Повышение надежности экскаваторов на основе прогноза отказов и цифровых моделей нагруженности силовых конструкций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Альшанская Анна Александровна

• Альшанская Анна Александровна
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Альшанская Анна Александровна

ВВЕДЕНИЕ

1 ХАРАКТЕРИСТИКА И УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ КАРЬЕРНЫХ ЭКСКАВАТОРОВ

1.1 Характеристика эксплуатационной надежности карьерных экскаваторов

1.2 Проектные расчеты - предпосылки формирования эксплуатационной надежности

1.3 Использование современных методов компьютерных расчетов при проектировании экскаваторов

1.4 Взаимосвязь надежности и стратегий технического обслуживания и ремонта экскаваторов

1.5 Заключение и постановка задач исследования

2 ОЦЕНИВАНИЕ ЗНАЧИМОСТИ ФАКТОРОВ ПРИЧИННО-СЛЕДСТВЕННОГО КОМПЛЕКСА ОТКАЗОВ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ НАДЕЖНОСТЬЮ ЭКСКАВАТОРОВ

2.1 Возможность прогнозирования и управления эксплуатационной надежностью карьерных экскаваторов

2.2 Обоснование содержания и разработка опросного листа

2.3 Организация анкетирования специалистов

2.4 Статистический анализ и частотная оценка мнений экспертов

2.5 Балльные оценки влияния эксплуатационных факторов на надежность

2.6 Выводы по главе

3 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ МНОГОУРОВНЕВОГО ЦИФРОВОГО

МОДЕЛИРОВАНИЯ НАГРУЖЕННОСТИ СИЛОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ

3.1 Нелинейные компьютерные модели силовых конструкций рабочего оборудования на основе стержневых аппроксимаций

3.2 Концепция многоуровневого цифрового моделирования силовых конструкций рабочего оборудования

3.3 Индивидуализированные оценки нагруженности сварных соединений

3.4 Численный пример реализации технологии многоуровневого цифрового моделирования нагруженности

3.5 Выводы по главе

4 ПОСТРОЕНИЕ ЦИФРОВЫХ МОДЕЛЕЙ НАГРУЖЕННОСТИ СИЛОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ ЭКСКАВАТОРА ЭКГ-12,5

4.1 Обоснование характера внешних нагрузок для цифрового моделирования

4.2 Модель внешних квазистатических нагрузок на кромке ковша экскаватора

4.3 Компьютерные модели силовых конструкций рабочего оборудования ЭКГ-12,5

4.4 Практическая реализация цифровых моделей силовых конструкций рабочего оборудования ЭКГ-12,5

4.5 Выводы по главе

5 ИНТЕГРАЦИЯ ЭКСПЕРТНЫХ ПРОГНОЗОВ ОТКАЗОВ И ЦИФРОВЫХ МОДЕЛЕЙ НАГРУЖЕННОСТИ ЭКСКАВАТОРОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ

5.1 Концепция совместного использования экспертных знаний о закономерностях отказов и данных о нагруженности машин для повышения их

надежности

5.2 Взаимосвязь энергоемкости экскавации и сопротивления горной массы копанию

5.3 Алгоритм расчетной оценки удельной энергоемкости экскавации в связи с сопротивлением горной массы копанию

5.4 Оценка фактической нагруженности экскаваторов на базе расчетного прогнозирования и оперативного мониторинга удельной энергоемкости экскавации

5.5 Технология и организация оперативного управления плановыми межремонтными периодами парка экскаваторов

5.6 Прогнозирование и снижение риска повреждения силовых конструкций рабочего оборудования при нарушении правил технической эксплуатации

5.7 Дальнейшие перспективы использования экспертных прогнозов отказов и цифровых моделей нагруженности экскаваторов для повышения их надежности

5.8 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Фрагмент статистических данных об отказах карьерных экскаваторов с электромеханическим приводом

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Иллюстрация типичных разрушений силовых конструкций рабочего оборудования экскаваторов

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Примеры заполненных анкет на стадии пробного анкетирования

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Бланк анкеты

ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Первичная обработка результатов анкетирования

ПРИЛОЖЕНИЕ Е. Программа оценки сопротивления копанию по результатам сравнительного анализа фактического и прогнозного удельного

сменного энергопотребления карьерных экскаваторов

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж. Акт об использовании результатов

диссертационной работы

ПРИЛОЖЕНИЕ И. Акт внедрения в учебный процесс результатов диссертационной работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение надежности экскаваторов на основе прогноза отказов и цифровых моделей нагруженности силовых конструкций»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Эффективность технологических процессов открытых горных работ в значительной степени определяется уровнем технического состояния выемочно-погрузочного оборудования, обусловленного качеством его эксплуатации.

