Содержание к диссертации
Введение
1. Оценка горно-геологических условий открытой разработки месторождений полезных ископаемых 12
1.1. Краткая характеристика минерально-сырьевой базы и разработка классификации месторождений по условиям залегания 12
1.2. Оценка известных методик и классификация выемочных блоков по сложности строения и разработки 20
1.3. Особенности открытой разработки сложноструктурных месторождении... 30
1.4. Исследование показателей извлечения при послойной разработке пологопадающих месторождений 41
1.5. Исследование показателей извлечения при послойной разработке крутопадающих месторождений 46
2. Разработка рыхлителя активного действия для послойного разрушения скальных пород 55
2.1. Опыт эксплуатации горных машин на послойной разработке скальных пород 53
2.2. Оценка известных конструкций рыхлителей ударно-импульсного действия 60
2.3. Теоретическое обоснование основных конструктивных параметров рыхлителей активного действия 68
2.4. Исследование кинематических схем разработанной конструкции рыхлителя активного действия 78
2.5. Тензометрические исследования силовых нагрузок рыхлителя активного действия 87
2.6. Экспериментальные исследования вибронагруженности рыхлителя активного действия 97
3. Разработка самоходных машин и оборудования для послойной выемки и транспортировки горных пород 102
3.1. Обзор существующей техники для послойной выемки и транспортировки горных пород 102
3.2. Теоретические исследования по созданию колесных скреперов со шнековой загрузкой ковша и обоснование основных конструктивных параметров 109
3.3. Аналитические исследования по созданию скрепер-дозера 120
3.4. Теоретические предпосылки создания горных машин с комбинированным движителем 128
3.5. Исследование и разработка рациональной конструкции бульдозерного оборудования 130
4. Апробация и тенденции развития землеройно-транспортных машин для послойной разработки скальных пород 139
4.1. Опытно-промышленные испытания рыхлителя активного действия 139
4.2. Разработка и опытно-промышленные испытания геодинамических рыхлительных коронок 152
4.3. Исследовательские и опытно-промышленные испытания созданных конструкций скреперов 160
4.4. Обоснование рациональных комплексов машин и границ их применения.. 167
4.5. Новизна разработанных машин и мобильных комплексов 172
4.6. Структура развития землеройно-транспортных машин 175
5. Разработка технологических параметров и процессов послойной выемки скальных пород на карьерах 177
5.1. Разработка безопасных технологических схем рыхления скальных пород на уступах 177
5.2. Обоснование технологических параметров отстройки устойчивых откосов уступов
5.3. Исследование рациональных параметров выемочных блоков 191
5.4. Разработка технологии разрушения скальных включений и негабаритов... 195
6. Разработка безопасной технологии послойной выемки скальных пород на карьерах 199
6.1. Обзор известных технологических схем послойной разработки месторождений полезных ископаемых 199
6.2. Концепция безопасной технологии послойной разработки месторождений полезных ископаемых 205
6.3. Создание новых технологических схем послойной разработки месторождений полезных ископаемых 209
6.4. Совершенствование известных технологических схем послойной разработки месторождений полезных ископаемых 220
Заключение 224
Список использованной литературы 228
Приложения ..239
- Оценка известных методик и классификация выемочных блоков по сложности строения и разработки
- Теоретическое обоснование основных конструктивных параметров рыхлителей активного действия
- Теоретические исследования по созданию колесных скреперов со шнековой загрузкой ковша и обоснование основных конструктивных параметров
- Исследовательские и опытно-промышленные испытания созданных конструкций скреперов
Введение к работе
Сельскохозяйственное производство неразрывно связано с землей. Наиболее важным свойством почвы является ее плодородие - способность обеспечивать растения элементами питания и водой. От плодородия почвы зависит жизнедеятельность растений, а в конечном счете, и урожайность сельскохозяйственных культур. Наибольшую угрозу земле представляют ветровая и водная эрозии, которые за короткий период времени могут уничтожить верхний плодородный слой, который природой создавался веками.
Территория Северного Казахстана представляет слабоволнистуго равнину, не имеющую особых препятствий для ветра. Ее сплошная распашка отвальными плугами привела в 60-х годах прошлого столетия к распылению почвы и развитию ветровой эрозии. Природная катастрофа была предотвращена благодаря разработке и внедрению в течение относительно короткого периода времени почвозащитной системы земледелия, вобравшей в себя мировой опыт степного земледелия. Ее принципы были реализованы через комплекс противо-эрозионных машин, обеспечивающих обработку почвы без оборота пласта и посев сельскохозяйственных культур по стерне.
