автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Оценка ресурса металлоконструкций задних мостов автосамосвалов при эксплуатации на разрезах Кузбасса

На правах рукописи

Кузнецов Илья Витальевич

ОЦЕНКА РЕСУРСА МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ ЗАДНИХ МОСТОВ АВТОСАМОСВАЛОВ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА РАЗРЕЗАХ КУЗБАССА

Специальность 05.05.06 — «Горные машины»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук 2 9 АПР 2015

Кемерово —2015

«05568053

005568053

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева».

Научный руководитель

- доктор технических наук, профессор Паначев Иван Андреевич.

Официальные оппоненты: Зырянов Игорь Владимирович

Донцова Татьяна Валентиновна

- доктор технических наук, акционерная компания "АЛРОСА" Якутский научно-исследовательский и проектный институт алмазодобывающей промышленности «Якутнипроалмаз», заместитель директора по научной работе.

- кандидат технических наук, институт цветных металлов и материаловедения ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», доцент кафедры автоматизации производственных процессов и теплотехники в металлургии.

Ведущая организация:

ЗАО «Стройсервис».

Защита состоится 28 мая 2015 г. в 15:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.102.02 на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева» по адресу: 650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28, факс (384-2)36-16-87, e-mail: siyu.eav@kuzstu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева» и на сайте http://science.kuzstu.ru/wp-content/docs/OAD/ Зоге5еагсЬег5/2015/Кигпе1с1юу/ЕН55е^юп Kuznetchov.pdf.

Автореферат разослан « 1-Ъ> апреля 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Семыкина Ирина Юрьевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования.

На современном этапе развития угольной промышленности Кузбасса разработка месторождений полезных ископаемых открытым способом представляет собой совокупность трудоемких, энергоемких и дорогостоящих технологических процессов добычи, из которых наиболее энергозатратным является транспортирование горной массы. Карьерным автотранспортом с различной грузоподъемностью на разрезах Кузбасса транспортируется более 80 % вскрышных пород и угля. Универсальными показателями условий эксплуатации автотранспорта являются энергоемкость, определяющая затраты энергии на перевозку полезных ископаемых, и долговечность, характеризующая срок службы узла или элемента конструкции автомобиля. Постоянно изменяющиеся горно-геологические и горно-технологические параметры эксплуатации приводят к значительным затратам на дизтопливо и ремонт, к плановым и внеплановым простоям большегрузных автосамосвалов.

Анализ общего временного фонда причин простоев карьерного автотранспорта на разрезах Кузбасса показал, что доля простоев из-за отказов их металлоконструкций составляет 20 - 25 %. Количество отказов узлов автосамосвала зависит от возникновения и развития в них трещин, которые образуются, главным образом, в элементах рамы, кузова и подвески карьерного автомобиля. Исследование напряженного состояния металлоконструкций большегрузных автосамосвалов во время их эксплуатации в условиях разрабатываемого месторождения представляет собой трудоемкий процесс, характеризующийся существенными затратами времени и средств на его реализацию.

В связи с изложенным, исследование, направленное на разработку методики оперативной оценки ресурса металлоконструкций подвески автосамосвалов посредством комплексного мониторинга энергоемкости процесса транспортирования горной массы на разрезах Кузбасса, является актуальным.

Степень разработанности. Вопросам конструирования, исследования нагру-женности и расчета на прочность пространственных несущих конструкций посвящены работы многих отечественных и зарубежных авторов в различных областях техники: Н.Ф. Бочарова, Д.Б. Гельфмана, Б.В. Гольда, В.А. Ошнокова, М.Б. Школьникова, H.H. Яценко, Л.И. Добрыха, A.B. Зотова, И.В. Зырянова, Т.В. Донцовой, П.В. Артамонова и др. Однако, в исследованиях вышеперечисленных авторов не раскрыта проблематика оперативной оценки ресурса металлоконструкций посредством мониторинга условий эксплуатации.

Цель работы - оценка ресурса металлоконструкций задних мостов автосамосвалов при эксплуатации на разрезах Кузбасса.

Идея работы заключается в использовании результатов постоянного мониторинга удельных энергозатрат большегрузных автосамосвалов посредством спутниковой системы мониторинга состояния автотранспорта для анализа напряженно-деформированного состояния металлоконструкций их задних мостов.

Задачи исследования:

- исследовать напряженно-деформированное состояние металлоконструкций задних мостов автосамосвалов;

- оценить энергоемкость процесса транспортирования горной массы большегрузными автосамосвалами;

- провести мониторинг и обосновать ресурс балки задних мостов подвески автосамосвалов при эксплуатации.

