автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Исследование рациональных режимов работы экскаваторов-драглайнов

На правах рукописи

У4

ч,

ИГНАТЬЕВ Сергей Анатольевич

ИССЛЕДОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭКСКАВАТОРОВ-ДРАГЛАЙНОВ

Специальность 05.05.06 - Горные машины

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1998

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном горном институте им.Г.В.Плеханова (техническом университете) и АООТ «Фосфорит».

Научные руководители: доктор технических наук профессор кандидат технических наук доцент ДА.Юнгмейстер

Официальные оппоненты:

доктор технических наук профессор АЛЖулешов

кандидат технических наук доцент А.И. Только

Ведущее предприятие: АООТ «Фосфорит», г.Кингисепп

Защита диссертации состоится 10 декабря 1998 г. в 16 ч 00 мин на заседании диссертационного Совета Д.063.15.12 в Санкт-Петербургском государственном горном институте им. Г.В.Плеханова по адресу: 199026 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. № 1201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 1998 г.

М.Д.Коломийцов

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного Совета профессор

И.П.ТИМОФЕЕВ

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Совершенствование технологии и повышение производительности АООТ "Фосфорит", производящего минеральные удобрения, является важной, общегосударственной задачей.

Технология ведения горных работ на руднике АООТ "Фосфорит" предполагает использование в качестве вскрышных машин экскаваторы-драглайны.

Шагающие экскаваторы-драглайны нашли основное применение при бестранспортной системе разработки месторождений открытым способом. Обладая технологическими и экономическими преимуществами по сравнению с другими видами экскаваторов, они, в свою очередь, являются более металлоёмкими и технологически сложными машинами, и как следствие, дорогостоящими. Срок службы драглайнов составляет 18-25 лет. За это время происходит не только физический износ основного оборудования, но и его моральное старение. В настоящее время горнодобычные предприятия находятся в тяжелых экономических условиях и не в состоянии своевременно обновлять парк машин. Они вынуждены эксплуатировать машины, отработавшие свой срок службы.

В свою очередь, эксплуатация экскаваторов-драглайнов без учета их технического состояния приводит к авариям, что влечёт за собой остановку всей технологической цепочки и приводит к значительным материальным потерям.

Известные теоретические исследования, направленные на повышение эффективности эксплуатации экскаваторов-драглайнов, в большей своей части посвящены автоматизации электрических систем и не учитывают взаимного влияния основных механизмов экскаватора. Как показал анализ, известные методы определения ресурса узлов горного оборудования нельзя в чистом виде применить к экскаваторам-драглайнам.

Поэтому выбор рациональных режимов работы экскаваторов-драглайнов с учетом их технического состояния и горно-

геологических условий, прогнозирования ресурса основных узлов экскаватора после ремонта являются актуальной задачей.

Цель работы

Повышение ресурса узлов и деталей за счет выбора рациональных режимных параметров экскаватора-драглайна и оптимизации процессов цикла экскавации горной массы.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

]. Разработана математическая модель, описывающая работу электромеханической системы экскаватора-драглайна;

2. Разработана и исследована динамическая модель электромеханической системы драглайна на ЭВМ;

3. Разработан алгоритм имитационной модели процесса экскавации горной массы экскаватором-драглайном;

4. Разработана методика выбора рациональных эксплуатационных параметров экскаватора при его модернизации.

Методы исследования

В работе использованы анализ и обобщение известных научных работ по экскавации горной массы драглайнами, технологии отработки пород средней крепости и моделирование процессов работы экскаватора-драглайна, численное интегрирование, моделирование процессов на РС ЭВМ, а также экспериментальные исследования режимов работы экскаватора-драглайна в производственных условиях.

Научная новизна результатов работы заключается в:

-разработке математической модели электромеханического оборудования экскаватора-драглайна, позволяющей определять предельные значения токов двигателей подъёмной и тяговой лебедок в зависимости от качества взорванной массы, вида скоростной диаграммы, коэффициента жесткости канатов, что дает возможность корректно определять входные параметры при оптимизации производительности и определении ресурса основных узлов драглайна и разработке алгоритма имитационной модели процесса экскавации горной массы экскаватором-драглайном.

