Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

TYE INFLUENCE OF WORKING FACE GRAIN-SIZE STRUCTUREJN QUANTITY OF A CICLIC AKTION DREDGES CROWDING GEAR REFUSALS

Saitov V.I. 1 Andreeva L. I. 2 Krasnikova T. I. 2
1 Federal State Budgetary Educational Institution of the Higher Vocational Training «Ural State Mountain University» Ekaterinburg, Russia
2 «Scientific and technical center of the coal industry on open mountain workings out, research and design institute on mining operations by open way» Chelyabinsk, Russia
В работе рассматривается влияние гранулометрического состава взорванной скальной породы в забое на нагруженность напорного механизма экскаватора. За критерий качества подготовки забоя принято соотношение объема грунта Vгр, с которым взаимодействует ковш экскаватора, с минимальным объемом пробы Vmin, который отражает гранулометрический состав забоя. Должно выполняться неравенство Vгр
In work the influence of blown up rocky soil grain-size structure in working face on crowding gear loading is considered. The parity of soil volume Vгр with which the dredge ladle and the minimum volume of test Vmin which reflects working face grain-size structure is accepted for criterion of working face preparation quality. The inequality Vгр
grain-size structure
lumpiness
loose environment
working face
На карьерах и разрезах России и стран СНГ парк карьерных экскаваторов с вместимостью ковша от 5 до 50 м3 насчитывает порядка 7000 ед., а общий объем экскавируемой горной массы на российских предприятиях с открытым способом добычи полезных ископаемых превышает 2,0 млрд тонн в год.

Несмотря на значительные финансовые вложения горнодобывающих предприятий (ГДП) в поддержание работоспособного состояния имеющейся техники и в обновление экскаваторного парка, продолжительность непроизводительной работы экскаваторов составляет 30-45% от годового календарного фонда времени. Помимо этого, система эксплуатации экскаваторов цикличного действия характеризуется тем, что на 1 ч производительной работы экскаваторов приходится 1,5-2,0 ч простоев в ремонтах различного рода [1].

Качество подготовки забоя: грансостав взорванного массива, содержание негабаритных кусков в отдельных случаях достигает 45%; значительно снижают ресурс узлов и агрегатов экскаватора [6]. Возникающий сложный динамический характер нагружения в этом случае обусловливает значительные напряжения в элементах механизмов и конструкций карьерных механических лопат. Это приводит к увеличению количества отказов и, как следствие, к увеличению продолжительности, трудоемкости и стоимости неплановых ремонтов. Отмеченные обстоятельства обуславливают актуальность разрешения этой проблемы. В настоящее время расчет усилий копания на рабочем органе экскаватора можно вести по методу Н.Г. Домбровского [5], основанному на известной эмпирической формуле. Этот метод используется при экскавации любых горных пород, т.к. в технической литературе можно найти значения удельного коэффициента копания для широкого круга условий [3; 5]. В тоже время проф. Ветровым Ю.А. [4] был предложен другой метод расчета сопротивления копанию рабочим органом экскаваторов при экскавации пород, не требующих подготовки взрывом. Этот метод расчета основывается на строгой математической основе статики сыпучих сред. Так как взорванные скальные породы также можно отнести к сыпучей среде, то определенный интерес представляет при каких условиях можно использовать метод Ветрова Ю.А. для анализа процесса экскавации взорванных скальных пород. Очевидно, это возможно при определенном соотношении гранулометрического состава породы забоя и геометрических параметров ковша экскаватора.

Для одной и той же горной породы в случае различного качества подготовки забоя основные параметры, характеризующие ее как сыпучую среду, будут также различны, и, наоборот, при одинаковом качестве подготовки забоя можно считать, что свойства их будут идентичными. С исполнительным органом машины - ковшом взаимодействует сравнительно небольшой объем породы . Величина этого объема ограничена размерами ковша и толщиной снимаемого слоя hст (рис. 1). Усилие копания в каждом конкретном случае будет определяться свойствами породы, заключенной в этом объеме.

 

Рис. 1. Взаимодействие ковша экскаватора ЭКГ-10 с горной массой.

