Повышение эффективности эксплуатации шагающих экскаваторов-драглайнов за счет совершенствования механизма шагания

Введение посвящено обоснованию актуальности работы, выбору объекта исследования, формулировке цели, идеи и научных положений, краткой характеристике практической ценности работы.
В первой главе выполнен анализ современного состояния и определены перспективы развития шагающего ходового оборудования горных машин. В главе представлены достоинства и недостатки существующих типов механизмов шагания, применяемых на горных машинах. В ходе описания функциональных особенностей трехопорного шагаюшего механизма с гидравлическим приводом определены основные направления, позволяющие повысить эффективность его работы.
Во второй главе расчетным путем определены основные параметры трехопорного механизма шагания: геометрические, силовые, энергозатраты на перемещение. В ходе проведения силовых расчетов и энергоемкости процесса перемещения определены факторы, существенно влияющие на энергозатраты механизма при шагнании.
В третьей главе представлен трехопорный гидравлический механизм, оснащенный скользящими опорами, который позволяет избавиться от недостатков, свойственных существующему трехопорному шагающему механизму, и тем самым существенно снизить энергозатраты, повысить эффективность его применения. Представлена возможность применения сдвоенного гидроцилиндра подъема, что позволит снизить рабочее давление масла в гидроцилиндре при осуществлении подъема передней кромки базы. Поведены расчеты, позволяющие утверждать о целесообразности использования данной конструкции трехопорного механизма на экскаваторах- драглайнах.
В четвертой главе описана математическая модель трехопорного гидравлического механизма шагания со скользящими опорами. Математическая модель, созданная в программной среде MATLAB Simulink, позволяет определить кинематические параметры механизма шагания при его работе.
В пятой главе представлены перспективные пути развития механизма шагания. Трехопорный механизм шагания с дополнительным опорным башмаком в базе механизма шагания позволяет исключить силу трения базы о грунт при шагании, препятствующую перемещению машины. Использование гидроаккумуляторов в гидравлической системе механизма шагания, с целью рекуперации потенциальной энергии поднятой над поверхностью грунта передней кромки базы при совершении последующих шагов. Использование тепловой энергии рабочей жидкости гидравлической системы привода механизма шагания с целью создания комфортных условий в кабине оператора экскаватора.
В заключении приводятся основные выводы и рекомендации, полученные в результате выполнения диссертационной работы.
ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1. Снизить энергозатраты в работе гидравлического механизма шагания можно сокращением до минимально возможного значения подъема кромки базы при шагании, при использовании гидростатической скользящей опоры в паре скользун – башмак.
Экскаватор-драглайн, оснащенный трехопорным механизмом шагания с гидравлическим приводом, является основным оборудованием, применяемым при ведении вскрышных работ на карьерах, от эффективности его работы зависит скорость разработки полезных ископаемых на карьере. Перемещение драглайна является неотъемлемой частью его работы и существенно влияет на производительность машины, осуществляется перемещение шагающим механизмом. Одним из показателей эффективности механизма шагания является энергоемкость перемещения драглайна.
Основные энергозатраты на перемещение машины складываются из необходимости подъема передней кромки базы экскаватора подъемными гидроцилиндрами и преодоление сил трения задней кромки базы о поверхность грунта тяговыми гидроцилиндрами.
AA A (1) 12
где 1 – работа подъемных гидроцилиндров, Дж; 2 – работа тяговых гидроцилиндров, Дж.
Энергозатраты на работу подъемных гидроцилиндров A1 зависят от высоты h подъема передней кромки базы над грунтом, от коэффициента б учитывающего, какая часть веса экскаватора передается на опорные башмаки, и от массы машины э без учета массы опорных башмаков:
A  k gm h 1бэ
(2)
где – ускорение свободного падения, м/с2; kб – коэффициент, учитывающий какая часть веса экскаватора передается на башмаки (0,7-0,8), h – высота подъема центра масс машины над грунтом, м.
Работа тяговых гидроцилиндров зависит от реакции опоры Rш, возникающей на задней кромке базы, длины шага и коэффициента 1 трения-
скольжения:
A2 0,5RшkшL1
где kш – коэффициент, учитывающий проскальзывание опорных башмаков. Реакция опоры на задней кромке базы во время шага рассчитывается как:
Rш (1kб)mэgFв
(4)
где Fв – вертикальная составляющая усилия тягового гидроцилиндра, оказывающая дополнительное сопротивление при движении машины.