Достоверность научных положений, выводов и предложений подтверждается адекватностью расчетной динамической модели электромеханической системы драглайна реальному объекту исследования и представительным объемом экспериментальных данных с применением апробированного математического аппарата для его обработки.

Практическая значимость работы

На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований предложены:

- математическая модель взаимодействия ковша с породой, тяговым, подъёмным канатами и электромеханическими лебёдками;

- имитационная модель выбора рациональных режимных параметров для заданных горно-геологических условий;

- пакет компьютерных программ, позволяющих реализовать имитационную и математическую модель.

Реализация результатов работы

Результаты диссертационной работы приняты к внедрению АООТ "Фосфорит".

Личный вклад автора диссертационной работы:

-разработана динамическая модель электромеханической системы экскаватора-драглайна;

-разработана имитационная модель процесса экскавации горной массы драглайном;

- проведены экспериментальные исследования;

- разработана методика выбора рациональных режимов работы экскаватора.

Апробация работы

Основные положения докладывались на:

IV Международном форуме "Минерально-сырьевые ресурсы стран Содружества Независимых государств" (СПб 1996 г.);

V Международном форуме "Минерально-сырьевые ресурсы стран Содружества Независимых государств" (СПб 1997 г.);

Ежегодной научной конференция студентов и молодых ученых Горно-электромеханического факультета (СПб 1995 г.);

Ежегодной научной конференции молодых ученых "Полезные ископаемые России и их освоение" (СПб 1996 -1998 гг.);

Публикации

Основные положения диссертации отражены в 6 печатных работах.

Объём и структура работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения (125 страниц) и включает в себя 26 таблиц, 39 рисунков и список литературы из 91 наименования.

Содержание

В первой главе представлены тенденция развития горных работ на руднике АООТ "Фосфорит" и краткий обзор современного состояния теории и практики проблемы повышения эффективности использования горного оборудования, в частности экскаваторов-драглайнов.

Вторая глава посвящена разработке имитационной модели процесса экскавации горной массы драглайном. Разработан алгоритм имитационной модели, на основе которого создана компьютерная программа.

Третья глава посвящена разработке и исследованию математической модели электромеханической системы экскаватора-драглайна типа ЭШ 15/90. Проведены исследования различных режимов работы экскаватора. Получены условия устойчивой работы электромеханической системы.

В четвёртой главе приведены результаты экспериментальных исследований фактических режимов работы экскаватора-драглайна типа ЭШ 15/90 в условиях рудника АООТ "Фосфорит".

Пятая глава посвящена разработке методики выбора рациональных режимов работы драглайна.

На основе выполненных исследований сформулированы следующие защищаемые положения:

Оценка устойчивости стационарного режима работы электромеханической системы драглайна осуществляется с учетом вида тахограммы, возможного изменения приведенного момента инерции вращающихся частей и жёсткости тяговых и подъёмных канатов.

При исследовании динамических процессов в главных механизмах экскаватора-драглайна наиболее целесообразным является рассмотрение взаимодействия механизмов подъема и тяги, поскольку механизм поворота на процесс экскавации прямого воздействия не, оказывает.

Механическая система, включающая в себя механизмы подъема и тяги, является трехмассовой и в общем случае может быть описана следующей системой уравнений.

ш

т-

т-

1^- + С12.(х1-х2) = Рдв,

А с1У2 Л

-С12 •(х1 -х2) + С23-(х2 -х3) = Рпр2>

Г О)

у

с1Х|

где VI = — Л

ск-

,У3 =

с1х-,

- линеиные скорости перемеще-

Л Л

ния первой, второй и третьей масс; Ш], ш2, т3 - первая, вторая и третья массы системы; хь х2, Хз - линейные перемещения первой, второй и третьей масс; Си, Сгъ - коэффициенты жесткости соединения первой и второй масс и второй и третьей масс соответственно; Рдв - усилие от действия приводного двигателя; Рпр2 - усилие, передаваемое от первой массы ко второй; Рмех - усилие от действия механизма,

Особенность динамической модели экскаватора-драглайна состоит в том, что в данном случае рассматривать систему как классическую трехмассовую не представляется возможным из-за сложной траектории движения ковша в пространстве, а, следова-

тельно, постоянного изменения мгновенной взаимной ориентации усилий, создаваемых подъемным и тяговым механизмами. Решение системы уравнений (1) возможно только при рассмотрение процессов в неортогональной системе координат, ориентированной в пространстве по мгновенным направлениям подъемного и тягового канатов. Тогда классическая трехмассовая система трансформируется в две взаимосвязанные двухмассовые системы.

