Обоснование и выбор параметров гидроимпульсного привода шнеко-фрезерного рабочего органа карьерного комбайна

В народном хозяйстве Республики Узбекистан горнодобывающая промышленность является одной из ведущих отраслей, базирующейся на мощной минерально-сырьевой базе. По ряду важнейших полезных ископаемых, например таких, как фосфориты, Узбекистан по подтвержденным запасам и перспективам их увеличения не только занимает ведущее место в СНГ, но и входит в первую десятку государств мира. Основные запасы фосфоритов сосредоточены на Джерой-Сардаринском месторождении Центрально-Кызылкумского региона Узбекистана. Этот регион является объектом деятельности Навоийского горно-металлургического комбината (НГМК).

В соответствии с программой промышленного освоения Джерой-Сардаринского месторождения предусмотрено увеличение мощностей добывающего и перерабатывающего комплексов с доведением годовой производительности по руде до 3,6 млн.т. (1,8 млн. м). Сегодня один из трех детально разведанных участков Джерой-Сардаринского месторождения «Ташкура» принят в качестве первоочередного к промышленной эксплуатации.

Специалистами НГМК и ВНИПИпромтехнологии предложено добычные работы производить карьерными комбайнами со шнеко-фрезерными рабочими органами, однако первый опыт их эксплуатации показал недостаточно высокую производительность при выемке рудных фосфопластов 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 виброреологических параметров.

Таким образом, увеличение объемов и номенклатуры добычи фосфоритной руды может быть достигнуто на основе модернизации существующего и совершенствования перспективного добычного оборудования для выемки рудных фосфопластов.

Поэтому обоснование и выбор параметров гидроимпульсного привода рабочего органа карьерного комбайна, обеспечивающих интенсификацию выемки за счет импульсного воздействия в зоне фрикционного контакта шнеко-фрезерного рабочего органа со слоем породы, является актуальной научной задачей.

Цель работы — это установление закономерностей формирования сил сопротивления при фрезировании слоя породы для обоснования и выбора рациональных параметров гидроимпульсного привода рабочего органа карьерного комбайна, обеспечивающих интенсификацию выемки породы.

Идея работы заключается в целенаправленном снижении сил сопротивления трению в зоне фрикционного контакта шнеко-фрезерного рабочего органа карьерного комбайна со слоем породы за счет импульсного движущего момента.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и новизна: техническая производительность карьерного комбайна при заданных его конструктивных и энергетических параметрах не линейно зависит не только от технологических, но и от виброреологических параметров- - математическая модель взаимодействия стальной цилиндрической оболочки шнеко-фрезерного рабочего органа карьерного комбайна с породой в процессе ее фрезерования, отличающаяся тем, что она учитывает: гидромеханические процессы в регулируемом по скорости гидравлическом контуре «насос-гидромотор» и виброреологические процессы взаимодействия стальной цилиндрической оболочки рабочего органа с породой в зоне их фрикционного контакта- - при одной и той же установленной мощности карьерного комбайна максимальные высота срезаемого слоя породы или скорость его движения могут быть достигнуты, только при импульсном воздействии движущего момента на шнеко-фрезерный рабочий орган за счет виброреологического эффекта в зоне его фрикционного контакта с породой. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждены исследованиями, базирующимися на апробированных методах теоретической и прикладной механики, теории дифференциальных уравнений и теории колебательных процессов, а также достаточным объемом реализаций моделирования. Сходимость полученных в диссертации теоретических и экспериментальных данных при величине относительной ошибки не выше 0,15 составляет 95%.

Научное значение работы заключается в разработке математической модели процесса взаимодействия шнеко-фрезерного рабочего органа с породой и в обосновании кинематических и частотных параметров гидроимпульсного привода рабочего органа карьерного комбайна с учетом физико-механических свойств породы при импульсном воздействии движущего крутящего момента.

