Обоснование конструктивно-компоновочной схемы и параметров устройства прицельной погрузки для создания универсальных выемочно-погрузочных машин на базе драглайнов

Стратегией развития угольной промышленности России предусматриваются опережающие темпы развития открытого способа добычи твёрдого топлива, обеспечивающего по сравнению с подземным способом существенные технические и экономические преимущества. В то же время открытый способ добычи угля характеризуется рядом проблем, сдерживающих его применение. Безальтернативным вариантом решения этих проблем является повышение эффективности горного производства на основе внедрения новых прогрессивных технологий, создания и использования нового оборудования.

Сегодня на угольных разрезах России две трети общих объёмов горных работ выполняются по транспортным системам разработки с использованием карьерных механических лопат, конструктивные особенности которых хорошо приспособлены к погрузке экскавированной горной массы в транспортные средства (автосамосвалы, думпкары). Технологическим недостатком таких систем разработки является относительно небольшая высота отрабатываемых уступов, определяемая возможной высотой черпания экскаватора. Это ограничение приводит к низким значением угла откоса рабочего борта, необходимости обустройства на разрезе значительного числа рабочих горизонтов, необходимости размещения забойных транспортных коммуникаций на почве уступа и др.

Другой тип экскавационного оборудования — драглайн — обладает возможностью отработки высоких уступов нижним черпанием, но конструктивные особенности драглайна не позволяют осуществлять эффективную погрузку экскавируемой горной массы в приёмные сосуды транспортных средств, вследствие чего этот экскаватор не может эффективно использоваться в транспортных системах разработки.

На протяжении многих лет ведутся поиски технических решений, направленных на обеспечение возможности эффективного сочетания драглайна с транспортными средствами. Однако выдвигаемые идеи практического воплощения не получали. В последние годы появились новые подходы к решению проблемы прицельной погрузки драглайнами экскавируемой горной массы в транспортные средства. Эти работы показывают, что обоснованный выбор предпочтительных конструктивно-компоновочных схем и параметров систем прицельной разгрузки ковша драглайна обеспечивает возможность реализации идеи создания выемочно-погрузочного драглайна. Положительное решение этого вопроса и рациональный выбор объектов его первоочередного внедрения могут в значительной степени содействовать повышению эффективности открытых горных работ.

В этом состоит общая направленность и актуальность проведённых в рамках данной диссертационной работы исследований.

Идея работы заключается в повышении эффективности открытого способа добычи твёрдых полезных ископаемых путём создания нового типа выемочно-погрузочного оборудования, сочетающего в себе преимущества драглайнов (возможность отработки высоких уступов нижним черпанием, относительно малое удельное давление на грунт при работе и передвижении) и механических лопат (возможность погрузки экскавированной горной массы в транспортные средства).

Цель работы заключается в обосновании конструктивно-компоновочной схемы и параметров специального устройства, обеспечивающего возможность использования драглайнов традиционного исполнения для прицельной погрузки экскавируемой горной массы в транспортные средства.

Задачи исследования:

— анализ отечественных и зарубежных литературных и патентных материалов в области создания выемочно-погрузочных драглайнов;

— установление характера и закономерностей процесса разгрузки ковша драглайна;

— разработка методики оценки кинематических и силовых параметров системы прицельной разгрузки ковша драглайна;

— оценка и сравнительный анализ кинематических и силовых параметров системы прицельной погрузки применительно к наиболее предпочтительным вариантам выемочно-погрузочных машин, создаваемых на базе драглайнов традиционного исполненияразработка критериев, обеспечивающих возможность эффективного использования драглайнов для прицельной погрузки в транспортные средства;

— сравнительная оценка конструктивно-компоновочных схем устройства прицельной погрузки и обоснование наиболее рационального его варианта.

Методы исследований: научное обобщение и систематизация анализируемых данных, графо-аналитический анализ, методы математической статистики, стендовые и натурные эксперименты и испытания.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов диссертационной работы подтверждены:

— использованием специально разработанного стенда, на котором имитируются процессы движения и разгрузки ковша драглайна;

— корректным применением современных расчётных методов;

— проведением испытаний экспериментального образца устройства прицельной погрузки в эксплуатационных условиях.