В результате этого можно допустить, что если порода в объеме  по грансоставу будет такой же, как и в основном забое, то параметры грунта в нем, определяющие его как сыпучую среду, будут такими же, как и во всем развале. В этом случае анализ, основанный на положениях статики сыпучих тел, будет достаточно верно отражать средние условия, характерные для данного забоя.

Очевидно, что чем меньше величина рассматриваемого объема, тем меньше вероятность того, что грансостав заключенной в нем породы будет таким же, как в основном забое. Таким образом, задача сводится к определению минимального объема породы, который с определенной степенью надежности (P) полностью отражает грансостав основного забоя.

При выполнении неравенства   объем  будет достаточно полно отражать все основные свойства данного забоя, и при этом условии для анализа процесса копания скальных пород экскаватором возможно применение положений статики сыпучих сред.  - минимальный объем породы, который полностью отражает гранулометрический состав разрабатываемого забоя.

Из известной в теории вероятностей теоремы Лапласа число объемных единиц, которое достаточно полно представляет генеральную совокупность, можно определить по формуле:

  (1)

где   - объемная доля расчетной фракции;

t - параметр вероятности, определяющий требуемую надежность результата;

Δ - абсолютная точность.

После преобразования приведенного выражения в работе [7] получен объем необходимой пробы в зависимости от диаметра среднего куска и выхода расчетной фракции:

  (2)

где dcp - средний диаметр, м;

m - относительная точность требуемого результата, %.

Объем грунта, находящегося во взаимодействии с ковшом экскаватора, определяется из следующего выражения:

  (3)

где  B - ширина ковша, м;

 h ст - высота стружки, м;

 α рез - угол резания, град.;

 ρ - угол внутреннего трения, град.

Толщина стружки определяется по известной формуле:

 (4)

где E - объем ковша, м3;

E пр - объем грунта в призме волочения в долях от объема ковша;

коп - длина копания, м;

k кр - коэффициент разрыхления породы.

Как указывается в работе [7], в том случае, когда определяется минимальный объем пробы с целью получения более полной гранулометрической характеристики генеральной совокупности, а не только определения выхода какой-то одной фракции, в качестве расчетной фракции следует принимать ту, доля которой наименьшая.

Выход расчетной фракции составляет 5%, т.е. .

Расчет  проводился последовательно для различных величин  от 0,05 до 0,5 м.

Расчет Vгр производился для ковша объемом 10 м3 для грунтов с различными значениями угла внутреннего трения , ,

Для установления количественных соотношений между величинами Vгр и Vmin проведен численный анализ выражений (2), (3), (4).

Расчет величины Vmin произведен согласно (2). Надежность , которой соответствует показатель вероятности t=3, точность расчетов 5%. Результаты расчетов приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Результаты расчетов диметра куска горной массы и минимального объема породы

dср, м

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

Vmin, м3

0,0086

0,0684

0,2309

0,5472

1,0688

1,8468

2,9327

4,3776

6,2330

8,550

Объем горной массы в призме волочения принимается равным 0,75 от объема ковша. Длина копания составляет 10,58 м. Ширина ковша 2,4 м. Коэффициент разрыхления породы 1,2. Согласно (4):

При различных углах внутреннего трения согласно (3): составляет 1,15 м3, 1,29 м3 , 1,48 м3 для углов трения соответственно 25°, 35°, 45°.

По данным таблицы построена функциональная зависимость . Решение неравенства  область значений среднего диаметра при каждом значении

Vгр: , , .

Ввиду того, что в процессе извлечения породы ρ постоянно изменяется, то неравенство  выполняется при

Таким образом, для анализа процесса копания скальных пород экскаватором с емкостью ковша 10 м3 возможно применение положений статики сыпучих сред, так как при  объем  достаточно полно отражает все свойства данного забоя.

В этих условиях с высокой степенью надежности можно утверждать, что нагрузки, воспринимаемые исполнительным органом и передающиеся на рабочее оборудование, будут более стабильными с меньшим коэффициентом динамики.

