Исследование работы карьерных экскаваторов и разработка средств оценки изменения ресурса их деталей при модернизации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.06, кандидат технических наук Соин, Алексей Михайлович

• Соин, Алексей Михайлович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Соин, Алексей Михайлович

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Глава первая. Состояние проблемы и постановка задач исследований

1.1. Анализ современного состояния экскаваторного парка

1.2. Сущность модернизации карьерных экскаваторов на современном этапе

1.3. Обоснование выбора механизма поворота в качестве объекта исследо-

19

вания

1.4. Цель и задачи исследований

Выводы

Глава вторая. Моделирование электромеханической системы (ЭМС) поворотного механизма

2.1. Задачи исследований

2.2. Общие положения

2.3. Разработка математической модели ЭМС поворота

2.4. Исследование переменных параметров зубчатого зацепления

2.4.1. Кинематика зубчатого зацепления при моделировании

2.4.2. Крутильная жёсткость однопарного контакта

2.4.3. Трение в однопарном контакте

2.4.4 Другие особенности зубчатого зацепления

2.5. Компьютерная модель ЭМС поворота

Выводы

Глава третья. Анализ методов оценки усталостных повреждений

3.1. Задачи исследований

3.2 Существующая методйка оценки усталостной долговечности экскаваторов

3.3. Обзор современных методов оценки усталостных повреждений

3.4. Разработка модели накопления

96

Выводы

Глава четвёртая. Практическая реализация разработанной методики ускоренного компьютерного анализа ресурса деталей и узлов экскаваторов (на

примере ЭКГ-8И)

4.1. Разработка анализатора ресурса

4.2. Функциональная схема подхода

4.3.Результаты расчётов по разработанной методике

Выводы и практические рекомендации

11

Заключение

Список использованных источников

190

Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование работы карьерных экскаваторов и разработка средств оценки изменения ресурса их деталей при модернизации»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Все возрастающие объемы добычи полезных ископаемых открытым способом требуют применения высокопроизводительной экскаваторной техники, в частности карьерных экскаваторов.

Большая часть эксплуатируемого экскаваторного парка физически и морально устарела. Однако из-за экономических трудностей горные предприятия имеют ограниченные возможности для замены действующих типов на машины последних проектов. Поэтому основным, а зачастую, единственным способом улучшения технических характеристик экскаваторов и повышения их производительности, является модернизация.

Анализ выполненных к настоящему времени работ по модернизации карьерных экскаваторов показывает, что основные исследования направлены преимущественно на совершенствование структур управления главными электроприводами экскаватора с целью повышения его производительности, а также на решение вопросов энергосбережения, улучшения эргономики, удобства обслуживания и т.п. Вопросам же оценки возможного при этом снижения долговечности мехоборудования при переходе на новые быстродействующие системы управления электроприводами (СУЭП) не уделяется достаточного внимания. В то же время интенсификация работы (сокращение времени цикла) неминуемо приводит к повышению динамических нагрузок в механической части привода и снижению усталостной долговечности его деталей и узлов. Замена электрической части привода, без учета влияния изменения процессов в механической, может свести на нет саму идею модернизации.

Поэтому на момент принятия решения о модернизации необходима научно обоснованная методика оценки ресурса деталей и узлов для находящихся в эксплуатации экскаваторов, а на её основе - выбор рекомендаций организационного характера по технологии эксплуатации механической части и (или) конструктивная модификация отдельных деталей с целью минимизации экономических потерь от снижения долговечностей.

Такая задача является актуальной и с научной, и с практической точки

зрения.

Цель работы: повышение реальной эффективности модернизации одноковшовых экскаваторов.

Идея работы заключается в разработке способов и средств оценки изменения долговечности деталей в условиях повышенной интенсивности работы модернизированного экскаватора.

Научные положения.

1. Колебания механических напряжений в деталях карьерного экскаватора, вызывающие их усталостный износ, обусловлены периодическими изменениями кинематических и упругих параметров венцового зацепления: переменностью мгновенных значений КПД, упругих жесткостей зубьев и их производных по углу поворота.

2. Модель кинетического накопления усталостного повреждения в деталях с существенно нерегулярным нагружением, свойственным карьерным экскаваторам, должна учитывать не только мгновенные значения текущей нагрузки, но и её производной по времени.

3. Оперативность расчета остаточного (после модернизации экскаватора) усталостного ресурса рассматриваемой детали достигается получением для неё в моделях со штатной и новой системой привода поворота уточненных нагрузочных диаграмм за один паспортный цикл экскавации и последующим подсчетом накапливаемой в ней поврежденности многократной обработкой полученных диаграмм.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются теоретическими исследованиями с использованием методов классической механики, сопротивления материалов, теории упругости, теории усталостной прочности, результатами экспериментальных исследований и математического моделирования динамических процессов.

Научная новизна.

1. Разработана математическая модель механизма поворота экскаватора, впервые совокупно учитывающая переменность параметров венцового зубчатого

зацепления.

2. Впервые предложена и обоснована разновидность кинетического подхода к оценке усталостной долговечности оборудования экскаватора.

3. Разработана методика компьютерного анализа изменения ресурса деталей и узлов модернизируемых экскаваторов.

Научное значение работы.

1. Разработанная математическая модель механизма поворота экскаватора позволяет рассчитывать дополнительные параметрические составляющие колебаний нагрузки в элементах конструкций экскаватора.

2. Предложенная разновидность кинетического подхода к оценке усталостной долговечности оборудования экскаватора работоспособна в условиях существенно нерегулярного нагружения натурных деталей.

3. Разработанная методика компьютерного анализа изменения ресурса деталей модернизируемых экскаваторов позволяет значительно ускорить соответствующие расчеты.

Практическое значение работы:

1. Предложенный подход к расчету усталостной долговечности деталей экскаваторов позволяет адекватно оценивать её в условиях существенно нерегулярного нагружения.

2. Разработанный анализатор ресурса позволяет оперативно осуществлять прогноз ресурса выбранных деталей экскаватора.

3. Предложенная методика учета результатов анализа минимизирует дополнительные расходы на обслуживание модернизированной машины.

4. Оценка реального вклада модернизации главных электроприводов экскаватора в общее повышение его производительности позволяет втрое уменьшить затраты на приобретение дополнительного оборудования.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Разработанные рекомендации приняты к использованию в разработках НПК «Югцветметавтоматика» Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы и ее отдельные положения докладывались и обсуждались на международной конференции «Информационная математика, кибернетика, искусственный интеллект в информациологии» (Москва-Владикавказ, 1999г.), на Всероссийской научно-практической конференции «Перспективы развития горнодобывающего и металлургического комплексов России, посвященной 70-летию СКГТУ (Владикавказ, 2002г.), на 2-ой Всероссийской научно-практической конференции «Горно-металлургический комплекс России: состояние, перспективы развития», (Владикавказ, 2003), на ежегодных научно-технических конференциях СКГМИ (ГТУ) 2005 - 2010 г.г., на расширенном заседании кафедры «Технологические машины и оборудование» СКГМИ (ГТУ), 2011 г. Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 печатных работах, одна из них в издании, входящем в перечень ведущих рецензируемых журналов.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения,4 глав и заключения, изложенных на 134 страницах машинописного текста, включая 41 рисунок, перечень литературы из 109 наименований, таблицу и 2 приложения.

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Анализ современного состояния экскаваторного парка

Неуклонный рост добычи полезных ископаемых, несмотря на периодические спады промышленного производства, вызванными мировыми финансовыми кризисами, остается наиважнейшей народно-хозяйственной задачей, как в РФ, так и в странах СНГ. В настоящее время в горнорудной и угледобывающей промышленности преобладает открытый способ добычи, в котором выемочно-погрузочные работы обеспечивают бесперебойную подачу полезных ископаемых с помощью высокопроизводительной экскаваторной техники. На современных предприятиях в РФ функционирует большой парк карьерных, шагающих и роторных экскаваторов, среди которых карьерные экскаваторы работают в наиболее трудных горно-геологических условиях при разработке скальных пород и мерзлых грунтов. С учетом того, что большинство месторождений полезных ископаемых уже отработаны, то с ростом глубины карьеров растет объем вскрышных работ, осуществляемых одноковшовыми карьерными экскаваторами. Они выполняют основные работы, связанные с разработкой полезных ископаемых открытым способом.