Научные положения, выносимые на защиту:

— эффективная прицельная разгрузка ковша драглайна достигается введением в систему подвески ковша дополнительного каната, посредством принудительного движения которого формируется необходимая траектория движения траверсы упряжи;

— выбор наиболее предпочтительного способа разгрузки основывается на сравнении степени приближения к идеализированной схеме разгрузки, подразумевающей неподвижность режущей кромки ковша в процессе опорожнения.

— эффективная прицельная погрузка может осуществляться только в пределах зоны прицельной погрузки, границы которой определяются кинематическими и силовыми параметрами системы разгрузки ковша и ограничивается условиями отсутствия просыпей горной массы перед началом разгрузки и допустимыми усилиями в элементах подвески ковша;

— выбор рациональной схемы и параметров устройства прицельной погрузки должен основываться на установленных в данной работе взаимозависимостях кинематических и силовых параметров процесса разгрузки ковша.

Научная новизна исследований и личный вклад автора:

— установлены закономерности протекания процесса разгрузки ковша в самопроизвольном и принудительном режимах;

— разработаны методы определения кинематических и силовых параметров процесса разгрузки ковша и получены аналитические зависимости, характеризующие взаимосвязь этих параметров;

— проведена сравнительная оценка параметров применительно к различным способам разгрузки ковша;

— проведена сравнительная оценка различных конструктивно-компоновочных схем устройства прицельной погрузки.

Практическое значение работы заключается:

— в обосновании конструктивно-компоновочной схемы устройства прицельной погрузки для создания выемочно-погрузочных машин универсального назначения на базе драглайнов традиционного исполнения;

— в разработке методики выбора параметров систем прицельной погрузки горной массы в транспортные средства;

— в разработке конкретных рекомендаций по конструктивно-компоновочной схеме и параметрам устройства прицельной погрузки применительно к экскаваторам ЭШ-10.70.

Реализация результатов работы. Результаты проведённых исследований были использованы при создании экспериментального образца устройства прицельной погрузки для экскаватора ЭШ-10.70 и при проведении его испытаний в эксплуатационных условиях на угольном разрезе «Ушаковский» ОАО «Тулауголь».

Апробация работы. Основные положения и результаты выполненных исследований докладывались на семинарах отделения открытой добычи полезных ископаемых и отделения горной механики ННЦ ГП-ИГД им. А. А. Скочинского.

Автор выражает признательность за методическое и научно-практическое руководство своему научному руководителю, чл.-кор., проф., докт.техн.наук Рубану А. Д., а так же канд.техн.наук Шендерову А. И., без всесторонней помогци и поддержки которого настоящая работа была бы невозможной.

1. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТ ЗА СЧЁТ СОЗДАНИЯ НОВОЙ РАЗНОВИДНОСТИ ЭКСКАВАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

В диссертационной работе решена актуальная прикладная задача научного обоснования конструктивно-компоновочной схемы и параметров устройства прицельной погрузки для создания выемочно-погрузочных драглайнов, применение которых позволит повысить эффективность открытой добычи твёрдых полезных ископаемых.

Проведённые в работе исследования позволяют сдЛать следующие выводы и рекомендации.

1. На первом этапе внедрения нового типа выемочно-погрузочного оборудования представляется наиболее целесообразным использование существующих типов драглайнов и оснащение их специальным устройством прицельной погрузки (УПП). Это обеспечит универсальность, машины за счёт возможности использования как при работе в отвал, так и при погрузке в транспортные средства. Такой путь не требует значительных капитальных затрат и может быть в короткие сроки доведён до широкомасштабного внедрения.

2. Реализация работоспособных и эффективных систем прицельной погрузки драглайнами до настоящего времени сдерживалась отсутствием научно обоснованных и проверенных закономерностей процесса принудительной разгрузки ковша, а так же отсутствием методики оценки параметров этого процесса. В диссертационной работе разработана и апробирована методика оценки кинематических и силовых параметров процесса движения и разгрузки ковша драглайна и предложен графоаналитический метод такой оценки с использованием имитационного стенда.

3. Сформулированы основные требования к прицельной погрузке.

I. Зона прицельной погрузки экскавируемой горной массы в транспортные средства должна находиться вне зоны самопроизвольной разгрузки ковша. Выгрузка горной массы из ковша должна производиться принудительно только по команде машиниста.