По результатам анализа состояния парка карьерных одноковшовых гусеничных экскаваторов с электромеханическим приводом на разрезах «Назаровский» и «Бородинский» АО «СУЭК-Красноярск» установлено, что значительная часть эксплуатируемых экскаваторов введена в производство в последних десятилетиях XX века. Сравнение надежности экскаваторов данного парка в периоды работы с 1970 по 1985 гг. и с 2014 по 2019 гг. показало, что количество отказов кардинально не снизилось, при этом значимую долю занимают отказы рабочего оборудования экскаваторов. На основании результатов многочисленных работ по данной тематике был сделан вывод, что в формировании уровня надежности экскаваторов участвует значительное число факторов различной природы, причем для каждой машины может формироваться индивидуальная структура причинно-следственного комплекса этих факторов. При этом далеко не все факторы, влияющие на надежность машины, поддаются однозначному количественному анализу и интерпретации, что ограничивает возможности управления этими факторами.

Значительный вклад в изучение закономерностей формирования эксплуатационной надежности горных машин внесли Гетопанов В.Н., Иванов С.Л., Квагинидзе В.С., Кох П.И., Махно Д.Е., Насонов М.Ю., Паначев И.А., Русихин В.И., Солод В.И., Хорешок А.А., Шадрин А.И. и многие другие. Однако в силу большого разнообразия условий эксплуатации и нагружения силовых конструкций рабочего оборудования, отличающихся даже на одном горнодобывающем предприятии, а также слабой формализуемости и сложного

взаимовлияния многочисленных факторов, формирующих уровень надежности, накопленный опыт теоретических и экспериментальных исследований не в полной мере отражает взаимосвязь надежности и условий и режимов эксплуатации карьерных экскаваторов.

В связи с этим, разработка новых методов повышения эксплуатационной надежности парка карьерных экскаваторов, основанных на индивидуализированном подходе к учету условий нагружения и влияния слабоформализуемых факторов применительно к каждой единице оборудования, является актуальной научной задачей.

Цель работы - повышение эксплуатационной надежности парка карьерных экскаваторов за счет индивидуализированного подхода к эксплуатации каждой машины, основанного на совместном использовании цифровых моделей нагруженности силовых конструкций, экспертных прогнозов наступления отказов и риска повреждений рабочего оборудования.

Идея работы состоит в том, что повышение эксплуатационной надежности достигается за счет ремонтных воздействий, порядок организации которых определяется и корректируется в соответствии с текущим прогнозом отказов и риска повреждений на основе интеграции цифровых моделей нагруженности рабочего оборудования, экспертных знаний о значимости факторов отказов и данных оперативного мониторинга условий и показателей работы машин.

Объект исследования - эксплуатационная надежность парка карьерных электромеханических экскаваторов.

Предмет исследования - взаимосвязь отказов и риска повреждений рабочего оборудования экскаваторов с комплексом слабоформализуемых эксплуатационных факторов.

Задачи исследования:

1 Изучить причинно-следственный комплекс отказов карьерных экскаваторов и установить наиболее значимые факторы, оказывающие влияние на повышение эксплуатационной надежности.

2 Разработать и практически реализовать алгоритмы построения

цифровых моделей нагруженности рабочего оборудования карьерных экскаваторов в связи с сопротивлением горной массы копанию.

3 Разработать методику корректировки сроков плановых ремонтов парка экскаваторов на основе индивидуализированных оценок нагруженности и прогноза наступления отказов и риска повреждений рабочего оборудования.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1 Основными факторами управления эксплуатационной надежностью карьерных экскаваторов являются нагруженность рабочего оборудования, стратегия технического обслуживания и ремонта, квалификация машиниста, горнотехнические и организационные условия эксплуатации.

2 Оценки фактических значений сопротивления копанию и многоуровневые цифровые модели силовых конструкций рабочего оборудования карьерных экскаваторов являются информационной базой для определения эксплуатационной нагруженности машин в условиях горнодобывающего предприятия.

3 Максимальная готовность парка карьерных экскаваторов обеспечивается организацией ремонтных воздействий, планируемых на основе индивидуальных прогнозных оценок наступления отказов и риска повреждения машин, полученных путем оперативного анализа их эксплуатационной нагруженности и фактического влияния основных факторов эксплуатации.

Научная новизна:

1 Доказана возможность прогнозирования наступления отказов экскаваторов путем суммирования экспертных оценок значимости факторов, влияющих на надежность рабочего оборудования, приведенных к безразмерным коэффициентам влияния и нормированных в интервале от 0 до 1.

2 Разработаны многоуровневые цифровые модели силовых конструкций рабочего оборудования карьерных экскаваторов, включающие в себя стержневые модели металлоконструкций, трехмерные модели сварных узлов и деталей и представляющие собой структурированные массивы данных о силовых факторах, действующих во всех элементах конструкции, узлах, деталях, соединениях машин

при дискретизированных положениях рабочего оборудования и сопротивлениях горной массы копанию.