Практическое значение работы состоит: в разработке технических требований на модернизацию привода рабочего органа карьерного комбайна, инженерной методики статического и динамического расчета гидравлической схемы гидроимпульсного привода шнеко-фрезерного рабочего органа карьерного комбайна с оперативным регулированием частоты и амплитуды движущего момента, учитывающей гидромеханические процессы в регулируемом по скорости гидравлическом контуре «насос — гидромотор» и виброреологические процессы взаимодействия стальной цилиндрической оболочки шнеко-фрезерного рабочего органа с породой, в процессе ее фрезерованияв разработке программного обеспечения для моделирования взаимодействия шнеко-фрезерного рабочего органа карьерного комбайна со слоем породы в зависимости от скорости фрезерования, геометрических параметров фрезерного барабана, силовых и кинематических параметров привода рабочего органа и параметров фосфоритового пласта.

Реализация выводов и рекомендаций работы. В плановых научно-технических разработках 2008 года ООО «МОГОРМАШ» на контрактной основе с Навоийским ГМК предусмотрены следующие мероприятия по совершенствованию конструкции карьерных комбайнов со шнеко-фрезерным рабочим органом: технические требования на модернизацию привода рабочего органа карьерных комбайнов MTS 250 фирмы «MAN TAKRAF» (Германия), находящихся в эксплуатации на Джерой-Сардаринском месторождении Навоийского ГМКинженерная методика статического и динамического расчета гидравлической схемы гидроимпульсного привода шнеко-фрезерного рабочего органа карьерного комбайна с оперативным регулированием частоты и амплитуды крутящего моментапрограммное обеспечение для моделирования взаимодействия шнеко-фрезерного рабочего органа карьерного комбайна со слоем породы в зависимости от скорости фрезерования, геометрических параметров фрезерного барабана, силовых и кинематических параметров привода рабочего органа и параметров фосфоритового пласта. Апробация работы. Основные положения и содержание работы были доложены и обсуждены: на международных научных симпозиумах «Неделя Горняка" — в 2005, 2006, 2007гг. (г. Москва, МГГУ) — на III международном научном симпозиуме «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии» (г. Орел, ОрелГТУ) — 2006гна научном семинаре кафедры Горных машин и оборудования МГГУ в 2007гна техническом совещании при Техническом директоре ООО «МОГОРМАШ» в 2007 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано три статьи, две из них опубликованы в журналах, входящих в перечень изданий, утвержденных ВАК.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения, списка использованных источников из 51 наименования и включает 30 рисунков и 1 таблицу.

Выводы по главе.

1. Установлено, что жесткость трансмиссии привода шнеко-фрезерного рабочего органа карьерного комбайна определяется практически только крутильной жесткостью гидропередачи «насос-гидромотор».

2. Разработана математическая модель (система нелинейных дифференциальных уравнений) движения шнеко-фрезерного рабочего органа карьерного комбайна при выемке слоя породы, отличающаяся тем, что она учитывает: гидромеханические процессы в регулируемом по скорости гидравлическом контуре «насос-гидромотор» и виброреологические процессы взаимодействия стальной цилиндрической оболочки рабочего органа с породой в зоне их фрикционного контакта. Моделированием установлено, что: максимальное значение теоретической нормированной спектральной плотности колебаний давления привода со статическим движущим моментом, соответствующее собственной частоте /,=7,35 Гц колебаний масс трансмиссии привода рабочего органа, отличается менее чем на 5% от максимального значения нормированной спектральной плотности, полученной при экспериментемаксимальное значение теоретической нормированной спектральной плотности колебаний давления привода с импульсным движущим моментом отличается на 2% от максимального значения нормированной спектральной плотности, полученной при эксперименте, со смещением частоты собственных колебаний в сторону низких частот менее, чем на 2% U =7,21 Гц) — собственная частота колебания масс трансмиссии привода /2=30 Гц соответствует неравномерности расхода в 11-ти плунжерных радиально-поршневых гидродвигателях, работающих на один шнеко-фрезерный барабан, имеющий при выемке слоя породы скорость вращения 4,4рад/с. Сходимость теоретических и экспериментальных данных при величине относительной ошибки, не превышающей 0,15, составляет, как по амплитуде, так и по частоте колебаний давления (момента) в трансмиссии привода шнеко-фрезерного рабочего органа карьерного комбайна не менее 95%.

Максимальное снижение эффективного коэффициента трения при действии импульсного движущего момента (до 70%) достигается на зарезонансной частоте 20 Гц при мощности импульса соответствующего 16% от величины максимального значения нормированной спектральной плотности колебаний давления.

