Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 10
1.1. Этапы развития конструкций ходовых механизмов экскаваторов 10
1.2. Конструктивные схемы шагающих механизмов экскаваторов-драглайнов и анализ тенденций развития параметров механизмов 16
1.3. Эксплуатационная характеристика существующих шагающих механизмов одноковшовых экскаваторов 36
1.4. Анализ научных исследований гидравлических шагающих механизмов мощных экскаваторов-драглайнов 41
Выводы 50
2. Исследование работы плоской гидростатической опоры при ее напружений 52
2.1. Существующие конструктивные исполнения подвижных опор механизмов шагания экскаваторов и отвалообразователей 52
2.2. Определение расхода жидкости гидростатической опорой механизма шагния 57
2.3. Оценка влияния поперечных сил на величину зазора в гидростатической опоре 63
2.4. Определение сопротивлений при передвижении экскаватора на плоских гидростатических опорах 71
Выводы 74
3. Аналитический метод определения основных параметров трехопорных гидравлических шагающих механизмов экскаваторов-драглайнов 76
3.1. Особенности рабочего процесса трехопорных гидравличе ских шагающих механизмов экскаваторов-драглайнов 76
3.2. Силовой анализ механизма шагания при передвижении экскаватора 80
3.3. Силовой анализ механизма шагания при перемещении опорных башмаков 90
3.3.1. Вынос опорных башмаков 93
3.3.2. Опускание опорных башмаков 94
3.3.3. Вынос опорных башмаков при шагании 98
3.3.4. Опускание опорных башмаков при шагании 98
3.4. Условия рационального перемещения опорных башмаков... 102
3.5. Определение основных конструктивных и режимных параметров механизма шагания
3.5.1. Определение основных размеров систем опорных поверхностей 107
3.5.2. Определение конструктивных параметров трехопорно-го гидравлического механизма шагания ПО
Выводы 129
4. Разработка концепции создания перспективных конструкций гидравлических шагающих механизмов экскаваторов-драглайнов 131
4.1. Обоснование технологических и конструктивных принципов проектирования гидравлических шагающих механизмов экскаваторов 132
4.2. Разработка перспективных схем шагающих механизмов экскаваторов с гидроприводом 134
4.3. Обоснование параметров трехопорного гидрав.ітаческого механизма шагания экскаватора с одноцилиндровым приводом сторон 146
Выводы 165
5. Решение проблемы удаления примерзшего грунта к базе экскаватора 167
5.1. Условия возникновения налипания и примерзания грунта к опорной поверхности экскаватора 167
5.2. Существующие способы борьбы с налипанием и намерзанием грунта 168
5.3. Использование тепловой энергии гидропривода механизма шагания для решения проблемы удаления примерзшего грунта .., 170
Выводы 181
Заключение 182
Список литературы
- Конструктивные схемы шагающих механизмов экскаваторов-драглайнов и анализ тенденций развития параметров механизмов
- Определение расхода жидкости гидростатической опорой механизма шагния
- Силовой анализ механизма шагания при перемещении опорных башмаков
- Использование тепловой энергии гидропривода механизма шагания для решения проблемы удаления примерзшего грунта
Введение к работе
Развитие открытых горных работ характеризуется широким использованием драглайнов при выполнении вскрышных работ, реализующих наиболее эффективную бестранспортную технологию. В настоящее время около 40 % общего объема вскрышных работ на угольных разрезах страны выполняется этими машинами.
За истекшие годы развития экскаваторостроения отечественной промышленностью накоплен большой опыт проектирования и эксплуатации экскаваторов-драглайнов. Впервые решены многие сложные научно-технические и производственные проблемы; применены новые технические решения; разработан достаточно развитый ряд моделей драглайнов III.