3 Составлен алгоритм оценки фактического среднесменного сопротивления горной массы копанию, основанный на обратном анализе зависимости энергоемкости экскавации от коэффициента удельного сопротивления копанию и мониторинге фактических значений производительности и энергопотребления экскаваторов.

4 Предложена концепция объединения разнородных качественных (экспертные знания) и количественных (цифровые модели нагруженности) данных для получения и использования текущего прогноза наступления отказа экскаватора с последующей адаптацией графиков плановых ремонтов к горнотехническим и организационным условиям горнодобывающего предприятия.

Теоретическая и практическая значимость заключается в том, что результаты работы позволяют принимать обоснованные решения по индивидуализированному назначению плановых ремонтов с учетом технического состояния и условий работы машин, что обеспечивает повышение уровня технической готовности экскаваторов. Алгоритм оценки фактического среднесменного сопротивления горной массы копанию, обоснованный в диссертации, защищен свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Соответствие диссертации научной специальности: диссертация соответствует паспорту специальности 2.8.8 «Геотехнология, горные машины» в части следующих направлений исследований - п. 15 «Методы и средства повышения эксплуатационных характеристик и надежности горных машин и оборудования, в том числе за счет обоснования рациональных режимов их функционирования на открытых и подземных горных работах», п. 16 «Техническое обслуживание и ремонт горных машин и оборудования с учетом специфики горно-геологических и горнотехнических условий их эксплуатации».

Методология и методы исследования включают: анализ и обобщение научно-технической литературы; компьютерное моделирование силовых конструкций рабочего оборудования экскаваторов с использованием научных положений строительной механики и теории упругости; метод экспертных оценок при определении значимости факторов, влияющих на надежность парка экскаваторов; научное обобщение теоретических и экспериментальных исследований.

Обоснованность и достоверность результатов, научных положений и выводов подтверждается значительным объемом статистических данных об отказах и разрушениях металлоконструкций рабочего оборудования экскаваторов, анкетированием специалистов-горняков на карьерах Восточной Сибири и Дальнего Востока, применением апробированного программного обеспечения конечно-элементного анализа.

Личный вклад автора состоит в сборе и обработке статистических данных о надежности карьерных электромеханических экскаваторов, организации и проведении экспертного анализа факторов, влияющих на их надежность; проведении численных исследований нагруженности элементов рабочего оборудования экскаватора с емкостью ковша 12 м3; разработке программного обеспечения оценки сопротивления копанию по результатам сравнительного анализа фактического и прогнозного удельного сменного энергопотребления парка карьерных экскаваторов; разработке методики ранжирования экскаваторов по приоритетности ремонтного воздействия.

1 ХАРАКТЕРИСТИКА И УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ КАРЬЕРНЫХ ЭКСКАВАТОРОВ

1.1 Характеристика эксплуатационной надежности карьерных

экскаваторов

Традиционный подход к анализу эксплуатационной надежности машин заключается в сборе и статистической обработке данных о фактических отказах деталей, узлов, элементов конструкций этих машин. Несмотря на то, что анализу эксплуатационной надежности за последние десятилетия посвящено большое количество работ [1-12], тема продолжает оставаться актуальной в силу того, что

- постепенно обновляются парки машин на горных предприятиях (вводятся новые модификации машин с изменившимися конструктивными решениями, меняется структура парка оборудования, в том числе доли машин с разными емкостями ковшей);

- за последние годы существенно изменились условия хозяйствования (изменения в экономических отношениях, методах управления и организации производства непосредственно влияют на техническую политику предприятий в области стратегий эксплуатации, включая стратегии поддержания уровня надежности оборудования (контроля технического состояния, организации и планирования технического обслуживания и ремонтов, управление запасами запасных частей));

- широкое распространение, в том числе в горной промышленности, получают информационные, в том числе, цифровые технологии, открывающие новые возможности использовании информации об эксплуатационной надежности для повышения эффективности использования парка оборудования.

Поэтому на первом этапе необходимо проанализировать свежую статистику отказов и аварий экскаваторов, сравнить результаты с полученными ранее

данными других авторов, понять тенденции изменения общего уровня надежности экскаваторов. Это позволит сформулировать приоритетные задачи, направленные на снижение простоев в неплановых ремонтах и повышение эффективности эксплуатации парка горнодобывающего оборудования.