Научная новизна работы заключается:

- в установлении совместного влияния горно-технологических параметров эксплуатации карьерных автосамосвалов на изменение удельных затрат энергии и амплитуд напряжений, возникающих в металлоконструкциях заднего моста;

- в установлении взаимосвязи двух универсальных показателей эффективности и надежности эксплуатации автотранспорта - энергоемкости и долговечности;

- в создании алгоритма, позволяющего анализировать ресурс металлоконструкций карьерных автосамосвалов посредством постоянного мониторинга параметров энергоемкости транспортирования горной массы на разрезах Кузбасса.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Разработанная методика прогнозирования ресурса металлоконструкций задних мостов карьерных автосамосвалов и величины удельных затрат энергии при различных горно-технологических и эксплуатационных условиях способствует увеличению эффективности эксплуатации большегрузных автомобилей, транспортирующих взорванную горную массу, за счет повышения ресурса, заданного заводом-изготовителем, и снижения удельных затрат энергии.

Методология и методы исследований: конечно-элементное моделирование, твердотельное моделирование, натурные исследования с использованием экспериментально-вычислительного центра, использование оцифрованных данных системы мониторинга состояния автосамосвала, обработка результатов экспериментальных исследований методами математической статистики и эконометрики, анализ литературных источников.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- в процессе транспортирования горной массы большегрузными автосамосвалами в сложных горно-технологаческих условиях разрезов Кузбасса напряжения в элементах металлоконструкций заднего моста подвески возрастают в 2-3 раза при уклонах трассы от 30 до 100 %0;

- экспериментально установлен диапазон уклонов трассы в 29-32 %о, на котором удельные затраты энергии для автосамосвалов различной грузоподъемности составляют 3,5 г.у.т./т-м;

- при эксплуатации автосамосвалов различной грузоподъемности с удельными затратами энергии, не превышающими 8,6 г.у.т./т м, сохраняется их наработка на отказ, заданная заводом-изготовигелем.

Достоверность научных результатов подтверждается:

- применением апробированных методов эконометрики и математической статистики;

- достаточным по статистическим критериям объемом выборок, определяющих напряженно-деформированное состояние металлоконструкций задних мостов большегрузных карьерных автосамосвгшов;

- сходимостью расчетных значений напряжений металлоконструкций заднего моста с экспериментальными данными.

Личный вклад автора заключается:

- в обработке экспериментальных данных и получении параболических зависимостей между удельными затратами энергии и уклоном трассы для автосамосвалов с различной грузоподъемностью и мощностью двигателя;

- в теоретических и экспериментальных исследованиях, направленных на изучение взаимосвязи энергоемкости процесса транспортирования горной массы и долговечности металлоконструкций задних мостов автосамосвалов;

- в разработке методики, позволяющей оперативно оценивать ресурс металлоконструкций карьерных автосамосвалов посредством комплексного мониторинга параметров их эксплуатации при транспортировании взорванной горной массы.

Реализация работы.

Результаты выполненных исследований опубликованы в цитируемых изданиях и включены в отчетные материалы ХУ-ХУ1 международных выставок «Экспо-Сибирь». На основе выполненных исследований разработан программный продукт, функционирующий на базе данных спутниковой системы ОРЗ-навигации. Рекомендации по распределению автопарка с целью эффективной эксплуатации большегрузных автосамосвалов, снижения времени внеплановых простоев и увеличения их срока службы внедрены в производство на филиале «Кедровский угольный разрез» ОАО «УК «Куз-бассразрезуголь».

Апробация работы.

Основные научные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 2-ой Российско-Китайской научной конференции «Нелинейные геомеха-нико-геодинамические процессы при обработке месторождений полезных ископаемых на больших глубинах» (Новосибирск, 2012); IV Международной научно-практической конференции «Перспективы инновационного развития угольных регионов России» (Прокопьевск, 2014); III Международной научно-практической конференции «Современные тенденции и инновации в науке и производстве» (Междуреченск, 2014); ХУ-ХУ1 международных научно-практических конференций «Энергетическая безопасность России: новые подходы к развитию угольной промышленности» (Кемерово, 2011-2014); научно-практических конференциях студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава КузГТУ (2011-2014 гг.); XV международной научно-практической конференции "Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибре-сурс 2014" (Кемерово, 2014).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них 6 - в изданиях, рекомендованных ВАК.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и изложена на 112 страницах машинописного текста, содержит 18 таблиц, 46 рисунков и список литературы из 91 наименования, 4 приложения.