По результатам расчетов затрат энергии на совершение шага для некоторых типов драглайнов составлены графики, представленные на
(3)
рисунке 1, из графиков видно, что основные энергозатраты при осуществлении шага возникают при подъеме передней кромки базы машины.
70000
60000
50000
40000
30000
20000
10000 базы
энергозатраты на подъем кромки
0
энергозатарты на пемемещение машины
Тип машины
Рис. 1. Соотношения расхода энергии на подъем машины и ее перемещение для различных типов экскаваторов-драглайнов
С целью снижения энегозатрат на перемещение предложена схема трехопорного
механизма со скользящими опорами (рисунок 2)
Отличительной чертой
представленного механизма является установка скользящих опор на опорных башмаках, что позволило расположить тяговые гидроцилиндры
горизонтально на
опорных башмаках, с противоположной движению машины стороне. Подъемные гидроцилиндры жестко закреплены на корпусе машины, что дает возможность избавиться от дополнительных тяг. Результатом таких конструктивных изменений послужила возможность перемещения машины при минимальном подъеме передней кромки базы над грунтом (не более 0,1 метра) и использование полной площади поперечного сечения тяговых гидроцилиндров, а так же, за счет горизонтального расположения тяговых гидроцилиндров пропала вертикальная
составляющая усилия при работе тяговых гидроцилиндров.
Рис. 2. Трехопорный механизм шагания со скользящими опорами
Расход энергии, кН*м
Для определения скорости в каждый момент времени, описана математическая модель драглайна оснащенного трехопорным механизмом шагания со скользящими опорами.
За основу принята формула равновесие действующих в гидравлической системе сил:

mvп p1Sп Rkтрp1 p2 pсл.м.Sп Sшт (5)
где p1 – давление рабочей жидкости в поршневой полости гидроцилиндра, Па; p2 – давление рабочей жидкости в штоковой полости гидроцилиндра, Па;
22
vп – ускорение движения поршня, м/с ; Sп – площадь поршня, м ; Sшт – площадь
штока, м2; kтр – коэффициент трения поршня о стенки гидроцилиндра; pсл.м. – потери давления в сливной магистрали.
Выразив из уравнения ускорение движения поршня и преобразовав его,
получим уравнение имеющее вид Коши:
N
LS2v2 п п
pp SS  p
S k  2 сл.м. п шт  м.с. (6)

vп  S k 
k m S v п тр
бэпп тбэ бэ бэ
п тр k m k m
движения поршня; L – длина трубопровода; d – внутренний диаметр трубопровода; Sт – площадь поперечного сечения трубопровода; pм.с. – потери давления на местные сопротивления.
Полученная система пригодна для численного решения на ЭВМ методом Рунге-Кутта четвертого порядка, и при проектировании гидропривода механизма шагания экскаватора-драглайна позволяет определить скорость движения механизма в каждый момент времени на протяжении всего шага.
Для определения скорости движения экскаватора-драглайна, оборудованного механизмом шагания со скользящими опорами необходимо знать время, затрачиваемое на совершение манипуляций с опорными башмаками. Для определения времени на совершение манипуляций необходимо рассчитать скорость подачи опорных башмаков в направлении движения, опускания их на грунт и подъема в исходное положение. С целью точного расчета скорости движения опорных башмаков в любой момент времени выведено уравнение первого порядка, для расчета в программной среде MatLab.
При подаче опорных башмаков в направлении движения, тяговые цилиндрами преодолевают трение, рассчитываемое согласно формуле:
2dS 2 k m
где N – мощность потока жидкости на выходе из насоса; Vп – скорость
Fтр k(mб mт mшт.т)g
(7)
где k – коэффициент трения-скольжения.
Если принять x как координату поршня, то производная от неё ̇
равняется скорости поршня в гидроцилиндре, вторая производная ̈ равняется ускорению, следовательно:

(mб mт mшт.т)xpш(Sп Sш)Fтр pпSп Fтр1 Fтр2 (8)
где pш – давление рабочей жидкости в штоковой полости, Па; pп – давление рабочей жидкости в поршневой полости, Па; Fтр1 – трение между поршнем и стенками гидроцилиндра, Н; Fтр2 – сила трения между уплотнителями и штоком, Н.