Практика показывает, что, несмотря на значительный интерес к гидравлическим экскаваторам, горные предприятия отдают предпочтение электрическим экскаваторам с канатным и коленчато-рычажным напором (для легких и средних грунтов) или с реечным - для тяжелых грунтов. Канатный электрический экскаватор, например, имеет в 2-КЗ раза больший срок службы благодаря меньшему числу подвижных деталей и узлов по сравнению с гидравлическими экскаваторами. Так, анализ компании ЬаГаг§е [65] показал, что карьерные экскаваторы имеют преимущества перед гидравлическими, как с точки зрения экономической, так и технологической. Благодаря большему вылету стрелы они лучше подходят для разработки высоких забоев, т.к. карьеры постепенно

углубляются по мере выработки полезных ископаемых. Карьерные экскаваторы механически выносливы и просты в техобслуживании. Кроме того, производительность гидравлических экскаваторов даже признанных мировых лидеров, таких как Hitachi, Komatsu и др. на российских предприятиях оказывается зачастую хуже, чем производительность отечественных машин. Это объясняется рядом причин, такими как высокая стоимость эксплуатации, в разы превышающая стоимость эксплуатации обычного экскаватора типа механическая лопата, значительная стоимость расходных и запасных частей и комплектующих, снижение эффективности работы гидравлики в условиях низких температур, отсутствие специально подготовленных сервисных служб для обслуживания. Поэтому механическая лопата до сих пор является наиболее надежной и живучей машиной, т.к. она проще и дешевле в обслуживании.

В настоящее время экскаваторный парк на отечественных предприятиях по открытой добыче полезных ископаемых представлен мехлопатами ЭКГ-5А (4,6Б) производства завода "Уралмаш", ЭКГ-8И и его модернизациями ЭКГ-4У и ЭКГ-6,ЗУс Ижорского завода. С 1987 года вместо ЭКГ-8И на горных предприятиях появились ЭКГ-10 и его модификации ЭКГ-5У, ЭКГ-8Ус. Для нужд мощных горнодобывающих предприятий Ижорский завод также выпускал ЭКГ-12,5 (ЭКГ-6,ЗУ) и ЭКГ-15 (ЭКГ-8У).

Экскаватор ЭКГ-5А является самым распространенным на всем постсоветском пространстве, более 60% всего парка. Базовая модель ЭКГ-5А с зубчато-реечным напором выпускается серийно с 1980 г. по сегодняшний день в различных модернизациях. На втором месте после ЭКГ-5А по массовости применения стоит ЭКГ-8И и его модификации [1, 2]. Одновременно следует отметить, что степень износа парка выемочно-погрузочного оборудования на горных предприятиях России сейчас превысила 80%, значительное количество экскаваторов-мехлопат имеют высокую степень изношенности. Так, только на предприятиях Кузнецкого угольного бассейна свыше 40% машин имеют сверхнормативные сроки службы. Производительность таких физически и

морально изношенных машин на 40-50% ниже по сравнению с их современными аналогами с такой же вместимостью ковша [1, 3]. Самое многочисленное в странах СНГ семейство экскаваторов-мехлопат с морально и физически устаревшим оборудованием - это экскаваторы ЭКГ-4,6(5) (УЗТМ их выпустил более 13 тыс. шт., только на угольных разрезах Кузбасса их 249 шт.) [6].

В связи с вышеизложенным горные предприятия приходят к необходимости модернизации существующего парка горных машин. Но из-за экономических трудностей эти предприятия не имеют возможности для замены устаревшего и устаревающего парка экскаваторов, поэтому основным и единственным способом поддержания их работоспособности, повышения производительности, сокращения времени простоев при отказах, уменьшение износа механического оборудования является модернизация

1.2. Сущность модернизации карьерных экскаваторов на современном этапе

Круг вопросов, связанных с установлением закономерностей функционирования карьерных экскаваторов, отражен в работах ряда российских ученых: докторов техн. наук Сатовского Б.И, Домбровского Н.Г., Волкова Д.П., По-дэрни Р.Ю., Панкратова С.А., Красникова Ю.Д., Черкасова В.А., Ключева

В .И., Каминской Д.А. и других.

Модернизация экскаваторов проводится по нескольким направлениям, а

именно:

- оснащение экскаваторов современными системами управления главных приводов и, как следствие, повышение производительности машин;

- конструктивные улучшения отдельных узлов и деталей;

- уменьшение энергопотребления;

- совершенствование пускорегулировочной аппаратуры;

- применение сменных ковшей;

- повышение безопасности работы и обслуживания экскаватора;

- введение информационно-диагностических систем;

- повышение уровня комфорта и снижение уровня шума в кабине машиниста;

- уменьшение сроков межсезонной наладки.

В качестве основной задачи модернизации экскаватора наряду с новыми конструкторско-технологическими решениями можно определить повышение его производительности с одновременным уменьшением энергопотребления за счет применения современных быстродействующих микропроцессорных систем управления главными электроприводами.

К главным электроприводам одноковшовых экскаваторов-мехлопат относятся электроприводы подъема, напора, поворота. Отличительной особенностью режима их работы является интенсивный повторно-кратковременный режим работы при наличии высоких тормозных и динамических моментов. Используемые в настоящее время электроприводы главных механизмов наиболее распространенных экскаваторов ЭКГ-5А, ЭКГ-8И, ЭКГ-4,6 выполнены по системе "силовой магнитный усилитель-генератор-двигатель" (СМУ-Г-Д) на магнитных усилителях типа ПДЦ-1,5В. Но магнитные усилители имеют ряд недостатков:

- значительная электромагнитная инерция, т.е. малое быстродействие;

- большая мощность управления;

- высокие динамические нагрузки электрического и механического оборудования.

Кроме того, сама система Г-Д, несмотря на то, что является наиболее отработанной и привычной для эксплуатации наряду с общепризнанными достоинствами также имеет ряд недостатков:

- наличие преобразовательного агрегата с вращающимися генераторами, которые имеют большую электромагнитную инерцию;

- повышенный износ подвижных частей и, как следствие, необходимость систематических профилактических ремонтов;

- значительные потери электроэнергии и низкий КПД;

- большие массогабаритные показатели;

- значительные динамические усилия в деталях и узлах механизмов экскаватора, обусловленные низким быстродействием системы Г-Д.

В связи с вышеперечисленным для устранения недостатков системы СМУ-Г-Д и обеспечения оптимальных технико-экономических показателей с точки зрения высокого быстродействия при одновременном ограничении динамических усилий в элементах привода, а также повышения производительности и уменьшения энергозатрат можно выделить 3 основных варианта модернизации:

1. Модернизация системы возбуждения генератора путем замены магнитных усилителей на статические преобразователи, т.е. переход к системе "тиристорный возбудитель-генератор-двигатель" (ТВ-Г-Д), которая является оптимальной по быстродействию. Этот вариант модернизации не требует замены электродвигателя и силового агрегата. В качестве возбудителей чаще всего применяют реверсивные тиристорные выпрямители. В качестве примера технической реализации этого варианта модернизации можно привести разработанную научной группой МЭИ под руководством проф. Ключева В.Н. серию унифицированных модульных преобразователей ПТЭМ-1Р (преобразователь тиристорный экскаваторный моноблочный), а также серию ПТЭМ-2Р, предложенную позже совместно с ОАО «Рудоавтоматика», которая в настоящее время является основной при модернизации экскаваторов ЭКГ-8И, ЭКГ-10, ЭКГ-12 [4, 10, 11]. В преобразователях реализована концепция моноблока, которая предлагает отсутствие внутренних регулировочных элементов. Вся серия имеет идентичные характеристики, что обеспечивает ее унификацию и взаимозаменяемость. Построение и настройка систем управления выполняется вне блока с помощью дополнительной платы (платы "обвязок"), не содержащей активных компонентов. Ввиду того, что в преобразователе заложена диагностика неисправного состояния, неизвестный блок заменяется исправным в

течение 10-15 минут даже неквалифицированным персоналом. В свете современных требований внедряются также более современные микропроцессорные системы управления преобразователями. При этом ведутся работы по совмещению концепции безналадочных моноблоков с достоинствами микропроцессорного управления, что реализовано на ЗАО «Юрэль», которое освоило выпуск НКУЭ-3 с микропроцессорным управлением. Ведутся также разработки с централизованным управлением одним контроллером, например в АО «Сигнал-электро» г. Обнинск [45]. В качестве примера преобразователя постоянного тока с цифровым управлением можно привести преобразователь SIMOREGDC MASTER фирмы SIEMENS с номинальным током до 2000 А.

Что касается элементной базы преобразователей, применяемых в системе ТВ-Г-Д, то с развитием полупроводниковой техники появились полупроводниковые преобразователи на полностью управляемых коммутируемых элементах в виде силовых модулей (IGBT) и полностью управляемых (запираемых) тиристорах (IGCT).

К этому же варианту модернизации относится замена электромашинного преобразователя собственных нужд и возбуждения синхронного двигателя на тиристорные.