Диссертационная работа написана на основе материалов исследований, выполненных автором в ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева» и на предприятиях ОАО «Кедровский филиал», ОАО «Ба-чатский филиал», ОАО «Разрез Томусинский».

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведен анализ современного состояния карьерного автотранспорта на разрезах Кузбасса, дан обзор научной литературы по вопросам повышения долговечности металлоконструкций автосамосвалов различной грузоподъемности и сокращения энергозатрат в процессе транспортирования взорванной горной массы, представлен комплексный мониторинг условий эксплуатации автомобильного транспорта.

Анализ причин простоев автосамосвалов на разрезах Кузбасса позволил установить, что сварочные работы и ремонт двигателя внутреннего сгорания существенно влияют на простои автосамосвалов. Объектом сварочных работ чаще всего являются рама, передний и задний мост подвески и кузов, ресурс которых в большей степени

зависит от расстояния перевозки, грансостава и веса перевозимой горной массы, состояния технологических дорог, угла наклона трассы. При эксплуатации автомобилей в сложных горно-технологических условиях нагрузки на металлоконструкции резко возрастают, что приводит к образованию и росту трещин в их элементах, работе двигателя на повышенных мощностях, снюкению срока службы автосамосвала. Вопросы, связанные с установлением рациональ ных горно-технологических условий эксплуатации карьерного автотранспорта по критериям надежности металлоконструкций и эффективности работы двигателя автосамосвала являются наиболее актуальными.

Исследованию пространственных тонкостенных конструкций посвящены труды И.Г. Бубнова, E.H. Никольского, П.Ф. Папковича, A.A. Уманского, Ю.А. Шиманского и др.

Вопросы влияния динамических нагрузок на ресурс несущих металлоконструкций карьерных автосамосвалов рассматриваются в работах A.A. Кулешова, Н.В. Зырянова, И.В. Зырянова, В.П. Смирнова, З.Л. Сироткина.

Наиболее объективное решение вопроса энергетической оценки транспортных систем глубоких карьеров предлагает профессор Ю.И. Лель, при котором расход электроэнергии и дизельного топлив а приводится к расходу первичных энергоресурсов, т.е. к «условному топливу» (у. т.), с учетом соответствующих затрат энергии на их добычу, переработку и транспортирование.

В результате комплексного анализа литературы сформулирована цель и поставлены задачи исследований, которые приведены в общей характеристике работы.

Во второй главе приведены результаты анализа напряженно-деформированного состояния металлоконструкций балки заднего моста подвески автосамосвала Бе-лАЗ-75131.

Наблюдения за состоянием металлоконструкций заднего моста подвески с использованием средств и методов визуального контроля и тензометрии проводились на разрезах Кузбасса (Кедровском. Бачатском, Томусинском) в период 2010-2013 годов, в процессе которых были установлены зоны повышенного трещинообразования, располагавшиеся в местах крепленш: с рамой, на картере и воздухораспределительной коробке (рисунок 1).

Рисунок 1 - Трещина основного металла картера заднего моста в районе крепления цилиндра подвески и реактивной штанги БелАЗ-75131

Из результатов диагностики в производственных условиях трещины в области соединения картера заднего моста и площадки крепления гидроцилиндра подвески установлен закон её роста:

^ = 8,7 • 10~14(ДК)3'5. (1)

Учитывая геометрические размеры элемента задней подвески, параметры напряженного состояния и характеристики материала, уравнение роста трещины (1) принимает вид:

¿кр = (5,26 - 2,7 • Ю-5 • Л?)"1'33. (2)

Для анализа напряженно-деформированного состояния в элементах конструкции заднего моста автосамосвала была разработана ЗО-модель.

В каждой точке балки заднего моста автосамосвала численным методом определялись компоненты напряжений, деформаций и перемещений путем создания замкнутой системы, состоящей из уравнений статики, физических уравнений и уравнений Коши, используемых в методе конечных элементов (МКЭ). Для создания конечно-элементной модели выбирались тип конечных элементов и модель, характеризующая свойства материала конструкции. Минимальная длина элемента составила 1 мм, количество узлов в сетке 189613, количество элементов 90546.

На рисунке 2 представлена расчетная схема, где обозначены места закрепления балки заднего моста и действующие на него нагрузки.

А - сила тяжести; В - закрепление по цилиндру; С, О, I - закрепления с ограничением; Е, Б - реакция от опоры подшипников; О, Н - крутящий момент от вала двигателя; I -тяговая сила.

