Технологические зоны рабочего пространства драглайна и сопротивления извлечению ковша из забоя

УДК 621.879.38

П.А.Касьянов

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЗОНЫ РАБОЧЕГО ПРОСТРАНСТВА ДРАГЛАЙНА И СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗВЛЕЧЕНИЮ КОВША ИЗ

ЗАБОЯ

Необходимость уточненного определения нагрузок возникает при формировании расчетных режимов нагружения в механизмах и узлах металлоконструкций для оценки их выносливости. В частности, такое решение исходной задачи системного проектирования в связи с возможностью оценки влияния отдельных факторов как конструктивных, так и факторов окружения эффективнее экспериментальных методов с осциллографической записью напряжений при статистических испытаниях действующих машин.

Внешние нагрузки в опорно-поворотных устройствах драглайнов связаны с извлечением ковша из забоя. В этом режиме нагрузки от ковша передаются через подъемные канаты, поэтому возникают большие опрокидывающие моменты, в особенности при извлечении ковша в наиболее удаленных точках зоны отрыва.

Для получения расчетных режимов, близких к действительным, внешние нагрузки должны быть определены на всех траекториях транспортирования, для большинства из которых началом является отдельная точка отрыва с определенными координатами. Предельные значения этих координат определяются границами рабочих зон драглайна (рис.1).

Обычно, ограничивая зону транспортирован ия, выделяют зоны растяжки и разгрузки ковша. При оценке особенностей управления ковшом в пространстве под стрелой можно выделить пять технологических зон, различающихся границами и возможностями выполнения в них операций рабочего цикла экскаватора.

1. Зона копания, где возможно резание и достаточно эффективное заполнение ковша: БВГДЕ. Верхняя граница этой зоны - прямая ВГ с углом наклона, равным углу внутреннего трения породы ф, нижняя определяется предельной глубиной черпания Нич .Граница наименьшего удаления ковша от оси вращения платформы определяется предельным углом наклона забоя (линия БЕ) у, граница наибольшего удаления определяется максимальным радиусом черпания Кчтлх В этой зоне можно выделить зоны верхнего и нижнего черпания.

2. Зона транспортирования груженого ковша (иначе зона рабочих траекторий) сверху ограничена линией растяжки, нижняя граница и граница наименьшего удаления совпадают с границами зоны копания, а граница наибольшего выноса груженого ковша является границей разгрузки.

3. Общей для названных зон является зона возможного извлечения ковша

забоя БВИЖЗЕ (зона отрыва ковша). Граница наибольшего удаления этой практически совпадает с линией разгрузки.

4. Зона разгрузки ковша ЫДЗЖИ.

5. Зона растяжки ковша (выше 5ии растяжки).

Таким образом, область возмож-точек отрыва ковша (3 зона) существенно меньше продольного сечения блока, отрабатываемого с одной ггоянки экскаватора.

Процесс извлечения груженого ковка из развала породы включает поворот его в вертикальной плоскости из положения, которое ковш занимает .т?и копании, в транспортное (рис.2), а также скольжение породы, движущейся с ковшом, относительно породы, остающейся в забое. Все возможные сочетания этих процессов в зависимости от угла наклона траектории резания е и наклона ковша к горизонту

Рис.1. Параметры забоя и границы рабочей зоны драглайна ЭШ-15.90 А:

1 - предельная высота подъема ковша (по предохранению от растяжки); 2 -граница зоны разгрузки

при транспортировании у можно свести к трем случаям, имеющим место как при нижнем, так И при верхнем черпании:

1. Углы наклона ковша при копании и при транспортировании положительные 0<£ <\|/ (режущая кромка выше задней кромки днища). Скольжение и поворот ковша относительно точки N (задняя кромка днища) начинаются одновременно. Максимум сопротивления отрыву - в момент полного отрыва ковша. Направление поворота положительное (с подъемом режущей кромки относительно задней).

2. Углы наклона ковша при нижнем черпании положительные 0<\|/ <е, при верхнем - как положительные, так и отррщательные - (р<\|/<£, но угол наклона при копании больше, чем при транспортировании. Поворот ковша происходит относительно режущей кромки в отрицательном направлении; сдвиг начинается после поворота. Максимум сопротивления отрыву - в начале сдвига.

3. Углы при нижнем черпании 0<е<\|/ и транспортный угол при верхнем

Рис.2. Схема к расчету сопротивлений отрыву ковша

черпании £<0<у полож'.гте:' а тга\ резания при верхнем черпании

отрицательный. Поворот относ^тел^нс оачк;*. N - в положительном направлении. Начало скольжения и поворота совладают. ¿Максимум сопротивления отрыву - в момент начала полного отрыва ковта

Сопротивление выводу ковша из забоя Рэ определяется как сумма веса ковша, породы и сопротивления сдвигу по плоскости скольжения. Сопротивление сдвигу Р. можно считать направленным по минимальному сечению призмы Нтш (см.рис.2), в пределах границ изменения угла наклона линий скольжения к линиям действия главных напряжений а.= тс/4- ф/2 и а3=я/44-ф/2 [2]. Предполагается, что показатели физико-механических свойств после разрушения массива в процессе резания в значительной степени уравновешиваются и теряют способность сцепляться. Возникает возможность рассматривать массу призмы волочения как среду, близкую к идеально сыпучей. Перед сдвигом в породе наступает предельное состояние, сопротивление породы сдвигу определяется уравнением предельного равновесия для связно-сыпучих тел в форме напряжений:

t = o.tgq>+Cef

где X, о - касательное и нормальное напряжения; ф - угол внутреннего трения; Со - коэффициент сцепления породы.

