автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Повышение эффективности эксплуатации редукторов мощных шагающих экскаваторов в экстремальных условиях

На правах рукописи

Иов Иван Алексеевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ РЕДУКТОРОВ МОЩНЫХ ШАГАЮЩИХ ЭКСКАВАТОРОВ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ

05.05.06 - Горные машины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 6 ОКТ 2014

Иркутск-2014

005553453

005553453

Работа выполнена на кафедре ГМ и ЭМС ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет»

Научный руководитель:

Шадрин Александр Иванович

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор кафедры «Горные машины и электромеханические системы», ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет»;

Махно Дмитрий Евсеевич

доктор технических наук, профессор кафедры «Горные машины и электромеханические системы», ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет»;

Комиссаров Анатолий Павлович

доктор технических наук, профессор кафедры «Горные машины и комплексы», ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»; Демченко Игорь Иванович доктор технических наук, профессор кафедры «Горные машины и комплексы», ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»

ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет»

Защита состоится 27 ноября 2014 г. в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.073.04 при ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет» по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, корпус «К», конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет» и на сайте http:// http://www.istu.edU/structure/54/l 319/1189/

Автореферат диссертации разослан: 26.09.2014. Отзывы на автореферат (два экземпляра, заверенные организацией) направлять в адрес диссертационного совета: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, Д 212.073.04; e-mail: ds04fa)istu.edu: Факс: (3952) 40-58-69.

Ученый секретарь /„.,, / ^

диссертационного совета 'С.Ю. Красноштанов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Горнодобывающая промышленность является основной базой промышленного потенциала страны, весомую часть которой составляет разработка и добыча бурых и каменных углей. Поэтому технико-экономические показатели предприятий, занимающихся разработкой угольных месторождений, влияют на отрасль и экономику страны в целом.

На настоящее время большинство угольных предприятий расположено в районах Сибири и Крайнего Севера с суровыми климатическими условиями. Основным видом машин, используемых на вскрыши, являются мощные шагающие экскаваторы, составляющие весомую часть в парке оборудования горных предприятий. При эксплуатации экскаваторов в суровых климатических условиях наблюдается снижение надежности редукторов тягового и подъемного механизмов. Так, простои шагающих экскаваторов, связанные с техническим обслуживанием и ремонтом на предприятии ООО «Черемховуголь», составляют до 35 % календарного времени.

Основным фактором, влияющим на эксплуатационную надежность экскаваторов в зимнее время года, являются динамические нагрузки, величина которых зависит от качества подготовки забоя и умения машиниста управлять копающими механизмами экскаватора. При низких отрицательных температурах снижение надежности механического оборудования связано с уменьшением значений ударной вязкости сталей. В тоже время возрастает уровень динамической нагружености механизма в связи с ухудшением качества забоя. Так, например, количество отказов редукторов тяги и подъема ковша экскаватора ЭШ 20.90 в зимнее время года увеличивается в среднем в 1,5...2 раза. В связи с этим, анализ работы редукторов копающих механизмов шагающих экскаваторов, эксплуатирующихся в экстремальных условиях, и поиск технических решений повышения их надежности является актуальной задачей.

Цель работы. Повышение эффективности работы редуктора шагающего экскаватора при эксплуатации в экстремальных условиях за счет снижения динамических нагрузок в его наиболее слабых узлах.

Идея работы заключается в том, что поддержание ресурса редукторов мощных шагающих экскаваторов, эксплуатирующихся в экстремальных условиях, обеспечивается регулированием момента на валу двигателя в зависимости от скорости механизма и предельных нагрузок в канатах.

Задачи исследования:

— установить влияние условий эксплуатации на надежность редуктора тяги шагающего экскаватора-драглайна и определить его наиболее слабый узел;

- разработать методику оценки ресурса узла редуктора и предложения по ограничению нагрузок и увеличению срока безаварийной эксплуатации;

- разработать способ снижения динамических нагрузок, возникающих в механизме тяги, с помощью регулирования момента на валу двигателя в зависимости от скорости механизма и усилий в канатах.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- эксплуатационная надежность редуктора тяги определяется работоспособностью валов-шестерней, динамические нагрузки на которых достигают максимального значения в режиме жесткого стопорения ковша;

- увеличение ресурса элементов редуктора тяги путем ограничения перегрузок в валах-шестернях, возможно за счет регулирования момента на валу двигателя по предлагаемому алгоритму;

- снижение опасного уровня динамических нагрузок в редукторе тяги достигается за счет регулирования загрузки приводного двигателя в зависимости от скорости ковша, момента на валу и усилий в канатах.