В механизации почвозащитного земледелия на первый план были поставлены вопросы повышения производительности труда, эффективного использования мощности энергонасыщенных тракторов. Поэтому совершенствованию подвергались те элементы, которые обеспечивали решение поставленных задач. Наибольшие усилия были направлены на развитие конструктивных схем орудий, способов их агрегатирования, методов перевода из рабочего положения в транспортное и обратно и в меньшей степени рабочих органов. Создаваемые орудия снабжались однотипными рабочими органами. Предпочтение отдавалось тем рабочим органам, которые были однооперационными, простыми и не имели вращающихся или подвижных элементов. В наибольшей степени этим требованиям отвечали стрельчатые рабочие органы, которые и нашли наиболее широкое применение в почвозащитном земледелии. Указанное привело к тому,
что такие агротехнические приемы по возделыванию зерновых культур, как осенняя обработка почвы, обработки пара, предпосевная обработка, посев выполнялись и продолжают выполняться с недостаточно высоким качеством. В связи с изложенным прекратился рост урожайности, усилилась его вариация по годам [65]. Поэтому проблема разработки и совершенствования рабочих органов машин для почвозащитного земледелия с целью повышения качества выполнения технологических операций является актуальной.
Условия возделывания зерновых культур и работы противоэрозионных машин изменяются в очень широких пределах. Изменяются физико-механические свойства почвы, количество растительных остатков предшествующей культуры, сорных растений, климатические факторы.
Народнохозяйственная проблема заключается в необходимости выполнения агротехнических приемов и работ по возделыванию зерновых культур с требуемым качеством для обеспечения оптимальных условий для развития культурных растений во всех складывающихся условиях.
Каждый из агротехнических приемов по возделыванию зерновых культур, как основная обработка почвы, предпосевная обработка почвы, посев, уход за парами, состоит из нескольких технологических операций [161, 166]. Технологические операции, как правило, представляют уничтожение сорняков, крошение и рыхление почвы, создание уплотненной прослойки почвы на глубине 5-10 см, выравнивание поверхности поля. Неполное или некачественное выполнение указанных операций приводит к снижению качества исполнения аг-роприема, что, в конечном итоге, приводит к снижению урожая. Стрельчатые рабочие органы выполняют операции крошения, рыхления почвы, подрезания сорных растений, но не создают уплотненной прослойки почвы и не осуществляют выравнивание поверхности поля. Однако выполняемые операции реализуются не всегда с высоким качеством. Стрельчатые рабочие органы выворачивают крупные глыбы при обработке переуплотненных почв, обнажают дно борозды при мелкой обработке рыхлых, увлажненных почв или на полях с большим количеством сорняков и корневых систем предыдущей культуры; уничто-
7 жение сорняков подрезанием приводит, при достаточной увлажненности почвы, к их приживанию.
Повысить качество выполнения агротехнических приемов и работ по возделыванию зерновых культур возможно путем применения машин с многофункциональными и комбинированными рабочими органами, которые за один проход агрегата выполняют все необходимые технологические операции. Указанные рабочие органы оказывают на почву комбинированное воздействие. Однако многие многофункциональные рабочие органы обладают плохой заглубляющей способностью и поэтому не находят широкого применения или используются только на вспомогательных операциях в составе машин со стрельчатыми рабочими органами. Поставленная проблема не может быть решена ранее известными методами, так как отсутствуют необходимые для этого знания. Вследствие этого возникает научная проблема: отсутствие системы знаний, позволяющих осуществить адаптацию рабочих органов с комбинированными воздействием на почву к агротехническим приемам и работам по возделыванию зерновых культур.
Данная работа направлена на решение этих проблем.
Первая глава посвящена анализу почвозащитных технологий возделывания сельскохозяйственных культур, применяемых в производстве, рассмотрению общих направлений развития средств механизации почвозащитного земледелия. Здесь приведен краткий анализ научно-исследовательских работ по вопросам качества выполнения технологических операций и разработке рабочих органов на основе комбинированного клина. Дана характеристика рассматриваемой проблемы, сформулированы цель работы и задачи.
Во второй главе изложены результаты создания модели функционирования комбинированного клина, включающее обоснование формы рабочей поверхности, области сгруживания почвы на поверхности клина, параметров формируемого почвенного клина и закономерностей его взаимодействия с почвой.
Третья глава посвящена разработке моделей функционирования штанго-
8 вого и кольцевых рабочих органов, обоснованию параметров рабочих органов
штанго-лапового культиватора, кольцевых бороны, рыхлителя и катка.