Упрощенная динамическая модель главных механизмов экскаватора-драглайна во взаимосвязи представлена на рис. 1.

Рис. 1 Динамическая модель главных механизмов экскаватора-

драглайна.

На схеме обозначено: Ш1 - суммарная приведенная масса стрелы и подвижных частей привода механизма подъема; пъ -суммарная приведенная масса механизма тяги; п\з - суммарная приведеная масса ковша с грунтом; гщ - суммарная приведенная масса экскаватора за исключением ковша и стрелы; С] - жесткость канатов подъемной лебедки; С2 - жесткость канатов тяговой лебедки; Сз - суммарная приведенная жесткость подвески стрелы: Р1 - приведенное движущее усилие, создаваемое эквивалентным

Ч

$

двигателем механизма подъема; Р2 - приведенное движущее усилие, создаваемое эквивалентным двигателем тягового механизма; Б - приведенное внешнее сопротивление грунта копанию; -приведенное усилие от веса экскаватора, удерживающее его от опрокидывания.

Электроприводы механизмов подъема и тяги выполнены по идентичным схемам. Поэтому математическое описание для них выглядит одинаково. В основу схемы положена система генератор - двигатель постоянного тока с системой автоматического регулирования по цепи возбуждения генератора. Элементы такой системы имеют общеизвестное математическое описание.

Динамическую модель (рис.1) можно привести к эквивалентной трехмассовой системе, состоящей из двух взаимосвязанных двухмассовых, которая с учетом (1) описывается следующим образом.

Для механизма подъема:

+ -(Ф1-ф2) = Мда, ^ 2

х2 = • Ф2> М,

>

(2)

Р = гмп

'дп

Я

1

то — — С ] 7 Л

(х1-х2) = Р£п>

У

где - момент инерции приведенный к валу двигателя механизма подъема с собственным моментом инерции 1до, моментом инерции редуктора I р и барабана 1б подъемной лебедки, а также

массой подъемных канатов шпк; Я) = -радиус приведения;

2*1п

Бб - диаметр барабана подъемной лебедки; ¡п - передаточное число редуктора подъемного механизма; С] - жесткость подъемных канатов; со 1 - частота вращения двигателя подъемной лебедки;

ф1 - мгновенное значение угла поворота вала двигателя подъемной лебедки; х2, фг - относительное перемещение ковша с породой в направлении подъемных канатов и приведенное к валу двигателя механи5м4 подъема относительное угловое перемещение; Uj - линейная скорость перемещения ковша в. направлении подъемны^ канатов; пъ - масса ковша с породой; Мдо - электромагнитный момент, развиваемый двигателем механизма подъема; Рх„ - суммарное возмущающее усилие, действующее в направлении подъемных канатов; FMn - усилие в подъёмных канатах. Для механизма тяги:

dco?

J2 ~~JT~ + С2 • (фз -ф4) = Мдт,

Л

dt

2

J2 = ^дт + Jp + J6 +mTKR2 x4 =R2 -Ф4, M

>

(3)

^mt ~

1дт

R-

Ш2

do 2 dt

-C2-(x3-х4) = РБт, J

где Зг - момент инерции приведенный к валу двигателя механизма тяги с собственным моментом инерции моментом инерции редуктора 3 р и барабана ^ тяговой лебедки, а также массой тяговых канатов штк; Я2 =—— - радиус приведения; 0Тб - диаметр

барабана тяговой лебедки; ¡п - передаточное число редуктора механизма тяги;' 0-2 - жесткость тяговых канатов; <о2 - частота вращения двигателя тяговой лебедки; фз - мгновенное значение угла поворота,вала двигателя тяговой лебедки; Х4, ф4 - относительное перемещение ковша с породой в направлении тяговых канатов и приведенное к валу двигателя механизма тяги относительное угловое перемещение; о2 - линейная скорость перемещения ковша в направлении тяговых канатов; Мдт - электромагнитный

момент, развиваемый двигателем механизма тяги; Р^ - суммарное возмущающее усилие, действующее в направлении тяговых канатов; Рмт - усилие в тяговых канатах.

