«ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ УДАРНОГО РАЗРУШЕНИЯ НЕГАБАРИТОВ ГОРНЫХ ПОРОД ...»

Качественно новый этап в исследованиях механизма разрушения горных пород связан с именем Л.А. Шрейнера [121, 78, 34], использовавшего основные принципы теории упругости для описания процесса вдавливания индентора.

Анализ напряженного состояния массива, нагруженного сосредоточенной силой, ведется на основании пространственной задачи Буссинеска.

На рис. 1.4 даны схемы механизмов разрушения малопластичных (а), пластичных (б) и хрупких (в) пород. В первом случае при вдавливании штампа в полупространство одновременно происходит упругий его прогиб, в результате чего появляются растягивающие напряжения у контура давления, и объем породы, находящейся под контактной поверхностью штампа, сжимается. У кромки штампа образуется кольцевая трещина, но ее развитие очень быстро затухает при дальнейшем увеличении нагрузки напряжения в породе возрастают до тех пор, пока максимальные касательные напряжения на оси симметрии (точка В) не достигнут предельных значений. Глубина расположения точки В примерно равна радиусу штампа. Достигнув предельных значений, касательные напряжения должны развиваться по плоскостям, расположенным под углом 45 градусов к оси симметрии, и выйти к контуру контакта. Но эти плоскости проходят через область всестороннего сжатия, где сопротивления сдвигу значительно выше, чем в точке В. При дальнейшем увеличении нагрузки касательные напряжения достигают предельных значений в плоскостях, расположенных к оси симметрии под углами, превышающими 45 градусов.

При вдавливании штампа в пластичные породы сдвиги происходят по всей поверхности полусферы (рис. 1.4, б), играющей роль своеобразного нароста, внедряющегося в породу. Коническая поверхность сдвига является касательной к деформированной зоне. При выходе конуса скалывания на дневную поверхность внутренняя зона, где сосредоточена основная часть запасенной упругой энергии, превращается в тонкий порошок, а периферийные участки скалываются крупными частицами. Л. А. Шрейнер отмечает, что хрупкие горные породы и минералы имеют существенно отличный от описанных механизм разрушения.

Первый признак разрушения – появление на поверхности кольцевой трещины, диаметр которой больше диаметра штампа (рис.1.4, в). Последующие этапы процесса связаны с развитием этой трещины, выходом ее на свободную поверхность и раздавливанием материала под штампом. В следующих работах Л.А. Шрейнера и его учеников Н. Н. Павловой [78], Б. В. Байдюка [34], А. И.

Спивака [97] в рассмотренные схемы внесены существенные корректировки.

Широкий комплекс теоретических и экспериментальных исследований механизма разрушения проведен во ВНИИБТ под руководством В.М. Эйгелеса. В работе [85] методом прямого интегрирования по площадке контакта с использованием известного решения Буссинеска о действии сосредоточенной силы на полупространство получены необходимые формулы для расчета полного тензора напряжений в любой точке массива. Площадка контакта принимается круглой, а распределение давления по площади – равномерным. Расчеты на ЭВЦВМ позволили построить поля напряжений в полупространстве и провести прочностной анализ. На основании теоретических исследований установлено наличие двух зон, в которых может возникнуть предельное состояние: по контуру штампа и глубине массива на оси симметрии.

Р.М. Эйгелес выделяет два механизма разрушения, при этом они связаны с опережающим развитием изменений напряженного состояния массива в первой экстремальной зоне. В первом механизме (рис. 1.5, А) начальный этап характеризуется возникновением в районе контура контакта штампа с полуплоскостью кольцевой трещины, которая с увеличением нагрузки развивается вглубь массива в виде конической поверхности, отходя от оси симметрии.

Дальнейшее увеличение усилия вдавливания приводит к поперечной деформации образовавшегося усеченного конуса и выкалыванию боковых участков (консоли).

Давление усеченного конуса на консоль может носить упругий характер или Рис. 1.5 Разрушение горных пород при вдавливании по Р.М. Эйгелесу:

Рис. 1.6 Зависимость энергоемкости процесса разрушения негабарита от быть связано с нарушением его сплошности. Но в том и другом случаях это приводит к формированию в консоли трещины отрыва, нормальной к конусной трещине, и последующему выходу ее на свободную поверхность.

В соответствие со вторым механизмом (рис. 1.5, Б) по мере увеличения нагрузки под площадкой контакта развивается зона необратимых деформаций.

При малых нагрузках она локализуется в окрестностях контура, а затем, когда нагрузка достигает некоторых предельных величин, быстро развивается вглубь массива по направлению к оси симметрии, приобретая форму чашеобразного тела. В сечении плоскостью симметрии она имеет серповидную форму. Расчеты показывают, что рассматриваемая зона не совпадает с областью действия максимальных касательных напряжений, а располагается ниже ее. При дальнейшем увеличении нагрузки серповидная форма захватывает все большие объемы, распространяется как вглубь массива, так и в сторону штампа, и в итоге принимает форму усеченного овального ядра. Какая бы ни была физическая природа процессов, приводящих к нарушению исходного состояния породы в этой зоне, в результате полупространство, как и в первом механизме разрушения, разделяется на две области: предварительно разрушенное ядро и окружающий его нетронутый упругий массив. Заключительная стадия процесса разрушения такая же, как и при первом механизме.

Другая группа исследователей ставит целью установить влияние отдельных параметров процесса ударного разрушения на его эффективность. В качестве критерия эффективности приводится показатель энергоемкости процесса.

Влияние скорости удара на энергоемкость процесса разрушения исследовалось многими авторами, однако общего мнения по указанному вопросу не выявлено. Одни исследователи [34, 75] утверждают, что с повышением скорости приложения нагрузки объемная энергоемкость ударного способа разрушения горных пород уменьшается, другие [22] отстаивают прямо противоположную точку зрения; третьи считают, что скорость приложения нагрузки не влияет на показатели процесса ударного разрушения горных пород [94, 108]. По ряду исследований получен вывод, что кривая зависимости удельной энергоемкости от скорости приложения нагрузки характеризуется наличием точки перелома в которой зависимость меняет свой знак на обратный.

Анализ выполненных исследований позволил сделать вывод о том, что влияние скорости приложения нагрузки на эффективность динамического разрушения горных пород уменьшается при увеличении энергии удара, а эффективность применения динамического способа разрушения горных пород возрастает с переходом к породам все более высокой крепости [22].

Зависимость энергоемкости процесса динамического разрушения от количества ударов рассматривается в [23, 24, 31]. Предварительными исследованиями установлено, что при воздействии повторных ударных нагрузок закономерности изменения удельной энергоемкости разрушения в зависимости от различных параметров качественно подобны соответствующим закономерностям, полученным при одиночном ударе. При этом энергия единичного удара, потребная для разрушения горной породы при повторном режиме, оказалась несколько меньшей, чем при режиме разрушения одиночным ударом. Удельная энергоемкость разрушения осталась при этом примерно на прежнем уровне.

Исследования показали также, что для каждой совокупности условий разрушения существует свое оптимальное значение частоты ударов, при которой показатели объемной и поверхностной энергоемкости минимальны. Кроме того, недостаток энергии отдельного удара при разрушении горной породы не может компенсироваться их числом.

Наиболее существенным фактором, определяющим эффективность разрушения горных пород ударным способом, является величина энергии единичного удара.

Экспериментальными исследованиями [22] установлено, что величина удельной энергоемкости ударного разрушения горных пород по мере увеличения энергии единичного удара уменьшается по параболической зависимости.

Существует некоторая предельная максимальная величина энергии единичного удара, зависящая от физико-механических свойств разрушаемой горной породы.

После достижения этой величины удельная энергоемкость перестает снижаться и остается постоянной величиной.

Кроме того, оптимальная величина энергии единичного удара прямо пропорциональна крепости разрушаемой горной породы, а с увеличением энергии единичного удара влияние геометрии рабочего инструмента на показатели динамического разрушения горных пород уменьшается.

При ударном приложении нагрузки наиболее вероятен процесс разрушения с формированием и развитием хрупкой трещины, выступающей в роли очага напряжения, возникающего в наиболее опасном сечении и, в конечном итоге, приводящего к разрушению материала. В связи с указанным подходом весьма важное значение приобретает оценка физико-механических свойств разрушаемых пород.