Научная новизна работы:

- разработана математическая модель привода тяги шагающего экскаватора, которая позволяет оценивать нагрузки на валах-шестернях в динамических режимах;

- выявлен предельный уровень перегрузок в редукторе тяги шагающих экскаваторов, основанный на предельно-допустимых нагрузках на валах-шестернях.

- обоснована целесообразность применения способа управления с регулированием момента на валу двигателя обратно пропорционально скорости ковша.

- предложен способ регулирования загрузки приводного двигателя механизма тяги с учетом скорости ковша, момента на валу и усилий в канатах.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций базируется на системном анализе процесса эксплуатации шагающих экскаваторов, использовании аппарата математической статистики, теории вероятности, методов математического моделирования.

Методика исследования. При выполнении работы использованы следующие методы исследования:

- экспериментальные исследования в производственных условиях, включающие сбор, анализ и обработку статистической информации по эксплуатации шагающих экскаваторов с анализом причин отказов;

- методы численного моделирования, аналитические методы исследований.

Реализация результатов работы. Разработан способ регулирования загрузки приводного двигателя с учетом скорости, момента на валу и усилий в канатах механизма тяги.

Выполненные исследования нагружености редуктора тяги шагающего экскаватора позволили определить, что максимальные нагрузки в редукторе возникают на валу-шестерне г = 20,т = 26, ограничение которых возможно путем регулирования момента приводного двигателя обратно пропорционально скорости ковша с учетом усилий в канатах в режимах сто-порения рабочего органа. Основные результаты диссертации приняты к реализации на предприятии ООО «Черемховуголь» при сезонной наладке электроприводов механизма тяги шагающих экскаваторов (приложение 3). Выполненная работа соответствует паспорту специальности 05.05.06 -«Горные машины» согласно пунктам 1, 2, 3, 4, 5.

Апробация работы. Основное содержание работы и ее научные положения докладывались на научно-практических конференциях «Игошин-ские чтения» (Иркутск, 2011-2013 гг.), а также на заседаниях кафедры ГМ и ЭМС НИ ИрГТУ и производственном совещании на предприятии ООО «Черемховуголь».

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 2 работы в изданиях рекомендованного перечня ВАК.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определена цель и идея работы, изложена научная новизна и практическая значимость результатов проведенных исследований.

В первой главе проведен анализ состояния вопроса и результатов научных исследований, направленных на повышение надежности редукторов горных машин, эксплуатируемых в экстремальных условиях, определены цели и задачи исследования.

Во второй главе выполнен анализ отказов редуктора тяги шагающего экскаватора, выявлен наиболее слабый узел. Определены причины выхода его из строя и внешние факторы, воздействующие на него в процессе эксплуатации.

В третьей главе разработана модель электромеханической системы привода тяги шагающего экскаватора. Модель позволяет исследовать нагрузки, возникающие на валах-шестернях в редукторе тяги. Поведены исследования нагружености валов-шестерней. Установлено, что наиболее нагруженным элементом в редукторе является вал-шестерня г = 20, ш = 26. Разработана конечно-элементная модель вала-шестерни, определены места опасной концентрации напряжений.

В четвертой главе выполнен расчет напряжений на валу-шестерне в местах их опасной концентрации. Предложен способ расчета ресурса вала-шестерни, учитывающий концентрацию напряжений и влияние динамических нагрузок. Выявлена зависимость влияния динамических нагрузок на ресурс вала-шестерни. Предложен способ регулирования динамических

нагрузок в элементах редуктора в процессе экскавации горной массы и обоснована целесообразность его применения.

В пятой главе предложена техническая реализация способа ограничения динамических нагрузок в элементах редуктора. На основе моделирования обоснованы технические решения, направленные на повышение надежности редукторов тяги мощных шагающих экскаваторов. Выполнен расчет ожидаемого экономического эффекта от реализации предлагаемого способа управления экскаватором.

На основании поставленной цели и задач исследования в диссертационной работе защищаются следующие научные положения.

1. Эксплуатационная надежность редуктора тяги определяется работоспособностью валов-шестерней, динамические нагрузки на которых достигают максимальных значений в режиме жесткого стопо-рения ковша.