В четвертой главе представлены результаты работ по разработке и совершенствованию комбинированных рабочих органов для глубокой обработки почвы, для подпочвенно-разбросного посева зерновых культур и бороздкового посева кулисных культур.
В пятой главе приведены рекомендации производству по применению машин на основе разработанных рабочих органов в почвозащитных технологиях возделывания сельскохозяйственных культур, используемых в Северном Казахстане и приведена экономическая эффективность их применения.
Работа выполнена в Целинном научно-исследовательском институте механизации и электрификации сельского хозяйства и Челябинском государственном агроинженерном университете.
Основу диссертационной работы составляют исследования, выполненные в период 1977-2002 гг. по тематическим планам научно-исследовательских работ в соответствии с союзными, отраслевыми программами и научно-техническими программами Республики Казахстан: 0.51.01.02.06.Н18 "Разработать агротехнические требования и изготовить макетные образцы высокопроизводительной противоэрозионной техники: сеялки для посева кулис на парах и зяби" (1977-1978 гг.); 0.51.01.02.06.Н4 "Разработать агротехнические требования, изготовить макетные образцы высокопроизводительной противоэрозионной техники и выдать исходные данные для конструирования: культиватор штанговый бессцепочный к трактору класса 3 тс" (1977-1980 гг.); 0.20.01.09.04 "Создать и освоить в производстве плоскорез-глубокорыхлитель секционный" (1980-1983 гг.); О.сх Л 09.02.03 "Культиваторы штанго-лаповые бессцепочпые к тракторам класса 3 и 5 тс" (1981-1983 гг.); О.сх. 109.02.08 "Плоскорез-глубокорыхлитель секционный к тракторам класса 8 тс" (1984-1986 гг.); О.сх. 101,01.02 ТІЛ "Провести экспериментальную проверку системы машин. Разработать и проверить прогрессивные технологии рабочих процессов и определить их фактическую эффективность по зонам Северного Казахстана" (1981-
9 1984 гг.); ГКНТ 0.51.01.03,04.05.И "Создать и освоить производство плоскоре-зов-щелевателей к тракторам класса 3 и 5" (1986 г.); 0.51 Л 3.01.01 Т "Разработать и внедрить энергосберегающие технологические процессы, обеспечивающие снижение топливно-энергетических затрат на 8-10% при возделывании и уборке зерновых колосовых культур в различных почвенно-климатических зонах страны. Внедрить энергосберегающий технологический процесс основной обработки почвы" (1986-1990 гг.); 20.01.05 П "Разработать орудие для поверхностной обработки почвы и сменные рабочие органы к серийным стерневым сеялкам для осуществления различных способов посева" (1991-1995 гг.); 02.04.01 Н "Разработать и усовершенствовать ресурсосберегающие зональные комплексы машин для возделывания и уборки зерновых (почвообрабатывающие машины, сеялки, комбайны)" (1996-2000 гг.); 02.01.09.02.И "Разработать комплекс машин к гусеничному трактору Т-95.4, широкозахватную жатку для прямого комбайнирования к комбайнам класса 6 и 9 кг/с, передвижной агрегат для послеуборочной обработки зерна по фракционной технологии для условий Северного Казахстана: универсальная почвообрабатывающе-посевная машина и многофункциональное орудие для поверхностной обработки почвы" (2001 г. и по настоящее время).
Материалы исследований использованы при составлении исходных требований и технических заданий на плоскорезы-щелеватели ПЩ-3 и ПЩ-5, приспособление ПРП-2,1 к сеялкам-культиваторам СЗС-2 для подпочвенно-разбросного посева зерновых культур, кольцевую борону ОБ-1,3; разработке кулисной сеялки СКН-3, плоскорезов-щелевателей ГПД-З и ПЩ-5, приспособления ПРП-2,1, бороны ОБ-1,3, прошедших приемочные испытания и рекомендованные к производству.
В "Систему машин для комплексной механизации сельскохозяйственного производства на 1986-1995 годы" включены следующие машины, разработанные с участием автора: СКН-3 (Р 26.27), КЛШ-16 ( 26.20), плоскорез-щелеватель (Р 26.31), плоскорез-глубокорыхлитель (Р 26.05), КЛШ-10 (Р 26.20/1); плоскорез-щелеватель (Р 26.31/1).
В "Систему технологий и машин для комплексной механизации растениеводства Республики Казахстан на период до 2005 года" включены машины, разработанные с участием автора: ОБ-1,3 (Р 52.09), КЛИЫ6 (Р 54.11), КЛШ-10 (Р 45.11/1), СКН-3 (Р 54.14), ПЩ-5 (Р 54.16), ПЩ-З (Р 54.16/1), ПРП-2,1 (Р 54.00.1) СП 8.01 (Р 56.06), СП 8.02 (Р 56.06/1), СП 8.3 (Р 56.06/2).