Для оценки влияния качества подготовки забоя на эксплуатационные показатели и техническое состояние экскаваторов на одном из горнодобывающих предприятий был проведен производственный эксперимент по определению параметров кусковатости взорванной горной массы с применением планиметрического метода определения количественного соотношения в отрабатываемом массиве фракций различной крупности [2]. В ходе эксперимента произведено 54 замера по 18 единицам экскаваторов. Фотопланограммы каждого забоя были сделаны по трем направлениям с промежутком 45º относительно продольной линии стояния экскаватора в забое.

При оценке параметров кусковатости принималось отождествление диаметра куска с его средним размером, т.е. с шириной. Для определения диаметра куска на фотопланограммы была нанесена масштабная сетка (параметры каждой клетки соответствуют 100х100 мм). Пример обработанной фотопланограммы приведен на рис. 3.

Рис. 3. Пример фотопланограммы забоя экскаватора ЭКГ-12,5.

Горная масса в забое разделялась на следующие фракции:

  • некондиционная - диаметр куска больше допустимого средневзвешенного;
  • допустимая - диаметр куска соответствует допустимому средневзвешенному;
  • мелкая - диаметр куска менее допустимого средневзвешенного.

Выход отдельных фракций крупности определялся по отношению суммарной площади кусков каждой фракции к площади фотопланограммы. При подсчете площади, занятой мелкими фракциями, учитывалась общая площадь промежутков между средними и крупными кусками. Затем был определен процент выхода каждой фракции (диаметра) для каждого забоя. Результаты эксперимента представлены в табл. 2.

Таблица 2 - Гранулометрический состав (кусковатость) горной массы в забоях одного из ГДП

Карьер

Кол-во
замеров,

ед.

Марки

экскаваторов

Допустимый диаметр средневзвешен-ного куска, мм

Доля фракции, %

Мел-кая

Допусти-мая

Неконди-

ционная

К-р 1

15

ЭКГ-6,3У

ЭКГ-8И

250-300

32

34

35

22

13

65

50

32

18

33

22

45

31

25

44

К-р 2

18

ЭКГ-6,3

ЭКГ-8И

250-300

15

45

40

19

51

30

ЭКГ-15

400-450

42

45

13

RH-170 (15,6м3)

Hitachi EX-3600 (21м3)

Hitachi EX-5500 (27м3)

44

50

6

34

63

3

34

66

-

К-р 3

21

ЭКГ-4,6

ЭКГ-5А

150-250

43

39

18

66

31

3

ЭКГ-6,3

ЭКГ-8И

ЭКГ-10

250-300

68

29

3

70

25

5

53

41

6

54

36

10

30

65

5

Разброс значений выхода некондиционной фракции (от 10 до 65%) характеризует качество подготовки забоя как неудовлетворительное.

Надежность функционирования экскаватора в различных условиях эксплуатации зависит от надежности его агрегатов и узлов. Статистическая обработка исходных данных аварийных остановок экскаваторов (базовых машин ЭКГ-8И, ЭКГ-10 и их модификаций ЭКГ-6,3УС, ЭКГ-8УС) позволила определить долю отказов основных механизмов экскаваторов, эксплуатируемых в различных условиях. Наибольшее количество отказов приходится на рабочее оборудование (37%) и механизм напора (25%).

Графическая зависимость количества отказов механизма напора экскаватора ЭКГ-8И и затрат на ремонтное обслуживание от гранулометрического состава горной массы представлена на рис. 2.

--- количество отказов механизма напора;

--- стоимость текущих ремонтов за год на ед. техники.

Рис. 2. Зависимость количества отказов механизма напора экскаваторов ЭКГ-8И и затрат на ремонтное обслуживание от гранулометрического состава горной массы.

Выводы

Таким образом, с использованием зависимости количества отказов и затрат на ремонт экскаваторов ЭКГ-8И от гранулометрического состава горной массы становится возможным определять рациональные параметры эксплуатации экскаваторов, при которых обеспечивается снижение нагруженности узлов до приемлемого уровня (количество отказов незначительное) и затрат на ремонтное обслуживание.

Рецензенты:

  • Кожушко Г.Г., д.т.н., профессор, зав. кафедрой подъемно-транспортных машин и роботов, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, г. Екатеринбург.
  • Ляпцев С.А., д.т.н., профессор, зав. кафедрой технической механики, Уральский государственный горный университет, г. Екатеринбург.