2. Замена системы Г-Д на систему тиристорный преобразователь-двигатель постоянного тока (ТП-Д) с полной или частичной заменой главного электромашинного агрегата. Нужно отметить, что мировые тенденции в области увеличения производительности экскаваторов и снижения динамических нагрузок на механическое оборудование на протяжении уже 40 лет акцентированы на повышение быстродействия силового преобразователя электропривода [4]. В качестве примера использования системы ТП-Д с соответствующим фильтрокомпенсирующим устройством (ФКУ) можно привести новейший комплект НКУ КЭР (низковольтное комплектное устройство, комплект экскаваторной рудоавтоматики), разработанный в ОАО «Рудоавтомати-ка» и установленный в 3-м квартале 2008 года на экскаваторе ЭКГ-5, находя-

щемуся на балансе цеха железнодорожного транспорта (ЦЖДТ) ОАО «Стой-ленский ГОК [5]. Установка комплекта позволила снизить энергопотребление примерно в 2 раза, увеличить КПД и снизить cos <р, повысить быстродействие. Исключено также негативное влияние на степень и искажение формы напряжения сети, выполнена защита от опрокидывания инвертора в тормозных режимах.

НКУ серии КЭР-05 ОАО «Рудоавтоматика» применяют для систем ТП-Д, они, например, работают на Анновском карьере СевГОКа (Украина), ОАО «Доломит» (г. Данков, Липецкая область). В результате применения НКУ: снизилось потребление электроэнергии (примерно в 2 раза), среднецикловой cos (3=0,95, снизился шум и вибрации на 10% и 20% соответственно, повысилась надежность и уменьшились простои [66].

Модернизация экскаватора ЭКГ-8И была осуществлена на Зангезурском медномолибденовом комбинате в 2005 году с сохранением механической части экскаватора и полной заменой электрической части, где была установлена цифровая система управления с программным обеспечением компании «Объединенная энергия», обеспеченная средствами диагностики, осуществляемой с помощью переносного компьютера со специальным программным обеспечением. Это дало возможность контролировать работу отдельных узлов СУ с использованием дисплея, быстро определять работоспособность элементов СУ с целью перенастройки, замены или ремонта [65].

Компания ABB Cottbus модернизировала экскаватор ЭКГ-5А за счет применения современной технологии полностью цифрового электронного преобразователя тока на тиристорах и биполярных транзисторах без замены двигателя постоянного тока благодаря применению системы автоматической динамической фазокомпенсции тока. Преобразователь тока имеет встроенные диагностические функции, что позволяет совместно с персональным компьютером быстро диагностировать и устранять неисправности и проводить контроль и установку параметров скорости и момента СУ.

В России еще в конце 70-х годов «Уралмашзавод» применил систему ТП-Д для карьерных экскаваторов ЭКГ-20, эксплуатирующихся в наиболее суровых условиях Нерюнгринского угольного разреза. Большая часть работает до сих пор [9]. За рубежом наибольших успехов в создании современных электроприводов достигли фирмы Bucyrus-Erie и Harnischfeger. Фирма Harnisch-feger более 20 лет устанавливает на свои экскаваторы электроприводы по системе ТО-Д. Свыше 100 наиболее мощных карьерных экскаваторов серии 4100 выпущено с такими электроприводами [8].

3. Замена системы ГД на систему преобразователь частоты асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (ПЧ-АД), т.е. переход на переменный ток.

Преобразователи частоты (ПЧ) могут выполняться как непосредственные (НПЧ) или как преобразователи со звеном постоянного тока (автономные инверторы напряжения (АМН) и автономные инверторы тока (АИТ)). По конструктивному исполнению ПЧ выполняются на тиристорах или транзисторах. Специфика экскаваторного электропривода, работающего в повторно-кратковременных режимах с резко переменной нагрузкой при наличии тормозных моментов, требует создания специальных экскаваторных частотно-регулируемых приводов. В настоящее время интенсивно ведется разработка таких электроприводов. Все перечисленные выше особенности электропривода приводят к проблеме рекуперации энергии в сеть и прямого обмена энергии с сетью. Из того, что известно, лишь один из трех преобразователей, которые достаточно изучены, выпускаются и приняты промышленностью, и которые в состоянии рекуперировать энергию в сеть - это тиристорный преобразователь или НПЧ на его основе [7]. Из литературных источников известны двухзвенные непосредственные транзисторные преобразователи и объектно-ориентированная система Акутрол-3 (Siemens).

Т.о., создание НКУ экскаватора на переменном токе осуществляется по системе НПЧ-АД. Основой системы управления и регулирования является

ПТЭМ. Достоинство этих преобразователей в их безналадочности и взаимозаменяемости.

В настоящее время в экскаваторостроении наблюдается тенденция применения электропривода по системе автономный инвертор напряжения с ши-ротно-импульсной модуляцией - асинхронный двигатель (АИН с ШИМ-АД). Фирма Висугш-Епе с 80-х годов серийно применяет в своих одинаковых экскаваторах систему электропривода АИН ШИМ-АД. Общее количество выпущенных карьерных экскаваторов типа 395-В, 295-ВП и 290-В1Е с емкостью ковша 17-34 м3 и драглайнов типа 380 п с емкостью ковша 6,8-12 м с такими приводами составляет 150 штук. Благодаря меньшей инерционности двигателей и системы управления повышены ускорения и точность выполняемых операций, уменьшено время цикла. В приводе подъема обеспечена удвоенная скорость, на которой двигатель развивает до 30% максимального момента. Максимальные скорости напора и поворота увеличены соответственно на 12 и 16%, стопорные моменты - на 5 и 25 % [8].

Обеспечение четких требований к статическим и динамическим характеристикам электроприводов переменного тока для главных механизмов одинаковых экскаваторов достигается применением векторного управления координатами асинхронного двигателя. При этом особенность экскаваторного электропривода делает нежелательной установку дополнительных датчиков магнитного потока и частоты вращения асинхронного двигателя, в связи с чем создаются "бездатчиковые" системы векторного управления, в которых недостающая информация об амплитуде, фазе и частоте вращения вектора магнитного потока в двигателе вычисляются с помощью "наблюдателя" - математической модели, позволяющей восстановить неизменяемые физические переменные состояния объекта по измеряемым [8].

Несмотря на проблемы, связанные с рекуперацией энергии в сеть и низким коэффициентом мощности, необходимостью датчика частоты вращения, отсутствия серийно-выпускаемых регулируемых экскаваторных асинхронных

двигателей этот вариант модернизации остается актуальным в связи с тем, что он обеспечивает высокое быстродействие, уменьшает динамические нагрузки и является более экономичным с точки зрения потребления электроэнергии. Кроме того, снижаются затраты на обслуживание и ремонт электромашинных агрегатов.

В качестве примера других видов модернизаций можно привести проведённую в ОАО «Михайловский ГОК» в 2004 году [67] модернизацию системы управления током возбуждения приводного синхронного двигателя, что позволило увеличить его срок службы на 25% за счет изменения динамических характеристик, увеличить производительность на 4-5% за счет изменения механической характеристики приводов исполнительных механизмов ЭКГ, исключить производство лишней реактивной энергии.

Что касается модернизации механической части, то надо отметить, что она направлена на улучшение отдельных узлов и конструктивных элементов экскаваторов. Так, например, проведены некоторые виды модернизаций [62] на карьерах АО ССГПО (Соколовско-Сарбайское горно-обогатительное объединение), суть которых заключается в следующем:

• электромагнитные тормоза экскаваторов ЭКГ-10 и ЭКГ-12,5 заменены на пневматические от ЭКГ-8И;

• на ЭКГ-ЮМ ковш имеет 7 зубьев (в отличие от традиционного), в подвеске ковша отсутствует коромысло;

• многие заявленные 10 и 12 кубовые экскаваторы на карьерах ССГПО являются экскаваторами ЭКГ-8И с замененным ковшом.

Аналогичные типы модернизаций проводятся и на других предприятиях горной промышленности. Кроме того, может быть усилено механическое оборудование, например, стрела экскаватора. Приведенные модернизации являются местными и не оказывают существенного влияния на производительность экскаватора.

Анализ выполненных в настоящее время научных исследований и, на их основе, технических разработок по модернизации главных приводов одноковшовых карьерных экскаваторов [4, 8, 10, 45-49] показывает, что основными результатами работ по модернизации главных электроприводов являются:

- обеспечение высокой динамики электропривода в переходных процессах при обеспечении плавности в период выбора зазоров в передачах механизма поворота;

- реализация модульного принципа построения систем управления, позволяющего исключить простои по вине электроники;

- внедрение двухзонной САР при полной модернизации главных электроприводов или в дополнение к уже существующим;

- реализация инженерной методики расчета параметров электроприводов

по системе ТВ-Г-Д;

- создание оптимальных структур электроприводов по системам ТВ-Г-Д

и ТП-Д;

- разработка новых универсальных алгоритмов и методов управления ЭМС, направленных на улучшение энергетических показателей;

- совершенствование средств повышения качества рабочих процессов и динамических свойств электропривода;

- обеспечение оптимального ограничения нагрузок механического оборудования;

- обеспечение динамических нагрузок в элементах привода путем формирования оптимального САУ на основе информации о координатах электрической и механической части привода;

- обеспечение быстродействия по управлению всех электроприводов экскаватора в диапазоне допустимых нагрузок;

- разработка и использование новых алгоритмов управления с использованием микропроцессорной техники;

- введение информационно-диагностических систем;

- уменьшение сроков межсезонной наладки;

- повышение безопасности работы и обслуживания экскаватора;

- повышение уровня комфорта и снижение уровня шума в кабине машиниста.