Исходной информацией для анализа надежности послужили собранные автором данные об отказах, разрушениях и авариях одноковшовых гусеничных экскаваторов с электромеханическим приводом отечественного производства на разрезах АО «СУЭК-Красноярск» в период с 2014 по 2019 год, общим объемом 105 машино-лет. Статистические данные по каждому отказу представлены типом и заводским номером экскаватора, датой и временем отказа, временем простоя в течение восстановления работоспособности, краткой характеристикой отказа и мероприятий по его устранению (Приложение А). Локализация зон трещинообразования и разрушения характеризуется фотографиями, выполненными при фиксации и расследовании фактов разрушения (Приложение

Б).

Объем полученных статистических данных достаточен для применения методов математической статистики и получения достоверных выводов о надежности.

Укрупненно результаты статистического анализа отказов выглядят следующим образом [13] *.

Внеплановые простои экскаваторного парка были разделены по отказам двух основных систем: механической и электрической, соотношение которых представлено на рисунке 1.1. Значительную часть времени, затраченного на восстановление отказов экскаваторного парка, составляют простои из-за поломок механической системы экскаваторов (12066 часов), при этом было зафиксировано 637 отказов механической части экскаваторов. Из них 74 отказа принадлежат элементам, относящимся к ходовой тележке, 164 отказа относятся к отказам

* В публикации [13] результаты получены соискателем лично и составляют 100 % от объема всей публикации.

элементов поворотной платформы и 399 - к отказам элементов силовых конструкций рабочего оборудования (рисунок 1.2).

Термин «силовые конструкции рабочего оборудования» не является общепринятым. Традиционно к рабочему оборудованию экскаваторов ЭКГ относятся стрела, рукоять, ковш с подвеской, механизм открывания днища ковша, подвеска стрелы. Однако указанные элементы рабочего оборудования образуют единую конструктивно-силовую схему с двуногой стойкой, подкосами и приводами, и не могут рассматриваться без них при детальном анализе работы экскаватора. Поэтому в дальнейшем под силовыми конструкциями рабочего оборудования будем понимать механическую систему, включающую в себя как традиционные элементы рабочего оборудования, так и другие элементы металлоконструкций и приводов, образующих с рабочим оборудованием единую конструктивно-силовую схему. Соответственно, в некоторых рассуждениях в составе силовых конструкций рабочего оборудования выделяется подсистема металлоконструкций рабочего оборудования.

Рисунок 1.1 - Распределение времени и числа отказов экскаваторов по причинам их

возникновения

I Ходовая тележка

Поворотная платформа

Силовые конструкции рабочего оборудования

Рисунок 1.2 - Соотношение отказов элементов механической системы экскаваторов

К отказам элементов силовых конструкций рабочего оборудования отнесены отказы лебёдки подъёма и напора, двуногой стойки и подкосов, стрелы, седлового подшипника, рукояти, ковша, механизма открывания днища ковша.

Из 399 отказов силовых конструкций рабочего оборудования 304 отказа приходятся на механизмы и 95 отказов на металлоконструкции рабочего оборудования. Распределение количества отказов по элементам металлоконструкций рабочего оборудования, средняя наработка на отказ и среднее время одного отказа характеризуются таблицей 1.1.

При этом соотношение количества отказов силовых конструкций рабочего оборудования и распределение времени их простоев представлено на рисунке 1.3.

Проведенный анализ надёжности карьерных экскаваторов свидетельствует, что отказы силовых конструкций рабочего оборудования карьерных экскаваторов занимают более половины от общего числа отказов механической системы, что подтверждает необходимость повышенного внимания к обеспечению надежности именно этих конструкций. Анализ распределения времени отказов элементов рабочего оборудования показывает, что устранение отказов седлового подшипника занимает около 42 % от общего времени восстановления отказов силовых конструкций рабочего оборудования, а на доли устранения отказов рукояти и стрелы приходится по 23 %.

Таблица 1.1 - Количество отказов, средняя наработка на отказ и время устранения отказа силовых металлоконструкций рабочего оборудования

Узел отказа Количество отказов Средняя наработка на отказ, сут. Среднее время устранения отказа, ч.

Седловой подшипник 43 172,8 22

Ковш 33 649,4 5

Стрела 4 834,0 133

Рукоять 8 1084,5 65

Двуногая стойка и подкосы 7 494,3 17

а

б

Рисунок 1.3 - Соотношение отказов силовых конструкций рабочего оборудования (а) и

распределение времени простоев (б)

Аналогичные исследования структуры надежности экскаваторов [1 -7], показывают, что в большинстве случаев отказы механического оборудования преобладают и составляют 50-86 % от их общего количества. В механической части преобладают отказы рабочего оборудования и составляют от 30 % до 70 %.

Проведенные исследования структуры надежности карьерных экскаваторов [8-11], показывают, что максимальное количество отказов в механической

системе карьерных экскаваторов приходится на узлы рабочего оборудования, а именно рукояти, седлового подшипника, стрелы, ковша.