Исследования показывают, что для успешного дробления негабаритов горных пород с заданными размерами и физико-механическими свойствами энергия единичного удара дробящей машины должна быть выше некоторой предельной величины Амин (рис. 1.6). В противном случае энергоемкость процесса может резко (иногда в десятки раз) возрасти, что приведет к снижению эффективности дробления. Предельное значение энергии единичного удара зависит не только от физико-механических свойств и размеров негабаритов, но и от того, каким образом получена заданная энергия удара: за счет увеличения скорости ударной части или его массы. Эксперименты показывают, что машина с энергией удара 15 кДж при 20 ударах в минуту оказывается по производительности разрушения негабаритов в несколько раз более эффективной, чем машина такой же мощности, но с энергией удара 150 Дж при 2000 ударах в минуту.

Для определенных размеров негабаритов масса навесного оборудования тоже должна быть не менее некоторой предельной величины. В противном случае даже при большой энергии единичного удара (больше Амин) процесс разрушения породы может попасть в переходную область.

После превышения машиной значения Амин энергоемкость дробления остается практически постоянной. Следовательно, можно утверждать, что с увеличением энергии единичного удара происходит рост производительности процесса дробления негабаритов. В настоящее время развитие ударных машин для дробления негабаритов горных пород идет по пути повышения энергии единичного удара.

1.3 Рабочее оборудование для дробления негабаритов горных пород Наиболее простым и эффективным способом разрушения негабаритов является механический удар. Первоначально для этих целей в карьерах применялись установки с падающим грузом, затем стали использовать молоты. В силу ряда объективных преимуществ в настоящее время применяют гидромолоты, навешиваемые в качестве сменного рабочего органа на гидравлические экскаваторы. Примером универсальной машины может служить установка УБШ. При этом нет технических ограничений для навески гидромолотов на экскаваторы с рабочим оборудованием «обратная» или «прямая лопата» [128].

"Тверьтехоснастка", ФГУП «СибНИИСтройдормаш», ООО "Златоустовский экскаваторный завод «Златэкс», компания «Традиция-К» и зарубежные фирмы Крупп (Германия), Ингерсолл-Рэнд (США), Раммер (Финляндия), NRK (Япония).

Гидромолот отличается достаточно широкой областью применения и используется для разрушения мерзлого грунта, железобетонных и бетонных конструкций, вскрытия асфальтобетонных покрытий, а также при разработке скальных пород [129].

На рис. 1.7 представлена продукция ОАО "Тверьтехоснастка" и фирмы Раммер (Финляндия), в табл. 1. 2 и 1.3 их технические характеристики.

Из приведенных характеристик следует, что энергия удара гидромолотов находится в пределах 1000–8400 Дж, а частота – 300–600 уд/мин. Таким образом, существующие конструкции гидромолотов являются высокочастотными: с малой Рис. 1.7 Продукция завода ОАО "Тверьтехоснастка" (НМ-230;

энергией единичного удара и большой частотой. Это приводит к местному разрушению породы в непосредственной близости от инструмента и при приложении высокочастотной нагрузки инструмент постепенно погружается в материал, образуя чаще всего углубление или отверстие, а не разрушение негабарита.

Результаты исследований и опыт дробления негабаритов горных пород в нашей стране и за рубежом свидетельствуют о перспективности создания самоходных бутобоев, оснащенных мощными гидропневматическими ударными устройствами с энергией единичного удара 25—30 кДж и более. В табл. 1. приведены основные технические характеристики бутобоев [128].

Как видно из таблицы, энергия удара бутобоя повышается до 30 кДж при одновременном снижении частоты до 15 уд/мин.

Установка с дизель-молотом (рис.1.8), предназначена для дробления негабаритных кусков породы, разрушения шлаков, бетонных и строительных конструкций, вскрытия асфальтовых покрытий, рыхления мерзлоты и т.д.

Установка состоит из транспортной базы, в качестве которой могут использоваться самоходные гусеничные и колесные экскаваторы и трактора (отечественного и иностранного производства) и дизельного молота.

Применение данной установки позволяет механизировать процесс разделки негабаритов и исключить буровзрывные работы. Маневренность установки обеспечивает экономичность использования на рассредоточенных малых площадях и в стесненных условиях [130].

В таблице 1.5 представлены технические характеристики установки фирмы «Строймаш».

Фирма Fractum производит самый большой и мощный молот в мире (рис.

1.9) и является лидером в разрушении. Энергия удара Fractum составляет более 400 кДж при частоте 7 ударов в минуту, что превосходит энергию удара самых больших гидравлических молотов в 15–30 раз. Молот монтируется на экскаваторы весом 65 тонн и выше [131].

Таким образом, промышленное освоение оборудования для ударного разрушения негабаритов идет по пути увеличения энергии удара.

Технические характеристики отечественных гидромолотов Диаметр инструмента, Рабочая длина инструмента, мм Технические характеристики зарубежных гидромолотов (фирма Rammer) Масса гидромолота, Частота ударов, уд/мин Диаметр рабочего инструмента, мм Рабочее давление, МПа Технические характеристики установки для разрушения негабаритов фирмы Технические параметры Навеска ударная — штанговый молот ДМ-240 (СП60), СП60А Навеска ударная — трубчатый молот СП74, СП75А, СП76А Масса навесного оборудования, кг 400 (СП60А, СП60), 1500 (СП74), Рис. 1.8 Установка для разрушения негабаритов фирмы

ВЫВОДЫ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1. Проблема разрушения негабаритов горных пород является актуальной.

Из известных безвзрывных способов наименее энергоемким является способ ударного разрушения.

2. Выполненные исследования в области ударного взаимодействия инструмента с негабаритом направлены на выявление физической картины разрушения и определение влияния отдельных параметров на эффективность процесса. Установлено, что энергия единичного удара является одним из основных параметров процесса, при этом для разрушения негабарита эффективней наращивать энергию удара за счет увеличения массы и размеров по сравнению со скоростью инструмента. Однако отсутствует комплексный подход в исследовании процесса разрушения негабарита, учитывающий соотношение энергии единичного удара и прочности материала, размеров негабарита, формы инструмента, а также точки нанесения удара.

негабаритов горных пород выполнены, в основном, в виде сменного рабочего оборудования к одноковшовым гидравлическим экскаваторам, которые обладают автономностью, относительной мобильностью и высокой степенью свободы рабочего оборудования. При этом базовые машины существенно различаются по своим габаритно-весовым и мощностным характеристикам, оказывающим влияние на параметры навесного оборудования. В связи с этим необходима разработка типоразмерного ряда навесного оборудования, соответствующего каждой размерной группе экскаватора.

На основе выше изложенного сформулированы цель и задачи исследований.

Цель исследований: повышение эффективности работы оборудования для ударного разрушения негабаритов на стадии проектирования с учетом размеров негабарита, прочностных свойств материала и характеристик базовой машины.

Задачи исследований:

- проведение системного анализа машины для разрушения негабаритов горных пород и разработка математических моделей подсистем «инструмент – негабарит» и «базовая машина – ударный механизм»;

- определение зависимости энергии удара, необходимой для разрушения, от размеров негабарита, прочности материала и угла заострения инструмента и подтверждение полученных зависимостей результатами экспериментальными исследованиями;

- определение рациональных параметров и разработка типоразмерного ряда навесного оборудования с учетом габаритно-весовых и мощностных характеристик базовой машины;

- разработка методики расчета основных параметров и определение экономической эффективности применения навесного оборудования для разрушения негабаритов горных пород.

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА НАВЕСНОГО

ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ УДАРНОГО РАЗРУШЕНИЯ НЕГАБАРИТОВ

ГОРНЫХ ПОРОД

Системный анализ позволяет при заданных входных воздействиях эффективности достигают своих экстремальных значений. При этом прямое экспериментирование на натурных образцах требует значительных материальных затрат и времени, а технические возможности экспериментального образца зачастую ограничивают область исследований.

Моделирование, как метод научных исследований, обладает, с одной стороны, приемлемой достоверностью результатов, с другой – существенным сокращением затрат по сравнению с экспериментами на натурных образцах.

многопараметрических объектов является вполне оправданным.

Моделирование предполагает изучение объекта исследования при помощи модели, которая соответствует оригиналу и заменяет его на отдельных этапах исследования. Математические модели не обладают с объектом одной физической природой и не имеют с ним геометрического подобия. Необходимое условие – наличие системы уравнений, описывающих поведение исследуемого объекта и модели.

Математические модели целесообразно использовать в случае, когда известны зависимости отдельных параметров объекта от внешних факторов.