Опыт эксплуатации мощных шагающих экскаваторов-драглайнов в суровых климатических условиях Сибири показывает, что наиболее нагруженными и подверженными выходу из строя элементами в редукторе тяги являются валы-шестерни ъ = 20, т = 26 и х = 32, т = 12, доли отказов которых составляют 40 % и 21 % от общего числа соответственно (рис. 1).

& вал-шестерня г=32, т=12

т шевронное колесо 2=140, т=12

О вал шевронного колеса £ вал-шестерня г=20, т=26

у зубчатое колесо 2=103, т=26

барабан ч вал барабана

* подшипники

Рис. 1. Распределение отказов редуктора тяги по элементам

За период 2000—2010 гг. при эксплуатации шести экскаваторов ЭШ 20.90 отмечено 63 отказа валов-шестерней, из которых 60 % произошли внезапно и связаны с разрушением вала в связи с образованием и развитием трещин в местах опасной концентрации напряжений.

Работа механизма тяги в основном происходит в динамических режимах. Преобразование электрической энергии в механическую на двига-

теле, выполнение работ по экскавации и перемещению ковша сопровождается интенсивным преобразованием кинетической энергии в потенциальную и наоборот. Обмен энергиями приводит к появлению динамических нагрузок в элементах механизма, величина которых зависят от скорости механизма, усилия создаваемого приводом и режима нагружения. Для анализа динамических режимов работы механизма, применим трехмассовую расчетную схему. При этом будем рассматривать механизм как единую электромеханическую систему, в которой механическая часть с упругими элементами и электрическая часть находятся в непрерывном взаимодействии. Согласно предложенному подходу представим механизм тяги экскаватора ЭШ 20.90 (рис. 2, а) трехмассовой расчетной схемой (рис. 2, б). При разработке математической модели примем следующие, общепринятые допущения:

а) механические связи (вал, канат) не имеют массы;

б) массы сосредоточены;

в) жесткость механических связей постоянна;

г) зазоры в механизме отсутствуют.

Мтр1

а)

Мтр2

С12 — А С23

МтрЗ 1.

Рис. 2. Кинематическая (а) и расчетная (б) схема механизма тяги ЭШ 20.90

Обозначения, применяемые на схеме: М — электродвигатель МПЭ-1000/600; Ш1 - моторная вал-шестерня ъ = 32, ш = 12; К1 - шевронное колесо г = 140, гп = 12; Ш2 - промежуточная вал-шестерня г = 20, ш = 26; К2 - зубчатое колесо г = 103, ш = 26; Мд- суммарный момент двух двигателей; I) — суммарный момент инерции двух якорей двигателей, вала-шестерни Ш1 и колеса К1; ]2- момент инерции 2-х валов-шестерней Ш2,

2-х колес К2 и 2-х барабанов; ^ - момент инерции ковша, приведенный к скорости двигателя; \¥[, \у2, wз — угловые скорости масс; Мвть Мвт2- моменты вязкого трения; Мтрь М^?, Мтрз- моменты внутреннего трения масс; Сп и С23 - упругие механические связи; М,2, М2з - упругие моменты передаваемые по упругим звеньям между массами; Мс _ момент сопротивления (нагрузки). Моменты инерции сформированы таким образом, что позволяют исследовать нагрузки на наиболее слабом элементе редуктора - валу-шестерне ъ = 20, т = 26.

Система дифференциальных уравнений в операторной форме для рассмотренной трёхмассовой расчетной схемы имеет вид:

11рш1 = Мд - М12 - Мтр1 - Мвт1 Л ]2рш2 = М12 - М23 - Мтр2 + Мвт1 - Мвт2 I 13рш3 = М23 - Мтр1 + Мвт1 - Мс ) где р — оператор Лапласа.

На основании дифференциальных уравнений составим структурную электромеханическую схему (рис. 3). Расчеты электрических параметров схемы генератор-двигатель и регуляторов производились по стандартной методике.

Рис. 3. Структурная электромеханическая схема механизма тяги ЭШ 20.90

Обозначения, применяемые на структурной схеме: изад - задатчик скорости; РС, РТ, РН - регуляторы скорости, тока и напряжения соответственно; ТП - передаточное звено тиристорного преобразователя; ГПТ и ДПТ, сФг и сФд - передаточные звенья и конструктивные постоянные генератора и двигателя соответственно; ДС, ДТ, ДН - датчики скорости, тока

и напряжения; сосредоточенные массы J, (2-М, Ш1, Kl), J2 (Ш2, К2, барабан) и J3 (ковш); и упругие связи С12, С2з, нагрузка Мс.