На защиту выносятся следующие результаты:
концепция совершенствования рабочих органов для почвозащитных технологий возделывания зерновых культур;
модель функционирования клина, позволяющая определить область сгруживания почвы на поверхности рабочего органа, процессы формирования почвенного клина и его взаимодействия с почвой;
модели функционирования рабочих органов, оказывающих комбинированное воздействие на почву;
схемы и параметры комбинированных рабочих органов для обработки почвы и посева;
результаты экспериментальных исследований.
Оценка известных методик и классификация выемочных блоков по сложности строения и разработки
Недавно введены в эксплуатацию новые месторождения (Олимпиаднинское, Кубака, Лунное) и продолжается строительство предприятий в отдаленных районах еще на нескольких месторождениях: Агинском, Валунистом, Васильевском, Ветренском, Светлинском, Покровском, Школьном, Эльдорадо [50]. Характерным представителем пластовых и линзовидных залежей являются Куранахское и Самолазовское карстовые месторождения. На Самолазовском месторождении рудные тела мощностью 50...70 м залегают практически горизонтально. Месторождение вытянуто в широтном направлении и имеет размеры в плане 350 х 800 м. Рудные тела внешне ничем не отличаются от пустых пород и границы между ними могут быть установлены только по данным опробования. Месторождение сложено мраморами и другими породами, подверженным дезшггеграции и окислению. Крепость пород по шкале проф. М.М. Протодьяконова составляет f = 6... 12.
Из месторождений драгоценных камней к залежам сложного геолого-морфологического строения можно отнести кимберлитовые трубки. Большая часть балансовых запасов (52,8%) предназначена для открытого способа разработки. Глубина карьеров на малых трубках (площадь сечения до 2 га) ограничена эффективным диапазоном 250...350 м (трубки «Интернациональная», «Айхал», «Сытыканская», «Комсомольская», «Нюрбинская», «Ботуобинская») [38]. На крупных трубках (площадь сечения до 20 га), имеющих высокое содержание алмазов, эффективная глубина карьеров ограничена диапазоном 500...600 м (трубки «Мир», «Удачная», «Юбилейная»). Кимберлитовые руды представлены типичной брекчией с большим содержанием ксенолитов разного происхождения в виде даек, угол падения которых в основном составляет 80...90. Наблюдаются смещения вмещающих пород с падением слоев от 5 до 30, а вблизи рудных тел - с падением 78... 90. Приуроченность содержания алмазов к рудам различной окрашенности обеспечивает довольно четкую визуальную различимость сортовой ценности.руд и несколько упрощает их селективную выемку. По козффициеіггу крепости (f = 4... 16) руда относится в основном к скальным легко- и средней трудности разрушеїшя породам [95]. Предприятиями черной металлургии около 90% железных руд добывается на крупных карьерах горизонтального залегания (Камыш-Бурунское, Лисаковское) и в виде штокверков направленной формы (Соколовское, Сарбайское, месторождения КМА). Коренные породы докембрия и железистые кварциты осадочно-метаморфагешюго происхождения повсеместно трещиноватые. Рудные тела имеют сложное строение, вследствие чего угол падения контактов с пустыми породами изменяется от 0 до 80...90. Вмещающими породами железистых кварцитов являются сланцы и кварцитопесчаники, относящиеся к различным категориям скальных пород - от легко разрушаемых до весьма трудно разрушаемых.
Восполнение потребностей в хромистых рудах намечается, в основном, за счет ряда мелких месторождении Полярного Урала (Центральное, Норское-И, Большая Круглышка и др.). Центральное месторождение представляет собой пластовую залежь с прослойками пустых пород, падение контактов между которыми составляет 55...85. Хромистые руды и вмещающие породы имеют коэффициент крепости f = 7... 11 и относятся к категории легкоразрушаемых скальных пород.
Среди угольных месторождений пологого, наклонного и крутого залегания в виде одного или нескольких пластов встречаются залежи (Богословская, Коркинская, Березовская, Таллинская и др.), которые не всегда выдержаны по мощности и зачастую расщепляются. Прослои скальных песчаников мощностью до 1,5...2,0 м имеют иногда коэффициент крепости до f = 15... 16 [21], что затрудняет применение поточной технологической схемы и требует раздельной выемки.