На разных этапах экскаваторостроения у создателей машин возникали свойственные тем периодам проблемы. Все механизмы и оборудование экскаватора объединены в единый агрегат, способный самостоятельно перемещаться. До 70-х годов на открытых горных работах в России и за рубежом эксплуатировались драглайны, оснащенные трехопорными механизмами шагания с механическим и гидравлическим приводами и опиранием на кромку базы при шагании. Семидесятые годы характеризовались ростом единичной мощности технологических агрегатов открытых горных работ. Масса наиболее крупных моделей драглайнов достигла 10...12 тысяч тонн. Возникла необходимость выполнения гидрофицированного шагающего механизма с полным отрывом базы экскаватора.
Основной тенденцией совершенствования шагающих механизмов экскаваторов с увеличением их единичной мощности стала замена трехопор-ных шагающих механизмов четырехопорными, стремление уменьшить действующие на узлы механизма шагания и металлоконструкции экскаватора нагрузки и обеспечить их равномерное распределение на опоры и металлоконструкции. Подвижные опоры шагающих механизмов выполняются в виде опор скольжения (экскаватор 4250W фирмы Бюсайрус-Ири) и в виде гидростатической опоры (экскаватор ЭШ-100.100 Уралмашзавода).
Отличительной особенностью работы гидростатического подшипника в механизме шагания экскаватора является неопределенность опирання опорных башмаков на грунт. От величины прогиба опорных поверхностей зависит распределение давления под ползуном и расход жидкости. Вместе с тем, гидростатическая опора позволяет обеспечить плавность хода и значительно сократить затраты энергии на перемещение экскаватора.
Выявление закономерностей влияния величины прогиба башмаков на расход жидкости гидростатической опорой позволит обоснованно выбирать параметры гидростатического подшипника и привода механизма шагания, устанавливать рациональные режимы его работы.
В настоящее время горные предприятия в России и за рубежом в основном оснащаются драглайнами средней мощности, т.е. оборудованными трехопорными механизмами шагания.
Разработка конструкций шагающих механизмов с гидроприводом, где число гидроаппаратов минимально, повышает надежность работы экскаватора в целом и снижает затраты на изготовление, ремонт и эксплуатацию 121.
При работе драглайна в климатических зонах с колебаниями температур воздуха вблизи нулевых значений происходит налипание и намерзание грунта на центральной части опорной базы экскаватора. Это явление практически делает невозможным перемещение машины до удаления грунта с опорной поверхности.
Существующие способы борьбы с этим явлением мало эффективны и небезопасны. Сказанное выше определяет актуальность постановки научной проблемы - разработка теоретических основ проектирования гидравлических шагающих механизмов экскаваторов-драглайнов, обладающих повышенной надежностью и эффективностью работы.
Конструктивные схемы шагающих механизмов экскаваторов-драглайнов и анализ тенденций развития параметров механизмов
Как уже отмечалось, на открытых горных и земляных работах в на f-. стоящее время как в нашей стране, так и за рубежом широко используются машины, имеющие шагающий ход. Отечественная промышленность располагает большим числом типов подобных машин.
В настоящее время на горнорудных предприятиях нашей страны эксплуатируются шагающие экскаваторы ЭШ-4.40, ЭШ-5.45, ЭШ-6.60, ЭШ-10.70, отвалообразователи ОШ-1500/105, ОШ-4500/90, роторные комплексы, включающие роторный экскаватор ОРШР-1600-40/7 и отвалообразователь ОРШР-5000/95 Новокраматорского машиностроительного завода (Украина), экскаваторы ЭШ-15.90, ЭШ-15.90А, ЭШ-25.100, ЭШ-40.85, ЭШ-65.100, ЭШ-100.100 Уралмашзавода, конвейерные перегружатели ПЛШ-1200 и др. Причем, самые тяжелые экскаваторы, выпускаемые Уралмашзаводом, имеют гидравлический привод, а экскаваторы средней мощности, выпускаемые Но-вокраматорским машиностроительным заводом, - механический привод механизма шагания.
В настоящее время в США шагающие экскаваторы выпускаются фирмами «Марион», «Бюсайрус-Ири», «Пейдж» /38-41/. Причем, фирма «Марион» рекламирует 8 моделей машин 31 модификации с с ковшами емкостью от 4,59 до 91,8 м3 и стрелами длиной от 30,5 до 91,4 м. Фирма создала мощные шагающие экскаваторы 7900, 8600, 8700, 8800, 8900, оборудованные трехопорными механизмами шагания.