Оценка нагружености элементов редуктора производилась по следующим показателям:

~ ^dmax = max|Md(t)| - максимальная нагрузка;

- / Md = - /0 | M,j (t) | dt - интегральная нагрузка.

Значение Mdmax отражает максимальную величину динамического момента в рассматриваемом узле, а интегральная величина J М^ - продолжительность его воздействия. Значения моментов измерялись в относительных величинах, приведены к номинальному моменту двигателя.

Исследования проводились в два этапа.

Первый этап: пуск двигателя на скорость 0,5а)ном с моментом нагрузки Мс = 0,3 ■ Мном (летнее время года, легкие условия экскавации) и стопорение механизма с М^.^ = 2 • Мном. Регистрировались максимальные ^dmax и интегральные / Md значения моментов на двигателе Мд, валу-шестерне Ш2 Мв_ш = М12 и на рабочем органе Мро = М23. Время до полной остановки двигателя составило 1,5 сек (табл. 1).

Второй этап: пуск двигателя на скорость 0,5а»ном с моментом нагрузки Мс = Мном (зимнее время года, тяжелые условия экскавации) и стопорение с Мстоп = 2 ■ Мном. Время остановки двигателя - 1 сек (табл. 2). Измерения моментов выполнялось аналогично первому этапу исследования.

Таблица 1

п/п Мдщах Мд м '"в-штах Мв-Ш Мротах Мр0

пуск 1,05 0,86 0,5 0,33 0,45 0,29

стоп. 2,05 2,49 2,35 2,876 2,5 3,09

Таблица 2

п/п Мдтах Мд М 1 'в-штах Мв_ш Мротах Мро

пуск 1,4 1,1 1,15 0,65 1,17 0,7

СТОП. 2,3 1,78 3 2,35 3,1 2,55

Результаты исследования режимов пуска и стопорения с разной нагрузкой позволяют сделать следующие выводы:

— в режиме пуска с Мс = 0,3 ■ Мном нагрузка на двигателе по интегральным и максимальным значениям является наибольшей;

— при пуске сМс = Мном нагрузка на двигателе наибольшая, минимальное значение нагрузки на валу-шестерне Ш2;

- нагрузки, возникающие на валу-шестерне Ш2 и рабочем органе в режимах пуска с Мс = 0,3 • Мном и Мс = Мном, соизмеримы и практически не отличаются;

- интегральные показатели момента нагрузки в узле Ш2 в режиме стопорения выше на 15-30 % по сравнению с двигателем и зависят от момента нагрузки на рабочем органе;

- интегральная нагрузка на валу-шестерне Ш2 меньше, чем на рабочем органе, разница составляет 7 %. Величина максимальной нагрузки на валу-шестерне Ш2 меньше, чем на рабочем органе на 3 %.

Установлено, что нагрузки, возникающие на валу-шестерне z = 20, ш = 26 в динамических режимах соизмеримы с нагрузками на рабочем органе и максимальны в ротационных элементах редуктора. В связи с тем, что вал-шестерня z = 20, m = 26 является наиболее слабым узлом в редукторе и испытывает максимальные нагрузки в динамических режимах работы, необходимо разработать принцип регулирования загрузки привода, который позволил бы ограничивать максимальный уровень нагрузки и сократить время его опасного воздействия.

2. Увеличение ресурса элементов редуктора тяги, путем ограничения перегрузок в валах-шестернях, возможно за счет регулирования момента на валу двигателя по предлагаемому алгоритму.

Основные причины отказов вала-шестерни z = 20, m = 26 связаны с разрушением вала вследствие зарождения и развития усталостных трещин в местах опасной концентрации напряжений, которые составляют 60 % от общего количества отказов и 85 % случаев внезапных отказов. Для оценки наиболее нагруженных сечений разработана конечно-элементная модель вала-шестерни в программной среде Ansys Workbench в расчетном модуле Static Structural. Проведенный расчет показал наличие значительной концентрации напряжений в месте галтели, перехода с диаметра 200 мм на диаметр 230 мм (рис. 4). Значения напряжений на галтели в зависимости от нагрузок на валу-шестерне представлено в табл. 3.

Таблица 3

кд 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6

MR_„„ Н • м 78000 102000 130000 150000 180300 200200

<7ЗКВ, МПа 170 213 257 291 343 380

Рис. 4. Место концентрации напряжений на валу-шестерне z = 20, m = 26

В связи с тем, что галтель является концентратором напряжений и большая часть отказов связана именно с ней, целесообразно контролировать ее ресурс. Способ расчета ресурса должен учитывать наличие опасных концентраций напряжений и случайный характер возникающих нагрузок.