Обозначив сопротивление сдвигу в плоскости скольжения Рс и площадь скольжения как произведение ширины ковша В на высоту сечения Hmin, имеем:

Рссо5

.1----------------- = --------------------- tgp + Co.

ВН ВН .

mm min

Отсюда сопротивление сдвигу:

Р = С ВНю1пА,

где \ - коэффициент структурного ослабления породы в призме волочения.

Для номинального заполнения ковша, когда высота призмы Нп принимается равной высоте ковша (см.рис.2), высота плоскости сдвига Нт. определяется из формул: при нижнем черпании

Нтш = Н^зш>к$т

при верхнем черпании

Н . = Н sinkp яп(ф -ф+в),

min пр ~к х~к ~ ''

- угол наклона линии OL (см.рис.2), конструктивный размер; у- угол ковша при транспортировании в рассматриваемой точке отрыва; е -наклона траектории резания к горизонту. Объем грунта в ковше при отрыве зависит как от координат точки отрыва, и от вида породы:

V^ = В [0,25Нпр1яп'гфкяп2

В, Нк - ширина и высота ковша; 12, lj - размеры ковша по схеме (см.рис.2). При ослабленных связях разрушенного грунта значительную долю сопро-ления выводу в момент его начала составляет вес породы, осыпающейся щугле выхода ковша из забоя. Эта часть породы заключена между линией одага ОК и линией откоса а-а. Из теории сыпучих грунтов известно [2], что jrex\ естественного откоса равен углу трения лишь для слоев, лежащих очень Гб*;13ко от свободной поверхности. Для слоев, лежащих в глубине или таходящихся под давлением вследствие внедрения частиц в промежутки, этот тгол больше угла трения скольжения. Поэтому для спрессованного сопротивлением призмы волочения при копании грунта в практических расчетах по принятым схемам можно принять угол откоса <ро, рекомендуемый для Землеройных машин [1]. В этом случае объемы обрушающейся части грунта гудут при нижнем черпании:

V2 = 0,5ВН 2(sin'IcpKsin(<po+ (±\|/) )sin(<pK-<po-(±i|/) )+

+ 0,5ЯП1Фк5Ь2

при верхнем черпании:

V2= 0,5BHnp2(sin>Ksin-49o-e)sin(9K+e-<po)4-

+ 0,5sin-fyKsin2

Результаты расчета сопротивлений отрыву и усилий в канатах для трех точек отрыва (т.1 - х=55 м, у=9 м, 6=5°, \j/=10°; т.2 - х=55 м, у=-20 м, е=28°, \|/=-10°; т.З-х=51,5 м, у=-5,1 м,е= 13°, \\!= 10°) для сухого суглинка приведены в таблице.

На Райчихинском месторождении угля в условиях песчаных и глинистых

фунтов проводились исследования с записью траекторий копания и тока

двигателей в подъемной и тяговой лебедках. Расчетные значения подъемного

усилия для точки отрыва с экспериментально определенными координатами

(х=4,46 м, у=-1,4 м) при верхнем черпании 519 кН (Кн=0,73) и 468 кН

(Кн=0,55) на 15,1 и на 5,9 процентов больше экспериментально полученного

значения максимума усилия в подъемном канате (440,5 кН) при извлечении ковша.

Геометрические и силовые параметры процесса отрыва ковша

драглайна ЭШ-15.90А

Параметр

Верхнее черпание Нижнее черпание

е=5°; Ч>=+10> е=28°; \у= -10е е= 13°;

19,906 19,159 20,746

7,215 5,925 4,777

1,960 2,046 1,613

57,742 60,279 47,524

547,780 54,176 548,940

683,690 480,036 554,696

369,060 195,210 272,057

496,620 359,900 449,960

268,080 146,360 220,680

V м3

отр,

Н ,м

В1П,

Р.кН Ро,кН Б ,кН

по'

Б ,кН

С*"

^„.кН

Примечание. - усилия в канатах подъема и тяги при отрыве ковша и п

транспортировании.

Достаточная близость расчетного и экспериментального результатов по/ тверждает приемлемость предложенного метода расчета для определен и сопротивлений копанию и параметров расчетных режимов нагружения пр оценке усталостной выносливости роликовых кругов драглайна.

БИБЛИОГРАФИЧЕСК И Й СПИСОК

1. Дорожные машины. 4.1. Машины для земляных работ. Теория и расчет. И* 3-е, перераб. и доп. / Т.В.Алексеев, К.А.Артемьев, А.А.Бромберг, Р.И.Войцеховски! Н.А.Ульянов. - М.: Машиностроение, 1972.- 504 с.

2. Клейн Г.К. Строительная механика сыпучих тел.- Изд. 2-е, перераб.

доп.- М.: Стройиздат, 1977.- 256 с.