Рисунок 2 - Расчетная схема элементов заднего моста автосамосвала БелАЗ-75131

По завершению конечно-элементного анализа и обработки полученных данных установлено, что значения напряжений изменяются от 0,02 МПа до 228,66 МПа, деформации и перемещения в местах установки тягового электродвигателя и редукторов мотор-колес заднего моста - от 0 до 3,626 мм.

Для оценки напряженного состояния заднего моста автосамосвала БелАЗ-75131 в процессе эксплуатации на разрезах Кузбасса (Кедровский, Бачатский, Томусинский) проведены экспериментальные работы с использованием экспериментально-вычислительного центра, в состав которого входят ноутбук, восьмиканальная тензостанция А-17-18, фольговые тензорезисторы 2ФКРВ-Зх400, экранированный кабель НВПЭ, усилитель 2ЕТ410, аналого-цифроной преобразователь Е14-14(Ш, усилитель напряжения для тензомоста ЬР-04, аккумуляторная батарея, балансировочная коробка, электромагнитный экран.

Тензорезисторы наклеивелись в зонах повышенных напряжений (рисунок 3), которые устанавливались на оснотании результатов статического расчета ЗБ-модели заднего моста. Затем в процессе эк сплуатации автосамосвала их показания передавались на тензостанцию.

Рисунок 3 - Участки крепления тензорезисторов (указаны стрелками) на балке заднего моста автосамосвала БелАЭ-75131

В результате экспериментальных работ получены осциллограммы напряжений во времени при разных циклах нагружения. На рисунке 4 представлена отфильтрованная осциллограмма напряжений: заднего моста автосамосвала БелАЭ-75131 при транспортировании горной массы от места погрузки до места разгрузки на разрезе ОАО «Кедровский филиал».

Из рисунка 4 видно, что участки с наибольшими значениями напряжений характеризуют движение груженого жгосамосвала на уклоне с подъемом трассы с поворотом.

При прохождении участка трассы на подъем с поворотом груженого автосамосвала в металлоконструкциях балки заднего моста возникают более высокие рабочие напряжения, чем при движении по прямым забойным и технологическим дорогам. Влияние неровностей макропрс филя дороги отображаются на диаграмме всплесками напряжений.

Время автосамосвала в движении за рейс, с

1 - забойная дорога; 2 - участок трассы на подъем с поворотом; 3 - участок трассы с уклоном на подъем; 4 - участок технологической дороги.

Рисунок 4 - Отфильтрованная осциллограмма напряжений заднего моста автосамосвала БелАЗ-75131 при движении от пункта загрузки до пункта разгрузки

я

с

5 140 в К V

Я

к

а-

в га х 01 5 I 01 Т а х

По результатам экспериментальных работ выполнен суммарный анализ нормального распределения амплитуд напряжений. Показатель теста Колмогорова-Смирнова при этом составил р<0,1, что доказывает соответствие нормальности распределения.

В результате исследований напряженно-деформированного состояния металлоконструкций заднего моста автосамосвала установлены зоны повышенной концентрации напряжений (места устаноики гидроцилиндров подвески, корпуса редуктора мотор-колеса и крепления с рамой), а также закон распределения амплитуд напряжений.

В третьей главе изложены результаты оценки энергоемкости процесса транспортирования взорванной горной массы большегрузными автосамосвалами с учетом горно-технологических условик разрезов Кузбасса.

За критерий оценки энергетической эффективности транспортных систем глубоких карьеров была принята величина удельных затрат энергии, которая определялась по формуле, предложенной профессором Ю.И. Лелем,

,сф = 7' ' кут' кл , (3)

где Рф - удельные затраты энергии на транспортирование 1 т горной массы на 1 м, г.у.т./т-м (грамм условного топлива/т-м); g - удельный расход дизтоплива автосамосвалами, г/т- м^ / — уклон трассы, кпер — коэффициент переработки, учитывающий затраты энергии на получение дизтоплива из нефти (&лгр=1,18-И,20); кд - коэффициент, учитывающий затраты энергии на добычу и транспортирование топлива №¿=1,04-1,10); кут- коэффициент, учитывающий разницу удельной теплоты сгорания дизельного и условного топлива (кут= 1,5).

Удельный расход дизтоплива автосамосвала вычислялся из выражения

(4)

где Q - расход дизтоплива, г; т — масса перевозимого груза, т; / - расстояние транспортирования, м.