Наиболее полно выдвинутым требованиям соответствует корректированная линейная гипотеза суммирования усталостных повреждений при нерегулярном нагружении, учитывающая наличие мест концентрации напряжений через значение среднего предела выносливости:

= (О

при условии oai > а_ъ где щ - число циклов повторения напряжений амплитудой aai в блоке нагружения; Л/; - число циклов до разрушения, вычисляемое по кривой усталости при напряжении амплитудой <та,; а_х -среднее значение предела выносливости.

аг,

«£-0,5 »<r_

<Гатах~0'5*<Г-1

где статах — максимальное значение напряжения в блоке нагружения.

£ = Z f= l (®а £ /&атах) * U

при условии aai > • а_х, где tt = ^ ,

(2)

(3)

(4)

здесь vi6

6

z 1-е

\

\ MU (З.С _дУ 3.16

\

число циклов в блоке нагружения с амплитудой бт01; Уд - число

циклов в блоке нагружения без учета амплитуд сга1 < 0,5 ■ а_г.

При расчете значения ресурса вала-шестерни ъ =20, т = 26 использовались вероятностные диаграммы усталости для стали 34ХН1М. Выполненные расчеты позволили установить, что зависимость ресурса от нагрузок описывается экспоненциальной зависимостью вида: Мв_ш = е(-з.о2+Кд)/-одб14

(рис. 5), а возникновение перегрузок в механизме тяги с коэффициентом динамичности 1,5 и выше, интенсивно снижают ресурс вала-шестерни. Полученные результаты позволяют заключить, что необходимо стремиться к снижению величин динамических нагрузок на валу-шестерне, за верхний предел которых необходимо принять значения коэффициента динамичности равное 1,3.

Величина динамических нагрузок Fд^,н, возникающих в механизме тяги в режимах стопорения, зависит от скорости двигателя УА, усилий,

30000 60000 90000 120000 150000 180000 210000 240000 270000 300000

Рис. 5. Ресурс вала-шестерни в зависимости от коэффициента динамичности

создаваемых приводом Рд, и механической инерционности механизма Аг„, определяется выражением

^дин = Рд +К* (5)

Из выражения (5) видно, что динамические нагрузки, возникающие в механизме в процессе стопорения, будут тем меньше, чем меньше усилия, развиваемые приводом и начальная скорость стопорения. Учитывая, что в процессе стопорения усилия снижаются, целесообразно ограничить первый пик на уровне допустимого и дальнейшие нагрузки будут меньше. Одновременно с этим, в процессе заполнения ковша будет рационально уменьшать его скорость, чтобы динамическая добавка к„ ■ УА была наименьшей. Указанным условиям удовлетворяет принцип регулирования момента на валу двигателя в зависимости от скорости механизма с поддержанием постоянной мощности двигателя. Механическая характеристика электропривода будет иметь следующий вид (рис. 6). Моделирование процесса стопорения рабочего органа показало, что предложенная система эффективно снижает нагрузки на валу-шестерне, которые не превышают значений 1,3.

Результаты моделирования представлены осциллограммой моментов на рабочем органе Мро и ва-

мл*

лу-шестерне х = 20, т = 26 М„.ш (рис. 7). Горизонтальная ось показывает время (сек). Сравнивается два способа регулирования: существующий (СТ) и предлагаемый (ПР). Нагрузки приведены к номинальному моменту двигателя

и представлены в относительных единицах. Рассмотрен режим пуска при-

Рис. 6. Механические характеристики приводного двигателя: относительные величины моментов

стопорения Мш, Мш, МПз, МП4 при различных заданиях скорости двигателя и>()

■ ы1Юм с номинальной нагрузкой и стопорение меха-

вода на скорость 0,9 ■ низма усилием 3 • Мном (8 сек). Нагрузки на рабочем органе и валу-шестерне г = 20, ш = 26 с применением предлагаемого способа регулирования снижаются на 24 % и 19 % соответственно, в сравнении с существующим способом.