Широкое использование современной вычислительной техники делает математическое моделирование удобным средством изучения сложных многопараметрических систем.

Физические модели имеют одинаковую с объектом исследования физическую природу и отличаются от него масштабами параметров. При этом необходимым условием являются физическое подобие и тождественность законов движения модели и исследуемого объекта. Физические модели используют при отсутствии математического описания объекта исследования.

Использование физической модели предполагает проведение эксперимента, который является важным этапом научных исследований. При помощи эксперимента проверяются рабочие гипотезы и предположения, формируются новые представления об исследуемом объекте, устанавливаются конкретные зависимости и величины [14, 15].

Активный эксперимент дает возможность устанавливать значения факторов заранее по определенному плану, а исследователь может активно вмешиваться в ход эксперимента. При этом планирование эксперимента значительно сокращает трудоемкость и время его проведения, позволяет достичь заданного уровня значимости при минимально возможном числе опытов или при заданном числе опытов максимально возможный уровень значимости результата [39].

Машина для разрушения негабаритов горных пород представляет собой сложную динамическую систему с разветвленной структурой, многочисленными связями и различного рода ограничениями. Система находится под действием активных сил (ударная составляющая), внешних возмущений (сопротивление на инструменте) и управляющих воздействий со стороны оператора. В общем случае указанные воздействия носят случайный характер и могут наблюдаться в различных сочетаниях.

предоставляет системный анализ [10, 25]. На рис. 2.1 машина представлена в виде системы «базовая машина - ударный механизм – инструмент - негабарит».

Основу системы составляют подсистемы «базовая машина - ударный механизм» и «инструмент - негабарит». Свойства каждой из подсистем характеризуются параметрами входящих в данную подсистему объектов. Так, для подсистемы «инструмент - негабарит» определяющими следует считать: энергия единичного удара (T), форма инструмента (), точка нанесения удара (b).

Свойства подсистемы «базовая машина - ударный механизм» определяют крутящий момент двигателя Mк=f(); подача насосной установки (Q), диаметр гидроцилиндра подъема ударной части (D).

На систему наложены внутренние связи и ограничения по конструктивным, технологическим, эксплуатационным и другим требованиям (масса навесного оборудования – m3, высота подъема ударной части – H, максимальное давление в гидросистеме – pmax и др.).

В соответствии с поставленной задачей входом системы являются: размеры негабарита и прочностные свойства материала, а также условия выполнения работ. Выходом служат показатели эффективности навесного оборудования (производительность, мощность и энергоемкость процесса).

Системный анализ машины для разрушения негабаритов дает возможность при заданных входных воздействиях установить структуру и параметры основных его подсистем, оказывающих влияние на показатели эффективности.

2.2 Математическая модель подсистемы «инструмент - негабарит»

Процессы взаимодействия инструмента с массивом хрупкого материала с целью разрушения последнего можно наблюдать во многих областях:

горнодобывающей промышленности, металлургии, строительстве, коммунальном хозяйстве и других отраслях.

Рис. 2.1 Системный анализ машины для разрушения негабаритов горных Хрупкие свойства материала независимо от его прочности и способа приложения нагрузки определяют механизм взаимодействия с рабочим инструментом [7]. На рис. 2.2 представлена расчетная схема взаимодействия клиновидного инструмента с массивом хрупкого материала.

Инструмент 1 установлен на уступ массива 2 на расстоянии b от края уступа. К инструменту приложена вертикальная сила Р, под действием которой, преодолевая сопротивление внедрению, инструмент погружается в массив.

Примем предположение о том, что ширина лезвия инструмента и ширина уступа равны где а – ширина уступа материала, м;

d –ширина лезвия инструмента, м;

при этом материал обладает изотропными свойствами.

На первом этапе происходит линейный контакт рабочего инструмента с уступом, в материале возникают напряжения, превосходящие его контактную прочность, наблюдается локальное разрушение материала и продвижение инструмента вглубь массива. Процесс является симметричным, поэтому рассматривается одна его половина.

По мере продвижения инструмента появляется площадь контакта его боковой поверхности с материалом, на которой возникает нормальное усилие:

где – половина угла заострения инструмента, рад.

Одновременно со стороны массива материала действует реакция:

где сж – предел прочности материала на сжатие, Па;

S – площадь контакта боковой поверхности инструмента с материалом, м2:

здесь h – глубина погружения инструмента, м.

Решая совместно уравнения (1) – (3), находим глубину погружения инструмента:

Нормальное усилие W можно разложить на две составляющие W1 и W2, которые направлены в сторону открытой поверхности и глубь массива соответственно. Интерес представляет W1, под действием которой появляются касательные напряжения в плоскости 1-1, выходящей на дневную поверхность:

S1-1 – площадь сечения материала в плоскости 1-1, м2.

где – угол между боковой поверхностью инструмента и плоскостью 1-1, рад.

Площадь сечения материала в плоскости 1-1:

Нормальное усилие W также можно разложить на составляющие W3 и W4, как показано на рис. 2.3. Составляющая W4 действует под углом и создает касательные напряжения в плоскости 1-2, выходящей на боковую поверхность уступа. Используя предыдущие рассуждения, зависимости, описывающие процесс скола массива материала, можно представить следующим образом:

Представленные зависимости дают возможность определить углы и, под которыми происходит «выкол» и «скол» материала.

Приведенные выше зависимости справедливы для ограниченного объема горной породы – негабарита. На рис. 2.4 представлена расчетная схема ударного взаимодействия клинового инструмента с негабаритом. Нормальные Рис. 2.2 Расчетная схема взаимодействия клиновидного инструмента с массивом хрупкого материала при разрушении «выкол»

Рис. 2.3 Расчетная схема взаимодействия клиновидного инструмента с массивом хрупкого материала при разрушении «скол»

Рис. 2.4 Схема ударного взаимодействия клинового составляющие ударного усилия W создают растягивающие напряжения в плоскости 1-1, в которой может произойти раскол.

плоскостях 1-2 и 1-3, по которым, вероятнее всего, произойдут скол или выкол соответственно.

В зависимости от соотношения энергии единичного удара, прочности материала, размеров негабарита, а также точки нанесения удара, разрушение негабарита будет происходить в одной из указанных плоскостей.

С учетом ранее выполненных исследований разработана математическая модель ударного разрушения негабаритов [8]:

где: h – глубина погружения инструмента, м; М – масса ударной части, кг;

V- скорость в момент удара, м/с; P – ударное усилие, Н; g – ускорение свободного падения, м/с2; H – высота подъема ударной части, м; W – нормальная составляющая ударного усилия, Н; – половина угла заострения инструмента, рад; – предел прочности материала на сжатие, МПа; S – площадь контакта боковых граней инструмента с породой, м2; a – ширина негабарита, м; T – кинетическая энергия инструмента в момент удара, Дж; S1 – площадь поверхности раскола, м2; c – высота негабарита, м; 1 – нормальные напряжения в плоскости раскола, МПа; – угол наклона поверхности скола к горизонту, рад;

W2 – составляющая ударного усилия в плоскости скола, Н; S2 – площадь поверхности скола, м2; 2 – касательные напряжения в плоскости скола, МПа; – угол между поверхностью выкола и боковой гранью инструмента, рад; W3 – составляющая ударного усилия в плоскости выкола, Н; S3 – площадь поверхности выкола, м2; 3 – касательные напряжения в плоскости выкола, МПа.

При составлении математической модели были сделаны следующие допущения:

- ширина лезвия инструмента равна ширине негабарита;

- свойства материала изотропны;

- негабарит находится на абсолютно жестком основании.

2.3 Математическая модель подсистемы «базовая машина - ударный В качестве базовой машины целесообразно принять одноковшовый гидравлический экскаватор, для которого характерны автономность, относительная мобильность и высокая степень свободы рабочего оборудования.

Кроме того, при замене ударного механизма на ковш экскаватор способен производить отгрузку готового продукта.

При разработке навесного оборудования в качестве сменного рабочего оборудования одноковшового строительного экскаватора необходимо учитывать характеристики базовой машины, которые накладывают на его параметры определенные ограничения [7].

Во-первых, ограничение по общей массе навесного оборудования. С одной стороны, дополнительно присоединенная масса навесного оборудования не должна нарушать устойчивость экскаватора при перебазировках. При этом рассматривается следующее расчетное положение: экскаватор расположен на ровной поверхности, наклоненной в сторону рабочего оборудования под углом к горизонту, стрела и рукоять имеют максимальный вылет, ударная масса находится в крайнем нижнем положении (рис. 2.5).