Динамическая модель представляет собой две взаимосвязанные двухмассовые системы ((2) и (3)), определяющие мгновенное положение ковша в пространстве. Входными воздействиями являются значения электромагнитных моментов двигателей механизмов подъёма и тяги, которые формируются в соответствии с реальным режимом работы экскаватора. Механическая часть модели представляет собой нелинейную систему с двумя независимыми управляющими воздействиями и с двумя взаимосвязными возмущающими воздействиями, равными суммарным сопротивлениям движению ковша в направлении подъёмных и тяговых канатов. Суммарные сопротивления движению ковша в направлении каждого каната складываются из сопротивлений грунта копанию, усилия от веса ковша с породой и от воздействия второго механизма.

Динамическая модель реализована с помощью универсального пакета программ ДИСПАС (диалоговая интегральная система проектирования автоматических систем), разработанного в Московском авиационном институте.

Этот пакет позволяет строить динамические модели, содержащие до 200 элементарных блоков различной конфигурации. Широкий спектр как динамических, так и нединамических элементарных блоков, содержащийся в ДИСПАС, позволил реализовать динамическую модель без внесения каких-либо дополнительных упрощений и структурных преобразований. Решение проводилось методом Рунге-Кутта четвертого порядка. Шаг интегрирования при решении задачи Д1 — 0,001с.

Разработанная динамическая модель позволяет выводить в виде таблиц или в графическом виде практически все интересующие физические величины. При рассмотрении в механической части системы на графике были выведены значения линейной скорости перемещения ковша в направлении подъёмного Уп и тягового Ут канатов, значения суммарного усилия, действую-

щего в направлении подъёмного Рп и тягового Рт канатов, а также значение длины вытравленных подъёмного Ьц и тягового Ьт канатов. При рассмотрении процессов в электрической части системы на графике были выведены значения тока якоря эквивалентного двигателя механизма подъёма 1п и тяги 1т, частоты вращения эквивалентного двигателя подъёма <Вп и тяги сот, а также расчетные тахограммы работы механизмов подъёма и тяги, представляющие заданные значения линейной скорости подъёма Упзад и тяги УТзад.

Расчеты, проведенные для тахограмм с сокращенным временем цикла на 20% от типового, показали, что существенных отклонений в механических процессах не произошло, однако динамические токовые нагрузки на двигатели механизмов подъёма и тяги возросли существенно и превысили значения стопорных токов на 50% и более. Таким образом, повышение производительности экскаватора за счет сокращения времени цикла по отношению к типовому недопустимо по перегрузочной способности электрических машин.

У11Д. "Ь 1.

м/с РВДС хА

Рис. 2 Зависимость тока якоря и угловой скорости вращения электродвигателей механизмов тяги и подъёма во времени при наличии в грунте скальных включений.

Расчеты, проведённые для диаграммы с увеличением времени цикла на 25% от типового, показали, что снижение динамических токовых нагрузок незначительно, а следовательно увеличение времени цикла экскавации нецелесообразно.

Наличие в грунте негабаритов приводит в период копания к существенным возрастаниям динамических усилий (рис.2) в подъёмных и тяговых канатах, следовательно, к возрастанию токовых нагрузок, которые, однако, не выходят за пределы токов отсечки.

Расчеты показали, что снижение приведенных моментов инерции, для экскаватора типа ЭШ 15/90, практически не влияет на характер переходных процессов в механической части системы. Однако при снижении приведенных моментов инерции в 2.15 раза (рис. 3) в кривых изменения токов якоря двигателей подъёмной и тяговой лебёдок появляются значительные колебания с высокой частотой. Дальнейшее снижение приведенных моментов инерции делает переходной процесс расходящимся.