Анализ отказов механического оборудования и металлоконструкций экскаваторов разрезов Назаровский и Бородинский АО «СУЭК-Красноярск» за период конца 70-х - начала 80-х годов прошлого века проводился в [12]. Некоторые из рассмотренных в данной работе экскаваторы до сих пор находятся в эксплуатации: это ЭКГ-4У (зав. № 201), ЭКГ-12,5 (зав. № 1) и ЭКГ-12,5 (зав. № 2). При сравнении результатов анализа надежности парка экскаваторов, проведенных в [12] и нами, можно сделать вывод, что количество отказов и аварий оборудования за 30 лет не снизилось кардинально. Так, за 8 рассматриваемых в [12] лет эксплуатации 22 экскаваторов количество отказов составило около 3400 (в среднем 3400/(8-22)=19,3 отказа на 1 экскаватор в год), а за рассматриваемый нами период (5 лет) эксплуатации 21 экскаватора типа ЭКГ, общее количество отказов составило около 1500 (в среднем 1500/(5-21)=14,3 отказа на 1 экскаватор в год). Сравнение также показывает, что доли отказов подсистем остались примерно на том же уровне - около 40 % отказов электрической подсистемы и около 60 % отказов механической подсистемы, при этом значимую долю занимают отказы рабочего оборудования экскаваторов.

Наибольший объем отказов элементов рабочего оборудования для всех типов экскаваторов вызван хрупкими разрушениями металлоконструкций: двуногой стойки и подкосов, стрелы, седлового подшипника, рукояти и ковша.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что современный уровень надежности карьерных экскаваторов неудовлетворителен - отсутствуют существенные улучшения по сравнению с прошлыми десятилетиями. По-прежнему высоки количество отказов и простои в неплановых ремонтах, велики материальные и финансовые затраты на устранение последствий разрушений и аварий.

Что является источником этой неудовлетворительной ситуации? Очевидно, существует целый ряд предпосылок низкой надежности - если бы причина была одна и очевидна, она давно была бы устранена. Проанализируем возможные

причины разной природы и происхождения (причинно-следственный комплекс), приводящие к отказам и авариям карьерных экскаваторов.

На надежность, срок службы и уровень качества горной машины в целом и ее деталей оказывает значительное количество факторов, которые условно можно разделить на две группы: конструктивные факторы, и эксплуатационные факторы, которые в свою очередь делятся на факторы производственной и технической эксплуатации. Под производственной эксплуатацией понимается использование экскаватора по назначению - непосредственная экскавация горной массы, а к технической эксплуатации относим следующее: транспортирование, хранение, техническое обслуживание и ремонт экскаваторов.

Конструктивные факторы складываются из особенностей проектирования, технологий изготовления и монтажа экскаваторов.

Основными причинами низкой надежности, формируемыми на стадии проектирования, могут быть: невысокое качество проектных расчетов, вызванное неправильным выбором расчетных схем и случаев нагружения [14, 15], недостаточным учетом условий эксплуатации и возникающих усилий в элементах [16-23] или применение усредненных значений сопротивлений копанию и динамических нагрузок [24], конструктивно-технологические несовершенства проекта [3, 16].

Согласно исследованиям [25], во всех обследованных экскаваторах трещины металлоконструкции появляются приблизительно в одних и тех же местах, что указывает на наличие определенных «слабых» мест в конструкции экскаватора.

В работах [3, 4, 7, 25-27] в качестве основных причин усталостного разрушения металлоконструкций экскаваторов-мехлопат указываются концентраторы напряжений - дефекты сварных соединений, места изменения сечений металлоконструкций.

Кроме того, причины появления некоторых отказов закладываются на стадии изготовления и монтажа [1], среди которых: несоблюдение рекомендаций проектных организаций при изготовлении деталей, сборке и монтаже [14],

несоответствие материалов и комплектующих изделий условиям эксплуатации или их низкое качество [14, 28], конструкторско-технологические особенности деталей и сварных швов (невозможность двухсторонней проварки шва изделий из труб) [27, 29].

Исследования [26] показывают, что первые несколько лет эксплуатации экскаваторов сопровождаются большим количеством отказов, связанных с процессом приработки узлов и деталей и устранением заводских дефектов.

К причинам отказов экскаваторов, связанным с производственной эксплуатацией, можно отнести горно-геологические, горнотехнические и природно-климатические факторы; организацию ведения горных работ и квалификацию персонала.

Наиболее значимыми горно-геологическими и горнотехническими факторами, входящими в комплекс причин отказов, являются: физико-механические свойства пород [30-32], категория пород по трудности экскавации, условия и сложность их залегания [31-34], качество подготовки забоя [3, 25, 29-42].