Из условия равновесия общая масса навесного оборудования:

где: m, m1, m2 и m3 - масса базовой машины, стрелы, рукояти и навесного оборудования соответственно, кг;

l, l1, l2, l3 - расстояние от ребра опрокидывания до центра тяжести базовой машины, стрелы, рукояти и навесного оборудования соответственно, м;

k1 –коэффициент запаса статической устойчивости.

С другой стороны, дополнительная масса навесного оборудования должна быть учтена при проверочном силовом расчете гидроцилиндров стрелы и рукояти в указанном расчетном положении:

где: Р1 и Р2 - усилие на штоке гидроцилиндра стрелы и рукояти соответственно, Н;

l4, l5 и l6 – расстояние от шарнира крепления стрелы до центра тяжести стрелы, рукояти и навесного оборудования соответственно, м;

l7 и l8 – плечо действия силы Р1 и Р2 соответственно, м;

l9 и l10 - расстояние от шарнира крепления рукояти до центра тяжести рукояти и навесного оборудования соответственно, м;

g – ускорение свободного падения, м/с2.

Максимально допустимой величиной общей массы навесного оборудования служит наименьшая из полученных при расчете.

Рис. 2.5 Расчетная схема экскаватора в транспортном положении Во-вторых, ограничение по жесткости пружины, от которой зависит устойчивость экскаватора в рабочем режиме при разгоне ударной массы.

Расчетное положение: стрела имеет максимальный вылет, рукоять установлена в вертикальном положении, экскаватор опирается на задние ребро опрокидывания и стойку навесного оборудования (рис. 2.6).

Реакция на стойке навесного оборудования:

где: l11, l12 – расстояние от центра тяжести базовой машины до ребра опрокидывания и стойки навесного оборудования соответственно, м;

G – вес экскаватора, Н.

Жесткость пружины из условия динамической устойчивости:

где: Н – высота подъема ударной части, м;

k2 - коэффициент запаса динамической устойчивости.

В-третьих, ограничение по высоте подъема ударной части. Указанное ограничение носит условный характер и в принятой кинематической схеме навесного оборудования зависит от хода штока гидроцилиндра подъема. Для увеличения энергии удара необходимо стремиться к максимально возможной высоте подъема ударной части.

оборудования для разрушения горных пород и прочных строительных материалов необходимо учитывать ограничения, накладываемые характеристиками энергетической установки и гидропривода базовой машины [6].

Существующие конструкции гидромолотов имеют существенный недостаток – относительно небольшую энергию единичного удара, наращивать которую не позволяет кинематическая связь между ударной частью и приводом в момент нанесения удара. Перспективной является конструкция навесного оборудования [79], заложенная в основу подсистемы «базовая машина - ударный механизм».

На рис. 2.7 представлена расчетная схема подсистемы «базовая машина ударный механизм».

Навесное оборудование состоит из гидроцилиндра подъема 1 с захватом 2, ударной части 4 и пружины 3. Привод навесного оборудования осуществляется от гидросистемы базовой машины.

В исходном положении ударная часть 4 опирается на разрушаемую поверхность. Шток гидроцилиндра подъема 1 с захватом 2 выдвинут. При подаче рабочей жидкости в штоковую полость гидроцилиндра 1 захват 2 замыкается и совместно с ударной частью 4 начинает движение вверх, преодолевая усилие пружины 3. При достижении крайнего верхнего положения подача рабочей Рис. 2.6 Расчетная схема экскаватора в рабочем положении Рис. 2.7 Расчетная схема подсистемы «базовая машина – жидкости в штоковую полость прекращается, захват 2 размыкается, и ударная часть 4 под действием собственного веса и реакции пружины 3, разгоняясь, наносит удар по разрушаемой поверхности. Одновременно рабочая жидкость подается в поршневую полость гидроцилиндра 1, и шток с захватом перемещается вниз до встречи с ударной частью 4. Рабочая жидкость вновь подается в штоковую полость гидроцилиндра 1 и далее процесс повторяется.

Рабочий процесс навесного оборудования существенно нелинеен, поэтому при анализе рабочего процесса целесообразно выделить две фазы: взвод ударной части и ее разгон.

Взвод. На этом этапе формируется запас энергии для нанесения удара.

Ударная часть при помощи гидропривода базовой машины перемещается в верхнее положение. Уравнения движения:

где р – давление в напорной магистрали, Па; F – площадь поперечного сечения штоковой полости гидроцилиндра, м2; C – жесткость пружины, Н/м; H перемещение штока гидроцилиндра, м; M – масса ударной части, кг; Мк – крутящий момент на валу гидронасоса, Нм; q – рабочий объем гидронасоса базовой машины, м3; i – передаточное отношение согласующего редуктора; – угловая скорость коленчатого вала двигателя, р/с; 1 — угловая скорость гидронасоса, р/c; V – скорость подъема ударной части, м/с.

Уравнение (5) определяет угловую скорость коленчатого вала дизельного двигателя в зависимости от внешней нагрузки, уравнение (4) формирует давление в напорной магистрали, а (6) – определяет перемещение ударной части.

При составлении математической модели приняты следующие допущения:

- рабочая жидкость имеет постоянные параметры;

- работа регулирующей и предохранительной аппаратуры считается идеальной;

- неравномерность подачи насоса, утечки рабочей жидкости и внутренние сопротивления перемещению движущихся частей не учитываются.

Входом подсистемы являются конструктивные параметры навесного оборудования: масса и высота подъема ударной части, жесткость пружины, площадь поперечного сечения штоковой полости гидроцилиндра подъема.

Выходом служат: угловая скорость коленчатого вала двигателя базовой машины, давление в напорной магистрали, скорость и время подъема ударной части.

Разгон. Реализует запас накопленной энергии при взводе в виде обобщенного показателя "энергия удара". Кинематическая связь с приводом разорвана, ударная часть под действием силы тяжести и реакции пружины перемещается в нижнее положение. Уравнения движения:

где: а – ускорение ударной части, м/с2; V – скорость ударной части в момент удара, м/с; T – энергия удара, Дж.

Основные параметры: время разгона, скорость ударной части в момент удара, энергия удара.

2.4 Описание лабораторной установки и методика проведения Научно-методической основой формирования физических моделей является теория подобия, которая дает возможность установить подобие или разработать способы его достижения. Подобными являются такие физические системы, у которых подобны все характеризующие их параметры: векторные величины геометрически подобны, а скалярные - пропорциональны в соответствующих точках пространства и в соответствующие моменты времени. Подобие качественную и количественную стороны.

Геометрическое подобие выражается равенством всех соответствующих Кинематическое подобие системы определяется тождественностью направления и пропорциональностью действующих скоростей и ускорений (kV,а=const).

Динамическое подобие системы характеризуется тождественностью направлений и пропорциональностью векторов сил, моментов и мощностей (kP,M,N=const).

На основании теории подобия формируются системы безразмерных соотношений, называемых критериями подобия. Получение критериев подобия основывается на анализе предварительной информации о моделируемом явлении на уровне гипотезы, отсутствие такой информации делает создание модели исследуемого объекта практически невозможным.

В зависимости от характера исходной информации используются различные методы получения критериев подобия. Широкое применение получили методы анализа уравнений, анализа законов и анализа размерностей.

Приняв за основу систему критериев подобия [15], и дополнив ее критериями динамического подобия, получаем критерии подобия процессов, протекающих в подсистеме «инструмент - негабарит»:

где: Li и li – определяющий линейный размер натурного образца и модели, м;

i – угловой размер, рад; M – масса ударной части, кг; – объем ударной части, м3; – плотность материала инструмента, кг/м3; – предел прочности материала негабарита, Па; F – площадь сечения, м2; P – усилие, Н; h – глубина погружения инструмента, м; T – энергия единичного удара, Дж; E – энергоемкость процесса, Дж/м2; V – скорость удара, м/с; H – высота подъема ударной части, м.

Критерии П1 и П2 определяют пропорциональность сходственных сторон и равенство углов модели и натурного образца, т.е. их геометрическое подобие, П – идентичность материалов, критерии П4, П5 и П6 - обеспечивают динамическое, а П7 - кинематическое подобие процесса.

При независимых масштабах индикаторы подобия:

Отсюда вытекают формулы перехода от параметров модели к параметрам натурного образца (табл. 2.1).