Учитывая самое разнообразное залегание месторождений относительно горизонтальной поверхности, акад. МИ. Агошковым [2] различаются горизонтальные и пологопадающие (угол падения от 0 до 25...35), наклонные (угол падения от 25 до 45) и крутопадающие (угол падения свыше 45) залежи. Однако при нормировании потерь и разубожившшя Б.Н. Байковым и B.C. Лучко под горизонтальными и пологими понимаются залежи с углом падения от 0 до 10, под наклонными — с углом паления от 10 до 30, а под крутыми — с углом падения более 30 [17]. В другой методике расчета показателей извлечения полезных ископаемых [73] выделяются горизонтальные и слабонаклонные (угол падения от 0 до 6), пологопадающие (угол падения от 6 до 20) и круто падающие (угол падения более 20...25) месторождения. Кроме того, известны классификации, в которых пласты полезных ископаемых делят по углу падения на горизонтальные и пологие (до 8... 10), наклонные (от 8... 10 до 25...30) и крутые (свыше 25...30)[52,102].
Отсутствие единого мнения и разночтения в классифицировании залежей по углу их падения приводят к неоправданным искажениям при подсчете показателей извлечения, что, по нашему мнению, является их недостатком и требует более точных определений.
Нами предлагается классифицировать месторождения по углу падения контактов между полезным ископаемым и пустой породой в зависимости от рационального угла движения горных машин и их рабочих органов. В связи с этим месторождения подразделяются на пологопадающие (угол падения контактов до 25...30) и крутопадающис (угол падения контактов свыше 25...30). Как известно, пневмоколссные и гусеничные машины имеют область эффективного и безопасного применения соответственно до 10...15 и до 25...30 [39,72,95]. Согласно этому, пологопадающие залежи можно разделить на горизонтальные (угол падения от 0 до 10...15) и слабонаклонные (угол падения от 10...15 до 25...30). Оценка кинематических схем движения рабочих органов экскаваторов и погрузчиков показывает, что для таких машин наиболее предпочтительным является угол выемки пород от 55...60 до 90[21,95,106]. Это позволяет крутопадающие залежи разделить на наклонные (угол падения от 25...30 до 55...60) и крутонаклонные (угол падения от 55...60 до 90) (рис. 1.3) [53].
Теоретическое обоснование основных конструктивных параметров рыхлителей активного действия
Среди горного оборудования, в большей степени отвечающего условиям послойной разработки скальных пород без применения буровзрывных работ, можно выделить: -гидравлические экскаваторы типа обратная лопата со сменными рыхлителями; - карьерные экскаваторы с ковшами активного действия; -горизонтальные фрезы с широкозахватным исполнительным органом; - мощные рыхлительные или рыхлительно-бульдозерные агрегаты.
Гидравлические экскаваторы. Применение гидравлических экскаваторов, оснащенных сменными рабочими органами, позволяет периодически выполнять рыхлительные и выемочно-погрузочные работы [12]. Разрушение массива производится путем рыхления пород однозубим рыхлителем, устанавливаемым в течение 20 секунд специальным адаптером с гидравлическим приводом непосредственно из кабины машиниста. Рыхлители для типового ряда экскаваторов «обратная лопата» впервые разработаны фирмой LTEBHERR (Прил.1). При использовании рыхлителя достигается высокая концентрация усилий, что обеспечивает разрушение крупнообломочных пород прочностью на одноосное сжатие до 60...90 МПа. Это соответствует легкоразрушаемым скальным породам с коэффициентом крепости 6...9. Кусковатость разрушенной породы зависит от расстояния между проходами и толщиной зуба рыхлителя.
Опыт эксплуатации экскаватора R-984 при разработке известняков для дорожного щебня показал, что глубина рыхления достигает 1,0 м. Выемка пород может вестись с нижней и верхней рабочей площадки. При работе с нижней площадки машинист не видит состояние разрушаемого массива, поэтому высота уступов не превышает для экскаватора R-984 — 4 м, а для R 992 — 6 м. После замены рыхлителя на ковш породы ковшом обрушаются вниз к подошве уступа и затем отгружаются в автосамосвалы. Поэтому коэффициент использования рабочего времени экскаваторов непосредственно на погрузке не превышает 0,25...0,30, а производительность, например, экскаватора R-992 составляет порядка 400 т/ч ( 160м3/ч) при мощности прослойка до 0,5 м. Это свидетельствует о том, что выемочно-погрузочная операция имеет второстепенное значение, а основной считается механическое разрушение пород. Применение дорогостоящих гидравлических экскаваторов со сменными рыхлителями безусловно привело к повышению себестоимости добычных работ не только по сравнению с буровзрывным способом подготовки пород, но и с механическим разрушением рыхлительно-бульдозерными агрегатами [12 ]. При использовании менее мощных обратных гидравлических лопат (ЭО-5126, ЕС-238В с ковшами вместимостью соответственно 1,25 и 1,6 M"J исключается возможность эффективного применения сменных однозубых рыхлителей. Однако в комплексе с бульдозерно-рыхлительным агрегатом обеспечивается эффективная разработка тонких пластов, пачек угля и прослойков мощностью менее 1,0...1,2 м без снижения производительности экскаваторов [76].