Влияние природно-климатических условий эксплуатации носит комплексный характер, а степень их влияния зависит от интенсивности и продолжительности воздействия факторов и их сочетания.

Наибольшее влияние на надежность экскаваторов среди многообразия природно-климатических факторов оказывают: воздействие высоких и низких температур [30-32, 42-58], резкие колебания температуры [30-32, 56, 57], осадки, образование инея и наледей [30-32, 42], повышенная влажность [31, 32, 44, 57], запыленность [31, 32, 44, 47, 51] и агрессивность воздуха [44, 59, 60], скорость ветра [31, 32, 42, 52, 57], солнечная радиация [30, 44].

Основными факторами, влияющими на надежность экскаваторов, при организации горных работ могут являться: интенсивность производственной загрузки оборудования, соответствие параметров экскаватора параметрам транспорта, ритмичность подачи транспорта, частота и расстояние перегонов экскаватора [33, 34], сейсмические нагрузки, возникающие при проведении взрывных работ [61, 62].

Причины частых аварийных отказов могут объясняться действиями и квалификацией машинистов экскаваторов, при этом надежность рабочего оборудования экскаваторов зависит от уровня формируемых динамических нагрузок в базовых узлах машин [37, 63-65].

Одним из основных факторов, влияющих на трещинообразование в металлоконструкциях экскаваторов, является появление динамических перегрузок, возникающих вследствие столкновения ковша с некондиционными кусками породы, представляющими непреодолимое препятствие и не видными оператору; слоями разрушенных пород с низким коэффициентом разрыхления; невзорванными естественными отдельностями [3, 25]. Так возникновение пиковых нагрузок возможно вследствие: «разбора» негабаритов рабочим оборудованием [37, 38], копания с поворотом на выгрузку, длительное время работы в стопорных режимах электропривода [3, 34], изменения скорости подъема ковша в период черпания [66, 67], эксплуатации экскаваторов на рабочих площадках с превышением допустимых углов наклона [23, 34, 40].

К наиболее значимым факторам, оказывающим влияние на надежность экскаваторов в процессе технической эксплуатации, относятся: технология и качество монтажа и наладки [32, 68], нарушение нормативов транспортировки и хранения [69], организация диагностики, технического обслуживания и ремонтов экскаваторов [32, 55, 69-88], качество и технология ремонтных воздействий [30, 32, 69, 89-91], качество запасных элементов [32, 55, 69, 70, 92].

Выполненный обзор позволяет говорить о весьма сложной структуре причинно-следственного комплекса отказов (рисунок 1.4), большом числе влияющих факторов. При этом далеко не все из них поддаются однозначному количественному анализу и интерпретации. Это ограничивает возможности управления этими факторами, а их учет для целенаправленного управления надежностью парка машин требует дальнейшего изучения.

Рисунок 1.4 - Укрупненная схема причинно-следственного комплекса отказов карьерных

экскаваторов

Далее подробно рассмотрим предпосылки к возникновению отказов и аварий, формирующиеся на стадии проектирования машин, в частности, выполнения проектных расчетов. Хотя на эти факторы уже невозможно повлиять на стадии эксплуатации, их установление и анализ предположительно позволит оценить качественную картину возможностей повышения надежности при эксплуатации.

1.2 Проектные расчеты - предпосылки формирования эксплуатационной надежности

Расчет элементов силовых конструкций рабочего оборудования карьерных экскаваторов традиционно производится аналитическими методами. Рассмотрим особенности расчётов некоторых типовых конструкций: рукояти, ковша, стрелы, двуногой стойки.

Конструкция и соотношение размеров рукояти таковы, что использование балочных расчетных схем является естественным вариантом идеализации объекта при расчете. Вариации в расчётной схеме определяются конструктивным решением - одно- или двухбалочным вариантом рукояти.

Рукоять подвержена изгибу в вертикальной и горизонтальной плоскостях, кручению, сжатию и растяжению [93-98]. Расчет рукояти сводится к расчету консольной балки в наиболее тяжелых положениях нагружения (усилие сопротивления грунта копанию приложено к одному крайнему зубу, усилие подъема ковша приложено к центральному шарниру крепления подвески ковша, усилие напора приложено по оси рукояти) [22, 93, 95, 98]. Причем однобалочную рукоять рассматривают как балку, заделанную в седловом подшипнике, а внешнюю рукоять - как балку, заделанную в ковше и нагруженную силами, действующими через седловой подшипник и напорный вал [22, 93, 96, 98]. При расчете двухбалочных рукоятей учитывают неравномерность передачи реакции седлового подшипника на ветви, возникающую из-за неравномерного распределения реакции грунта на зубья ковша.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Альшанская Анна Александровна, 2024 год