Формулы перехода от параметров модели к параметрам натурного образца 3. Масса ударной части 4. Усилие 5. Энергия единичного удара 7. Скорость удара Для проведения эксперимента изготовлена лабораторная установка (рис.

2.8), которая состоит из несущей и ударной частей. Несущая часть содержит стойку 1, опорную плиту 12 с предохранительным устройством, направляющие и держатель 16. Предохранительное устройство состоит из втулки 9 и пальца 8.

Направляющие 2 крепятся на поперечных планках 13 при помощи винтов 15 с контргайками 14.

Ударная часть содержит шток 3, связанный с несущей пластиной 5 и сменным наконечником 6. Сменные грузы 4 установлены на несущей пластине и закреплены при помощи прижимной гайки 11.

Лабораторная установка позволяет варьировать независимыми факторами:

геометрические размеры инструмента – за счет сменных наконечников, энергия удара – при помощи сменных грузов и высоты подъема ударной части.

Цель экспериментальных исследований – подтверждение теоретических результатов, полученных на математической модели.

Результаты экспериментов должны обладать достаточной надежностью, которая при моделировании зависит не только от степени соответствия модели натурному образцу, но и метода измерений, измерительной аппаратуры, квалификации экспериментатора. Применение математической теории планирования и статистической обработки результатов эксперимента позволяет существенно сократить число опытов, уменьшить время проведения эксперимента, а также получить математическую модель исследуемого процесса.

Методика предполагает проведение серии экспериментов: определение высоты подъема ударной части Н и энергии единичного удара Т, при которых происходит раскол, от высоты образца и угла заострения инструмента.

В качестве материала образцов был принят известняк с пределом прочности =120 МПа.

статистическим путем, исходя из величины ошибки метода измерения и измерительной аппаратуры, а также требуемой надежности результатов. Для этого по пробной серии экспериментов в неизменных условиях определялись значение коэффициента вариации высоты подъема и ошибка эксперимента. По ошибке и требуемой надежности результатов определялось количество повторных опытов, которое равнялось трем.

Высота подъема изменялась вручную и измерялась при помощи линейки с ценой деления 1 мм. На рис. 2.9 представлены физическая модель и фрагмент экспериментальных исследований.

Рис. 2.8 Экспериментальная установка: 1 –стойка, 2 – направляющие, 3 –шток, 4 –сменный груз, 5 – несущая пластина, 6 – наконечник, 7 – образец материала, 8 – палец, 9 – втулка, 10 – захват, 11 – прижимная гайка, 12 – опорная плита, 13 – поперечные планки, 14 – контргайка, 15 – винт, 16 – держатель Рис. 2.9 Фрагмент экспериментальных исследований:

а) образцы сменных наконечников; б) физическая модель навесного оборудования; в) раскол опытного образца.

Кроме того, для создания инженерной методики расчета рациональных параметров навесного оборудования проведены вычислительные эксперименты на математических моделях с целью получения зависимостей, удобных в обращении.

Для определения зависимости энергия удара, необходимой для разрушения, от размеров, прочностных свойств негабарита и угла заострения инструмента выбран центральный композиционный ротатабельный план. При ротатабельном планировании число опытных точек меньше, чем при ортогональном, а матрица ошибок инвариантна к вращению осей координат. Это означает, что информация, содержащаяся в уравнении регрессии, равномерно распределена по поверхности гиперсферы.

В качестве независимых факторов приняты: х1 – ширина негабарита, м; х – высота негабарита, м; х3 – предел прочности материала негабарита, МПа; х4 – половина угла заострения рабочего органа, рад. Функция отклика – энергия удара, необходимая для разрушения негабарита, кДж.

Уровни факторов и интервалы варьирования представлены в табл.2. Функция отклика искалась в виде полинома второго порядка:

где xi и хj – независимые факторы; В0, Bi…Вij – коэффициенты уравнения регрессии; у – функция отклика.

Матрица планирования представлена в табл. 2. опыта 1. Машина для разрушения негабаритов горных пород представляет собой сложную динамическую систему с разветвленной структурой, многочисленными связями и различного рода ограничениями. На основе системного анализа выделены подсистемы «инструмент - негабарит» и «базовая машина – ударный механизм», для которых разработаны математические модели.

2. Для подтверждения результатов математического моделирования разработана физическая модель подсистемы «инструмент негабарит», эксперимента.

3. РАЦИОНАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ НАВЕСНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

ДЛЯ УДАРНОГО РАЗРУШЕНИЯ НЕГАБАРИТОВ ГОРНЫХ ПОРОД

Теоретические предпосылки, изложенные во второй главе, реализованы в среде «Mathcad» и представлены на рис. 3.1 и 3.2.

Анализ полученных зависимостей показывает, что для любого угла заострения клиновидного инструмента существует плоскость 1-1, выходящая на дневную поверхность (рис. 2.2), в которой касательные напряжения будут максимальны. Указанная плоскость проходит под углом к боковой поверхности инструмента. В исследованном диапазоне изменения угла заострения угол :

При соблюдении условия:

где [] – допускаемые касательные напряжения для материала, МПа;

в плоскости 1-1 произойдет выкол материала.

Кроме того, для любого угла заострения клиновидного инструмента также существует плоскость, выходящая на боковую поверхность (рис.2.3), в которой касательные напряжения максимальны. Указанная плоскость проходит под углом к горизонту. В исследованном диапазоне изменения угла заострения угол определяется:

При соблюдении условия:

в плоскости 1-2 произойдет скол материала.

При взаимодействии клиновидного инструмента с образцом хрупкого материала под действием касательных напряжений могут возникать два вида разрушения: выкол и скол.

Выкол материала происходит в плоскости максимальных касательных напряжений, выходящей на дневную поверхность под углом к боковой грани инструмента. При увеличении угла заострения от /3 до 2/3 рад угол уменьшается от /6 до /12 рад.

Скол материала происходит в плоскости максимальных касательных напряжений, выходящей на боковую поверхность под углом к горизонту. В зависимости от угла заострения инструмента диапазон его изменений находится в пределах /12… /6 рад.

Рис. 3.1 Зависимость нормального усилия (W), площади сечения материала (S) и касательных напряжений () в плоскости 1-2 от угла для различных углов заострения инструмента (): Р=1000Н; d=0,04 м;

S60x10-5,м S45x10-5,м S30x10-5,м 60x105,H 45x105,H 30x105,H x105,н W60,H W45,H W30,H S60x10-5,м S45x10-5,м S30x10-5,м Рис. 3.2 Зависимость нормального усилия (W), площади сечения материала (S) и касательных напряжений () в плоскости 1-1 от угла для различных углов заострения инструмента (): Р=1000Н;

60x105,H 45x105,H Рис. 3.3 Зависимость угла выкола () и скола () от угла заострения Математическая модель подсистемы «инструмент - негабарит» реализована среде «Mathcad» и получены зависимости нормальных и касательных напряжений от энергии удара, прочности материала, размеров негабарита и шага отбивки.

На рис. 3.4 представлена зависимость нормальных и касательных напряжений от ширины негабарита. Из графика следует, что при нанесении удара по негабариту шириной 1 м напряжения в плоскостях 1-1 и 1-2 не превышают допускаемых значений. Напряжения в плоскости 1-3 (на графике не показаны) выше допускаемых, в результате чего происходит выкол материала под инструментом.

С уменьшением ширины негабарита напряжения в плоскостях 1-1 и 1- нарастают, и при а=0,4 м нормальные напряжения в плоскости 1-1 становятся равными допускаемым. Происходит раскол негабарита на две части в плоскости 1-1.

Из сказанного следует, что ширина негабарита влияет на величину напряжений в плоскостях 1-1 и 1-2, на напряжения в плоскости 1-3 – влияния не оказывает.

На рис. 3.5 представлена зависимость нормальных и касательных напряжений от высоты негабарита. Высота негабарита оказывает влияние только на нормальные напряжения в плоскости 1-1, которые с уменьшением высоты растут и при с=0,6 м становятся равными допускаемым. При этом также происходит раскол негабарита в плоскости 1-1.

На рис. 3.6 представлена зависимость нормальных и касательных напряжений от шага отбивки. Наблюдается аналогичная картина: с уменьшением шага отбивки растут касательные напряжения в плоскости 1-2, которые при b=0,2м превышают допускаемые значения, и происходит скол материала в плоскости 1-2. Изменение шага отбивки на величину нормальных напряжений в плоскости 1-1 влияния не оказывает.