Карьерные экскаваторы с ковшами активного действия способны разрабатывать трещиноватые породы прочностью только до 60...80 МПа (коэффициент крепости/= 6...8) без предварительного их разупрочнения [74]. Породы прочностью до 100...120 МПа можно разрабатывать после разупрочнения массива взрывом с уменьшенным в 1,5...2 раза расходом взрывчатых веществ. При разработке горизонтальных, слабонаклонных и наклонных залежей применение активных ковшей становится нерациональным. Однако при разработке сложных и весьма сложных выемочных блоков крутонаклонных залежей траектория движения ковша обеспечивает раздельную отработку по контактам с минимальным разубоживанием для данного типа машин. Добывающие поверхностные фрезы. Опыт применения одной из поверхностных фрез (Прил. 2) на разрезе «Таллинский» (Центральный Кузбасс) доказывает эффективную отработку массивов горных пород прочностью на сжатие до 80 МПа забоями высотой до 0,3 м и шириной до 7,0 м при наличии прослоек песчаников мощностью до 0,8 м при прочности на сжатие до 130 МПа. Отработка таких забоев сопровождается резким снижением производительности машины KSM-2000P. При средневзвешенной прочности пород на сжатие 65 МПа забойная производительность находится в пределах 750...800 м3/ч, что сопоставимо с применением мощных рыхлительных агрегатов. При этом повышение производительности горизонтальных фрез при разработке скальных средней трудности разрушения пород в основном связано с предварительным разупрочнением массивов химико-физическим и другими способами [13,69]. Удельная энергоемкость выемочно-погрузочной операции примерно на 40% выше по сравнению с гидравлическим экскаватором. Связано это с необходимостью разрушения массива режущим инструментом, экскавации пород ковшами роторных колес, передаче на конвейерный тракт и транспортировке протяженностью более 50 м на высоту до 16 м для разгрузки. Наряду с этим, при разработке мелких сложноструктурных местрождений к серьезным технологическим недостаткам данного типа машин можно отнести: - необходимость формирования протяженного (более 1000 м) фронта горных работ; - при отработке слабонаклонных залежей вкрест простирания необходимо привлечение дополнительной техники для разрушения и выемки скальных пород в приконтактной зоне с полезным ископаемым и в целике бермы безопасности; - необходимость поддержания широких рабочих площадок для отработки залежей поперечными заходками по восстанию пластов; - высокая удельная энергоемкость разрушения скальных пород (на каждые 10 МПа прочности на сжатие требуется 1 кВт-ч/м3) [20,31].
Теоретические исследования по созданию колесных скреперов со шнековой загрузкой ковша и обоснование основных конструктивных параметров
Кинематическая схема рыхлительного оборудования активного действия выполнена нами таким образом, что с изменением угла рыхления происходит одновременное изменение положения оси «наконечник-гидромолот» и глубины рыхления. Это облегчает ударное разрушение крепких включений, находящихся в массиве, а также послойное разрушение скальных и верхнего слоя промерзших пород.
Изменение глубины при регулировке угла рыхления в положении полностью опущенного рыхлителя составляет АН = 369 (432) мм. Наибольшая расчетная глубина рыхления Н=826 мм для обоих вариантов оборудования обеспечивается при максимальном угле рыхления. Минимальный угол рыхления составляет а=36,1(33,6), а максимальный 59,5 (59).
Ввиду большего диапазона изменения параметров оборудования: угла рыхления а; угла установки молота и наконечника у и глубины рыхления Н, наиболее предпочтителен вариант II компоновки рыхлительного оборудования. При этом варианте компоновки расстояние от заглубленного наконечника (коронки) до оси задней звездочки составляет 3185 мм (3,18 м) при а= 45 и 2700 мм (2,7 м) при атЫ=ЪУ,6.
