Оптимизация конструктивных и технологических параметров роторных экскаваторов

В. Раац, докт. инж., KRUPP Fördertechnik (Германия)


Окончание. Начало в № 3•2002

Усилие резания и затраты энергии на процесс копания

Традиционно усилие резания на ковше экскаватора определяется через усилие резанию, отнесённое на единицу длины среза или поперечного сечения стружки. В прошлом были предприняты многочисленные попытки установить зависимость усилий резания от физико-механических свойств материала [2, 3, 4, 5]. Однако полученные таким образом результаты можно применять, как правило, только для однотипных экскаваторов с аналогичной формой ковшей и зубьев и только для аналогичного метода разработки породы с одинаковой (с близкой по величине) производительностью и поперечными сечениями стружки. Это объясняется тем, что удельное усилие резанию не является чистой характеристикой породы, а продуктом взаимодействия конструктивных и технологических параметров экскаватора и процесса копания с физическими свойствами породы.

С целью создания универсальной методики определения усилий резания и затрат энергии в процессе копания пород роторными экскаваторами фирма KRUPP Fördertechnik усовершенствовала методику определения прочностных свойств пород, позволяющую также производить оценку энергетических затрат на их разрушение. Причём, эти характеристики прочностных свойств пород являются независимыми как от конструктивных параметров экскаватора, так и от технологии их копания.

В основу методики положены, наряду с прочностными свойствами породы, ее естественная трещиноватость и внутреннее напряженное состояние отрабатываемого массива. На энергетические затраты процесса копания оказывают также влияние деформационная вязкость и пластичность, угол скола и энергетические затраты на процесс разрушения породы, отнесенные на единицу образованной поверхности скола. С целью определения энергетических затрат процесса копания производится прогноз возникновения новой поверхности разлома породы путём оценки гранулометрического состава отрабатываемой породы для всех ковшей, одновременно задействованных в резании. Гранулометрический состав отрабатываемой породы определяется в свою очередь поперечным сечением стружки, формой и углами установки режущих элементов в конкретной мгновенной позиции положения ковша. Любую возможную пространственную позицию ковша в конкретной террасе можно определить углом поворота роторной стрелы и положением ковша на рабочем колесе (рис. 12). Глубина и ширина стружки, срезаемой ковшом в этом положении, зависит от скорости поворота стрелы, количества ковшей и скорости резания.

На форму поперечного сечения стружки оказывают влияние форма ковшей и режущих элементов совместно с направлением абсолютной скорости пространственного движения ковша. Обусловленная наклоном и смещением рабочего колеса относительно оси стрелы, форма поперечного сечения стружки ковша, находящегося в конкретном пространственном положении, зависит также от направления поворота стрелы (рис. 13, 14). Различные формы поперечного сечения стружки, а также соответствующие конкретному пространственному положению ковша углы установки и острота режущих кромок зубьев обуславливают силу резания на этом ковше. Вдоль режущих кромок зубьев и в местах контакта массива породы с корпусом ковша возникают зоны раздавливания породы, величина которых пропорциональна радиусу закругления режущих кромок или площади контакта. Количество зон раздавливания грунта и их суммарная площадь на всех ковшах, одновременно участвующих в резании породы, обуславливают количество размельчённого грунта в общей массе добычи и, как следствие, значительно повышают энергетическую потребность процесса копания. Очень важным аспектом при определении усилия копания и затрат энергии является учёт уже существующей поверхности трещин в массиве. Эта поверхность должна быть «сминусована» из прогнозируемой поверхности разрушения разрабатываемой породы.

Для пород с ярко выраженной слоистой анизотропией прочностных свойств необходимо также учесть способ отработки грунта роторным колесом. При этом следует обратить внимание на процентное соотношение срезов вдоль и поперёк слоёв залегания породы (рис. 15).

Отличие форм поперечного сечения стружки породы для конкретного пространственного положения ковша при повороте стрелы налево или направо обуславливает разницу сил резания и энергетической потребности процесса копания в зависимости от направления поворота стрелы (рис. 16). Форма и расположение зубьев на ковше, а также их ориентация, существенно влияют на процентное соотношение энергетических затрат на раздавливание породы в процессе копания во всех возможных режимах экскавации и при различной степени износа зубьев. Несоответствие формы, расположения и ориентации зубьев на ковше геометрическим параметрам экскаватора, свойствам породы и технологии ее отработки могут привести к экономической нецелесообразности всего процесса экскавации.

Износ рабочего оборудования

Износ рабочих органов роторного экскаватора зависит в значительной мере от абразивности породы, частоты, интенсивности и распределения контактов на рабочей поверхности режущих элементов с породой, а также от противоабразивных свойств материала рабочих органов.