Рис. 3 Зависимость тока якоря и угловой скорости вращения электродвигателей механизмов тяги и подъёма во времени при снижении моментов инерции механизмов подъёма и тяги

в 2,15 раза

Проведенные исследования показали, что снижение жесткости тяговых и подъёмных канатов в 20 раз приводит к возникновению затухающих колебаний с низкой частотой в кривых скорости вращения и тока якоря двигателей подъёмной и тяговой лебедок. Незначительные колебания присутствуют также в кривых линейной скорости движения подъёмных и тяговых канатов, однако, они несущественно сказываются на характере изменения длины подъёмных и тяговых канатов. Дальнейшее снижение жесткости канатов приводит к возрастанию амплитуды этих колебаний без изменения частоты.

Динамическая модель позволила получить осциллограммы основных параметров характеризующих работу экскаватора, в том числе и тока якоря электродвигателей тяговой и подъёмной лебёдок, полученные результаты были подтверждены проведёнными экспериментальными исследования.

Количественная оценка эффективности эксплуатации при модернизации экскаватора должна производиться в первую очередь с учетом ресурса канатов и соотношения выполненной работы базового и нового вариантов.

Выбор рациональных режимных параметров экскаватора-драглайна, при изменении горно-геологических условий либо его модернизации производится с помощью разработанной имитационной модели. В соответствии с алгоритмом имитационной модели составлена компьютерная программа "ЕХСАУ".

Программа позволяет произвести исследование режимов работы экскаватора при различных горно-геологических условиях, исследовать влияние модернизации основных узлов на режимные параметры характеризующие работу экскаватора-драглайна. Результатами моделирования являются нагрузочные и скоростные диаграммы, которые позволяют провести энергетический анализ протекающих в приводах процессов и оценить их загруженность. Прогнозировать, ресурс модернизированных узлов, удельные энергозатраты и производительность машины.

Оценку эффективности эксплуатации экскаваторов предлагается проводить, используя ресурс канатов, которые имеют наи-

меньший срок служоы среди основных узлов и являются визуальными индикаторами нагрузки.

Для прогнозирования ресурса узлов предлагается использовать формулу (6), которая является синтезом двух методов определения ресурса, предложенных проф. Коломийцовым М.Д. и проф. Рачеком В.М..

v

1=11Г

'пА?Л

I —

V 1 /

•(збОО-тр)1

Кк, АР

(6)

где Ик^к ~ ресурс канатов базового варианта и расчетного, м3; А?,аР - работа выполненная канатами при выполнении Гго" операции при базовом и расчетном вариантах, кВтч; ^, ^ - продолжительность Гтой операции цикла базового и расчетного вариантов, с; Тб, Тр - продолжительность цикла базового и расчетного

вариантов, с; (2с,С>£- сменная производительность базового и

расчетного вариантов, м3; Кк - энергоресурс каната, кВтч; АР -потери мощности в канате, кВт.

Работа, выполненная тяговыми канатами по операциям цикла, определяется следующим образом: - при копании горной породы Е.(1 + Я.0)-Кг

тк

Ак= } о

Ь-Кг

- + вк+п -эта + Ц1СК+П -со5 а

[ЛЬ (8)

где Е - вместимость ковша, м; - отношение объёма призмы волочения к объёму ковша; К( - коэффициент удельного сопротивления породы копанию; Кр - коэффициент разрыхления; Тк -время копания, с; шк - масса ковша, т; а - угол откоса; ит - скорость копания, м/с; - коэффициент трения ковша о породу, при повороте экскаватора на разгрузку

Тр I Тр

Ар= \ С>к+п ит + / тк+п-со*-Кр-ит-1&, (9) тк 1к тк

при перемещении порожнего ковша в забой А, =Т/ск-^-ит-1с11 + Т/тк-(о2.Кр-ит-гА. (10)

Тр 'к Тр

Работа, выполненная подъёмными канатами по операциям цикла, определяется следующим образом:

при отрыве груженого ковша от забоя

Тот

Аот = /1,5-Ок+п-ип-1<11, (11)

о

где Тот - время отрыва ковша от забоя; и„ - скорость подъёма, при подъёме груженого ковша

тр

Ап= (12)

Тот

где Тр - время разворота экскаватора на разгрузку.