2.5 2 1.5

0 5

0

3 2 1 0

4 3 2 1 а

012345Б789 10 Мро

Рис. 7. Осциллограммы моментов на рабочем органе Мро, валу-шестерне г = 20, ш = 26 Мв_ш и двигателе Мд

Для сравнения эффективности ограничения перегрузок на уровне 1,3 • Кд проведен расчет наработки вала-шестерни т. = 20, ш = 26 на отказ при двух вариантах нагрузок: существующей и предлагаемой. Блок нагру-жения составлен на основании 100000 циклов экскавации при стандартной механической характеристике и представлен табл. 4 (в случае предлагаемой характеристики число циклов щ при ста; > 315 МПа равно нулю).

Таблица 4

а„и МПа 205 219 243 258 278 300 315 334 351

VI ■ 102, цикл 216 210 240 20 90 27 9 5 3

щ ■ 102, цикл 216 210 240 200 900 270 90 5 3

Параметры для расчета ресурса вала-шестерни в области галтели составили:

для стандартной: <т_г= 200 МПа; оатах= 351 МПа;Кб= 100000 циклов;

для предлагаемой: 200 МПа; оатах= 315 МПа;У б = 100000 циклов.

Результат расчета представлен в табл. 5.

Таблица 5

Параметр Ы(СТ) ЖПР)

(100000 циклов) 0,313 0,279

Яр 0,55 0,645

1 1 • ' • 1 ! ' Л

-3

А - ; У \

: \

/.......:.........:..........:.......... ПР

Мв-н

Ограничение нагрузок на уровне 1,3 • Кд позволяет увеличить ресурс вала-шестерни в области галтели на 15 %, а с учетом снижения нагрузок на всех элементах редуктора увеличит ресурс каждого узла в отдельности.

3. Снижение опасного уровня динамических нагрузок в редукторе тяги достигается за счет регулирования загрузки приводного двигателя в зависимости от скорости ковша, момента на валу и усилий в канатах.

Результаты проведенных исследований показывают, что опасность разрушения элементов редуктора связана с высоким уровнем динамических нагрузок, величина которых в элементах механизма тяги в режимах стопорения (табл. 1) превышает значения нагрузок в статических режимах в 1,5... 1,6 раза. Для повышения надежности элементов редуктора и снижения вероятности отказа в условиях низких отрицательных температур необходимо контролировать и ограничивать динамические нагрузки в элементах редуктора.

Как было отмечено выше, для ограничения уровня динамических нагрузок целесообразно регулировать момент на валу двигателя обратно пропорционально скорости ковша.

Учитывая что, Рд = Мд • о>д и Мд = сФд • /я получим:

Рд = сФд-/я*а)д, (6)

где Рд- мощность двигателя, Вт; Мд- момент развиваемый двигателем, Нм; сФд- магнитный поток двигателя, Вб; /я- ток якорной цепи, А; сод-угловая частота вращения двигателя рад/с.

Согласно выражения (6), регулирование момента двигателя обратно пропорционально скорости ковша возможно воздействием на магнитный поток двигателя сФд при различных значениях нагрузки /я и скорости механизма и'д, при этом мощность привода Рд будет поддерживаться постоянной. Статическая механическая характеристика привода при таком способе регулирования момента двигателя при значении скорости соном, показана на рис. 8.

Рис. 8. Статическая механическая характеристика предлагаемого способа регулирования

В режимах жесткого стопорения рабочего органа необходимо контролировать усилия, создаваемые лебедкой, и ограничивать их на допустимом уровне. Поскольку выходным звеном кинематической цепи механизма тяги является канат, целесообразно контролировать упругое усилие в нем в режимах стопрения, поддерживая его на уровне стопорного значения. Усилие /у в канатах вычисляется по формуле

-т'1Г> <7>

где усилие создаваемое двигателем, Н; т - масса 2-х двигателей и прикрепленных к ним вращающихся частей механизма, кг; УА- скорость двигателя, приведенная к рабочему органу, м/с.

На основании выше сказанного, способ регулирования загрузки привода представляет собой следующее: в режиме заполнения ковша, когда усилия в канатах не превышают стопорных, регулирование момента на валу двигателя производится обратно пропорционально его скорости путем ослабления магнитного поля, по выражению: Фд = ФНОм — А03, где Фд -магнитный поток двигателя; Фном — номинальный поток; А — коэффициент ослабления поля; ш — скорость двигателя. При встрече ковша с препятствием усилия в канатах возрастают и достигают стопорного значения. С этого момента времени система управления ограничивает скорость величиной 0,2 ■ о)Н0М и плавно увеличивает ток возбуждения двигателя. Момент двигателя возрастает до стопорного значения, тем самым обеспечивая требуемое усилие в канатах.