! коэффициент использования во времени

kisp=1.-(tsg+tv+tto+top+tdt+tor+tsmm)/tsmen

! дискретизация коэффициента сопротивления копанию

deltakf=(kfmax-kfmin)/2 0. do 1 j=1,21 1 kf(j)=kfmin+deltakf*(j-1)

! расчет весовых характеристик

mp=E*gamm/Kr

Gk=mk*g

Gkp=(mk+mp)*g

Gruk=mruk*g

Grukk=Gruk*r2/lruk

! касательная сила сопротивления копанию и

! усилие привода подъема при копании

do 2 j=1,21

p01(j)=1000.*kf(j)*E/(hv*Kr)

spk(j)=(p01(j)*r1+Gkp*r3+Grukk*r4)/r2

jmax=j

2 if (spk(j).ge.spkmax) goto 22 22 jmax=jmax-1

print*,'Максимальный коэффициент сопротивления

копанию',kf(jmax) print*,' '

print*,'Касательная сила сопротивления копанию P01, кН'

print*,(p01(j),j=1,jmax)

print*,' '

print*,'Усилие привода подъема при копании, кН'

print*,(spk(j),j=1,jmax)

print*,' '

! усилие привода подъема при повороте на разгрузку

spraz=(Gkp*r3raz+Gruk*r4raz)*cos(21.*2.*pi/360.)/&

(r2raz*sin(78.*2.*pi/360.)) print*,'Усилие привода подъема при повороте на разгрузку,&

кНspraz print*,' '

! усилие привода подъема при повороте порожнего ковша в

! забой

spzab=(Gk*r3raz+Gruk*r4raz)*cos(21.*2.*pi/360.)/&

(r2raz*sin(78.*2.*pi/360.)) print*,'Усилие привода подъема при повороте порожнего&

ковша в забой, ^^spzab print*,' '

! средневзвешенная мощность привода подъема

do 3 j = 1,jmax

3 power_lift(j)=(spk(j)+0.1*spraz+1.1*spzab)*0.8/&

(3.* kpdmain)

print*,'Средневзвешенная мощность привода подъема, кВт'

print*,(power_lift(j),j=1,jmax)

print*,' '

! энергозатраты привода подъема за цикл копания

do 4 j=1,jmax

4 ener_lift(j)=power_lift(j)*tts/3 600. print*,'Энергозатраты привода подъема за цикл копания,&

кВт*час' print*,(ener_lift(j),j=1,jmax) print*,' '

! усилие привода подъема при копании

do 5 j=1,jmax

5 snk(j)=p01(j)/2.

print*,'Усилие привода подъема при копании, кН'

print*,(snk(j),j=1,jmax)

print*,' '

! усилие привода напора при повороте на разгрузку

snraz=spraz*cos(78.*2.*pi/360.)+(Gkp+Gruk)*&

sin(21.*2.*pi/360.) print*,'Усилие привода напора при повороте на разгрузку,&

кН',snraz print*,' '

! усилие привода напора при повороте порожнего ковша в забой

snzab=Gk+Gruk

print*,'Усилие привода напора при повороте порожнего&

в забой, ^^snzab print*,' '

! средневзвешенная мощность привода напора

do 6 j = 1,jmax

6 power_push(j)=(snk(j)+1.*snraz+1.*snzab)*0.33/(3.*kpdmain) print*,'Средневзвешенная мощность привода напора, кВт' print*,(power_push(j),j=1,jmax)

print*,' '

! энергозатраты привода напора за цикл копания

do 7 j=1,jmax

7 ener_push(j)=power_push(j)*tts/3600.

print*,'Энергозатраты привода напора за цикл копания,&

кВт*час' print*,(ener_push(j),j=1,jmax) print*,' '

! моменты инерции вращающихся частей

rrp=ld/2.-lps

Jp=1000.*mpla*(((ld/2.)**2+(lw/2.)**2)/3.+rrp**2)

Jc=1000.*mst*rc**2

Jkp=1000.*(mk+mp)*rv**2

Jk=1000.*mk*rv**2

Jn=1000.*mnap*rn**2 Jruk=1000.*mruk*rp**2 Jpol=Jp+Jc+Jkp+Jn+Jruk Jpor=Jp+Jc+Jk+Jn+Jruk

! угловая скорость вращения

ompla=2.*pi*1.9/60.

! средневзвешенная мощность привода поворота

power_rot=(ompla**2*(Jpol+Jpor)/(tts/3.))/1000.

