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

61:99-5 8-6

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова

(технический университет)

На правах рукописи

Игнатьев Сергей Анатольевич

ИССЛЕДОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭКСКАВАТОРОВ-ДРАГЛАЙНОВ

Специальность 05.05.06 - "Горные машины'

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители доктор технических наук, проф. [Коломийцов М.Д. , кандидат технических наук, доцент Юнгмейстер Д.А.

Санкт-Петербург 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................5

1. Тенденции совершенствования добычи фосфоритовой руды

в Ленинградской области....................................................................................................8

1.1 Анализ работы рудника...........................................................................................8

1.2 Анализ эффективности горных работ на руднике

АООТ "Фосфорит"..................................................................................................13

1.3 Конструкция экскаватора ЭШ 15/90 и анализ его поломок..........16

1.4 Обзор теоретических исследований..................................................................20

1.5 Цель и задачи исследования......................................................................................31

2. Имитационное моделирование.........................................................................................33

2.1 Усилия, возникающие в тяговом и подъемном канатах при выполнении операций основного цикла..................................................................35

2.1.1 Потери мощности в лебёдках......................................................................37

2.1.2 Потери мощности на изгиб каната и на трение в блоках. 39

2.1.3 Потери мощности на барабане тяговой и подъёмной лебёдок...........................................................................................................40

2.1.4 Потери мощности в зубчатой передаче тяговой и подъемной лебёдок.....................................................................................40

2.1.5 Потери мощности в редукторе тяговой и подъёмной лебёдок..........................................................................................................................................42

2.2 Нагрузочный и скоростной режим работы главных электроприводов экскаватора-драглайна................................................................45

2.3 Работа, выполняемая механизмами экскаватора-драглайна.... 50

2.4 Алгоритм имитационной модели..........................................................................53

3. Математическая модель электромеханической системы

экскаватора-драглайна......................................................................................................................58

3.1 Математическая модель механической части главных механизмов экскаватора-драглайна..............................................................................58

3.2 Математическая модель электрической части главных механизмов экскаватора-драглайна..............................................................................65

3.3 Структурная схема динамической модели....................................................71

3.4 Исходные данные для расчета..................................................................................78

3.5 Результаты моделирования..........................................................................................84

3.6 Выводы по результатам моделирования........................................................94

4. Экспериментальные исследования режимных параметров экскаватора ЭШ 15/90..............................................................................................................................95

4.1 Методика проведения экспериментальных исследований............95

4.2 Место проведения экспериментальных исследований, приборы и оборудование......................................................................................................97

4.3 Результаты экспериментальных исследований....................................101

4.3.1 Хронометражные исследования основного цикла экскавации горной массы...................................................................101

4.3.2 Исследование электрических показателей основных приводов ЭШ 15/90..................................................................................................................106

4.4 Выводы по результатам экспериментальных исследований.. 109

5. Методика оптимизации режимов работы экскаватора-

драглайна типа ЭШ 15/90............................................................................................................110

5.1 Выбор исходных данных........................................................................................112

5.2 Имитационное моделирование........................................................................115

5.3 Результаты пошагового моделирования процесса

экскавации горной породы экскаватором- драглайном..................119

5.4 Выбор рационального варианта................................................................125

ВЫВОДЫ............. .............................................................................................128

ЛИТЕРАТУРА..............................................................................................................130

ПРИЛОЖЕНИЕ........................................................................................................................................138

ВВЕДЕНИЕ

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.

Целью диссертационной работы является повышение ресурса узлов и деталей за счет выбора рациональных режимных параметров экскаватора-драглайна и оптимизации процессов цикла экскавации горной массы.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. 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.

При проведении исследований были 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.

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.

Результаты диссертационной работы приняты к внедрению в АООТ "Фосфорит".

1. ТЕНДЕНЦИИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ДОБЫЧИ ФОСФОРИТОВОЙ

РУДЫ В ЛЕНИНГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ

1.1. АНАЛИЗ РАБОТЫ РУДНИКА АООТ "ФОСФОРИТ"

Фосфоритовая руда является основой для производства необходимого для сельского хозяйства и промышленности продукции, которая позволяет повысить эффективность сельского хозяйства в Ленинградской области.

Объединение "Фосфорит" является уникальным производством, обеспечивающим важнейшей продукцией Северо-запад региона и в первую очередь Ленинградскую область и Санкт-Петербург.