В процессе транспортирования горной массы автосамосвал работает как на подъемах, так и на спусках. По средним значениям результатов мониторинга работы автосамосвала БелАЗ-75131 на разрезах Кузбасса (Кедровский, Бачатский, Томусин-ский) установлена зависимость расхода топлива от уклонов карьерных дорог (рисунок 5).

100

Уклоны карьерной трассы %о

Рисунок 5 - График зависимосгчи расхода топлива на спусках и подъемах автосамосвала БелАЗ-75131 от уклона трассы

На оси абсцисс отложены значения уклонов: со знаком «-»- спуск, со знаком «+» - подъем. Анализ области распределения точек показал, что на спусках расход топлива имеет более постоянный и однородный характер. Что касается расхода топлива на подъемах, то здесь он значительно возрастает с увеличением уклона. Расход топлива, как величина, связанная с энергоемкостью процесса транспортирования, имеет параболический характер зависимости от уклонов трассы, что свидетельствует о взаимосвязи между удельными затратами энергии автосамосвалов и уклоном карьерных дорог.

В результате мониторинга работы автосамосвалов БелАЗ-7555, БелАЭ-75131 и БелАЗ-75600 с грузоподъемностью соответственно 55 т, 130 т и 320 т на разрезах Кузбасса (Кедровский, Бачатский, Томусинский) с уклоном трассы от 10 %о до 100 %о были получены зависимости удельных затрат энергии от уклона технологических дорог (5, 6, 7 соответственно).

Рф = 0,0005 х [2 + 0,0606 х г + 1,2596 (5)

Рф = 0,0004 х I2 + 0,0259 х I + 2,3657 (6)

Рф = 0,0005 х ¡2 - 0,0044 х г + 3,1853 (7)

С помощью полученных зависимостей (5, 6, 7) была установлена взаимосвязь коэффициентов этих уравнений от грузоподъемности автосамосвала или мощности двигателя, что позволяет оперативно оценивать энергоемкость любой модели автосамосвала.

На рисунке 6 представлены зависимости удельных затрат энергии автосамосвалов различной грузоподъемности от уклона трассы.

Уклон, %о

-•»-30т *—40-г -»-55т -I группа - ш -75 т -.-ООт л одГП

♦ - 110 т - х - 120 т -ж-130 т Г И группа -■ -170 т - 220 т -. -Д2П т - 111 .точна _1

Рисунок 6 - Зависимость удельных затрат энергии автосамосвалов различной грузоподъемности от уклона трассы

Из рисунка 6 видно, что на участках, где уклон составляет 10-35 %о, энергоэко-номичнее транспортировать горную массу автосамосвалами с грузоподъемностью до 130 т, а на участках, где уклон составляет 35 %о и более, энергоэкономичнее транспортировать горную массу автосамосвалами с грузоподъемностью свыше 130 т.

При уклоне трассы на подъем в 30 %о значение удельных затрат энергии для всех моделей автосамосвалов постоянно. Это объясняется тем, что удельный расход топлива (см. формулу 4), который определяется отношением расхода топлива, затраченного на транспортирование горной массы, к производительности автосамосвала, на этом уклоне является рациональным.

Эффективной областью уклонов трассы для использования автосамосвалов любой грузоподъемности является 25-35 %о.

Автосамосвалы, эксплуатирующиеся в условиях разрабатываемых месторождений, целесообразно распределять в зависимости от уклона трассы на подъем следующим образом (рисунок 7):

УКЛОН ТРАССЫ НА ПОДЪЕМ

1 1 1

< 50 9йо 50-80 96« > 80 96о

1 1 1

МОДЕЛИ АВТОСАМОСВАЛОВ

1 1 1

<55 ТОНН 55 -130 ТОНН > 130 тонн

1 1 1

ПУНКТ ТРАНСПОРТИРОВКИ

1 1 А

ЗАБОЙ —ОТВАЛ ЗАБОЙ— ОТВАЛ

ЗАБОЙ — СКЛАД ЗАБОЙ —СКЛАД

ВРЕМЕННЫЙ ОТВАЛ — ОТВАЛ ЗАБОЙ — ВРЕМЕННЫЙ ОТВАЛ ЗАБОЙ — ВРЕМЕННЫЙ ОТВАЛ

ВРЕМЕННЫЙ ОТВАЛ — СКЛАД ВРЕМЕННЫЙ ОТВАЛ — ОТВАЛ ВРЕМЕННЫЙ ОТВАЛ — СКЛАД

Рисунок 7 - Схема распределения автопарка по уклонам

Установленные рациональные условия эксплуатации для разных моделей карьерных автосамосвалов с учетом снижения энергозатрат на транспортирование горной массы позволяют рационально распределить автопарк для эффективной работы в экс-каваторно-автомобильном комплексе.