Прочность материала оказывает существенное влияние на напряжения в негабарите. При неизменных параметрах удара и размерах негабарита раскол в плоскости 1-1 произойдет при 200 МПа (рис. 3.7).

С увеличением энергии удара напряжения в негабарите также возрастают (рис. 3.8) и при Т=40 кДж происходит раскол в плоскости 1-1.

Следует отметить, что во всех случаях касательные напряжения в плоскости 1-3 превосходят допускаемые значения, и если не произошел раскол или скол негабарита, то должен появиться выкол в плоскости 1-3 или локальное разрушение в зоне контакта.

Предложенная математическая модель дает возможность получить зависимости основных параметров процесса разрушения от указанных факторов.

На рис. 3.9 представлены зависимости основных параметров процесса разрушения негабарита от его ширины. С увеличением ширины негабарита a ударное усилие Р и его составляющие W, W2 и W3 также увеличиваются. Это объясняется тем, что, не смотря на уменьшение глубины погружения инструмента h, площадь контакта боковых граней инструмента с породой S возрастает.

Одновременно увеличиваются поверхности возможного разрушения S1, S2, S3.

Так как интенсивность нарастания площадей по сравнению с силовыми воздействиями выше, то напряжения в указанных плоскостях снижаются. Углы и зависят только от угла заострения рабочего инструмента и остаются постоянными.

Увеличение высоты негабарита с влечет за собой увеличение площади S1 и, следовательно, снижения нормального напряжения в плоскости 1-1. Остальные параметры процесса остаются неизменными (рис. П.2.1, приложение 2).

В случае увеличения расстояния b будет увеличиваться площадь поверхности S2, что приведет к снижению касательных напряжений в плоскости 1-2 (рис. П.2.2, приложение 2).

На рис. 3.10 представлены зависимости основных параметров процесса разрушения негабарита от угла заострения рабочего инструмента. С увеличением угла заострения площадь контакта боковых граней инструмента с породой практически не меняется. Поэтому величина нормальной составляющей ударного усилия остается постоянной. Однако, в связи с тем, что направление действия последней изменяется, величина ударного усилия P растет.

Другие составляющие ударного усилия W2 и W3 постепенно уменьшаются.

Площади поверхностей разрушения остаются практически постоянными, а углы и изменяются в обратно пропорциональной зависимости.

С увеличением энергии единичного удара все силовые параметры процесса, площади S и S3, глубина погружения h возрастают, остальные параметры не меняются (рис. П.2.3, приложение 2).

Разработанный механизм разрушения негабаритов позволяет установить влияние энергии единичного удара, прочности материала, размеров негабарита и формы инструмента, а также точки нанесения удара на основные параметры процесса разрушения. Для увеличения напряжений в негабарите следует повышать энергию единичного удара и уменьшать угол заострения рабочего инструмента.

Рис. 3.4 Зависимость нормальных (1) и касательных (2) напряжений от ширины (а) негабарита: с=1 м; b=0,4 м;

нормальные и касательные напряжения материала), MПа 2, МПа Рис. 3.5 Зависимость нормальных (1) и касательных (2) напряжений от высоты (с) негабарита: а=1 м; b=1 м; =250 МПа; Т=32 кДж ([] и [] – допускаемые нормальные и касательные напряжения материала) 1, MПа, МПа Рис. 3.6 Зависимость нормальных (1) и касательных (2) напряжений от шага отбивки (b): а=0,4 м; c=1 м; =250 МПа;

1, MПа Рис. 3.7 Зависимость нормальных (1) и касательных (2) напряжений от прочности материала (): а=1 м; c=0,6 м; b=0,9 м; Т=32 кДж ([] и []– допускаемые нормальные и касательные напряжения материала) 1, MПа Рис. 3.8 Зависимость нормальных (1) и касательных (2) напряжений от энергии удара (T): а=1 м; c=0,6 м; b=0,9 м; =100 МПа ([] и []– допускаемые нормальные и касательные напряжения материала) Рис. 3.9 Зависимость основных параметров процесса разрушения негабарита (P, W, 1, W2, 2, W3, S1,, S2,, S3, h, S) от его ширины (a): b=1 м; c=1 м;

Рис. 3.10 Зависимость основных параметров процесса разрушения негабарита (P, W, 1, W2, 2, W3, S1,, S2,, S3, h, S) от угла заострения рабочего инструмента (): а=1 м; b=1 м; c=1 м; H=1,6 м; =100 МПа;

S1, м2 0,, рад S2, м, рад S,м h,м 0, S3,м Рис. 3.11 Зависимость высоты подъема (Н) при расколе образца от его высоты (с): Н – теоретические, Н'– экспериментальные данные;

Рис. 3.12 Зависимость высоты подъема (Н) при расколе образца от угла заострения инструмента (): Н– теоретические, Н'– экспериментальные кривые; а=0,06м; с=0,12м; b= 0,06м; =120МПа.

Рис. 3.13 Зависимость энергии удара (Т), необходимой для разрушения, от:

а) ширины (а) и высоты (с) негабарита;

b) угла заострения инструмента ( ) и прочности материала ( ).

Для подтверждения адекватности математической модели проведены экспериментальные исследования.

На рис. 3.11 и 3.12 приведены сравнения результатов, полученных на математической и физической модели подсистемы «инструмент – негабарит».

Анализ показал их удовлетворительную сходимость. Ошибка находится в пределах 10–22%.

Разработанный механизм разрушения негабаритов позволяет установить зависимость энергии единичного удара, необходимой для разрушения, от размеров, прочности негабарита и угла заострения инструмента. В результате обработки данных вычислительного эксперимента в среде «Statistica» определены значащие коэффициенты регрессионной модели, подтверждена ее адекватность и получено уравнение регрессии, определяющее зависимость энергии удара от исследуемых факторов:

На рис. 3.13 представлены фрагменты, иллюстрирующие регрессионную зависимость. Анализ показывает, что наибольшее влияние на энергию удара оказывают высота негабарита и угол заострения инструмента, причем их влияние нарастает в квадратичной зависимости. Ширина и прочность негабарита связаны с энергией удара прямо пропорциональной зависимостью.

Математическая модель подсистемы «инструмент – негабарит» позволяет получить зависимости энергоемкости процесса от угла заострения инструмента и прочности материала (рис.3.14).

Из графика следует, что с увеличением угла заострения энергоемкость увеличивается. Это объясняется тем, что сопротивление внедрению инструмента определяется величиной площади контакта боковых поверхностей инструмента с материалом. При неизменной энергии единичного удара и прочности материала площадь контакта, а, значит, и сопротивление внедрению инструмента остаются постоянными. При этом реакция со стороны негабарита направлена перпендикулярно боковой поверхности инструмента. Поэтому с увеличением угла заострения направление действия реакции приближается к вертикальному. Так как раскол негабарита происходит под действием нормальных напряжений, то энергоемкость увеличивается.

С увеличением прочности материала энергоемкость раскола негабарита также увеличивается. Зависимость нелинейная: с увеличением прочности материала скорость нарастания энергоемкости уменьшается. Это объясняется тем, что с увеличением прочности материала нарастает допускаемый передел прочности на разрыв, материал оказывает большее сопротивление внедрению инструмента. В связи с этим увеличивается энергия, необходимая для нарушении сплошности и целостности материала, что приводит к увеличению энергомкости.

Рис. 3.14 Зависимость энергоемкости процесса от угла 3.2 Результаты исследований подсистемы «базовая машина - ударный На рис. 3.15 представлена зависимость основных параметров процесса взвода ударной части от жесткости пружины. С увеличением жесткости до кН/м нарастает давление в напорной магистрали и нагрузка на двигатель базовой машины. В результате незначительно снижаются угловая скорость коленчатого вала и подача гидронасоса, а вместе с ней – скорость подъема ударной части. При этом время подъема ударной части незначительно увеличивается.

Дальнейшее увеличение жесткости приводит к перегрузке двигателя, и последний переходит на корректурную ветвь внешней скоростной характеристики. Интенсивность изменения указанных параметров (кроме давления в напорной магистрали) меняется за счет падения угловой скорости коленчатого вала.

С увеличением высоты подъема (рис. 3.16) и массы ударной части (рис.

3.17) картина качественно не меняется, т.к. действия указанных факторов также приводят к увеличению давления в напорной магистрали и загрузке двигателя базовой машины.