Из этого следует, что модернизация главных электроприводов в основном сводится к разработке современных быстродействующих систем управления этими электроприводами, позволяющих увеличить производительность экскаватора, повысить гибкость управления, уменьшить энергопотребление и

затраты на ремонт и наладку.

Оценки же деталей и узлов механизмов главных приводов на усталостную прочность при переходе на быстродействующие СУ (в т.ч. микропроцессорные) ни в одной из перечисленных выше работ не приводится.

И наконец, в связи с модернизацией экскаваторного парка следует отметить одну из тенденций на рынке горного оборудования России, которая заключается в том, что горные предприятия вместо отработавших свой ресурс экскаваторов приобретают практически те же модели, что объясняется их низкой ценой и наличием опыта эксплуатации данного оборудования [1]. В связи с этим актуальность модернизации главных приводов экскаваторов-мехлопат сохраняется и имеет долгосрочную перспективу.

1,З.Обоснование выбора механизма поворота в качестве объекта

исследования

Поскольку основной задачей модернизации является увеличение прибыли горнодобывающих предприятий за счет увеличения производительности карьерных экскаваторов, то это возможно сделать только за счёт уменьшения времени цикла. Это подтверждается расчетами экономической эффективности модернизации главных электроприводов карьерных экскаваторов ЭКГ-8, ЭКГ-10 при замене привода с МУ на привод с микропроцессорным управлением (МК), выполненными по методике проф. В.И. Ключева [56]. Краткие

усредненные результаты расчетов эффективности модернизации при замене приводов с МУ на приводы с МК за 1 год на Качканарском ГОКе ОАО «Ванадий» приведены в табл. 1.1. Данные усреднены за время эксплуатации всех экскаваторов на всех карьерах с 2000 по 2006 гг. включительно.

Таблица 1.1

Результаты экономической эффективности модернизации главных

электроприводов экскаватора ЭКГ-10

Характеристика Ед. измерения В числовом выражении

Повышение производительности за счет уменьшения износа мехоборудования и соответствующего увеличения межремонтных сроков тыс. руб. 450,394

Повышение производительности за счет уменьшения цикла экскавации тыс. руб. 5318,063

Энергосбережение тыс. руб. 109,054

Общая экономическая эффективность за 1 год при замене привода с МУ на привод с МК тыс. руб. 5877,511

Цена комплекта привода с МК тыс. руб. 3.351,200

Срок окупаемости лет 0,57

Из табл. 1.1 следует, что основной экономический эффект модернизации (5,3 из 5.8 млн. руб.) обеспечивается повышением производительности за счет уменьшения времени цикла экскавации с 30 с в системе с МУ (по инструкции 3519.99.00. 000 НЭ) до 28 с в системе с МК. К сожалению, в этом расчете: во-первых, повышение производительности машины не дифференцированно раздельно по модернизируемым приводам; во-вторых, не учтено неизбежное снижение ресурса деталей при интенсификации работы модернизированной машины.

Т. к. модернизации подвергаются все три главных электропривода, то необходимо оценить вклад каждого из них в уменьшении времени цикла экскавации.

Сокращение времени цикла за счет интенсификации работы копающих механизмов практически не представляется возможным, т.к. в режиме копания основными являются возмущающие воздействия, которые определяются условиями забоя (твердость породы, кусковатость, качество взорванного массива и т.д.). Управляющие же воздействия определяются хорошо отработанной и изученной структурой управления электроприводом, выбором рациональных режимов его работы. При переходе к быстродействующим системам управления с электронным или цифровым управлением возникают проблемы, связанные с увеличением быстродействия электроприводов, на их работу стала существенно влиять упругость передач [68]. Динамические нагрузки, возникающие в процессе копания в механизмах подъема и напора, могут в 3-К3,5 раза превышать расчетные, имеют большие амплитудные значения и носят резко выраженный колебательный характер, что приводит к увеличению нагрузок в рабочем оборудовании и, как следствие, к повышенному усталостному износу и преждевременному выходу из строя этого оборудования.

В таком случае необходимо совершенствовать структуру управления электроприводов копающих механизмов с целью уменьшения колебательности нагрузок в механическом оборудовании. Но это приведет к неминуемому увеличению токовых нагрузок в электрооборудовании, в частности в электрических машинах, и значительному снижению их надежности и долговечности, что подтверждается статистическими данными, согласно которым самые частые простои вызваны выходом из строя электромашин [69]. Поэтому совершенствование СУЭП копающих механизмов с целью уменьшения времени работы в цикле экскавации должно проводиться с учётом того, что в упругой ЭМС процессы в механической части привода жестко связаны с электромагнитными процессами в электрической части, в результате чего происходит периодическое перекачивание энергии из электрической части привода в механическую и наоборот. В этом случае можно говорить о том, что увеличение

быстродействия привода приводит к ухудшению динамических показателей

механической части привода.

Из вышесказанного следует, что существующая СУЭП копающих механизмов обеспечивает достаточную управляемость и время отработки управляющих воздействий, а её модернизация приведет к повышению качества регулирования и снижению динамических нагрузок в элементах привода, но не окажет существенного влияния на уменьшение цикла экскавации и повышение производительности экскаватора.

В качестве доказательства на рис. 1.1 приведены экспериментальные диаграммы токов и напряжений электроприводов копающих механизмов экскаватора ЭКГ-8И, полученные на кафедре электропривода Северо-Кавказского горно-металлургического института. Сравнение осциллограмм токов и напряжений двигателя подъёма за операцию копания по системе СМУ-Г-Д и ТВ-Г-Д показывает, что время копания практически не изменяется, что позволяет сделать заключение о незначительном влиянии на длительность цикла экскавации копающих механизмов.

Производительность одноковшовых экскаваторов-мехлопат в основном определяется временем поворотных движений, которое составляет приблизительно 75% времени цикла. Поворотный механизм вместе с поворотной платформой и рабочим оборудованием обладает большой массой, поэтому в течение основного времени поворотных движений система работает в режиме ускорений-замедлений. Уменьшение длительности переходного процесса за счет применения современных быстродействующих СУ приводит к уменьшению цикла экскавации. В базовом приводе тахограмма разгонов-торможений имеет более пологий характер, в модернизированном электроприводе разгоны-торможения осуществляется по трапецеидальной кривой с более крутыми фронтом-спадом, при этом обеспечивается постоянное максимально возможное ускорение, уровень которого заранее ограничен по условиям механической прочности деталей и узлов поворотного механизма.

л

Л Л- !\Л . ¡\ „г\ А А

г 1 л ■. ! V

АГ^^^^г^-^................ /АА/\ А

Система СМУ-ГД

, I V ' . ' - /х /1 г ! П [ ""п ,

/ " ) / ' -- , _ М /г.Л /\ I I ~

V иуЛ/ЧГ V \У "Vх

Система ТВ-Г-Д

Рис. 1.1. Экспериментальные осциллограммы токов и напряжений электропривода копающих механизмов

экскаватора ЭКГ-8И. (красный цвет - ток двигателя копания, синий - напряжение на двигателе копания)

ы и>

Применяемые при модернизации НКУ повышают качество управления, жестче контролируют темп переходных процессов и броски токов в переходных режимах, снижают коэффициент динамичности для электрической части, что приводит к повышению долговечности электрооборудования, прежде всего, электрических машин.

Что же касается механического оборудования, то необходимо учитывать, что динамика разгонов и торможений имеет определяющее значение при оценке действующих в механических элементах привода нагрузок и их влияние на усталостную прочность деталей и узлов поворотного механизма. В динамических режимах в зубчатом зацеплении венцовой пары механизма поворота возникают ударные динамические нагрузки из-за наличия зазоров, одновременно увеличивается упругая составляющая моментов в элементах привода поворота. Кроме того, в процессе поворота возможно проявление колебаний параметрического характера, обусловленных несовершенством кинематики зубчатых зацеплений, которые также влияют на усталостную прочность деталей. За счет применения совершенных структур и алгоритмов управления современные СУ позволяют после выбора зазоров ограничить темп переходных процессов допустимыми значениями по условиям механической прочности, но необходим также учет снижения усталостной прочности зубьев, валов и подшипников механизма поворота из-за повышения общего уровня нагрузок при интенсификации работы поворотного механизма (уменьшения времени цикла).

Т.о., научная оценка снижения его долговечности при интенсификации работы электроприводов, а также экономической целесообразности модернизации с учетом этого фактора остается актуальной задачей.