С помощью программы "ЕХСАУ проведен анализ параметров характеризующих процесс экскавации горной массы, в том числе и моментов на валу электродвигателей, при изменении режимов работы экскаватора. Результаты моделирования подтверждаются идентичностью нагрузочных диаграмм полученных теоретическими расчетами и имитационным моделированием..

Заключение

В диссертации, представляющей собой законченную научную работу, приведены разработанные автором теоретические и практические положения, которые в совокупности можно квалифицировать как технические решения по выбору рациональных эксплуатационных параметров экскаваторов-драглайнов с учетом технического состояния экскаватора и изменения горногеологических условий.

Основные научные и практические выводы, полученные в результате проведённых исследований, заключаются в следующем.

1. Принятый на руднике АООТ Фосфорит порядок ведения горных работ, отработка с одного места стоянки драглайна двух уступов, приводит к повышенным динамическим нагрузкам в узлах экскаватора.

2. Установлено, что повышение срока службы узлов экскаватора возможно за счет оптимизации режимных параметров электромеханической системы.

3. Идеализированная математическая модель экскаватора-драглайна может быть представлена трехмассовой системой в виде взаимосвязанных систем дифферинциальных уравнений, где заполнение ковша происходит по линейному закону, а усилия в канатах выражаются через коэффициент жесткости и перемещения.

4. Установлено, что прямоугольная тахограмма вызывает более чем полуторократное превышение пусковых токов электродвигателей основных механизмов, оптимальной скоростной диаграммой драглайна является трапециидальная тахограмма с продолжительностью цикла в пределах 60с.

5. Периодические колебания токов и моментов в электромеханической системе ЭШ 15/90, возникают при изменение жесткости канатов более чем в 20 раз.

6. Установлено, что мгновенное увеличение усилий в тяговых канатах, по амплитуде не превышающие максимальных значений при работе в номинальном режиме возникают при наличие негабаритов во взорванной массе.

7. Изменение приведенных .моментов инерции вращающихся масс в 2.15 раза и более, для ЭШ 15/90, влечет за собой возникновение высокочастотных колебаний, приводящих к неустойчивой работе электроприводов основных механизмов.

8. Результаты расчетов по имитационной модели представленные в виде нагрузочных диаграмм позволяют анализировать загруженность электродвигателей по операциям цикла с учетом величин пусковых токов, полученных при математическом моделировании.

9. Ресурс модернизированных узлов драглайна или основных его узлов при изменении горно-геологических условий с учетом ресурса базового варианта и соотношения выполненных работ при базовом и новом варианте. Ресурс канатов может быть повышен на 10% за счет применения облегченных конструкций ковша, упрощения схем запасовки, использования футеровок шкивов.

Основные положения и научные результаты опубликованы в следующих работах:

1) Методы оценки эффективности эксплуатации и контроля качества приводов экскаваторов ЭШ 15/90.//Ежегодная научная конференция студентов и молодых ученых Горноэлектромеханического факультета. Тезисы докладов. СПб, 1995, с.18.

2) Повышение эффективности эксплуатации экскаваторов-драглайнов. //Ежегодная научная конференция молодых ученых "Полезные ископаемые России и их освоение". Тезисы докладов. СПб, 1996, с.45.

3) Метод оценки эффективности эксплуатации экскаваторов-драглайнов. //Ежегодная научная конференция молодых ученых "Полезные ископаемые России и их освоение". Тезисы докладов. СПб, 1997, с.45.

4) Алгоритм определения энергетических затрат при выполнении цикла экскаватором-драглайном. //Ежегодная научная конференция молодых ученых "Полезные ископаемые России и их освоение". Тезисы докладов. СПб, 1998, с. 113.

5) Метод оценки эффективности эксплуатации экскаваторов-драглайнов. //5Международный форум. Минерально-сырьевые ресурсы стран СНГ. Тезисы докладов Симпозиума "Горное оборудование, переработка минерального сырья, новые технологии, экология". СПб, 1997, с.21.

6) Энергетический метод регулирования режима работы экскаватора-драглайна.//Сборник трудов молодых ученых СПГГИ вып. 2. СПб 1998. С 108-113.