Выразив из формулы (8) ускорение движения поршня получим следующую формулу:
x  p ш ( S п  S ш )  F т р 2  F т р  F т р 1  p п S п . ( 9 )
mб  mт  mшт.т
Так как все известные программные системы решают только уравнения
первого порядка (вид Коши), то введем переменную u равную производной от координаты поршня тягового гидроцилиндра:
= ̇ (10) Следовательно, взяв производную от u формула (11) примет вид:
u  pш (Sп Sш )Fтр2 Fтр Fтр1  pпSп mб  mт  mшт.т
Начальные условия: 0 = 0; 0 = ̇0 = п0 = 0.
(11)
Полученная система уравнений позволит определить скорость движения опорных башмаков в любой момент времени.
Для совершения шага данным механизмом требуется подъем передней кромки базы на незначительную высоту 0,1м (отрыв от поверхности грунта), и за счет размещения тяговых гидроцилиндров на опорных башмаках исключается их масса из массы машины при подъеме передней кромки базы, следовательно:
Ac1 0,1kбg(mэ mт)
(12)
где mт– масса тяговых гидроцилиндров, кг.
Отсутствие вертикальных составляющих усилий тяговых цилиндров,
увеличивающих сопротивление перемещению машины, позволяет снизить энергозатраты на перемещение и избавиться от проскальзывания опорных башмаков. Формула расчета работы на перемещение драглайна, оснащенного механизмом шагания со скользящими опорами примет вид:
Aс2 (1kб)(mэ mт mшт.т)gL1
(13)
Возможность использования поршневых полостей тяговых гидроцилиндров при рабочем ходе работать при меньшем давлении рабочей жидкости, значит, существует возможность использования приводных двигателей в гидравлической системе меньшей мощности.
Результаты расчетов энергоемкости перемещения драглайнов, оснащенных механизмом шагания со скользящей опорой, приведены в таблице 1.
Таблица 1 Энергоемкость шага трехопорного механизма шагания со скользящими
опорами.
Тип экскаватора
Масса экскаватора,
кг·103
Масса опорных башмаков,
кг·103
Полная масса тягового гидроцилиндра,
кг·103
Расход энергии, кН·м
на подъем кромки базы
на перемещение машины
ЭШ-10/70
19,41
8,4
504,67
706,54
ЭШ-14/75
1400
53,65
19,7
1170,19
1820,29
ЭШ-15/90
1410
54,11
19,7
1178,48
1833,19
ЭШ-15/90А
1626
64,21
23,6
1357,42
2111,55
ЭШ-25/100
2600
112,77
30,51
2165,64
4210,97
ЭШ-180/100
10300
588,37
72,65
8454,38
19069,31
Таким образом, первое положение, выносимое на защиту, доказано.
2. Исключения трения задней кромки базы по грунту и образования призмы волочения можно достигнуть размещением в кромке базы дополнительной опоры.
Согласно проведенным расчетам вторым фактором, значительно увеличивающим
энергозатраты
перемещение
является
тяговыми гидроцилиндрами силы трения возникающей между задней кромкой базы и поверхностью грунта при горизонтальном перемещении машины.
С целью исключения
трения базы
предложена
трехопорного
шаганя с дополнительным опорным башмаком, встроенным в задней по ходу движения кромке базы
(рисунок 3). Такой механизм шагания позволяет осуществить шаг с полным отрывом базы от грунта в момент шага.
Дополнительный
на машины, преодоление
о
породу схема механизма
Рис. 3. Распределение действующих сил на трехопорный механизм шагания с
дополнительным опорным башмаком: а – общий вид б – размещение дополнительного опорного башмака в опорной раме.
опорный башмак размещается в нише базы. Ниша выполнена насквозь задней кромки, что позволяет дополнительному опорному башмаку при шагани оказаться за пределами базы. Дополнительный опорный башмак оснащен телескопическим гидроцилиндром. Такое решение позволяет перед началом шага поднять над грунтом машину при помощи двух подъемных гидроцилиндров и одного дополнительного гидроцилиндра. Далее при помощи тягового гидроцилиндра поднятой машине передается импульс в направлении шага, тяговые гидроцилиндры переходят в режим торможения, обеспечивая плавное опускание и продвижение машины в направлении шага.