Таким образом, кинематическая схема с приводными звеньями одинаковой длины, унифицированными с гидроцилиндрами подъема-опускания обычного рыхлителя (ДЗ-141УХЛ) обеспечивает лучшее компоновочное решение РАД при котором: - угол рыхления изменяется в диапазоне 33,6...59, что охватывает всю область оптимальных значений при ударно-импульсном (активном) и статическом (обычном) рыхлении горных пород; - минимальный угол рыхления 33,6 практически соответствует рациональному значению, при котором удар наносится под уступ, т.е. позволяет эффективно (с точки зрения минимальной энергоемкости разрушения скальных пород) рыхлить откос уступа со стороны выработанного пространства; - обеспечивается безопасная эксплуатация РАД при рыхлении пород в зоне бермы безопасности уступа со стороны выработанного пространства при подаче машины задним ходом к откосу, поскольку расстояние между заглубленным наконечником (коронкой) и осью задней звездочки гусеничного движителя составляет минимум 2,7 м, что превышает установленный ЕПБ норматив и позволяет устанавливать машину под углом до 30 к бровке уступа. Наряду с гидроцилиндрами подъема-опускания и регулировки угла рыхления в конструкции рыхлителя активного действия могут быть использованы опорные кронштейны, планка для транспортировки, пальцы шарнирных соединений, устройство для крепления рыхлительных коронок. Результаты полученных исследований позволили при непосредственном участии автора разработать исходные требования и на Стерлитамакском заводе строительных машин при участии ВНИИСДМ и Гиналмаззолото (ВНИПИгорцветмет) изготовить экспериментальный образец РАД в комплектации с бульдозерным отвалом на базе трактора Т-500 Чебоксарского завода промышленных тракторов, общий вид которого представлен на рис. 2.9. Конструктивная масса рыхлительного оборудования составила 8500кг с учетом массы модифицированного гидромолота 1500кг, что находится в пределах установленной ГОСТом нормы навешеспособности базовой машины (10000кг). В тоже время создание двухстоечного РАД по предварительным расчетам не обеспечивает установленной нормы навешеспособности базового трактора и изготовлению на данном этапе исследований не рекомендуется. Работа рыхлителя с активным рабочим органом при рыхлении скальных пород заключается в заглублении наконечника стойки в разрушаемую поверхность. Заглубление наконечника стойки осуществляется при помощи гидроцилиндров подъема-опускания и изменения угла. Разрушая породы при заглублении зуба и поступательном движении агрегата, следует выбирать угол рыхления, обеспечивающий наибольшую производительность и передачу наименьшей вибрации на базовый трактор. Включение гидромолота, который наносит удары по наковальне стойки, шарнирно закрепленной одним концом на балке, позволяет повысить производительность машин и более эффективно разрушать скальные породы. Рыхлитель может работать с выключенным гидромолотом, что обеспечивает эффективную разработку мягких и плотных пород вскрыши в статическом режиме обычного РБА. Исследование силовых нагрузок в конструкции РАД нами производилось в соответствии с методикой тензометрических испытаний в следующих основных режимах: - вывешивание рыхлителя на зубе; - упор в непреодолимое препятствие при отключенном гидромолоте; - упор в непреодолимое препятствие зубом рыхлителя при работающем гидромолоте без реализации тяги трактора; - упор в непреодолимое препятствие зубом при работающем гидромолоте и действии силы тяги трактора; - рыхление скальных пород исключительно с использованием тягового усилия базового трактора (обычное статическое рыхление); - рыхление скальных пород с использованием комбинированного воздействия тягового усилия базового трактора и энергий удара гидромолота с независимой подачей рабочей жидкости от насоса НШ-100 или НШ-250.
Исследовательские и опытно-промышленные испытания созданных конструкций скреперов
Скрепер-дозеры представляют собой комбинированные землеройно-транспортные машины, сочетающие в себе функциональные возможности бульдозера и скрепера Недостаток тягового усилия при загрузке скреперного ковша, присущий обычным колесным скреперам, реализуется за счет повышенного в 1,5...2 раза сцепления гусеничного движителя с породами [77]. Скреперный ковш расположен между гусеницами скрепер-дозера, снабжен заслонкой, подвижной задней стенкой для принудительной разгрузки пород и гидроцилиндрами управления им. В настоящее время скрепер-дозеры с вместимостью скреперных ковшей 4,0, 6,4 и 8,4 м3 выпускаются японской фирмой NISSHA (Прил. 7). По данным скудной информации о результатах работы скрепер-дозеров известно, что производительность их на скреперовании пород превышает бульдозеры того же класса на расстоянии транспортирования свыше 60...80 м.