Фирма «Бюсайрус-Ири» выпускает шагающие драглайны девяти мо делей, 26 модификаций с ковшами емкостью до 168 м и длиной стрелы до 93 м /42/.
В горной промышленности Англии находятся в эксплуатации шагающие экскаваторы большой мощности фирмы «Рансом-Рапир», такие как 1400-1800, где применены эксцентриковые шагающие механизмы.
Известны многоопорные шагающие механизмы, запатентованные фирмой «Марион» США /43/ и предложенные Уралмашзаводом /44/, которые отличаются сложностью конструкций и, практически, пока не нашедшие применения. Основные параметры шагающих механизмов экскаваторов УЗТМ, НКМЗ и ведущих зарубежных фирм приведены в приложении Ш.
Шагающее ходовое оборудование помимо экскаваторов находит ограниченное применение для передвижения гидромониторов, землесосных установок и станков вращательного бурения. За рубежом имеются и другие примеры применения шагающего ходового оборудования. Так американская фирма «Дженерал электрик» разработала конструкцию шагающего грузовика с четырьмя опорами /42/, передвигающегося со скоростью 8 км/ч. Предполагается, что шагающий грузовик будет иметь преимущество перед колесным при передвижении по пересеченной местности и в карьерах, поскольку может перешагнуть через такое препятствие, которое не может преодолеть колесная машина.
Почти все конструкции шагающих механизмов драглайнов отечественных и зарубежных фирм выполняются в виде кривошипных систем - кривошипно-эксцентриковый, кривошипно-шарнирный с треугольной рамой, двухкривошипный, кривошипно-шарнирный крейцкопфный, а наиболее мощные машины имеют гидравлический трехопорньш и четырехопорныи механизм шагания (рис, 1.3).
На рис. 1.3 приведены схемы механизмов шагания экскаваторов и показано положение звеньев механизмов в различные моменты цикла шагания.
Отечественные мощные драглайны оборудованы гидравлическими механизмами шагания (УЗТМ) и кривошипными (НКМЗ - Украина).
Всё существующее многообразие схем шагающих механизмов, используемых в отечественных и зарубежных конструкциях мощных драглайнов и других горных машин /5, 7, 38, 40, 43-49/, можно классифицировать по следующим признакам:
Определение расхода жидкости гидростатической опорой механизма шагния
В процессе шагания экскаватора по неровной поверхности отвала и по грунтам, имеющим различную плотность, возникают самые различные случаи опирания. Неблагоприятные случаи приводят к занчительным прогибам опорных башмаков и образованию между поверхностями скольжения зазора переменной толщины. Наибольший зазор будет при максимальном пролете между точками опирания, соответствующем опиранню башмаков на грунт концами с приложением нагрузки в середине пролета. Однако, существующие методы расчета плоских гидростатических подшипников в основном разработаны для постоянной толщины масляной пленки.
Нами получены аналитические зависимости для определения величины расхода жидкости через гидростатический подшипник с переменной толщиной масляной пленки применительно к условиям работы опор шагающих экскаваторов с учетом их деформаций [101].
При расчете расхода масла через гидростатический подшипник с переменной толщиной масляной пленки применительно к условиям работы экскаватора приняты следующие допущения: смазка прочно прилипает к поверхности скольжения, вследствие чего ее скорость на поверхности будет равна скорости последних. Зазор между поверхностью скольжения полностью заполняется маслом, движение масла в зазоре ламинарное, масло рассматриваем как несжимаемую жидкость, вязкость масла не изменяется по мере ее протекания в зазоре (принято по средней температуре), силы инерции масла в масляной пленке малы по сравнению с силами вязкости сдвига, и поэтому ими можно пренебречь.