На рис. 3.18 представлена зависимость основных параметров процесса взвода ударной части от площади поперечного сечения штоковой полости гидроцилиндра подъема. При минимальной площади поперечного сечения (0, м2) возникает высокое давление, что приводит к перегрузке двигателя базовой машины и переходу на корректурную ветвь внешней скоростной характеристики.

При этом угловая скорость коленчатого вала, подача гидронасоса и скорость подъема ударной части минимальны.

С увеличением площади поперечного сечения (0,0092 м2) давление в напорной магистрали снижается, при этом уменьшается нагрузка на двигатель базовой машины, вследствие чего повышается угловая скорость коленчатого вала, незначительно увеличивая подачу гидронасоса. Незначительное увеличение подачи не может компенсировать потерю скорости подъема ударной части за счет увеличения площади поперечного сечения штоковой полости, и последняя p х 10, Па 2, х 102, р/с Рис. 3.15 Зависимость основных параметров процесса взвода ударной части от жесткости пружины: M=3500 кг; H=2м; S=0,0092м Рис. 3.16 Зависимость основных параметров процесса взвода ударной части от высоты подъема: C=55 кДж; M=3500 кг; S=0, 01 м Рис. 3.17 Зависимость основных параметров процесса взвода ударной части Рис. 3.18 Зависимость основных параметров процесса взвода ударной части от поперечного сечения штоковой полости гидроцилиндра подъема:

начинает снижаться. Время подъема увеличивается пропорционально площади поперечного сечения штоковой полости.

Все выходные параметры (кроме давления) имеют на графиках «точку перелома», которая соответствует работе двигателя в режиме максимальной мощности. Поэтому рациональными следует считать параметры навесного оборудования, значения которых на этапе «взвод» выводят двигатель базовой машины в режим максимальной мощности.

На этапе «разгон» кинематическая связь с приводом разорвана, ударная часть под действием силы тяжести и реакции пружины перемешается вниз.

Выходные параметры этапа: время разгона (t), скорость (V) и ускорение (a) ударной части в момент удара, энергия удара (T).

На рис. 3.19 представлена зависимость основных параметров процесса разгона ударной части от жесткости пружины. Повышение жесткости влечет за собой увеличение потенциальной энергии сжатой пружины и ускорения ударной части. Это приводит к повышению скорости ударной части и сокращению времени разгона. Энергии удара увеличивается за счет скорости ударной части.

Увеличение массы ударной части (рис. 3.20), в противоположность повышению жесткости пружины, приводит к уменьшению ее скорости и увеличению времени разгона. Это объясняется тем, что доля силы жесткости пружины в общем балансе сил, действующих на ударную часть, с увеличением ее массы уменьшается.

Энергии удара увеличивается за счет массы ударной части.

потенциальной энергии ударной части как за счет энергии сжатой пружины, так и гравитационной составляющей. Поэтому скорость нанесения удара нарастает интенсивнее. Время разгона и энергия удара также увеличиваются по параболической зависимости.

На основе результатов исследований на математической модели с учетом технических характеристик экскаваторов 3-5 размерных групп получены Рис. 3.19 Зависимость основных параметров процесса разгона ударной части от жесткости пружины: M=3500кг; Н=2м Рис. 3.20 Зависимость основных параметров процесса разгона ударной х102, м/с2 1, Рис. 3.21 Зависимость основных параметров процесса разгона ударной части от высоты подъема: М=3500кг;

Т, кДж Рис. 3.22 Зависимость основных параметров навесного оборудования от массы экскаватора зависимости основных параметров навесного оборудования от массы экскаватора (рис. 3.22).

3.3 Области рационального использования навесного оборудования На основе полученных результатов разработан типоразмерный ряд навесного оборудования для одноковшовых экскаваторов 3-5 размерных групп, основные параметры которых представлены в таблице 3.1.

рационального использования типоразмерного ряда навесного оборудования. На рис. 3.23 (а) представлена зависимость высоты негабарита от его ширины, при которых происходит раскол для различных навесного оборудования.

Для навесного оборудования на базе экскаватора 3-й размерной группы (энергия удара 36 кДж) на породах с пределом прочности 100 МПа площадь поперечного сечения негабарита не превышает 0,87 м2. Для навесного оборудования с энергией удара 210 кДж размер негабарита в поперечнике может достигать 2,5 м2. При этом следует отметить, что процесс разрушения протекает эффективней при условии а с.

На рис. 3.23 (б) представлена зависимость высоты негабарита от его ширины для пород с различным пределом прочности. С увеличением предела прочности в 3 раза размер поперечника негабарита уменьшается в 1,9 раза.

Основные параметры типоразмерного ряда навесного оборудования оборудования, кг штоковой полости гидроцилиндра подъема ударной части, м напорной магистрали, МПа Рис. 3.23 Области рационального использования навесных оборудований в зависимости от: а) – энергии единичного удара (=100 МПа);

б) – прочности материала негабарита (T=210 кДж) 1. При взаимодействии клиновидного инструмента с негабаритом могут возникать три вида разрушения: выкол, скол и раскол. Выкол и скол происходят под действием максимальных касательных напряжений в плоскостях, выходящих на дневную и боковую поверхности под углами, зависящими от угла заострения инструмента. Раскол образуется под действием нормальных напряжений в плоскости, совпадающей с направлением удара.

2. Угол заострения инструмента и ширина негабарита оказывает влияние на величину нормальных и касательных напряжений в материале, высота негабарита - только на нормальные напряжения, шаг отбивки - только на касательные напряжения. При заданных размерах негабарита разрушение произойдет в зависимости от соотношения энергии удара и прочности материала.

3. При увеличении угла заострения рабочего инструмента от /3 до 2/ энергоемкость процесса увеличивается в 1,7 раза. Изменение прочности материала в 5 раз приводит к увеличению энергоемкости в 2,3 раза.

4. Рациональными следует считать параметры навесного оборудования, полученные с учетом ограничений, накладываемых габаритно-весовыми характеристиками базовой машины, значения которых на этапе «взвод» выводят двигатель на режим максимальной мощности.

5. Разработан типоразмерный ряда навесного оборудования, области рационального использования которых определяют прочностные свойства и размер негабарита в поперечнике.

4. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ И МЕТОДИКА РАСЧЕТА

НАВЕСНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ УДАРНОГО РАЗРУШЕНИЯ

НЕГАБАРИТОВ ГОРНЫХ ПОРОД

Рис. 4.1 Сравнение производительности навесного оборудования и гидромолотов фирмы «Hydrex» (Корея): материал – песчаник Производительность определялась для условных негабаритов в форме куба:

материал – песчаник (=100 МПа), размеры – максимально возможные при расколе за 1-2 удара для всего типоразмерного ряда (рис. 3.22-а).

где: n – число ударов в минуту, уд/мин;

– объем негабарита, м3;

кв– коэффициент использования по времени (кв =0,2).

Данные по производительности гидромолотов фирмы «Hydrex» приведены в [132].

Анализ показывает, что производительность нового навесного оборудования для всего типоразмерного ряда увеличивается на 13–27%.

4.2 Методика расчета навесного оборудования для ударного разрушения На основе анализа и обобщения результатов исследований разработана методика расчета навесного оборудования, которая включает в себя следующие основные положения.

Исходя из среднего размера и прочностных свойств негабаритов, а также требований к выполнению работ, определяется энергия удара, необходимая для разрушения негабарита:

1. По энергии удара определяется масса экскаватора и выбирается размерная группа базовой машины:

2. Из условия устойчивости в транспортном положении определяется общая масса навесного оборудования:

3. Из условия устойчивости в рабочем положении определяется реакция в точке опоры навесного оборудования:

4. Определяется жесткость пружины:

5. С учетом массы ударной части, высоты подъема и жесткости пружины определяется площадь поперечного сечения гидроцилиндра подъема ударной части:

6. По найденным значениям основных параметров дальнейший расчет гидрообъемного привода ведется по существующим методикам.

1. Использование навесного оборудования для разрушения негабаритов горных пород позволяет повысить производительность всего типоразмерного ряда на 13–27%, что для машины на базе экскаватора 3 размерной группы дает годовой экономический эффект 1,2 млн. руб.

2. Разработанная методика расчета позволяет, исходя среднего размера и прочностных свойств негабаритов, а также требований к выполнению работ, определить рациональные параметры навесного оборудования.

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи повышения эффективности оборудования для ударного разрушения негабаритов, имеющей существенное значение для дальнейшего развития горнодобывающей отрасли промышленности.