С целью определения затрат на перемещение машины определены усилия возникающие в гидроцилиндрах механизма шагания при совершении шага.
Рассчитав усилие, возникающее в дополнительном гидроцилиндре при совершении шага экскаватором-драглайном, оснащенным предложенным механизмом. Определим необходимую площадь дополнительного опорного башмака которая позволит обеспечивать необходимое удельное давление на грунт, как при шагании, так и при перемещении машины. Исходя из проведенных расчетов и конструктивной особенности размещения дополнительного опорного башмака определим его геометрические параметры (табл. 2).
Таблица 2. Геометрические параметры дополнительного опорного башмака
Тип механизма
ЭШ-10/70 ЭШ-14/75 ЭШ-15/90А ЭШ-25/100
Параметры дополнительного опорного башмака
Удельное давление на грунт дополнительного опорного башмака при шагани, кН/м2
203,65 244,3 247,4 213,06
длина, м
1,66 4 4 5
ширина, м
5 7 7 10
площадь опоры, м2
7,153 25,87 25,87 45,13
В виду таких особенностей механизма шагания как необходимость подъема всей машины для совершения шага и отсутствие волочения базы по грунту, формулы расчета работы на подъем и перемещение машины примут следующий вид.
Подъем машины: Перемещение:
Aпод (mэ mд.б)gh
(14) (15)
A (mm)g толч э д.б
тр.п
где mд.б – масса дополнительного опорного башмака, размещенного в нише базы драглайна, кг.
Результаты расчета энергозатрат на совершение шага механизма шагания с полным отрывом базы сведены в таблице 3.
Таблица 3. Сравнительная таблица энергозатрат на перемещение экскаватора-
Тип машины
ЭШ-10/70 ЭШ-14/75 ЭШ-15/90 ЭШ-15/90А ЭШ-25/100 ЭШ-80/100
драглайна
Энергозатраты на совершение шага, кН‧м
Исходный механизм шагания
2705,2 8882,9 9085,4 10465,1 24254,6 106062,1
С полным отрывом
2411,2 7992,41 8330,26 9916,24 23132,99 103013,12
Результаты расчетов энергозатрат на перемещение экскаватора-драглайна с дополнительным опорным башмаком позволяет сделать вывод о целесообразности применения такого механизма для перемещения, так как он позволяет снизить энергозатраты на 6-10% по сравнению с исходным механизмом. В свою очередь данный механизм имеет перспективу использования гидроаккумуляторов для рекуперации энергии поднятой машины, аккумулируя энергию в момент опускания базы на грунт.
Таким образом, второе положение, выносимое на защиту, доказано.
3. Эффективность механизма шагания и экскаватора в целом может быть повышена за счет использования энергии поднятого экскаватора при шагани для совершения шага.
При осуществлении шага экскаватора драглайна, оснащенного трехопорным шагающим механизмом с гидравлическим приводом, существует необходимость подъема передней кромки базы перед началом шага. При опускании машины потенциальная энергия поднятой над грунтом передней кромки базы переходит в тепловую энергию рабочей жидкости, что негативно сказывается на свойствах рабочей жидкости при повышении её температуры свыше 55 ͦ C. Использовать энергию поднятой машины
для ее дальнейших перемещений позволит гидравлическая система со встроенными гидроаккумуляторами (рис. 4). Использование такой схемы возможно на схемах механизма шагания со
Рис. 4. Гидросхема привода механизма шагания, оснащенная гидроаккумуляторами:
1 – насосная установка, 2 – обратный клапан, 3-5,12 – распределители, 6 – гидроаккумулятор, 7 – гидрозамок, 8 – подъемный гидроцилиндр, 9 – тяговый гидроцилиндр, 10, 12 разгрузочный клапан, 11 – скользун, 13 – сливной бак.
скользящими опорами и с дополнительным опорным башмаком.