С учетом того, что обширный парк одноковшовых карьерных экскаваторов в России и странах СНГ изношен на 80% [1] и что причиной выхода из строя большинства деталей и узлов экскаватора является усталостное разрушение [13], на первый план выходит адекватная оценка изменения усталост-

ного ресурса деталей и узлов поворотного механизма при модернизации электропривода поворота карьерных экскаваторов, длительное время находящихся в эксплуатации и накопивших к началу модернизации определенный уровень усталостных повреждений. Неправильный учёт изменения срока службы деталей и узлов поворотного механизма уже бывших в эксплуатации карьерных экскаваторов при переходе на модернизированный электропривод может свести на нет саму идею модернизации, т.к. преждевременный, непрогнозируемый выход из строя механического оборудования приводит к значительным материальным затратам. Такая же проблема возникает и при расчетах усталостного ресурса новых машин, подлежащих модернизации. При этом для оценки ресурса используют нагрузочные диаграммы, в которых объединены нагрузки близкой интенсивности с усреднённой диаграммы статистически большого количества экспериментальных осциллограмм циклов экскавации для старых моделей экскаваторов [14]. Кроме того, по оценкам НАТИ, современные расчеты на усталостную прочность не обеспечивают приемлемую точность оценки ресурса. Это объясняется как объективными, так и субъективными причинами, такими как неполнота наших знаний о существе явления усталости, значительная стоимость и трудоемкость сложных натурных испытаний для получения достоверных характеристик сопротивления усталости и оценки ресурса [15].

1.4. Цель и задачи исследований

Для решения основной задачи - повышения реальной эффективности модернизации ковшовых экскаваторов, - требуется взвешенная оценка как положительных, так и отрицательных последствий роста быстродействия машины. При этом на первый план выходит разработка универсальной методики для оценки изменения ресурса узлов и деталей модернизированного экскаватора.

В связи с этим с учетом исследований пункта 1.3 экономически целесообразным представляется:

во-первых, ограничиться модернизацией одного лишь привода поворота и только системы его управления (с заменой СМУ на ТВ), что втрое уменьшает расходы на приобретение и монтаж дополнительного оборудования;

во-вторых, оценить реальную степень влияния неизбежного снижения ресурса различных деталей при модернизации даже одного только поворота

на итоговый эффект.

С этой целью сформулированы конкретные задачи работы:

1. Разработать математическую модель электромеханической системы (ЭМС) поворотного механизма с целью исследования влияния переменных параметров зубчатого зацепления на динамику нагрузок, получить с помощью имитационного моделирования временные диаграммы нагрузок в интересующих деталях в цикле экскавации.

2. Разработать математическую модель кинетического процесса накопления усталостных повреждений в детали для существенно нестационарных нагрузок (соответственно ожидаемому характеру диаграмм нагружения).

3. Разработать методику компьютерного прогноза ресурса деталей действующих экскаваторов на основе модельного подхода с учетом кинетики накопления повреждений при переходе на модернизированный привод поворотного механизма.

4. Уточнить эффективность модернизации экскаваторов с учетом изменения ресурса его узлов и деталей, дать рекомендации по направлениям оптимального изменения структуры ремонтных циклов и системы технического обслуживания или конструктивной модификации рассматриваемых деталей.

ВЫВОДЫ:

1. Основным и единственным способом поддержания работоспособности экскаваторов является модернизация, основной задачей которой является повышение производительности с одновременным уменьшением энергопотребления за счет применения быстродействующих электроприводов.

2. Модернизация карьерных экскаваторов фактически сводится к обновлению электрической части одновременно всех главных механизмов машины (подъема, напора, поворота).

3. Экономически целесообразным представляется ограничиться модернизацией одного лишь привода поворота и только системы его управления, что втрое уменьшает расходы на приобретение и монтаж дополнительного оборудования.

4. Переход на быстродействующий привод приводит к интенсификации поворотных движений, что неминуемо увеличивает уровень нагрузок в деталях и узлах механизма поворота (и вообще во всех элементах на поворотной платформе) и приводит к снижению сроков их службы.

5. Для решения основной задачи - повышения реальной эффективности модернизации одноковшовых экскаваторов, - требуется разработка методики оценки изменения ресурса узлов и деталей модернизированного экскаватора.

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ (ЭМС)

ПОВОРОТНОГО МЕХАНИЗМА

2.1. Задачи исследований

Для решения поставленных в работе задач необходимо разработать математическую модель электромеханической системы (ЭМС) поворотного механизма с целью исследования влияния переменных параметров зубчатого зацепления на динамику нагрузок и получения с помощью имитационного моделирования временных диаграмм нагрузок в интересующих деталях в

цикле экскавации.

Поэтому задачами исследований 2-ой главы являются:

1. Разработка математической модели ЭМС поворота, совокупно учитывающей переменность параметров венцового зубчатого зацепления

2. Исследование зависимости периодически изменяющихся параметров венцового зацепления (крутильных жёсткостей, их производных и коэффициента передачи по моменту) от угла поворота вала (в пределах контакта зубьев).

3.Разработка компьютерной модели механизма поворота с целью получения временных диаграмм нагрузок в интересующих элементах его механической системы с использованием пакетов динамического моделирования типа БтиНпк, которые позволяют, кроме прочего, учесть:

• двупарность зацепления;

• зазор в контакте зубьев;

• переменное передаточное отношение.

2.2. Общие положения

Модернизированный быстродействующий привод интенсифицирует поворотные движения, т.е. сокращает их время и уменьшает тем самым время цикла экскавации. Это уменьшает время разгонов и торможения, что неминуемо приведет к увеличению как уровня действующих нагрузок в деталях и узлах поворотного механизма, так и упругих составляющих нагрузок в других

элементах экскаватора. В свою очередь это приводит к более интенсивному накоплению усталостных повреждений и, как следствие, к снижению долговечности деталей и узлов механизма поворота и преждевременному выходу их из строя.

ЭМС привода поворота характеризуется тем, что весь технологический цикл заранее определен: поворот в забой с пустым ковшом - черпание - поворот на разгрузку с груженым ковшом. Входным для ЭМС является управляющее воздействие, задаваемое (формируемое) машинистом. При этом отпадает необходимость детально знать структуру управления электропривода, наличие обратных связей, алгоритмы управления, наличие или отсутствие последовательной или параллельной коррекции. Тахограмма поворота позволяет исследовать механическую часть привода поворота экскаватора с точки зрения усталостной прочности и определения величины и характера действующих нагрузок в деталях. Управляющее воздействие в ЭМС привода поворота является основным, а возмущающее определяется несовершенством кинематики. Наличие в ЭМС периодически изменяющихся переменных параметров, таких как передаточное отношение i, зазор в зубчатом зацеплении A<pz, упругость зубчатого зацепления с наряду с трением в зубчатых передачах является источником возможных параметрических колебаний и появления значительных динамических моментов Мтя. Это приводит к необходимости моделирования ЭМС с учетом всех перечисленных факторов.

Исследовать поведение подобных механических систем стало возможным благодаря появлению таких мощных математических пакетов структурного моделирования динамических систем, как MatLab (Simulink), SciLab, VisSim, Model Vision Studium (MVS) и других [93, 94]. Моделирование ныне является равноправной, а иногда единственной методикой исследований, так как порой даже натурным экспериментом не представляется возможным идентифицировать вклад интересующих составляющих и отделить его от результата действия других факторов в исследуемом явлении.

Для оценки усталостного ресурса рационально использовать силовые модели накопления усталостных повреждений [108], для чего необходимо знать реальные напряжения (нагрузки) в основных деталях механизма поворота. Получение осциллограмм напряжений в натурных деталях (особенно в зубьях зубчатых зацеплений) является технически трудно разрешимой задачей, поэтому единственным способом получения зависимости напряжений от времени сг = /(¿) является модельно-ориентированный подход к ЭМС механизма поворота. Т.о., задача моделирования при оценке усталостной долговечности деталей поворотного механизма - получение зависимостей сг = /(/) (или где М~

упругий момент в валах, зубчатых зацеплениях и подшипниках) для паспортного цикла экскавации при стандартных управляющих воздействиях с целью последующего использования этих зависимостей в силовых моделях накопления усталостных повреждений.

2.3. Разработка математической модели ЭМС поворота

Для адекватной имитации нагружения (получения временных диаграмм реальных нагрузок) проблемных деталей механизма поворота в каждом цикле экскавации необходимо составить математическое описание всей ЭМС поворота в динамике, при этом матописание должно быть удобным для использования в современном программном пакете типа БтиПпк. С этой целью целесообразно использовать математическое описание в дифференциальной форме записи.

Для установления взаимосвязей между элементами ЭМС поворота рассмотрим функциональную схему системы «машинист - СУЭП - электропривод поворота - трансмиссия - поворотная платформа» приведенную на рис. 2.1.

