подэрни Р.Ю. Теория рабочего процесса роторных исполнительных органов. Учебное пособие, М.: МГИ, 1969, 74 с.

4. Григорьев A.C. Обоснование и выбор параметров продавливающих установок для1 бестраншейной технологии строительства подземных инженерных коммуникаций. Автореферат Канд. дисс. М.: МГГУ, 2005, 23с.

5. Подэрни Р.Ю. Механическое оборудование карьеров: (ГОРНОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ). Учебник для вузов. — 6-е изд., перераб. и доп. — М.: Издательство МГГУ, 2007. 680 е.: ил.

6. Владимиров В.М., Шендеров А.И., Калашников Ю.Т. Карьерные роторные экскаваторы. Киев, Изд-во «Техшка», 1968, 284 с.

7. Владимиров В.М., Трофимов, В.К. Повышение производительности карьерных многоковшовых экскаваторов. М.: «Недра», 1980, 312 с.

8. Берман Г.Н. Циклоида. — М.: «Наука», 1980, 112 с.

9. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. Издание десятое, стереотипное М.: Изд-во «Наука», 1972, 872 с. с илл.

10. Выгодский М.Я. Справочник по элементарной математике. Издание двадцать первое. М.: Изд-во «Наука», 1971, 416 с. с илл.

11. Беляков Ю. И., Владимиров В. М., Совершенствование экскаваторных работ на карьерах, М., Изд-во «Недра» 1974. 304 с.

12. Домбровский Н.Г., Картвелишвили Ю.Л., Гальперин М.И. Строительные машины. Учебник для вузов. В 2 частях. Ч. 1-я., «Машиностоение», 1976. 392 с.

13. Беляков Ю.И. Совершенствование технологии выемочно-погрузочных работ на карьерах. М:, «Недра», 1977. 295 с.

14. Ветров Ю.А., Кархов A.A., Кондра A.C., Станевский В.П. Машины для земляных работ. Издательское объединение «Вища школа», 1976, 368 с.

15. Протасов Ю.И. Разрушение горных пород. 3-е изд., стер.- М.: Изд-во МГТУ, 2002.- 453с.

16. Бондарев C.B. Обоснование и выбор параметров упругодемпфирующей подвески стрелы карьерной механической лопаты. Автореферат канд. дисс., Москва, МГИ, 1988, 24 е. с ил.

17. Кузиев Д.А. Обоснование и выбор параметров гидроимпульсного привода шнеко-фрезерного рабочего органа: карьерного комбайна. Канд. дисс., М., МЕГУ, 2007, 111 с. с ил.

18. Абдуазизов H.A. Обоснование и выбор параметров системы «гидробак-охладитель» гидрообъемной силовой установки карьерного комбайна: Канд. дисс., М., МГГУ, 2008, 141 с. сил.

19. Прямилов Н.М. Исследование упруго-демпфирующего устройства исполнительного органа роторного экскаватора как средства стабилизации рабочего процесса. Канд. дисс., М., МГИ, 1974, 150 с. с ил.

20. Сандалов В.Ф. Исследование гидромеханического; защитного устройства привода;исполнительного органа роторного экскаватора. Канд. дисс. М.: МГИ, 1977,143 с.

21. Заленский В.С; Строительные машины: Примеры расчетов; Учебное пособие для техникумов. 3-е изд., перераб. и доп. — М.: изд-во «Стройиздат», 1983, 271 с.сил.s

22. Домбровский Н.Г. Многоковшовые экскаваторы. Конструкции, теория и расчет. М. : издательство «Машиностроение», 1972, 432 стр.

23. Горцакалян JI.O., Мурашов М.В., Нажесткин Б.П., Самсонов JI.H. Сборник задач по теории и расчету торфяных машин. Под ред. д-р техн. наук, проф С.Г. Солопова-М.:Недра, 1966, 198 стр.2425,2627,28,29,30,31.