! энергозатраты привода поворота за цикл копания

ener_rot=power_rot*tts/3 60 0.

print*,'Средневзвешенная мощность привода поворота,&

кВт',power_rot print*,' '

print*,'Энергозатраты привода поворота за цикл копания,&

кВт*час',ener_rot print*,' '

! суммарная средневзвешенная мощность главных приводов за

! цикл копания

do 8 j=1,jmax

8 power_sum(j)=power_lift(j)+power_push(j)+2./3.*power_rot print*,'Суммарная средневзвешенная мощность главных&

приводов за цикл копания, кВт' print*,(power_sum(j),j=1,jmax) print*,' '

! энергопотребление вспомогательного оборудования

waux=(Psm*tsm+Psmm*tsmm+Psg*tsg+Pv*tv+Pto*tto+Pop* &

top+Pdt*tdt)/kpdsn print*,'Энергопотребление вспомогательного оборудования,&

кВт*час',waux print*,' '

! полное энергопотребление за смену

do 9 j = 1,jmax

9 ener_sum(j) = (power_sum(j)*tsm+Pper*tsmm/kpdgo) &

/kpdst+waux

print*,'Полное энергопотребление за смену, кВт*час'

print*,(ener_sum(j),j=1,jmax)

print*,' '

! оценка сменной производительности

Qcalc=(3600./tts)*E*tsmen*kisp*kek*kza

print*,'Оценка сменной производительности, куб. м ',Qcalc print*,' '

! оценка удельного энергопотребления

do 10 j=1,jmax

10 wcalc(j)=ener_sum(j)/Qcalc

print*,'Оценка удельного энергопотребления, кВт*час/куб.& м'

print*,(Wcalc(j),j=1,jmax) print*,' '

! фактическое удельное энергопотребление

wfact=zf/Q

print*,'Фактическое удельное энергопотребление,&

кВт*час/куб. м',wfact print*,' '

! оценка коэффициента сопротивления копанию

do 11 j=1,jmax jj=j

11 if(wcalc(j).ge.wfact) goto 12

12 jj=jj-1

print*,'Оценка коэффициента сопротивления копанию', kf(jj)

stop end

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж. Акт об использовании результатов диссертационной работы

(справочное)

АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО

КРАСНОЯРСК КРАИУГОЛЬ

660075, Россия, Красноярск, ул. Маерчака, д.34а Тел, [phone] E-mail: [e-mail]

ОКПО 04536157 ОГРН 1022401786373 ИНН/КПП 2460001984/246001001

№

УТВЕРЖДАЮ Генеральный директор АО «Красноя)геккрайщ)ль»

АКТ

об использовании результатов диссертационной работы Альшанской Анны Александровны

Мы, нижеподписавшиеся представители АО «Красноярсккрайуголь»: Попов Игорь Александрович - главный инженер, к.т.н.;

Фатян Сергей Николаевич - заместитель генерального директора по производству; Соловьян Сергей Петрович - главный механик

составили настоящий акт о том, что следующие результаты диссертационной работы Альшанской А.А. приняты к внедрению:

методика индивидуализированного планирования технического обслуживания и ремонта карьерных экскаваторов, основанная на учете экспертной оценки качества подготовки забоя, квалификации машиниста и фактического срока службы каждой машины;

предлагаемая структура программно-аппаратного обеспечения информационно-вычислительной поддержки эксплуатации парка экскаваторов, основанная на использовании полученных автором цифровых моделей нагруженности металлоконструкций рабочего оборудования.

Предлагаемые методика и программно-аппаратное обеспечение информационно-вычислительной поддержки эксплуатации парка экскаваторов позволяют принимать обоснованные решения по индивидуализированному назначению плановых ремонтов каждого экскаватора с учетом состояния и условий работы, что позволяет повысить уровень технической готовности и снизить затраты на эксплуатацию всего парка машин.

Главный инженер Заместитель генерального директора по производству Главный механик

И.А. Попов

С.Н. Фатян С.П. Соловьян

ПРИЛОЖЕНИЕ И. Акт внедрения в учебный процесс результатов

диссертационной работы

о внедрении в учебный процесс результатов диссертационной работы Альшанской Анны Александровны на тему «Повышение надежности экскаваторов на основе прогноза отказов и цифровых моделей нагруженное™ силовых конструкций»

Результаты диссертационной работы старшего преподавателя Альшанской A.A., посвященной оценке риска отказов и повышению надежности карьерных электромеханических экскаваторов, внедрены в учебный процесс Института цветных металлов Сибирского федерального университета и используются при выполнении курсовых проектов и выпускных квалификационных работ, а также при проведении лекционных и практических занятий по дисциплинам «Механическое оборудование карьеров», «Надежность горнотранспортных машин и «Эксплуатация горных машин и оборудования», предусмотренных учебным планом образовательной программы для специалистов по направлению подготовки 21.05.04 «Горное дело».

(справочное)

ОКПО 02007876; ОГРН 1022402137460; ИНН/КПП 2463011853/246301001

АКТ

Директор Института цветных металлов

В.Н. Баранов

Заведующий кафедрой «Горные машины и комплексы»

A.C. Морим