6. Разработанные технические требования на модернизацию привода рабочего органа карьерного комбайна, методика и программное обеспечение для моделирования взаимодействия шнеко-фрезерного рабочего органа со слоем породы приняты к использованию в плановых научно-технических разработках 2008 года ООО «МОГОРМАШ» на контрактной основе с Навоийским ГМК для модернизации находящихся в эксплуатации на Джерой-Сардаринском месторождении карьерных комбайнов MTS 250 фирмы «MAN TAKRAF» (Германия) и для проектирования перспективных моделей карьерных комбайнов с гидроимпульсным приводом рабочего органа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований дано новое решение актуальной научной задачи, состоящей в установлении закономерностей формирования сил сопротивления при фрезеровании слоя породы, для обоснования и выбора рациональных параметров гидроимпульсного привода рабочего органа карьерного комбайна, обеспечивающих интенсификацию выемки породы.

Лично автором получены следующие основные результаты и выводы:

1. Момент сопротивления трению при выемке слоя породы шнеко-фрезерным органом Мт, прямо пропорционален прочности породы а, высоте h и ширине слоя В, эффективному коэффициенту трения породы о шнек /, отношению нормальной составляющей реакции к её касательной составляющей 4х и величине отношения скорости движения карьерного комбайна W к скорости вращения шнека, а и обратно пропорционален углу контакта витка шнека (ро со слоем фрезеруемой породы.

2. Величина силы сопротивления движению карьерного комбайна Fx существенно зависит от направления вращения шнеко-фрезерного рабочего органа. Наименьшее ее значение соответствует направлению вращения рабочего органа по часовой, а наибольшеепротив часовой стрелки.

3. Техническая производительность карьерного комбайна Пт при заданных его конструктивных (W, D) и энергетических (Nul, Nx, r/x, Tjut) параметрах не линейно зависит не только от технологических (о-,^,^,!^,^)), но и от виброреологических (a>±/S.co, f) параметров.

4. Установлена зависимость относительного снижения эффективного коэффициента трения от величины отношения скоростей и определена «зона изменения виброреологического эффекта», характеризуемая снижением эффективного коэффициента трения на 68% (с 0,55 до 0,16) в диапазоне отношений скоростей 0< <3.

5. Спектральнокорреляционный анализ массива экспериментальных данных позволил установить: математическое ожидание Мдисперсию D{M) — коэффициент вариации vM крутящего момента на валу гидромотора и колебания давления с периодом: Tj = 0,136 с (частота у] =7,35 Гц), соответствующим собственной частоте колебания масс трансмиссии привода и периодом Тг =0,033 с (частота /2= 30 Гц), соответствующим неравномерности расхода в 11-ти плунжерных радиально-поршневых гидродвигателях, работающих на один шнеко-фрезерный барабан, имеющий при выемке слоя породы скорость вращения 4,4 рад/с.

6. Разработана принципиальная электрогидравлическая схема импульсного привода вращения шнеко-фрезерного органа с оперативным регулированием частоты и амплитуды импульса давления (расхода), позволяющая при одной и той же установленной мощности силовой установки карьерного комбайна осуществлять выемку слоя породы с более высокой прочностью или существенно увеличить ресурс элементов гидропривода рабочего органа без снижения его производительности.

7. Разработана математическая модель (система нелинейных дифференциальных уравнений) взаимодействия стальной цилиндрической оболочки шнеко-фрезерного рабочего органа карьерного комбайна с породой в процессе ее фрезерования, отличающаяся тем, что она учитывает: гидромеханические процессы в регулируемом по скорости гидравлическом контуре «насос-гидромотор» и виброреологические процессы взаимодействия стальной цилиндрической оболочки рабочего органа с породой в зоне их фрикционного контакта.

8. Разработанные технические требования на модернизацию привода рабочего органа карьерного комбайна, методика и программное обеспечение для моделирования взаимодействия шнеко-фрезерного рабочего органа со слоем породы, приняты к использованию в плановых научно-технических разработках 2008 года ООО «МОГОРМАШ» на контрактной основе с Навоийским ГМК для модернизации находящихся в эксплуатации на Джерой-Сардаринском месторождении карьерных комбайнов MTS 250 фирмы «MAN TAKRAF» (Германия) и для проектирования перспективных моделей карьерных комбайнов с гидроимпульсным приводом рабочего органа.