Анализ частоты и интенсивности контакта определённых точек на рабочей поверхности одного из зубьв с породой при копании всего блока позволяет получить с учетом абразивности породы прогноз распределения и интенсивности износа на рабочей поверхности этого зуба и его режущей кромке (рис. 17).

Нанесение специальных износостойких покрытий на рабочую поверхность и оснащение режущих кромок зубьев износостойкими пластинами позволяет значительно понизить износ зубьев, однако приводит, как правило, к увеличению сил резания вследствии неизбежного повышения радиуса закругления режущих кромок.

Оптимизация конструктивных и технологических параметров

Основанием оптимизации конструктивных и технологических параметров роторных экскаваторов и способов разработки грунтов, являются статистически подтверждённые показатели физических свойств добываемых пород в разрезе. Процесс оптимизации параметров можно разделить на следующие последовательные этапы:

1)    детальный анализ физических свойств добываемых пород в разрезе на стадии проектирования экскаватора с целью прогноза усилий резания, энергетических затрат копания и износа рабочего оборудования;

2)    выбор основных геометрических параметров экскаватора и способов отработки в соответсвии с планом развития и объемом добычи разреза, физических свойств и геологических особенностей залегания пород на стадии проектирования. На этой стадии проводится, как правило, также обоснование скорости резания, количества и вида ковшей с оценкой потребной мощности и динамики привода роторного колеса (рис. 18). Цель оптимизации на этой фазе – снижение инвестиционных и будущих эксплуатационных затрат всего комплекса добычи роторного экскаватора;

3)    выбор углов наклона роторного колеса, формы ковша и зубьев, оптимизация установки и расположения зубьев на ковше в соответствии с выбранными основными геометрическими параметрами и технологией отработки породы на стадии конструирования (рис. 19). Целью оптимизации на этой стадии является выбор экономически целесообразной конструкции подвеса роторного колеса и ковшей для условий конкретного разреза в конкретной стране. Эта конструкция должна обеспечить отработку породы с минимальными эксплуатационными затратами и необходимую производительность экскаватора с учётом допустимого износа зубьев и липкости породы;

4)    подбор параметров способа разработки, соответствующих конкретным геологическим условиям на стадии ввода роторного экскаватора в эксплуатацию. При этом геометрия блока с высотой террас, глубина стружки и скорость поворота в каждой террасе должны соответствовать изменяющимся свойствам породы для достижения наибольшей производительности.

Заключение

Рентабельность применения роторных экскаваторов для разработки прочных пород зависит от их физико-технических свойств, конструктивных и технологических параметров экскаватора и способа разработки забоя.

Характеристики пород оказывают существенное влияние на процесс проектирования конструкции роторных экскаваторов и выбор способа разработки. Метод испытания точечной нагрузкой, усовершенствованный фирмой Krupp Fördertechnik, позволяет получить большое количество статистически проверенных данных для количественной характеристики массива пород конкретного месторождения. Эти данные служат основой прогноза усилий резания, энергозатрат процесса экскавации и износа рабочего оборудования на стадии проектирования и конструирования роторных экскаваторов.

Удельное режущее усилие на ковше, отнесенное к длине режущей кромки или к площади поперечного сечения стружки, не может служить количественной характеристикой свойств породы, необходимой для корректного выбора параметров нового типа роторного экскаватора, особенно для разработки прочных пород, так как эти характеристики не учитывают ни влияния формы ковшей и зубьев, ни технологии отработки породы, ни формы и величины поперечного сечения стружки и т.д.

Предпочтительным способом определения сил резания на ковшах и энергетических затрат копания роторного экскаватора является метод оценки возникновения новой поверхности разрушения породы при ее добычи. При этом учитываются не только геометрия и киниматика роторного экскаватора и способа разработки, а также естественная трещиноватость и напряженное состояние разрабатываемого массива.

Новый способ определения сил резания на ковшах и энергетических затрат копания позволяет также прогнозировать износ зубьев и ковша путем оценки интенсивности износа и его распределения по рабочей поверхности тел, как функцию специфических свойств материала, конструктивных и технологических параметров.

Процесс оптимизации конструктивных и технологических параметров роторных экскаваторов позволяет значительно повысить экономическую эффективность применения этих машин. Причем процесс оптимизации может быть успешным, если он базируется на профессионально определенных и статистически подтверждённых необходимых количественных данных о свойствах пород и геологических особенностях разреза. Рентабельность роторного экскаватора в разрезе может быть только тогда максимальной, когда выбранные его параметры и способ разработки соответсвуют свойствам отрабатываемых пород.    

Журнал "Горная Промышленность" №4 2002