Управляющее воздействие машиниста представляет собой последовательность переключений командоконтроллера, задающих тахограмму поворота платформы в цикле экскавации (рис. 4.4). СУЭП включает силовой генератор, его возбудитель и совокупность обратных связей. Учитываются основные обратные связи: задержанная по току (моменту) и положительная по напряжению. СУЭП может включать в себя также тиристорный (или любой полупроводнико-

вый) преобразователь для модернизированных экскаваторов. Переходу от существующего электропривода СМУ-ГД к модернизированному ТВ-ГД соответствует изменение параметров возбудителя и настроек обратных связей.

Рис. 2.1. Функциональная схема поворотного механизма карьерного экскаватора Сигналы, действующие в схеме: У- управляющее воздействие; 17дв- напряжение на зажимах двигателя; Мъ Мув, Му1, Мтр - моменты соответственно двигателя, упругий на валу-шестерне, крутящий на зубьях венца и трения; сои со2 - угловые скорости соответственно вала двигателя и платформы.

Внешнее управляющее воздействие У через СУЭП преобразуется в напряжение идв на зажимах двигателя постоянного тока (ДПТ) в существующих моделях экскаваторов или асинхронных двигателях во вновь разрабатываемых моделях. Выходными параметрами электродвигателя являются момент М\ и скорость выходного вала сох. Для электрической части ДПТ независимого возбуждения можно записать систему уравнений:

(И

идв=кФсох+1аКа+Ьа-^;

< М1 = кФ1а;

где к- конструктивная константа электродвигателя;

Ф - магнитный поток возбуждения;

1а - ток якоря (мгновенное значение);

Яа - суммарное сопротивление якорной цепи;

Мст - момент нагрузки на валу;

т йсо

3,--динамическии момент электродвигателя;

сИ

Здв - момент инерции электродвигателя.

На основе приведенных уравнений электрическую часть двигателя мож-

но представить инерционным звеном с передаточной функцией Шдв =

аналогично представляется передаточная функция для СУЭП: Жсу =

Кл

Г

к,

СУ

ГСУ5 +1'

где Тдв, Тсу - постоянные времени электрических цепей управления, двигателя и СУЭП; Кдв, КСу- постоянные коэффициенты.

Формирование экскаваторной характеристики электродвигателя осуществляется введением обратной связи (ОС) с отсечкой по моменту.

Внешним возмущающим воздействием в механической системе является момент трения Мтр в роликовом круге поворотной платформы, который определяется массой этой платформы вместе с рабочим оборудованием. Он является реактивным, т.е. всегда противодействующим независимо от направления вращения платформы вместе с рабочим оборудованием. Доля возмущающего воздействия в операции поворота экскаватора незначительна. Трансмиссия, за исключением венцового зацепления, принимается идеальной.

Совокупность механической части двигателя и поворотного механизма в рассматриваемом случае может быть упрощена до эквивалентной 2- массовой системы с тремя сосредоточенными упругостями и зазором (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Эквивалентная схема 2-массовой системы с упругими связями

На рис.2.2 представлены: /ь Л — моменты инерции соответственно всех вращающихся масс механизма поворота и всех вращающихся масс поворотной платформы с груженым ковшом на полном вылете; <р\, (рг - текущие углы поворота вала двигателя и вала-шестерни венцового зацепления соответственно; (рв - текущий угол поворота вала-шестерни; ср\, (р2' - текущие углы поворота точки контакта зубьев (с учетом их упругой деформации); Мх - вращающий момент на валу электродвигателя; М2\, Мл - крутящие моменты, передаваемые через зубья вала-шестерни и венцового колеса соответственно; Мтр - момент трения (сопротивления) на выходном валу; св - жесткость вала вал-шестерни; мгновенное значение крутильной жесткости зуба вал-шестерни; с2 - мгновенное значение крутильной жесткости зуба колеса; А<рг -

зазор в венцовой паре.

Поведение такой системы описывается уравнениями Лагранжа II рода

[71]:

Ж

V1

дЬ

= 2/

вкупе с алгебраическими уравнениями связей в зазоре венцовой пары:

Ф[ =

<Рв <Рг\<Ь<Р* . мх2=-ШМл,

1ф'2,при \<р[-<р'2\>к<ря

где Ь = Т-и- лагранжиан системы; 2 2

Т - + _ кинетическая энергия вращающихся частей;

2 2

+ + _ потенциальная энер-

2 2 2

гия, запасаемая в упругостях системы;

вектор обобщенных сил;

вектор обобщенных координат;

г, г] - мгновенные значения передаточного отношения и КПД в контакте

венцовой ступени передачи.

В приведённых выше уравнениях считаем, что св = const, с, =/($[),

с2 = Яч'г)*1 = ЛФ!) ' "Л = ЛФ!) •

В качестве обобщенных координат приняты углы поворота соответствующих сечений эквивалентного валаq\=(p\, Чъ=<р'ъ Ча=<Ръ qs=<P2- Точка над переменной означает взятие производной по времени (например,

= dq>/dt = оу, § = d2q>/dt2 = d®/dt).

Уравнения имеют следующий вид:

d_ dt

v5(Pw

= Jl<?1; — = ~cB((pl -фв); Qi =Ml-c'B(q>l-q>B). •A -Фб) = М1 -СИФ1-Ф5);

d( дьл

dt

Эф

j

лт

= 0; —- = св(щ -фв)-с,(фй -q>I);62 -фв)-с|(ф5 -ф1).

-Сд(ф! -ф5) + ^(ф5 -ф!) = 4(Ф1 -Фй)-С1'(Фв -Ф1);

dt

= 0; = (ф5 - ф;); Q3 = -Mzl + с\(ф , - ф,)

эФ; 2 эФ;

1 ^

-• ~ф!)2 -сМв -ф!)=~Mz\ + сКФв - Ф!);

2 Эф!

d_ dt

Заключение диссертации по теме «Горные машины», Соин, Алексей Михайлович

7. Основные результаты диссертационной работы будут использованы НПК «Югцветметавтоматика» при разработке и внедрении проектно-конструкторских разработок по модернизации приводов одноковшовых экскаваторов на карьерах предприятий цветной металлургии (приложение 2).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, посвященной повышению эффективности модернизации карьерных экскаваторов. Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы и рекомендации:

1. Уменьшение времени цикла экскавации, т.е. повышение производительности экскаватора, определяется поворотным движением, поэтому с целью снижения капитальных затрат достаточно модернизировать только привод механизма поворота.

2. Установлено, что колебания упругих моментов в венцовом зацеплении, вызывающие усталостный износ в деталях экскаватора, обусловлены, кроме прочего, переменностью текущих мгновенных значений КПД, упругости зубьев и их производных по углу поворота.

3. Интенсификация нагрузок механического оборудования при замене штатного привода поворота на модернизированный повышает техническую производительность машины на 5-8%, но ведёт к ускоренному износу деталей экскаваторов (в частности, ресурс штатной вал-шестерни венцового зацепления поворотного механизма карьерного экскаватора ЭКГ-8И уменьшается в 3,4 раза).

4. Разработана методика и программное обеспечение для ускоренной оценки изменения ресурса деталей одноковшовых экскаваторов при модернизации поворотного механизма.

5. Получаемые на основе этой методики номограммы остаточного (после модернизации поворота) ресурса позволяют: а) спрогнозировать (а, следовательно, предотвратить) аварийные усталостные поломки деталей в начальной стадии эксплуатации модернизированного экскаватора; б) обоснованно вносить изменения в структуру графика и содержание последующих плановых ремонтов экскаватора, либо без изменения графика обоснованно выбирать степень необходимого упрочнения или конструктивной модификации штатных деталей.

6. Полученные математические зависимости жесткости зубьев и ее производной от угла поворота вала зубчатой пары венцового зацепления могут быть использованы в других отраслях промышленности (в машиностроении и пр.).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Соин, Алексей Михайлович, 2012 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ источников

1. Аникин К.В. Перспективы применения в России экскаваторов с объемом ковша 20 мЗ и более. URL: http://www.giab-online.ru/files/Data/2009/12/-Anikin 12 2009.pdf.

2. Кулешов A.A. Оценка потребности в горной технике для открытых горных работ на перспективу // Горные машины и автоматика. 2002. №6. С.4-8

3. Цветков В.Н. Новое поколение мощных карьерных экскаваторов // Горное оборудование и электромеханика. 2006. №2. С. 2-4.

4. Сафошин В.В., Микитчнеко А.Я., Гладких С.Г. Новый взгляд на экскаваторный электропривод // Горная промышленность. 2004. №4. С. 44-47.

5. Электропривод экскаватора ЭКГ-5 по системе ТП-Д производства ОАО «Рудоавтоматика» / Сафошин В.В., Микитчнеко А.Я., Шевченко А.Н., Шоленков А.Н., Щербаков A.B., Шоков М.А. // Горное оборудование и электромеханика, 2009. №4. С. 16-22.

6. Шадов М.Н., Ефимов В.Н. Оценка технического состояния горнотранспортного оборудования и его техническое перевооружение как основа эффективности развития открытой угледобычи Кузбасса // Горное оборудование и электромеханика. 2009. №7. С. 6-17.