П. Перемещения режущей кромки ковша в процессе разгрузки должны быть минимальными. Эти перемещения в горизонтальной плоскости должны быть заметно меньше линейных размеров приёмной части транспортного средства и незначительно изменятся в вертикальной плоскости.

III. Усилия в подъёмном и тяговом канатах, возникающие в процессе разгрузки ковша, не должны превышать их предельных допустимых величин, регламентированных конструкцией соответствующего драглайна.

4. Среди возможных вариантов конструктивных схем УПП наиболее рациональным является вариант с оснащением системы подвески ковша дополнительным канатом, который крепится к траверсе упряжи ковша и имеет самостоятельный привод.

5. Рассмотрены два способа прицельной разгрузки с использованием дополнительного каната:

— в процессе разгрузки траверса упряжи ковша фиксируется дополнительным и подъёмным канатами, ковш разгружается за счёт стравливания тягового каната;

— процесс разгрузки осуществляется путём подтягивания траверсы дополнительным канатом, подъёмный и тяговый канаты зафиксированы.

Проведённая сравнительная оценка этих способов показала, что второй способ наиболее приемлем. Он обеспечивает минимальные перемещения режущей кромки (не более 1,5 м, как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении). При первом способе разгрузки смещения кромки и в вертикальной ив горизонтальной плоскости определяются размерами ковша и превосходят размеры приёмных сосудов большинства транспортных средств (2,7 м по вертикали и 4,5 м по горизонтали применительно к ЭШ-10.70). Меньшая высота разгрузки при втором способе приводит к меньшим значениям усилий в подъёмном канате во время установки ковша над транспортным средством, следствием чего является больп1ая протяжённость зоны прицельной погрузки.

6. Выполненные в диссертационной работе исследования, проведённые применительно к ЭШ-10.70, могут быть распространены и на другие типы драглайнов. Эти исследования позволили установить следующее.

6.1. Кинематические и силовые параметры системы прицельной разгрузки определяются расположением ковша перед началом разгрузки. По мере увеличения радиуса и уменьшения высоты разгрузки эти параметры становятся более благоприятными.

6.2. Интервал расположения возможной зоны прицельной погрузки определяется предельно допустимыми кинематическими и силовыми параметрами. Её наиболее удалённая от оси экскаватора граница определяется отсутствием просыпей из ковша (начало зоны самопроизвольной разгрузки). Вторая граница, которая ближе к оси экскаватора, определяется величиной усилия в подъёмном канате. При использовании обоснованного в работе УПП, которое разработано применительно к ЭШ-10.70, зона прицельной разгрузки лежит в пределах 40−50м.

7. На базе проведённых исследований даны рекомендации по компоновке и параметрам выбранной схемы УПП. Среди этих рекомендаций можно выделить следующее:

— систему привода барабана разгрузочного каната от тяговой лебёдьси и коническую форму этого барабана, призванную для компенсации разности расстояний, проходимых точками крепления тягового и разгрузочного канатов к упряжи ковша;

— систему запасовки разгрузочного каната и расположения его блоков наводки;

— гидроаккумуляторный привод разгрузочного каната;

— ход штока гироцилиндра и др.

8. Результаты проведённых исследований использованы при разработке экспериментального образца Villi применительно к ЭШ-10.70. Это устройство опробовано в эксплуатационных условиях на экскаваторе ЭШ-10.70 зав.]уь219 на угольном разрезе «Утаковский» ОАО «Тулауголь» в ноябре 2000 г. В течение испытаний проводилась проверка всех теоретических выкладок, полученных в результате исследовательской работы.

Проведённые испытания положительно оценены межведомственной комиссией, которая отметила эффективность применения таких Villi и рекомендовала их для промытленного внедрения.

9. Оснащённые Vlill драглайны могут быть эффективно использованы в различных технологических схемах, обеспечивая:

— увеличение на 30−40% фактическую производительность драглайнов, используемых для погрузки в транспорт;

— возможность использования взамен карьерных лопат (например при обводнённости забоя);

— возможность отработки высокими уступами.

Количественно экономическая эффективность использования драглайнов оснащённых Villi определяется конкретными условиями их применения. Так, например, при установке УПП на драглайне, который непосредственно используется для пофузки в транспорт, потребные капитальные затраты, составляющие всего 2−3%о от стоимости экскаватора, за счёт повышения производительности окупятся меньше чем за 1 год.