Структурная схема предложенного способа регулирования моментом двигателя представлена на рис. 9.

дс

Н-О.

зов РВ 1

Рис. 9. Структурная схема предлагаемого способа регулирования

Устройство управления приводом механизма тяги экскаватора состоит из сельсинного командоаппарата СКАР, регуляторов привода РП, блока управления возбуждением генератора и двигателя БУВ, тиристорно-

го преобразователя возбуждения генератора ТВ, генератора Г, двигателя Д, тиристорного преобразователя возбуждения двигателя ТВД, датчика напряжения ДН, датчика тока ДТ, датчика усилия в канате ДУ, задатчика ослабления тока возбуждения двигателя ЗОВ, задатчика возбуждения двигателя ЗВ, регулятора возбуждения двигателя РВ.

Электропривод построен по системе подчиненного регулирования параметров с обратными связями по напряжению, току и скорости. Настройка дополнительного контура ослабления возбуждения двигателя выполняется следующим образом. Устанавливается заданный номинальный ток возбуждения двигателя в блоке ЗВ. В задатчике ослабления тока возбуждения ЗОВ формируется сигнал для ослабления тока возбуждения в функции скорости. В регуляторе РВ происходит суммирование двух величин и подается управляющее воздействие на преобразователь ТВД. Максимальный момент стопорения выбирается равным 1,9 - 2 ■ Мном (рис. 8) и не изменяется в диапазоне скоростей от 0 ... 0,2 ■ шном (поле двигателя не ослабляется), что обеспечивается выбором зоны нечувствительности. С увеличением скорости двигателя значение момента уменьшается (ослабляется магнитное поле двигателя) до минимального, равного 1 - 1,1 • Мном, что позволяет обеспечить хорошее быстродействие при маневрировании с заполненным ковшом. Устройство сравнения усилий, создаваемых лебедкой с величиной стопорного усилия в статическом режиме, расположено в блоке БУВ, уставка срабатывания выбирается из расчета максимального тягового усилия лебедки.

Рассмотрим пример работы привода тяги шагающего экскаватора с предлагаемой системой управления. В начале процесса копания машинист экскаватора устанавливая сельсинный командоаппарат (СКАР) в нужное положение, задает требуемую скорость привода. Привод разгоняется на заданную скорость, начинается заполнение ковша породой. Момент сопротивления постепенно увеличивается, скорость двигателя уменьшается согласно характеристики, представленной на рис. 8. Одновременно с этим непрерывно контролируется упругое усилие, создаваемое в канатах лебедки, определяемое по выражению (3). При встрече ковша с препятствием усилие в канатах возрастает и достигает стопорного значения. В этот момент устройство сравнения в блоке БУВ выдает сигнал на ограничение значения скорости двигателя величиной 0,2 ■ шном и электропривод переходит на характеристику с максимальным тяговым усилием. Ток возбуждения двигателя плавно возрастает в связи со значительной электромагнитной постоянной обмотки возбуждения. Процесс стопорения происходит с меньшими динамическими нагрузками. Осциллограммы моментов на двигателе, валу-шестерне и рабочем органе, скорости двигателя и рабочего органа в режиме пуска на скорость 0,5 ■ шном, наброса нагрузки Мс = 1,5 ■ Мном с последующим стопорением М^,, = 2 ■ Мном представлены ниже (рис. 10, а и б). Значения моментов нагрузки и скорости двигателя

показаны в относительных единицах и приведены к номинальным значениям скорости и момента двигателя. Сравнивается два способа регулирования: СТ — существующий и ПР — предлагаемый.

а) б)

Рис. 10. Осциллограммы нагрузок (а) и скорости (б) при скорости

0.5 • (Оном, Мс = 1,5 • Мном и Мстоп = 2 ■ М„ом

Проведенные исследования нагружености элементов редуктора и рабочего оборудования позволяют сделать следующие выводы:

1. В режимах пуска переходные процессы скорости предлагаемой и существующей систем управления не имеют отличий.

2. При набросе нагрузки колебания момента двигателя с предлагаемой системой управления практически отсутствуют, скорость нарастания момента незначительно отличается по сравнению с существующей системой.

3. Стопорение механизма происходит с меньшими показателями максимальных динамических нагрузок. При использовании предлагаемой системы управления нагрузки на двигателе, валу-шестерне и рабочем органе нагрузки снижаются на 16 %, 27 % и 20 % соответственно.