Приведенные формулы составлены с учетом поперечных сил, дейст вующих на опорные башмаки. В обоих случаях величина зазора может быть определена через прогибы опорных башмаков, т. е. при расчете их на жесткость.
Таким образом, для опорного устройства с плоской гидростатической опорой существенную роль играет расчет конструкции на жесткость. Задача такого расчета - обеспечить конструкции необходимую жесткость, т. е. ограничить упругие перемещения деталей, обусловленные их деформацией, или обеспечить требуемые зазоры в сопряжениях элементов конструкции. Кроме указанного влияния зазоров на величину расхода масла через гидростатический подшипник, большую роль играет также и зазор между наклонными поверхностями скольжения скользуна и плиты (см. рис. 2.2). Так, если прогиб башмака превысит зазор между наклонными поверхностями скользуна и плиты башмака, то условия работы поверхностей скольжения резко ухудшаются. В этом случае образуется перекос наклонных поверхностей скольжения плиты башмака относительно наклонных поверхностей скольжения скользуна, что влечет за собой неравномерный износ поверхностей скольжения или заклинивания скользуна и задир поверхностей скольжения.
Известно, что полный прогиб балки в каком-либо сечении складывается из прогиба уи, вызванного нормальными напряжениями изгиба (от изги бающих моментов) и прогиба сдвига уп от касательных напряжений (поперечных сил).
Анализ многочисленных работ [103, 104, 105, 106] показывает, что прогиб при обычных размерах балок от поперечных сил, незначителен и им обычно пренебрегают.
В работах даны и пределы применения данного положения. Так согласно [107] дополнительный прогиб от поперечных сил необходимо учитывать при высоте сечения порядка VA пролета балки и более. Однако, в данном утверждении не оговаривается форма сечения балки, что дает возможность конструкторам-проектировщикам применять это утверждение к самым разнообразным формам сечений балок.
Беляев Н. М. [103] в примере для стальной балки прямоугольного сплошного сечения показывает, что дополнительный прогиб от поперечных сил при hi I- 1/4 составляет около 5 %. В этом примере параметрами характеризующими сечение балки, является : h - высота балки; / - длина пролета балки. Уманский Э. С. [108] указывает, что при обычных размерах балок прогиб от поперечных сил не превышает 2-3 % и им обычно пренебрегают.
Обычными размерами реальных балок согласно [109] считаются балки с отношением высоты к длине пролета h 11 0,1. В этих случаях влияние поперечных сил на прогибы мало и составляет менее 4 %.
Обзор работ по расчетам балок крановых мостов [80, 109, ПО, 111] показывает, что влиянием поперечных сил на величину прогиба при этих расчетах также пренебрегают, несмотря на различие форм сечения балок.
Опорные башмаки предназначены для опирання экскаватора при шагании, когда его база приподнята и экскаватор перемещается на величину шага. При этом они воспринимают всю нагрузку от веса экскаватора.
Силовой анализ механизма шагания при перемещении опорных башмаков
Перемещение опорных башмаков после завершения очередного шага (холостой ход башмаков) для осуществления последующего шага включает операции выноса башмаков, опускания их до поверхности грунта и подъема - в крайнее верхнее положение над поверхностью грунта. Кроме того, перед началом очередной передвижки экскаватора опорные башмаки снимаются с захватов, удерживающих башмаки при работе экскаватора, а в конце передвижения они вновь устанавливаются на захваты /118/.