Вместе с тем конструкция скрепер-дозеров предусматривает возможность последовательной работы скреперным ковшом, а затем бульдозерным отвалом, что обеспечивает повышение производительности агрегата по сравнению с бульдозером и на более коротких расстояниях. Преимущественный способ перемещение машины в работе - челночный, аналогично бульдозерам, что позволяет работать без разворотов. Выгрузка скреперного ковша может производиться при движении вперед и назад, в результате чего расширяются возможности складирования пород - в бурты (в навал), горизонтальными слоями и т.п. Из технической характеристики зарубежных скрепер-дозеров видно резкое повышение глубины резания по сравнению с колесными скреперами аналогичного класса. Это сокращает путь загрузки ковша и в условиях разработки сложноструктурных месторождений обеспечивает селективную выемку более мелких «островков» полезных ископаемых обнаруженных на поверхности горизонтальных и наклонных забоев-площадок. Гусеничный движитель, который более долговечен при работе в абразивной среде, позволяет увеличить угол наклона забоев с 10...12 до 30. Таким образом, предварительный анализ скрепер-дозеров показывает о возможности эксплуатации такой комбинированной машины в составе комплекса при разработке различных, в т.ч. скальных разрушенных, пород. К сожалению, в России скрепер-дозеры не выпускаются и нет опыта их эксплуатации. Это обуславливает проведение исследований, направленных на создание новых горных машин и технологии их применения при разработке сложноструктурных месторождений.
Бульдозеры. На горных предприятиях России в основном используются гусеничные бульдозеры тягового класса 15 и более. Техническая характеристика наиболее распространенных отечественных и зарубежных бульдозеров приведена в ГТрил. 3. Отечественные машины по сравнению с зарубежными имеют худшие технико-экономические показатели (см. рис. 3.1): эксплуатационная производительность ниже в 1,5...2,0 раза, наработка между капитальными ремонтами и срок службы меньше соответственно в 2...3 раза и 1,5...2 раза [41]. Предлагаемые отечественной промышленностью бульдозерные отвалы для различных машин могут быть прямыми или полусферическими, в то время как зарубежные оснащаются сменным рабочим оборудованием с широким диапазоном возможностей эффективного применения. Для разработки скальных разрушенных пород используются прямые (скальные) и полусферические бульдозерные отвалы, угол поперечного перекоса которых составляет 8... 14. При этом угол поперечной устойчивости бульдозеров в работе не превышает 20...25. Длина пути набора пород в бульдозерный отвал в среднем составляет 10... 15 м, поэтому с увеличением расстояния транспортирования более 30...60 м эффективность бульдозеров резко снижается. В этих условиях бульдозер используется как транспортная машина с высокой энергоемкостью перемещения пород (коэффициент трения породы по породе достигает 0,95). Основными направлениями развития бульдозеров в последние годы являются [120]: 1) наращивание единичной мощности базовых тракторов. Например, фирма «Комацу» наряду с фирмой «Катерпиллер» (см. прил. 3) имеет типовой ряд бульдозеров мощностью от 168 до 784 кВт; 2) постоянное расширение номенклатуры сменного бульдозерного оборудования. При разработке сложноструктурных месторождений с высокой динамикой горных работ и достаточно большими расстояниями между выемочными блоками, рассредоточенными на различных горизонтах, затруднена своевременная перестановка сменного бульдозерного оборудования, в результате чего эффективность послойной выемки и транспортировки пород резко снижаются. Так, например, в зоне нижней бровки рабочего уступа возникают трудности с отсечкой пород бульдозером с неповоротным отвалом. В тоже время при транспортировании вдоль выемочного блока требуется максимальное сохранение пород в призме волочения. В связи с этим для разработки предварительно разрушенных скальных пород целесообразно иметь универсальный бульдозерный отвал, максимально отвечающий изменяющимся условиям эксплуатации. Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлены рациональные параметры: -для прямых неповоротных отвалов: угол резания - 30... 50; угол опрокидывания (от вертикали) - 15...20; радиус кривизны рабочей поверхности - 0,27.. 1,1 от высоты отвала [33,99,118]; -для поворотных отвалов: угол захвата — 26...42; угол резания - 45...60 [33,63,81]; -для сферических отвалов: угол захвата крайних секций 30...60 [15,66]. Как видим, рекомендуемые исследователями геометрические параметры для прямых, поворотных и многосекционных бульдозерных отвалов значительно различаются, что свидетельствует о недостаточной изученности процесса резания и перемещения пород по рабочему органу. Решение проблемы снижения энергоемкости копания и создание более эффективного бульдозерного оборудования возможно на основе анализа процессов, происходящих при взаимодействии его с породами. Однако известные методы расчетов [16,89] не раскрывают общих закономерностей динамики взаимодействия бульдозерного оборудования с породами и формирования призмы волочения, что не позволяет обосновать рациональные параметры для условий разработки сложноструктурных месторождений.
