автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Повышение технического уровня карьерных одноковшовых гидравлических экскаваторов на стадии проектирования

На правах рукописи

005048689

Зыков Петр Анатольевич

ПОВЫШЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ КАРЬЕРНЫХ ОДНОКОВШОВЫХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ЭКСКАВАТОРОВ НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

05.05.06 - «Горные машины»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г д янв 2013

Кемерово - 2013

005048689

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

Воронов Юрий Евгеньевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Хорешок Алексей Алексеевич

Защита состоится 21 февраля 2013 года в 15ш часов на заседании диссертационного совета Д 212.102.01 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева» по адресу: 650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева»

Автореферат разослан января 2013 года.

Ученый секретарь

кандидат технических наук Менчугин Александр Васильевич

Ведущая организация: ОАО «Евразруда»

диссертационного совета

А. Г. Захарова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Основным направлением развития угольной промышленности является преимущественный рост доли открытого способа разработки месторождений как наиболее эффективного и перспективного. Увеличение добычи угля в стране открытым способом неразрывно связано с увеличением объемов экскавационных работ.

Экскаваторы занимают центральное место в технологической цепи добычи полезных ископаемых открытым способом и выполняют свыше 80% общего объёма работ. Очевидно, что их высокопроизводительная работа напрямую влияет на эффективность ведения горных работ. Самым распространённым классом экскаваторов являются одноковшовые экскаваторы, причем на карьерах наиболее распространено оборудование «прямая лопата».

Основной тенденцией развития карьерных одноковшовых экскаваторов является использование гидравлического привода, который имеет значительные резервы по возможности его совершенствования и позволяет вести горные работы по сравнению с механическими лопатами более интенсивно. Однако эволюционный путь развития, принятый разработчиками, а также эмпирический подход при проектировании не даст серьезных качественных изменений гидравлической экскавационной техники в будущем. Для создания машин действительно высокого технического уровня необходимо исходить из системного подхода к экскаватору, суть которого заключается в том, что при проектировании следует учитывать не только состав объекта, но и взаимосвязи между его элементами и частями, а также с внешней средой. Получаемые в процессе проектирования параметры экскаватора должны быть связаны друг с другом оптимальным образом и отвечать регламентированным техническим требованиям. Одним из эффективных инструментов оптимизации параметров карьерных экскаваторов становится математическое моделирование, которое позволяет существенно снизить трудоёмкость и затраты времени по сравнению с испытаниями машин на натурных моделях.

Этот круг вопросов по существу связан с проблемой повышения качества промышленной продукции, являющейся одной из наиболее важных проблем развития экономики в условиях рынка, решению которой в настоящее время уделяется большое внимание. Изложенное свидетельствует об актуальности диссертационной работы.

Цель работы: повышение технического уровня карьерных одноковшовых гидравлических экскаваторов на стадии проектирования.

Идея работы заключается в оптимальном согласовании показателей технического уровня и параметров одноковшовых экскаваторов посредством системного анализа существующих между ними взаимосвязей.

Объект исследований: карьерные гидравлические одноковшовые экскаваторы с оборудованием «прямая лопата».

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Обоснование функционального критерия и номенклатуры показателей технического уровня карьерных гидравлических одноковшовых экскаваторов; сравнительная оценка технического уровня существующих машин и выявление перспективных направлений и методов его повышения.

2. Разработка на базе системного подхода и методов комплексной оценки методики оптимизации показателей технического уровня по критерию качества.

3. Оптимизация единичных показателей технического уровня с целью достижения сбалансированности параметров экскаваторов.

4. Синтез оптимальных параметров исполнительных органов машин на основе полученных значений оптимальных единичных показателей технического уровня.

Методы исследований. При выполнении работы использовались методы статистической обработки данных и построения регрессионных моделей, математического экспериментирования, анализа и синтеза, методы комплексной оценки показателей технического уровня, математическое моделирование и аппарат линейного программирования.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Функциональный критерий взаимодействия элементов системы «экскаватор - горная масса» и комплекс показателей, выбираемых в зависимости от степени влияния их на производительность, создают основу для оценки технического уровня карьерных одноковшовых экскаваторов и выбора приоритетных направлений его повышения.

2. Регрессионные модели взаимосвязей между обобщенным и единичными показателями технического уровня, а также между параметрами карьерных гидравлических экскаваторов являются. линейными, прячем, наибольший рост качества дает снижение удельной мощности привода, металлоемкости и продолжительности цикла, а также увеличение ресурса.

3. Для создания карьерных одноковшовых гидравлических экскаваторов высокого технического уровня необходимо обеспечить достижение следующих значений их показателей: функциональный критерий оценки качества должен составлять не менее 24,2 кВт/м3; ресурс - не менее 77,4 тыс. ч; удельная мощность привода — не более 57,94 кВт/м3; металлоемкость — не более 13,7 т/м3.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертационной работе, подтверждается использованием апробированных теоретических положений по безэкспертной оценке качества горных машин; достаточным объемом теоретических исследований, выполненных с применением методов математической статистики, выбором представительных критериев, обусловливающих технический. уровень карьерных экскаваторов, что позволяет делать выводы с доверительной вероятностью не ниже 95%.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1. Разработана методика комплексной оценки технического уровня, отличающаяся специфическими для карьерных одноковшовых экскаваторов функ-

циональным критерием и единичными показателями, номенклатура которых определена степенью влияния их на производительность экскаватора.