АООТ "Фосфорит" включает в себя кроме химического также и горнообогатительный комплекс, состоящий из рудника, автотранспортного цеха и обогатительной фабрики, при этом руда добывается на южном участке рудника.

Рудник на Южном участке АООТ "Фосфорит" введен в эксплуатацию в 1975 году для восполнения выбывающих мощностей Северного рудника.

Карьеры рудника на Южном участке были построены и введены в эксплуатацию в соответствии с проектом ВНИИТА. Проектная мощность рудника составляет 8400 тыс. тонн руды в год.

Разработка месторождения производится открытым способом с применением бестранспортной схемы вскрытия, с размещением вскрышных пород во внутренних отвалах (рис.1). Разработка месторождения осуществляется двумя уступами - вскрышным и добычным. Для усреднения качества руды предусмотрен буферно-усреднительный склад.

Горно-геологические условия карьеров рудника АООТ "Фосфорит" за время работы изменились незначительно, и по прогнозам специалистов изменений не ожидается. Характеристика горно-геологических условий дана

Рис. 1.1 Расположение экскаватора ЭШ 15/90 в забое при существующей на руднике АООТ "Фосфорит" технологии

отработки месторождения фосфоритов

в табл. 1.1 из которой видно, что экскаватор при верхнем и нижнем черпании работает в совершенно разных режимах, при последующих циклах изменяются 1, и, Ь, так как разрабатываются породы разной крепости, уступы формируются под разными углами. Большое влияние на режим работы экскаватора-драглайна оказывает качество взрывания скальной вскрыши и наличие негабарита. Всё это показывает, что экскаватор работает со значительными динамическими нагрузками, которые отрицательно сказываются на надёжности машины.

Таблица 1.1

Горно-геологические характеристики месторождения

№ Наименование Фосфоритовая Породы вскрыши

п.п параметра РУДа скальная мягкая

1 Средняя мощность, м 2,2 10 11

2 Плотность, т/м3 1,92 2,6 1,75

3 Естественная влажность, % 8 - 15

4 Плотность с учетом естественной влажности, т/м3 2,1 2,6 2,1

5 Коэффициент разрыхления 1,36 1,46 1,2

6 Коэффициент крепости по шкале проф. Протодьяконова 2-8 6-8 0,6-1,0

7 Угол откоса рабочих уступов, град 35 60-80 35

В табл. 1.2 и на рис.2 представлена производительность рудника, по руде и по вскрыше, за период 1980 - 1997 года. Постепенный рост объёмов вскрыши и добычи объясняется введением в строй новых карьеров. В период 1988 - 1990 года наблюдается выход рудника на проектную мощность и далее, как следствие изменения ситуации в стране, её снижение и резкое падение в 1992 году. До 1997 года работы на руднике проводились в

Рис. 1.2 Развитие горных работ на руднике АООТ Фосфорит

небольшом объёме. В настоящее время положение дел в АООТ "Фосфорит" стабилизировалось, разработан новый план развития горных работ,

Таблица 1.2

Производительность рудника, по руде и по вскрыше, за период 1980 - 1997

год РУДа наносы известняк вскрыша

тыс. т тыс. мЗ тыс. мЗ тыс. мЗ

1980 4638 6209,3 10288,6 16497,9

1981 5003,5 6618 10649,9 17167,4

1982 5278,1 5936,4 11300,7 17237,1

1983 6022,6 6820,3 11945,5 18765,8

1984 6307,4 7084,5 12684,7 19769,2

1985 6586,6 7956,6 12655,2 20611,8

1986 6253,4 8562,8 12723,9 21286,7

1987 6374,7 9912,6 13660,7 23573,3

1988 6840,3 9247,8 14180,4 23428,2

1989 6656,9 10024,2 14089,4 24113,6

1990 5452,1 9326,1 13028,4 22354,5

1991 5063,6 8198,8 12099,8 20298,6

1992 2340,8 4105 5182 9287

1993 820,8 1177,7 1316,5 2494,2

1994 779,8 1211,5 1584,9 2796,4

1995 1909,6 2926 4441 7367

1996 1030,1 1164,4 1782,6 2947

1997 1006,8 1460,5 1990,8 3451,3

представленный в табл. 1.3, на период 1999 - 2005 года, предусматривающий

Л

объём вскрыши в размере 12700 тыс. м в год и объём добычи руды 3700 тыс. тонн в год, что соответствует 60-70% от максимально развиваемой мощности карьеров за все года существования АООТ "Фосфорит".