В четвертой главе изложены результаты установления взаимосвязи математического ожидания амплитуды напряжений, возникающих в металлоконструкциях заднего моста, и удельных затрат энергии при транспортировании горной массы.

Для исследования влияния на измеряемую случайную величину (амплитуда напряжений) независимой величины (удельных затрат энергии) был выполнен одно-факторный дисперсионный анализ. Результаты анализа приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Результаты однофакторного дисперсионного анализа

1. Межгрупповая сумма квадратов (вЭ) 49173,5

2. Число степеней свободы между группами (сИ) 1

3. Межгрупповая дисперсия (М8) 49173,5

4. Значение вероятности (Р-значение) 5,2-Ю"11

5. Значение критериальной статистики (Б) 105,8

6. Б-критическое 4,2

Из анализа таблицы 1 следует, что критерий Фишера значим, и влияние исследуемой переменной можно считать доказанным, т.к. Р-значение меньше, чем уровень значимости, равный 0,05.

В результате статистической обработки данных установлено, что взаимосвязь математического ожидания амплитуды напряжений и удельных затрат энергии описывается, как линейной, так и параболической зависимостью.

На рисунке 8 графически показана полученная эмпирическая зависимость между математическим ожиданием амплитуды напряжений и удельными затратами энергии, соответствующая параболическому закону распределения.

120

§ >5 юо К в

80

60

40

Иг 13 Р Ф2 3, 2.с .Р Ф + 24 ,4 5 »

И 0 ,9 8 1

♦

и

£

7 8 9 10 11

Удельные затраты энергии Рф, г. у.т./т-м

12

Рисунок 8 - Зависимость математического ожидания амплитуды напряжений от

удельных затрат энергии

Полученная зависимость и постоянный мониторинг условий и параметров эксплуатации большегрузного карьерного автотранспорта позволяет оперативно принимать решения по проведению мероприятий, обеспечивающий работоспособность конструкции на длительный период эксплуатации автосамосвала.

Наиболее значимым горно-технологическим фактором, влияющим на показатели работы автосамосвалов, является угол наклона трассы. По результатам выполненного анализа условий эксплуатации карьерных автомобилей построена совместная диаграмма зависимостей математического ожидания амплитуды напряжений (Маа) и удельных затрат энергии от уклона трассы для автосамосвалов БелАЗ трех основных групп по грузоподъемности (до 55 т, 55-130 т и более 130 т) (рисунок 9).

Рисунок 9 - Совместная диаграмма зависимостей математического ожидания амплитуды напряжений (1, 2, 3) и удельных затрат энергии (1\ 23') от уклона трассы для автосамосвалов БелАЗ с грузоподъемностью менее 55 т, 55-130 т и свыше 130 т

соответственно

Коэффициент запаса прочности (п) для большинства металлоконструкций принимается в интервале 1,2-2. При принятом п = 2 горизонтальная черная (допускаемая) линия ED на диаграмме соответствует допускаемому напряжению, равному 120 МПа. Абсцисса точек пересечения этой линии с кривыми графика 1, 2, 3 (А, В, С) характеризуют уклоны трассы для каждого из названных типов автосамосвалов, при превышении которых возникающие в металлоконструкциях подвески напряжения приводят к росту трещин, сокращению долговечности и ресурса элементов балки заднего моста.

Для вычисленных по диаграмме значений уклонов точки Ai, Bi, Ci соответствуют значениям удельных за!рат энергии. Для автосамосвалов грузоподъемностью менее 55 т удельные затраты энергии составили 10,5 г.у.т./т-м при эксплуатации на уклоне трассы в 85 %о, для БелАЗов с грузоподъемностью от 55 т до 130 т - 11 г.у.т./т-м при уклоне трассы в 108 %о, для большегрузных автосамосвалов с грузоподъемностью свыше 130 т удельные затраты энергии при уклоне трассы в 149 %о составили 11,9 г.у.т./т-м.

Полученная диаграмма позволяет графически определить допускаемые уклоны трассы при транспортировании горной массы и удельные затраты энергии с учетом повышения ресурса металлоконструкций подвески, узлы которой изготовлены из сталей с пределом текучести 240 МПа и выше.

Для учета влияния основных показателей эксплуатации автосамосвалов (удельные затраты энергии, напряжения в металлоконструкциях заднего моста, расход топлива) был проведен более подробный анализ характерных уклонов трассы, представленный в таблице 2.