7. Бурковский В.Л., Шкода Р.В. Особенности построения систем управления экскаваторными электроприводами // Электротехнические комплексы и системы управления. 2006. №2. С. 4-10.

8. Остиров В.И., Микитченко А.Н. Современное состояние и тенденции развития электроприводов горных машин для открытых разработок // Привод и управление. 2008, №2. С. 10-32.

9. Экскаватор ЭКГ-23 корпорации ОМЗ / Табарин А.Д., Цветков В.Н., Сандригайло И.Н., Василенко М.Н. // Горное дело. 2007. №9.

10. Микитченко А.Н. Проблемы регулируемого электропривода в экскаваторах // Рынок электротехники. 2007. №1.

11. Ключев В.И, Миронов JI.M., Ефимов В.Н. Серия унифицированных модульных тиристорных преобразователей для тяжелых условий эксплуатации // Горные машины и автоматики. 2001. №10. С. 25-27.

12. Робитэкс. Экономическая эффективность от модернизации (расчеты). URL: http://www.robiteks.ru/catalog/l 6/

13. Иванов A.B., Барыкин М.Д. Оценка надежности деталей механизмов экскаваторов на стадии проектирования. Исследование нагрузок в узлах экскаваторов. Сборник научных трудов. ВНИИМЕТМАШ. Москва, 1986. с. 37-43.

14. Волков Д.П. Динамика и прочность одноковшовых экскаваторов. М.: Машиностроение, 1965. 463 с.

15. Дмитриченко С.С. Методы обеспечения требуемых показателей металлоемкости и долговечности мобильных машин // Вестник машиностроения. 2003. №9. С. 23-27.

16. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1984. 312 с.

17. Вейбулл В. Усталостные испытания и анализ их результатов. М.: Машгиз, 1964. 276 с.

18. Гусев A.C., Светлицкий В.А. Расчет конструкций при случайных воздействиях. М.: Машиностроение, 1984. 240 с.

19. Гусев A.C. Сопротивление усталости и живучесть конструкций при случайных нагрузках. М.: Машиностроение, 1989. 245 с.

20. Ногаев М.П., Махутов И.А., Гусенков А.П. Расчеты деталей машин на прочность и долговечность. М.: Машиностроение, 1985. 224 с.

21. Серенсен C.B., Кочаев В.П., Шнейдерович P.M. Несущая способность и расчет деталей машин на прочность. М.: Машиностроение, 1975. 488 с.

22. Школьник JIM. Методика усталостных испытаний. М.: Металлургия, 1978. 302 с.

23. Иванова B.C. Усталостное разрушение металлов. М.: Металлургиздат, 1963.273 с.

24. Одинг Н.А. Допускаемые напряжения в машиностроении и циклическая прочность металлов. М.: Машгиз, 1962. 260 с.

25. Окубо X. Определения напряжений гальваническим меднением / Пер. с. яп. М.: Машиностроение, 1969. 152 с.

26. Олейник Н.В., Скляр С.П. Ускоренные испытания на усталость. Киев: Наук, думка. 1985. 304 с.

27. Троценко Д.А., Денисов Ю.А., Данилов Г.Н. Способ обнаружения усталостных трещин // Завод, лаб. 1975. - 41, №1. С. 98-101.

28. Corten Н.Т., Dolan T.J. Cumulative Fatigue Damage. - Proceedings of international Conference on Fatige of Metals. - ASM and IME. 1956, P.235

29. Ilandzel-Powierza Z., Rysinski B. Atwostage hypothesis of fatigue dumare initiation and its experimental verification // Arch. mech. stosow. 1975. - №4. - P. 543-552.

30. Болотин B.B., Еременко А.Ф. Исследование моделей накопления усталостных повреждений // Расчет на прочность. М.: Машиностроение, 1979. Вып. 2, С. 3-29.

31. Прошковец И., Войтшиек Я. Вычисления долговечности элементов машин, загружаемых переменными колебательными силами // Плозен: Центральный научно-исследовательский институт ПО Шкода, 1981. 20 с.

32. Райхер B.J1. Гипотеза спектрального суммирования и ее применение к определению усталостной долговечности при действии случайных нагрузок // Проблемы надежности в строительной механике. Вильнюс: Вайздас, 1968. С. 267-274.

33. Henry D.L. Theory of Damage Accumulation in Streel-ASME Transaction. 77(1955).-P. 913.

34. Brown G.W., Works C.E. An evaluation of the influence of cyclic pre-stressing of fatigue limit. - Proceedings of ASTM, 1963. - P. 706-712.

35. Серенсен С.В. Об оценке долговечности при изменяющейся амплитуде переменных напряжений //Вестник машиностроения. 1944. №7. С. 1-7.

36. Шашин М.Я. Оценка долговечности при изменяющейся амплитуде переменных напряжений // Вестник машиностроения. 1945. №3. С. 3-11.

37. Почтенный Е.К. Кинетическая теория механической усталости и ее приложение. Минск: Наука и техника, 1973. 203 с.

38. Сосновский Л.А. Статистическая механика усталостного разрушения. Минск: Наука и техника, 1987. 288 с.

39. Болотин В.В. Статистические методы в строительной механике. М.:

Стройиздат, 1955. 279 с.

40. Manson S.S. Interfaces Between Fatigue, Creep and Fracture, Vol.1. - P.

342-348.

41. Weibull W. Basic aspects of fatigue// Proc. of Colloquium on Fatigue, Stockholm, 1955.-Berlin: Springer-Verlag, 1956.-P. 153-162.

42. Freundenthal A.M., Heller R.A. On Strass Interaction in Fatigue and Cumulative Damage Rule // Aerospace Scien. - 1959. - 26, №7. - P. 431-432.

43. Nishihara Т., Yamuda T. Fatiguelife of Metals under Varing Repeated stress // Proc. of the Sixth Japan Nation. Congr. for Appl. Mech. - Tokyo, 1956. -172 p.

44. Battelle Memorial Institute, Prevention of Fatigue in Metals. - New York:

John Wiley & Sons, 1941. - P. 43.

45. Греков Э.Л. Разработка и исследование электропривода основных механизмов экскаваторов по системе НПЧ-АД на базе эквивалентных шестиим-пульсных схем. Дис.... канд. наук: 05.09.03: Самара, 2003.235 с.

46. Подборский П.Э. Совершенствование методов синтеза систем управления электроприводами поворотных механизмов карьерных экскаваторов. Дис.... канд. техн. наук: 05.09.03, Абакан, 2006. 205 с.

47. Фащиленко В.Н. Структурный анализ и синтез рационального управления электромеханическими системами горных машин. Дис... д-ра техн. наук: 05.09.03, Москва, 2004. - 513 с.

48. Вологин Н.А. Совершенствование систем управления электроприводами постоянного тока главных механизмов карьерных экскаваторов. Дис.... канд. техн. наук: 05.09.03, Санкт-Петербург, 2003. - 181 с.

49. Шкода Р.В. Моделирование и анализ двухзонной системы управления электроприводами копающих механизмов экскаваторов, выполненными по системе тиристорный возбудитель-генератор-двигатель. Автореф. канд. техн. наук: 05.09.03,Воронеж,2008.24 с.

51. Соин A.M., Хатагов А.Ч. О влиянии динамических нагрузок режима черпания на усталостную прочность металлоконструкций карьерного экскаватора // Труды СКГМИ. Выпуск 3, Владикавказ, 1997.

52. Почтенный Е.К. Кинетика усталости машиностроительных конструкций. Минск, УП «Арти-Факс», 2002. 96 с.

53. Трощенко В.Т. Деформирование и разрушение металлов при многоцикловом нагружении. Киев: Наукова Думка, 1981. 344 с.

54. Иванова B.C., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов. М.: Металлургия, 1975. 455 с.

55. Екобори Т. Научные основы прочности и разрушения материалов. Пер. с японск. Киев: Наукова Думка, 1978. 351 с.

56. Коцаньда С. Усталостное разрушение металлов. Пер. с польс. М.: Металлургия, 1976. 456 с.

57. Форрест П. Усталость металлов. М.: Машиностроение, 1968.

58. Когаев В.П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени. М.: Машиностроение, 1977. 232 с.

59. Трощенко В.Т. Усталость и неупругость металлов. Киев: Наукова

Думка, 1971.267 с.

60. Кулик Н.С., Кучер А.Г., Мильцов В.Е. Математические модели накопления повреждений и трещиностойкости при действии статических и циклических нагрузок // Вестник НАУ. 2009. №3. С. 3-23.

61. Филиппенков A.JI. Вопросы совершенствования методов расчета зубчатых передач на прочность. URL: www.new.gears.ru/pdf7salut/filipenkov_sl.pdf.

62. Местная модернизация карьерных экскаваторов. URL: http://www.obo-rudovanie-gornoe.ru/mestnava modernizaciya.