Таким образом, существует необходимость интенсивного использования механического оборудования, в том числе драглайнов, как минимум до 2005 года.

Совершенствование же режимов работы экскаваторов, особенно при модернизации их конструкции или замены узлов, в том случае, когда

существуют трудности покупки новых экскаваторов, приобретают особенно важное значение.

Таблица 1.3

План развития горных работ на период 1999-2005 гг.

карьер Вскрыша/^ Мягкая ^^ ^/'скальная Год

№ тыс.м3/тыс.т тыс.м /тыс.м 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005

2 22400/3828 12100/10300 3200 666 3200 617 3200 572 3200 528 3200 492 3200 485 3200 468

3 17500/3255 8800/8700 2500 445 2500 492 2500 483 2500 471 2500 463 2500 459 2500 442

4 12600/3468 6200/6400 1800 519 1800 559 1800 523 1800 519 1800 458 1800 451 1800 439

5 5200/2072 2000/3200 2600 1043 2600 1029 - - - - -

6 5200/2055 800/4400 2600 1033 2600 1022 - - - - -

5 + 6 26000/9096 6100/19900 - - 5200 1893 5200 1905 5200 1783 5200 1778 5200 1740

рудник 88900/23777 36000/52900 - - - - - - -

К.В 3,7 3.4 3.4 3.6 3.7 4.0 4.0 4.1

1.2. АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГОРНЫХ РАБОТ НА РУДНИКЕ АООТ

"ФОСФОРИТ"

Кингисеппское месторождение фосфоритов залегает в виде пластовой залежи. Величина наклона пласта не превышает 1 и составляет в среднем 22,5 метра на 1 километр по падению. Глубина залегания увеличивается с севера на юг от 7 до 45 метров, в пределах проектных карьеров - 35 метров.

Мощность рыхлой вскрыши изменяется от 2 до 25 метров, скальной вскрыши от 6,9 до 15,3 метров.

Для отработки месторождений с подобными геологическими характеристиками могут применяться технологии представленные в табл. 1.4. Использование для вскрышных работ вариантов 1 и 2 предусматривает применение для отвалообразования только одноковшовых экскаваторов, остальные схемы вскрытия месторождения предусматривают использование целого комплекса горных машин. В варианте 3 и 4 отвалообразование производится с помощью консольного отвалообра-зователя либо транспортно-отвального моста. В схемах 5-10 наряду с ранее указанными горными машинами предусматривается применение автомобильного транспорта для перевозки породы во внешние отвалы.

На карьерах АООТ Фосфорит применяется бестранспортная технология, вариант 1 табл. 1.4, вскрышных работ с перевалкой вскрышных пород, в выработанное пространство одноковшовыми экскаваторами. Для производства работ по этой технологии применяются экскаваторы -драглайны типа ЭШ 10/70; ЭШ 15/90; ЭШ 20/90.

Отработка месторождения производится двумя уступами: вскрышным и добычным. В свою очередь вскрышной уступ разделен на два подъуступа: наносы и скальная вскрыша. Драглайны располагаются на промежуточном горизонте, обеспечивая отработку наносов верхним черпанием и отработку взорванной скалы нижним черпанием (рис.1). Принятое положение вскрышных экскаваторов позволяет производить формирование отвалов в выработанное пространство без переэкскавации пород и применения дополнительной техники.

Применение других технологий, представленных в табл. 1.4, для горногеологических условий Кингисеппского месторождения фосфоритов нецелесообразно, ввиду увеличения применяемой для вскрытия месторождения техники, соответственно увеличения энергозатрат.

Таблица 1.4

Варианты технологии разработки месторождений открытым способом

вариант технологии

схема

Технология вскрышных работ с перевалкой вскрыши в выработанное пространство одноковшовыми экскаваторами

Технология вскрышных работ с кратной перевалкой породы во внутренние отвалы одноковшовыми экскаваторами

Технология вскрышных работ с перемещением породы в выработанное пространство консольным отвалообразователем

Технология вскрышных работ с перемещением породы в выработанное пространство транспортно -отвальным мостом

Технология вскрышных работ с перевалкой породы в выработанное пространство одноковшовыми экскаваторами и перемещением вскрыши консольным отвалообразоваателем

Технология вскрышных работ с перевозкой пород во внутренние отвалы

Технология вскрышных работ с перемещением породы в выработанное пространство отвалообразователем и перевозко