Выполненные исследования и разработки позволяют сделать следующие выводы и рекомендации:

1. Выполненный системный анализ позволил выделить основные подсистемы: «инструмент – негабарит» и «базовая машина – ударный механизм» и разработать их математические модели.

2. Исследованиями подсистемы «инструмент – негабарит» установлено, что наибольшее влияние на энергию удара, необходимую для разрушения негабарита, оказывают высота негабарита и угол заострения инструмента, причем их влияние нарастает в квадратичной зависимости. Ширина и прочность негабарита связаны с энергией удара прямо пропорциональной зависимостью. Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований показало их удовлетворительную сходимость. Ошибка находится в пределах 10–22%.

3. Основными параметрами навесного оборудования являются: масса ударной части, жесткость пружины, высота подъема и диаметр гидроцилиндра подъема ударной части, рациональные значения которых выводят двигатель базовой машины на режим максимальной мощности. Разработан типоразмерный ряд навесного оборудования к экскаваторам массой 14–38 тонн и определены области его рационального использования.

4. Разработанная методика расчета позволяет исходя из среднего размера и прочностных свойств материала негабаритов, а также требований к выполнению работ определить рациональные параметры навесного оборудования. Расчетный годовой экономический эффект использования навесного оборудования на базе экскаватора 3 размерной группы составляет 1,2 млн руб.

Исходя из вышеизложенного, дальнейшие исследования целесообразно направить на повышение энергии единичного удара навесного оборудования за счет совершенствования конструктивных схем ударного механизма и применения новых эффектов взаимодействия инструмента с негабаритом.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Александров. – СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2000. – 243 с.

Александров, Е. В. Прикладная теория и расчеты ударных систем / Е.

В. Александров, В. Б. Соколинский.– М.: Наука, 1969.– 201 с.

Алексеев, А. Д. Предельное состояние горных пород / А. Д. Алексеев, H. В. Недодаев. – Киев: Наукова думка,1982. – 203 с.

Алексеева, Т. В. Гидравлические машины и привода дорожностроительных машин. Учебное пособие / Т. В. Алексеева, Э. Б. Шерман. – Новосибирск, 1977. –110 с.

Алимов, О. Д. Удар. Распространение волн деформаций в ударных системах / О. Д. Алимов, В. К. Манжосов, В. Э. Еремьянц. – М.: Наука, 1985. – 360 с.

Аль-саккаф, Халед Саед Таха. Результаты исследования рабочего процесса ударника для разрушения негабаритов горных пород на математической модели / В. Г. Зедгенизов, Халед Саед Таха Аль-саккаф // Вестник ИрГТУ. – 2013.–№7(78). – С.18–22.

клиновидного инструмента с массивом хрупкого материала / В. Г. Зедгенизов, Халед Саед Таха Аль-саккаф // Известия вузов. Инвестиции. Строительство.

Недвижимость.– 2011. – №1(1). – С.44–49.

Аль-саккаф, Халед Саед Таха. Некоторые закономерности разрушения горных пород при ударном взаимодействии клиновидного инструмента с негабаритом / В. Г Зедгенизов, Халед Саед Таха Аль-саккаф // Горное оборудование и электромеханика. – 2012. – №8.– С.28–31.

Аль-саккаф, Халед Саед Таха. Типоразмерный ряд ударников для разрушения негабаритов горных пород / Халед Саед Таха. Аль-саккаф // Авиамашиностроение и транспорт Сибири : мат. III Всерос. науч.–практ.

конф. ( Иркутск, 11–12 апреля, 2013 г.).– Иркутск: Изд–во ИрГТУ, 2013.– С.381–386.

Антонов, А. В. Системный анализ. учеб. для вузов / А.В.

Антонов.– М.: Высш. шк., 2004. – 454 с.

Антощенко, Н. И. Разрушение горных пород взрывом: учебное пособие / Н. И. Антощенко, А. Я. Попов.– Донб.: Алчевск, 2005. –282 с.

12. Афанасьев, А. И. Энергоэффективность машин ударного действия / А.

И. Афанасьев // Горное оборудование и электромеханика.– 2002.– №9.– С. 37–39.

Бажал, А. И. и др. Сущностный анализ технологий разрушения твердых тел / А. И. Бажал и др. // Материалы уральской горнопромышленной декады (14-23 апреля, 2008 г.).

Баловнев, В. И. Моделирование процессов взаимодействия со средой рабочих органов дорожно-строительных машин: учебное пособие для студентов вузов / В. И. Баловнев.– М.: Высш. школа, 1981.– 335 с.

Баловнев, В. И. Моделирование процессов взаимодействия со средой рабочих органов дорожно-строительных машин: учеб. пособие для студентов высш. учеб. заведений. 2-е изд., перераб. / В. И. Баловнев.– М.:

Машиностроение, 1994.– 432 с.

Баловнев, В. И. Определение главных параметров одноковшовых экскаваторов в зависимости от условий эксплуатации / В.И. Баловнев // Строительные и дорожные машины. –2007. –№8. – С. 34–37.

Баловнев, В. И. Определение оптимальных параметров и выбор землеройных машин в зависимости от условий эксплуатации: учеб. пособие / В.И. Баловнев.– М.: МАДИ (ГТУ), 2010.– 134 с.

Барон, Л. И. Сопротивляемость горных пород отрыву / Л.

И. Барон, Л. Г. Керекилица.– Киев. : Изд-во: Наукова Думка,1974.– 192 с.

Барон, Л. И. Методика определения контактной прочности горных пород / Л. И. Барон, Л. Б. Глатмащ, А. Н. Мельников. – Институт горного дела им. А.А. Скочинского, 1976. – 24 с.

Барон, Л.И. Дробимость горных пород / Л. И. Барон, Ю. Г. Коняшин, В. М. Курбатов.– М.: АН СССР, 1963. –167 с.

Барон, Л. И. Разрушаемость горных пород свободным ударом / Л.И.

Барон, И.Е. Хмельковский. –М.: Наука,1971. – 203 с.

Барон, Л.И. Экспериментальные исследования процессов разрушения горных пород ударом / Л. И. Барон, Г. М. Веселов, Ю. Г. Коняшин.– М.: АН СССР, 1962. – 217 с.

Берсенев, В. С. Влияние ударной нагрузки на эффект разрушения угля: дис.… канд. Ленингр. Горн. Ин-т. 1952.

Берсенев, В. С. Разрушение углей ударом / В. С. Берсенев. Записки Ленингр. Горн. Инст-та. Гидромеханизация горных работ. 1959.

моделирование в машиностроении: учебное пособие / М. Н. Боголюбова – Томск:

Изд-во ТПУ, 2010. –123 с.

Борисов, А. А. Разрушение углей и горных пород ударной нагрузкой.Сб. 2. Расчеты, конструирование и испытания горных машин.

Углетехиздат. 1955.

Веников, В. А. Теория подобия и моделирования: Учебник для вузов по спец. «Кибернетика электр. систем».– 3-е изд., перераб. и доп./ В.

А. Веников, Г. В. Веников.– М.: Высш. шк., 1984.– 439 с.

Гайдес, М.А. Общая теория систем. (Системы и системный анализ). издание 2-е исправленное / М. А. Гайдес.– Глобус-пресс, 2005.– 201 с.

Галдин, Н. С. Определение основных параметров рабочего органа ударного действия при разрушении грунта / Н. С. Галдин // Строительные и дорожные машины. – 2006. – №6. – С.37–39.

оборудования для одноковшовых экскаваторов / Н. С. Галдин // Строительные и дорожные машины. – 2007. – №4. – С.42–44.

Геронтьев, В. И. Некоторые итоги исследования разрушения углей в массиве ударной нагрузкой. Сб. Вопросы разрушения и давления горных пород / В. И. Геронтьев, Я. Б. Кальницкий, В. С. Берсенев.– Углетехиздат. 1955.

32. Гехт, А. Х. Особенности конструкций и расчета некоторых типов балочных стрел строительных башенных кранов / А. Х. Гехт // Строительные и дорожные машины. –2007. – №4. – С. 45–49.

33. Горбунов, В. Ф. Импульсный гидропривод горных машин / В. Ф.

Горбунов, А. Г. Лазуткин, Л. С. Ушаков.– Новосибирск: Наука, 1986. –200 с.

Деформационные свойства горных пород при высоких давлениях и температурах / Л. А. Шрейнер, Н. Н. Павлова, Б. В. Байдюк, В. М. Якушев, Т. Н.

Портнова.– М: «Недра», 1968. –358 с.