63. Хатагов А.Ч., Соин A.M. Анализ нагрузки механизма поворота карьерного экскаватора // Перспективы развития горнодобывающего и металлургического комплексов в России. Материалы Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 70-летию СКГМИ, Владикавказ, 2002.

64. Модернизация экскаваторов. URL: http://www.verenegro.am/ru/24/42.

65. Ратман Б. Модернизация электрооборудования ковшового экскаватора ЭКГ-5А // Цемент. Известь. Гипс. 2009. №2.

66. Низковольтные комплексные устройства серии КЭР-05 для управления карьерными экскаваторами ЭКГ-5, ЭКГ-8Н, ЭКГ-10 и их модификаций. URL: http://www.rudoavtomatika.ru...node/23.

67. Проект модернизации электропривода карьерного экскаватора. URL: http ://www.energo.kcnti .ru.. .Iibrarv/bul2/a/3. shtml.

68. Валиев P.M. Разработка структур систем управления электроприводами главных механизмов одноковшовых экскаваторов-мехлопат: Дис.... канд. техн. наук: 05.09.03. - Москва, МГГУ, 2007.

69. Перелыгин В.В. Экскаваторный парк угольных разрезов России. URL: http://exkavator.ru/other/articles/ek 2005-07-28.pdf.

70. Трение в зубчатых передачах как причина параметрических колебаний в механизмах горных машин / Харченко В.В., Соин A.M., Гаглоев A.A., Хатагов А.Ч. // Сборник научных трудов аспирантов, Владикавказ, СКГМИ, 2000.С. 364-368.

71. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т. -М.: Машиностроение, 1978 - Т. 1. Колебания линейных систем / Под ред. В. В. Болотина. 1978. 352 с.

72. Кожевников С.Н. Теория механизмов и машин. Уч. пособие. -М.:

Машиностроение, 1969. 584 с.

73. Литвин Ф.Л. Теория зубчатых зацеплений. -М.: Наука, 1968. 584 с.

74. Шандалов К.С. Влияние податливости зубьев на коэффициент перекрытия передачи //В сб.: Зубчатые и червячные передачи / Под ред. Н.И. Кол-чина. -Л.: Машиностроение. 1968. 362 с.

75. Шелофаст В.В. Российский продукт инженерного анализа - система АРМ WinTrans для автоматизированного проектирования передач вращательного движения//САПР и графика.2002. №1. С. 39-41

76. Устиненко В.Л. Напряженное состояние зубьев цилиндрических прямозубых колес. - М.: Машиностроение, 1972. 92 с.

77. Тимошенко С.П. Сопротивление материалов. Том первый. Элементарная теория и задачи. - М.: Наука, 1965. 364 с.

78. Шелофаст В.В. Основы проектирования машин. - М.: Изд-во АПМ,

2000. 472 с.

79. Глухарев Е.Г. Упрощенный способ определения изгибных деформаций эвольвентных зубьев //В сб.: Зубчатые и червячные передачи / Под ред. Н.И. Колчина. - Л.: Машиностроение, 1968. 362 с.

80. Кистьян Я.Г., Френкель И.Н. Экспериментальное определение жесткости зубьев прямозубых цилиндрических колес внешнего зацепления. ЦНИ-ИТмаш, кн. № 81, -М.: Машгиз, 1956.

81. Ключев В.И. Ограничение динамических нагрузок электропривода. -

М.: Энергия, 1971.

82. Ден-Гартог Дж. П. Механические колебания. -М., Физматгиз, 1960.

83. Бакингэм Е. Цилиндрические зубчатые колеса. Конструкция, работа и изготовление. - М.: ОНТИ НКТП СССР, 1935.

84. Иосилевич Г.Б. Детали машин. Учебн. - М.: Машиностроение, 1988. 368 с.

85. Актуальные вопросы конструирования и изготовления зубчатых передач. // Вестник машиностроения, №1, 2001. С. 34 - 40.

86. .Pulmgren A. Die hebensdaner von kugellagerh// VDI-Zeitschrift, 1924,

Bd.68, №14.S.339-341

87. Miner M.A. Cumulative damage in fatigue. Journal of applied mechanis

transaction of the ASME, 1945. V.12; №3 P.154-161.

88. Почтенный E.K. Упрощенный метод линейного суммирования усталостных повреждений с учетом снижения предела выносливости // Вестник машиностроения. 1986. №8. С. 33-37.

89. Бью-Куок, Шокветт, Бирон. Кумулятивное усталостное повреждение больших стальных образцов при программном осевом нагружении с неравным нулю средним напряжением // Тр. АОИМ, сер Д. Теоретические основы инженерных расчетов. М. Мир. 1976. №3. С. 58-64.

90. Почтенный Е.К. Суммирование усталостных повреждений // Вестник

машиностроения. 1982. №1. С. 11-15.

91. Почтенный Е.К., Рыжков Е.П. Исследование кинетики повреждений листовых образцов стали 4S // Заводская лаборатория. 1975, том 41. №1. С. 93-97.

92. Вандышев В.П. Статистические параметры сопротивления усталости сталей 4S и 40Х при пиковых перегрузках. - В кн. : Механическая усталость в статистическом аспекте. - М: Наука, 1969. - С. 112-116.

93. Андриевский Б.Р., Фрадков A.JI. Элементы математического моделирования в программных средах MATLAB 5 и Scilab.-СПБ: Наука, 2001.

94. Гультяев А.К. MATLAB 5,3 Имитационное моделирование в среде Windows: практическое пособие. - СПБ: Коронапринт, 2001.

95. Хатагов А.Ч., Харченко В.В. , Соин А.М. Исследование совместного влияния переменных параметров зубчатых передач крупных горных машин // Горнометаллургический комплекс России: состояние и перспективы развития

(материалы 2-ой всероссийской, научи практ. конф.- Владикавказ, "Терек", 2003. С. 328-334.).

96. Мерзликин Н.С., Банников Д.П. Эксплуатационная надежность и техническое обслуживание экскаваторов ЭКГ-8 и ЭКГ-8И. / Голубев В.А., Троп А.Е., Карасев Н.М., Карелин H.A. Издание свердловского горного института им. В.В. Ватрушева.- Свердловск, 1971. 121с

97.Иванов A.B. , Барыкин Н.Д. Оценка надежности деталей механизмов экскаваторов на стадии проектирования // В сборнике ВНИИ МЕТМАШ "Исследование нагрузок в узлах экскаваторов" - М.: 1986, С. 37-44.

98. Блескун В.Ф., Бережная О.О. Исследование наклонного участка кривой усталости для оценки долговечности работы зубчатых передач. // Машиноведение. Материалы двенадцатой региональной научно-методической конференции. Донецк, 2010. С. 9-12.

99. Блескун В.Ф. Шинакова Е.С. К определению допускаемых изгибных напряжений при расчете зубчатых передач, работающих в условиях ограниченной долговечности// Машиноведение. Материалы десятой региональной научно-методической конференции. Донецк, 2008. С. 9-11.

100. Дорошев Ю.С. C.B. Нестругин Повышение технологической надежности карьерных экскаваторов.- Владивосток изд. ДВГТУ, 2009. 194 с.

101. Инструкция по эксплуатации 3519.00.00.000НЭ. Экскаваторы ЭКГ-8И, ЭКГ 6,3ус и ЭКГ-4у.- ПО "Ижорский завод" им. A.A. Жданова, 1980.

102. Хатагов А. Ч., Соин A.M., Будагов А. Г. Автоматизированная обработка результатов осциллографирования для получения типовых нагрузочных диаграмм механизмов экскаваторов.// Труды СКГТУ (вып.4) - Владикавказ, 1998. С. 225-230.

103. Положение о плановом предупредительном ремонте оборудования открытых горных работ на предприятиях угольной промышленности СССР-Челябинск: издание НИИОГР, 1990. 37с.

104. Титиевский Е.М., Путятин Б.К., Федюкин Н.Г. Рациональная структура ремонтного цикла экскаваторов// Горный журнал. №3. С.50-52.

105. Приказ Минтопэнерго РФ от 15.07.1993 №164 «Об утверждении инструкции по расчету производственных мощностей действующих предприятий по добыче и переработке угля» URL: http://cariservis.ru/materialv/osnov-nve-faktory.html.

106. Хажиев В.А. Обоснование рациональной производительности экска-ваторов-мехлопат в различных условиях эксплуатации на угледобывающих предприятиях: Автореф. дис. канд. техн. наук. - Екатеринбург, 2010. - 24 с.

107. Дорошев Ю.С. Карпушенко В.Б. Определение оптимальной структуры ремонтного цикла по фактическому состоянию экскаваторного парка. Проблемы освоения георесурсов Российского Дальнего Востока и стран АТР.-

Владивосток, 2004. С. 151-155.

108. Павлов П.А.Основы инженерных расчётов элементов машин на усталость и длительную прочность. - Л. : Машиностроение, 1988. 252 с.

109. URL: http//uravia.ru/tin_prop.htm.