Усилия на штоках подъемных и тяговых цилиндров определяются Рпб Рп + РгЛ (3.22) Ртб = Рт + Рт", (3.23) где Р„ ; Рт - соответственно составляющие усилий на штоках подъемных и тяговых цилиндров от действия веса опорных башмаков; Рп ; Рт" - соответственно составляющие усилий на штоках подъемных и тяговых цилиндров от действия весов плунжеров и штоков этих цилиндров и самих цилиндров. Из представленной на рис. 3.4 расчетной схемы составим уравнение равновесия: Рп -sinT + Рт5 -sin - G63 (3.24) Pn -cosT-PT -cos = 0, (3.25) где - угол между осью подъемного цилиндра и линией горизонта; ; - угол между осью тягового цилиндра и линией горизонта; G63 - сила тяжести опорных башмаков трехопорного гидравлического механизма шагания. Из уравнения (3.25) запишем PT = pn -(cos/cosQ и после подстановки его в уравнение (3.24), получим рп = G63 / (sm + cos g ), (3.26) Рт = G63-cos / [(siirT + cosg)-cos]. (3.27)
Зависимость силы тяжести опорных башмаков от силы тяжести экскаватора выражается следующей аппроксимирующей формулой: у = к Хь. Массы опорных башмаков основных моделей экскаваторов УЗТМ приведены в приложении ПЗ. Преобразуя уравнение к линейному виду lgy = lgk + b-lgX и, разбивая имеющиеся значения аргумента на два интервала, получим систему уравнений: Ig56,9 = lgk + Mgl513, Igl31,8 = lgk + b-lg3060. Решая полученную систему уравнений, окончательно будем иметь: G63 = 0,09-G1 2, кН.
Для четырехопорных гидравлических механизмов шагания полученная зависимость имеет вид: G64 = Q,U-Gh2,-KR, где G64 - сила тяжести опорных башмаков четырехопорного гидравлического механизма шагания.
Значения входящих в выражения (3.26) и (3.27) тригонометрических функций выразим через геометрические параметры механизма шагания и величину X отдельно для каждого элемента холостого хода, т.к. закономерности их изменения различны.
При выносе (выдвижении вперед по ходу движения экскаватора) опорных башмаков в активном режиме работают тяговые цилиндры, при этом расстояние между точками крепления тягового цилиндра и его штока изменяется от минимального до максимального значения, в то же время расстояние между точками крепления подъемного цилиндра и его плунжера остается минимальным. Из рис. 3.4 значение cos F определится: cosY=(a-x)/lnmjn, где Inmin - минимальное расстояние между точкой крепления подъемного цилиндра и осью шарниров опорных башмаков.
Согласно основного тригонометрического тождества sin -[l-((a-x)/lnmin)2]0 5. Функция tg определится из рис. 3.2: tg = (h3 - h2 - z) / (x - a4 + a3), где z - высота подъема опорных башмаков над поверхностью стояния экскаватора. Выразим z через переменную х
При опускании опорных башмаков до грунтовой поверхности в активном режиме работают подъемные цилиндры, и расстояние между точкой крепления подъемного цилиндра и осью шарниров опорных башмаков увеличивается от минимального значения до значения, соответствующего началу подъема экскаватора, в то время как расстояние между точкой крепления тягового цилиндра и его штоком или осью шарниров опорных башмаков имеет максимальное значение,
В уравнениях (3.26) и (3.27) выразим через переменную X значения входящих тригонометрических функций, учитывая, что расстояние между точкой крепления тягового цилиндра и осью шарниров опорных башмаков остается величиной постоянной, равной максимальному значению.
При подъеме опорных башмаков после завершения очередного шага в активном режиме работают подъемные цилиндры, сокращая расстояние между точкой крепления цилиндра и его плунжера до минимального значения.
При этом расстояние между точкой крепления тяговых цилиндров и их штоков остается постоянным и равным минимальному значению. Таким образом, при подъеме опорных башмаков значения тригонометрических функций, входящих в выражения (3.25) и (3.26), определяются по приведенным выше формулам, только во всех выражениях необходимо вместо
Для определения составляющих усилий от действия сил тяжести плунжеров и штоков подъемных и тяговых цилиндров и сил тяжести этих цилиндров рассмотрим равновесие подъемного и тягового цилиндров
Использование тепловой энергии гидропривода механизма шагания для решения проблемы удаления примерзшего грунта
Все существующие механические способы удаления налипшего и намерзшего слоя грунта повышают производительность драглайна, но полностью устранить намерзания не позволяют.
Выполненные исследования [130] показали, что эффективным способом удаления намерзшего грунта с опорной поверхности экскаватора является физический способ, т.е. удаление грунта за счет использования тепловой энергии.