Таблица 2 - Подробный анализ влияния характерных уклонов трассы на параметры эксплуатации автосамосвалов _

Интервал уклонов трассы, %0 Комментарий

БелАЗ -7555 (55 т) БелАЗ-75131 (130 т) БелАЗ -75600 (320 т)

До 52 До 63 До 93 Эксплуатация автосамосвала не ведет к сокращению ресурса двигателя, не происходит трещинооб-разования в металлоконструкциях подвески, расход топлива в пределах номинального.

52-72 63-88 93-110 Мощность автосамосвала выше номинальной, но еще не приводит к резкому сокращению ресурса двигателя. Значения напряжений не приводят к тре-щинообразованию. Значение наработки на отказ соответствует гарантируемому заводом.

72-108 88-140 110-188 Ресурс двигателя сокращается примерно на 15-20%, увеличивается расход топлива.

108-125 140-155 185-188 Наработка на отказ двигателя сокращается на 80-90 %, ресурс металлоконструкций сокращается на 15-25%.

125-140 155-188 185-300 Для работы на таких уклонах необходим более мощный и надежный двигатель, ресурс металлоконструкций сокращается на 80-90 %.

С целью уменьшения простоев и увеличения долговечности металлоконструкций заднего моста, и повышению эффективности использования большегрузных автосамосвалов путем постоянного анализа горно-технологических параметров и условий эксплуатации посредством ОРЭ-навигации разработан алгоритм мониторинга ресурса металлоконструкций большегрузных автосамосвалов (рисунок 10).

Да 1

/ Остановка эксплу- \ V атации I

Рисунок 10- Алгоритм мониторинга ресурса металлоконструкций заднего моста подвески большегрузных автосамосвалов

Применение разработанного алгоритма мониторинга ресурса металлоконструкций заднего моста подвески автссамосвалов различной грузоподъемности посредством анализа показателей эксплуатации способствует предотвращению внеплановых простоев и сокращению затрат на ремонт и диагностику системы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой выполнен комплекс аналитических и экспериментальных исследований, содержится решение оперативной оценки ресурса металлоконструкций задних мостов автосамосвалов при их эксплуатации посредством установления взаимосвязи энергоемкости процесса транспортирования горной массы и долговечности подвески их ходовой части, что имеет значение для горнодобывающей отрасли Кузбасса. Выявлена степень влияния основных условий эксплуатации на величину удельных затрат энергии и математического ожидания амплитуд напряжений. Рекомендованы рациональные условия эксплуатации карьерных автосамосвалов различной грузоподъемности по критерию снижения энергозатрат и повышения их ресурса.

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1 Установлено распределение амплитуд напряжений, возникающих в металлоконструкциях подвески заднего моста большегрузных автосамосвалов при эксплуатации в сложных горно-технологических условиях, которое подчиняется нормальному закону, показатель теста Колмогорова-Смирнова составил р<0,1.

2 По результатам расчета при циклических нагрузках установлены опасные зоны конструкции заднего моста, где значения суммарных напряжений превышают условный предел текучести материала (для стали ЗОЛ сто,2= 245 МПа).

3 Посредством мониторинга параметров эксплуатации большегрузных автосамосвалов с использованием спутниковой системы GPS-навигации установлено, что энергозатраты и напряжения в металлоконструкциях ходовой части возрастают в 1,5-2 раза при прохождении участка дороги на подъем с уклоном, превышающим 60 %о.

4 Установлена параболическая зависимость удельных затрат энергии от уклона трассы для разных типоразмеров автосамосвалов, коэффициенты которой определяются с учетом грузоподъемности или мощности двигателя с погрешностью параболической интерполяции, составляющей 0,58 % и 0,57 % соответственно.

5 Обосновано, что математическое ожидание амплитуды напряжений, возникающих в металлоконструкциях заднего моста автосамосвалов, изменяется по параболическому закону в зависимости от удельных затрат энергии с коэффициентом детерминации 0,98.

6 При формировании экскаваторно-автомобильного комплекса рекомендовано предельное значение уклона трассы на подъем в 185 %о для автосамосвалов с грузоподъемностью 320 т по критериям энергоемкости процесса транспортирования взорванной горной массы и долговечности элементов металлоконструкций ходовой части.