4. Интегральные показатели нагрузки (отражают время воздействия максимальной нагрузки на элемент трансмиссии или рабочее оборудование) для двигателя, вала-шестерни и рабочего органа в режимах жесткого стопорения снижаются на 35 %, 37 % и 37 % соответственно при использовании предлагаемой системы управления.

5. Применение предлагаемой системы управления позволяет исключить колебания в приводе тяги, возникающие вследствие упругости каната.

6. На рабочем органе сохраняется достаточная динамическая добавка, обеспечивающая увеличение режущего усилия на зубьях ковша, не превышающая рекомендованного значения коэффициента динамичности кя = 1,3.

Применение предлагаемого способа регулирования позволяет снизить опасные динамические нагрузки в элементах редуктора до допустимых значений и ограничить время их воздействия, увеличить ресурс элементов редуктора и рабочего оборудования при эксплуатации в условиях низких отрицательных температур и плохо подготовленных забоев. Ожидаемый экономический эффект от внедрения предлагаемого способа управления составит 67641 рубль на один экскаватора за год эксплуатации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной научно-практической задачи повышения эффективности работы редукторов тяги экскаваторов-драглайнов в экстремальных условиях эксплуатации, имеющей существенное значение для совершенствования и развития горнодобывающей отрасли нашей страны.

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. Исследование статистики отказов копающих механизмов экскаватора позволило установить, что частота отказов редуктора тяги в два раза превышает этот показатель по редуктору подъема. Большая часть простоев связана с выходом из строя редуктора тяги. Установлено, что наименее надежным узлом в редукторе является вал-шестерня г = 20, ш = 26, с которой связано 40 % отказов. Основная причина отказов вала-шестерни — усталостное разрушение.

2. На разработанной трехмассовой модели механизма тяги, которая представляет собой единую электромеханическую систему и конечно-элементной модели вала-шестерни, исследованы динамические нагрузки узле редуктора тяги. Установлено, что вал-шестерня наиболее нагруженный элемент в редукторе.

3. На основании выбранной гипотезы расчета ресурса вала-шестерни обоснован уровень допустимых нагрузок для данного элемента, что позволяет продлить ресурс детали. Рассмотрены основные причины возникновения динамических нагрузок и, как рекомендацией к их снижению, предложен способ управления моментом двигателя, согласно предлагаемого алгоритма.

4. Техническая реализация предлагаемого способа управления осуществляется регулированием момента двигателя путем управления током якоря и магнитным потоком машины с учетом усилий, возникающих в канатах механизма тяги. Анализ результатов моделирования и сравнение нагрузок в элементах трансмиссии и рабочем оборудовании со стандартной системой управления позволяет судить об эффективности предлагаемого способа управления.

5. Результативность выполненных исследований подтверждается ожидаемым экономическим эффектом в размере 67641 рубль в год на один экскаватор, получаемых за счет уменьшения числа аварийных отказов механического оборудования и связанных с ними простоев экскаватора. Дополнительная прибыль будет получена за счет увеличения ресурса всех узлов механизма тяги, снижения затрат на приобретение запасных частей и сокращения численности ремонтного персонала.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в ведущих научных изданиях и журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ

1. Иов И.А. Исследование надежности редукторов шагающих экскаваторов ЭШ 20.90 // Вестник ИрГТУ. - Иркутск : Изд-во ИрГТУ. - 2014. -№5 (88).-С. 29-33.

2. Иов И.А. Снижение уровня динамических нагрузок в элементах редуктора привода тяги экскаваторов-драглайнов / И.А. Иов, A.B. Сорокин, A.C. Леоненко // Вестник ИрГТУ. - Иркутск : Изд-во ИрГТУ. - 2014. -№8(91).- С. 22-26.

Прочие публикации

1. Иов И.А Анализ повреждаемости тягового и подъемного механизмов экскаваторов ЭШ 20.90 на разрезе «Черемховский» / И.А. Иов, A.A. Еньшин // Проблемы освоения минеральной базы Восточной Сибири : сб. науч. тр.; под ред. проф. Б.Л. Тальгамера. - Иркутск : Изд-во ИрГТУ. -2012.-Вып. 12.-С. 64-68.

2. Иов И.А. Оценка загруженности трансмиссии привода тяги шагающего экскаватора ЭШ 20.90 // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2014. - № 3 (43). - С. 60-63.

Подписано в печать 24.09.2014. Формат 60 х 90 /16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Зак. 186. Поз. плана 12н.

Лицензия ИД № 06506 от 26.12.2001 Иркутский государственный технический университет 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83