Такой способ особенно целесообразен на экскаваторах, оснащенных гидрофицированными механизмами шагания. В этом случае емкостью жидкости гидросистемы привода хода будут служить камеры опорной базы, расположенные в ее центральной части. Такое техническое решение заложено в устройстве для передвижения землеройной машины [30,157,158, 159].
Устройство (рис. 5.1.) содержит опорную раму с центральной цапфой 1, выполненную в виде стоек 2, нижнего 3 и верхнего 4 настилов, камеры 5, размещенные на нижнем настиле, насосную установку 6, установленную на поворотной платформе. Насосная: установка с помощью распределителя 7 может гидравлической энергией обеспечивать гидроцилиндры привода хода и может через дроссель 8 сливать жидкость обратно в бак.
При работе на глинистых грунтах в условиях знакопеременных температур, когда происходит примерзание грунта к опорной части базы, перед началом перемещения экскаватора насос подает жидкость через распределитель 7, дроссель 8 обратно в бак. При прохождении рабочей жидкости через дроссель происходит ее нагрев за счет внутреннего трения. Жидкость, поступая в камеры 5, разогревает нижний настил 3 опорной рамы, в результате чего происходит оттаивание грунта под опорной поверхностью базы.
На время разогрева жидкости дроссель может быть полностью закрыт. Вся жидкость будет сливаться в этом случае обратно в бак через предохранительный клапан. Жидкость будет нагреваться более интенсивно, а вместе с ней интенсивно будет нагреваться и нижний настил опорной рамы. Время оттаивания граничного слоя грунта сократится до минимума.
Энергетические возможности гидропривода полностью характеризуются его мощностью. Энергетический расчет гидропривода проводят с целью уточнения теплового баланса гидропривода. Потери энергии в насосе, в гидросистеме, в гидродвигателе идут на нагрев рабочей жидкости-Потери мощности складываются из объемных потерь или потерь расхода AN0 (рис. 5.2), механических потерь д NM и гидравлических потерь д Nr, происходящих в гидравлических машинах и в гидролиниях.
Тепло, выделяющееся в гидросистеме, идет на нагревание масла, бака, насоса, двигателей, гидроаппаратов, трубопроводов, а также рассеивается в окружающее пространство путем теплопередачи от поверхностей охлаждения.
Во время циркуляции рабочей жидкости в гидросистеме и в емкости происходит теплообмен с окружающей средой в соответствии с уравнением теплового баланса гидросистемы [160, 161 ] QT.dt = (SCiMi)dT+(2KiF1)-A7 / , (5.2) где QT dt - количество тепла, выделяющегося в системе за время dt, Дж; dT - приращение температуры жидкости за время dt, град; Q - удельные теплоемкости масла и принимающих участие в теплопередаче деталей гидросистемы, Дж/(кт.град); Mj - масса рабочей жидкости и металлических частей гидропривода, участвующих в теплопередаче, кг; Д Т - температурный перепад в рассматриваемый момент времени, град. При условии слива всего объема жидкости, нагнетаемого насосом через предохранительный клапан, количества тепла, выделяемого в гидросистеме за 1 сек, определяется приводной мощностью насоса Qr=Nnp=i -b_ L)BT (5.5) эобщ где QT- количество тепла, выделяемого в гидросистеме за 1 сек (тепловая мощность), Вт; Nnp - приводная мощность насоса, Вт; рк - давление жидкости в гидросистеме (давление настройки предохранительного клапана), МПа; QH - подача насоса, м /с; Собщ - общий КПД насоса, Параметры насоса принимаются из его технической характеристики. Элементами гидросистемы, которые эффективно рассеивают тепло, в данном механизме являются стенки емкости жидкости, трубопроводы и корпус насоса.
В предложенном техническом решении [30] емкостями жидкости гидропривода механизма шагания являются карманы центральной части базы экскаватора. Это коробки, образованные плоскими стенками - ребрами жесткости базы.