7 Разработан алгоритм мониторинга ресурса металлоконструкций балки заднего моста автосамосвалов посредством постоянного анализа условий эксплуатации, использование которого позволяет повысить ресурс на 15-25 %.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Паначев И.А. Оценка энергоемкости процесса транспортирования горной массы большегрузными автосамосвалами на разрезах Кузбасса / И.А. Паначев, И.В. Кузнецов // Вестник Кузбасского государственного университета - 2011. - №4. -С. 35-40.

2. Паначев И.А. Анализ влияния угла наклона трассы на энергоемкость транспортирования горной массы большегрузными автосамосвалами / И.А. Паначев,

И.В. Кузнецов // Вестник Кузбасского государственного университета — 2013. — №6. — С. 67-70.

3. Паначев И.А. Анализ напряженно-деформированного состояния металлоконструкций балки заднего моста большегрузных автосамосвалов / И.А. Паначев, И.В. Кузнецов //Вестник Кузбасского государственного университета-2014. — №1. -С. 49-52.

4. Паначев И.А. Взаимосвязь напряжений в металлоконструкциях заднего моста большегрузных автосамосвалов и удельных затрат энергии при транспортировании горной массы / И.А. Паначев, И.В. Кузнецов // Вестник Кузбасского государственного университета-2014. -№1.-С. 45-49.

5. Паначев И.А. Исследование напряженно-деформированного состояния балки заднего моста автосамоспала БелАЭ-75131 и расчет количества циклов нагруже-ния до отказа / И.А. Паначев, Г.В. Широколобое, И.В. Кузнецов // Вестник Кузбасского государственного университета - 2015. - №1. - С. 29-33.

6. Паначев И.А. Предельно-допускаемые параметры условий эксплуатации большегрузных автосамосвалсв по критерию эффективности работы двигателя / И.А. Паначев, И.В. Кузнецов // Вестник Кузбасского государственного университета -2015. -№1. - С. 34-37.

Статьи в прочих изданиях

7. Паначев И.А. Влияние величины уклона трассы карьерных дорог на энергоемкость транспортирования горной массы автосамосвалами на больших глубинах / И.А. Паначев, И.В. Кузнецов // Нелинейные геомеханико-геодинамические процессы при обработке месторождений полезных ископаемых на больших глубинах: 2-ая Российско-Китайская научная конференция - Новосибирск, 2012. -№12. -С. 312-315.

8. Паначев И.А. Обоснование нагруженности элементов металлоконструкций большегрузных автосамосвалов при транспортировании горной массы на разрезах Кузбасса / И.А. Паначев, И.В. Кузнецов // Энергетическая безопасность России: новые подходы к развитию угольной промышленности. Материалы XV Международной научно-практической конференции, 8-11 октября 2013 г. - Кемерово, 2013. - С. 61-65.

9. Паначев И.А. К методике определения предельно-допускаемых уклонов карьерных дорог при эксплуатации карьерного автотранспорта на разрезах Кузбасса / И.А. Паначев, И.В. Кузнецов // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов: сб. науч. статей / Сиб. гос. индустр. ун-т. - Новокузнецк, 2014. -С. 71-76.

10. Паначев И.А. Распределение экскаваторно-автомобильного комплекса по критерию энергоемкости процесса транспортирования / И.А. Паначев, И.В. Кузнецов // Современные тенденции и инновации в науке и производстве: Материалы III Международной науч.- практ. конф. Междуреченск, 2-4 апреля 2014 г. - С. 74-76.

11. Паначев И.А. Обоснование распределения экскаваторно-автомобильного комплекса с учетом энергетических затрат на транспортирование горной массы / И.А. Паначев, Г.В. Широколобое, И.В. Кузнецов // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2014. Материалы XV Международной науч.- практ. конф. Кемерово, 6-7 ноября 2014 г. - Кемерово, 2014.

12. Паначев И.А. Анализ напряженно-деформированного состояния и ресурса металлоконструкций подвески автосамосвала БелАЭ-75131 на разрезах Кузбасса / И.А. Паначев, Ю.Ф. Глазков, И.В. Кузнецов // Энергетическая безопасность России: новые подходы к развитию угольной промышленности. Материалы XVI Международной науч.- практ. конф. Кемерозо, 7-10 октября 2014 г. - Кемерово, 2014.

Подписано к печати 09.04.2015. Формат 60x90 1/16 Бумага офсетная. Печать офсетная. Гарнитура «Тайме». Усл. печ. л. 1. Тираж 70. Заказ № 45011.

Отпечатано в типографии ООО «ИНТ»: г. Кемерово, пр-т Октябрьский, 28, офис 215 тел.: (3842) 657-893, 657-889, www.v-int.ru, e-mail: typoint@mail.ru