Зарядка гидроаккумулятора происходит в момент опускания передней кромки базы на грунт, что позволяет обеспечить плавность опускания и исключить дросселирование рабочей жидкости, а как следствие ее нагрев. Таким образом, усилие возникаемое в заряженном гидроаккумуляторе зависит от давления рабочей жидкости в заряженном гидроаккумуляторе pг.а, площади Sг.а поперечного сечения его поршня и силы трения Fтр 01 возникающей между стенками гидроаккумулятора и поршнем:
Fг.а  pг.а Sг.а  Fтр01
Давление заряженного гидроаккумулятора находится согласно формуле:
(17)
где pп.га – давление в поршневой полости подъемного гидроцилиндра в момент опускания передней кромки базы на грунт, Па; pдл – потери давления рабочей жидкости по длине трубопровода, Па; ∑pм.с– суммарные потери на местные сопротивления на пути рабочей жидкости от поршневой полости подъемного гидроцилиндра до гидроаккумулятора, Па.
Давление в поршневой полости подъемного гидроцилиндра зависит от массы машины и площади поперечного сечения его поршня:
(18)
p
п.пг 2S
п.п
Fэ
где Fэ – сила тяжести экскаватора без учета опорных башмаков и тяговых гидроцилиндров, Н; Sп.п – площадь поперечного сечения поршня подъемного гидроцилиндра,м2.
Fэ  mэ  mт.г g  2Fтр02  2Fтр03
(19)
где mт.г – масса тяговых гидроцилиндров, м; Fтр02 – сила трения возникающая между поршнем подъемного гидроцилиндра и стенками гидроцилиндра, Н; Fтр02 – сила трения возникающая между штоком подъемного гидроцилиндра и уплотнением, Н.
Fтр02 dпbм (pп  pк )м z
(20)
Fтр03 dплbм(pш pк)мz
где dп и dпл – диаметр поршня и диаметр плунжера подъемного гидроцилиндра,
м; bм – ширина манжеты, м; pк – контактное давление возникающее при манжете (2,5МПа); м – коэффициент трения манжеты (0,1…0,13); z – число манжет.
(16)
(21)
Согласно формулам (16-21) произведен расчет для шагающего экскаватора марки ЭШ-15/90А. Усилие, создаваемое заряженным гидроаккумулятором, установленным в гидравлической схеме привода механизма шагания экскаватора ЭШ-15/90А будет равным 13390 кН, которое при учете потерь по длине трубопровода и потерь на местные сопротивления создаст давление в поршневой полости тяговых гидроцилиндрах, необходимое для перемещения машины.
Использование гидравлической схемы с гидроаккумулятором позволяет накапливать энергию поднятой над грунтом передней кромки базы машины в гидроаккумуляторе и направлять эту энергию в тяговые гидроцилиндры, тем самым, исключая необходимость создания рабочего давления жидкости в тяговых гидроцилиндрах насосными установками. Применение гидроаккумуляторов позволяет повысить КПД ходового оборудования и эффективность использования экскаватора-драглайна в целом
Таким образом, третье положение, выносимое на защиту, доказано.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе на основе выполненного автором исследования трехопорного механизма шагания с гидравлическим приводом, каким оснащают экскаваторы-драглайны, решена актуальная научно- техническая задача повышения эффективности использования механизма шагания.
Основные выводы, научные и практические результаты, полученные в работе, заключаются в следующем:
1. На основании проведенного анализа механизмов шагания, используемых на экскаваторах-драглайнах, трехопорный механизм шагания с гидравлическим приводом определен как наиболее перспективный механизм
2. Установлено, что основными факторами, влияющими на энергозатраты при перемещении драглайна, являются необходимость подъема передней кромки базы экскаватора перед шагом и значительное пригружение задней кромки базы тяговыми гидроцилиндрами при рабочем ходе.
3. Предложено и обосновано новое конструктивное решение трехопорного механизма шагания, обеспечивающее перемещение машины с минимальным отрывом передней кромки базы от поверхности грунта и позволяющее исключить дополнительное пригружение задней кромки базы.
4. Разработана математическая модель в программной среде MATLAB Simulink, которая позволяет в любой момент времени определять скорость движения штоков и плунжеров гидроцилиндров трехопорного механизма шагания со скользящей опорой и экскаватора в целом.
5. Представлена альтернативная схема механизма шагания, способствующая повышению его эффективности, путем исключения сил трения базы о поверхность грунта при шагании.
6. Представлена гидравлическая схема механизма шагания с гидроаккумуляторами, дающая возможность рекуперации энергии поднятой машины для совершения последующих шагов.
7. Предложен способ использования тепловой энергии рабочей жидкости гидросистемы для обогрева кабины машиниста.