2. Впервые установлены закономерности формирования и регрессионные модели взаимосвязей между показателями технического уровня и параметрами карьерных экскаваторов;

3. Разработана математическая модель оптимизации показателей технического уровня карьерных экскаваторов, где в качестве критерия оптимизации использовались обобщенные оценки технического уровня;

4. Разработан метод синтеза параметров карьерных экскаваторов на основе полученных оптимальных значений единичных показателей технического уровня с учетом оптимальных взаимосвязей их между собой.

Личный вклад автора заключается в постановке задач исследования и разработке методов их решения; в выполнении аналитических и экспериментальных исследований; в разработке методик комплексной оценки технического уровня и оптимизации параметров карьерных одноковшовых экскаваторов; в установлении закономерностей формирования и регрессионных моделей взаимосвязей между параметрами карьерных экскаваторов, а также между обобщенным и единичными показателями технического уровня.

Научное значение работы заключается в разработке метода оценки технического уровня карьерных одноковшовых экскаваторов с применением функционального критерия, учитывающего их особенности и специфику работы; в разработке нового подхода к оптимизации параметров карьерных экскаваторов, который базируется на использовании в качестве критерия оптимизации обобщенных оценок технического уровня, а в качестве оптимизируемых параметров - его единичных показателей.

Практическая значимость работы заключается в разработке механизма объективной оценки принимаемых решений на самых ранних стадиях проектирования карьерных одноковшовых гидравлических экскаваторов. Разработанная методика оптимизации параметров карьерных экскаваторов позволяет научно-обоснованно решать вопросы повышения технического уровня машин за счет оптимального согласования их параметров.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Основные научные результаты диссертационной работы внедрены и находят практическое применение в учебных (Филиал КузГТУ в г. Новокузнецке) институтах и эксплуатирующих организациях (ОАО «СУЭК», ОАО «Разрез Красногорский» и ООО «Разрез Березовский»), К их числу относятся методические материалы по оценке технического уровня и расчету оптимальных параметров карьерных одноковшовых экскаваторов, рекомендации по перевооружению карьеров за счет внедрения экскавационной техники с гидравлическим приводом, разделы лекционных курсов.

Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее результаты докладывались и обсуждались на:

1. III Межвузовской научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Перспективные направления в науке, обществе, образовании,

экономике и праве» (24 апреля 2009), Филиал ГУ КузГТУ в г. Новокузнецке, г. Новокузнецк.

2. VI Международной научно-технической конференции «Проблемы исследования и проектирования машин» (ноябрь 2010), г. Пенза.

3. III Международной научно-практической конференции «Перспективы развития прокопьевско-киселевского угольного района, как составная часть комплексного инновационного плана моногородов» (30 марта 2011), Филиал ГУ КузГТУ в г. Прокопьевске, г. Прокопьевск.

4. IX Международной научно-технической конференции молодых специалистов (23 апреля 2011), ОАО «ЕВРАЗ», г. Новокузнецк.

5. X Международной научно-технической конференции молодых специалистов (20 апреля 2012), ОАО «ЕВРАЗ», г. Новокузнецк.

6. семинарах кафедры «Горные машины и комплексы» ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева» 2009-2012 гг.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 12 печатных

работ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, общим объемом 176 страниц, 27 таблиц и 19 рисунков, библиографического списка, включающего 109 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, приводится характеристика работы, аннотируются структура и содержание работы.

В первой главе рассматривается роль одноковшовых экскаваторов в технологии открытой добычи угля. Выявлены тенденции развития современных карьерных одноковшовых экскаваторов, основной из которых является использование гидравлического привода. Анализируется и обосновывается цель диссертационной работы, исследуются факторы, способствующие ее достижению. Рассматривается состояние и перспективы развития современного парка карьерных одноковшовых гидравлических экскаваторов. Выявлена необходимость разработки методов более объективной оценки технического уровня карьерных одноковшовых экскаваторов. При этом должна обеспечиваться возможность производить оценку технического уровня на самых ранних стадиях проектирования и изготовления машин. Повышение технического уровня карьерных одноковшовых экскаваторов на стадии проектирования можно обеспечить за счет оптимального согласования их параметров.

Вопросами оценки и повышения технического уровня и качества горных машин занимались такие ученые и специалисты, как Г. И. Солод, Б. А. Александров, В. И. Нестеров, Я. М. Радкевич, В. В. Пржежецкий, Ю. Е. Воронов, Н. М. Скорняков, В. Д. Елманов, В. С. Квагинидзе, А. В. Буянкин, Р. С. Шамсут-динов и др.

Во второй главе описаны методики оценки технического уровня и качества машин.

Проведенный анализ существующих методик оценки качества показал, что, как и для большинства горных машин, наиболее приемлемым аналогом для оценки технического уровня карьерных одноковшовых экскаваторов является методика Г. И. Солода, которая основывается на фундаментальных принципах квалиметрии и позволяет количественно оценивать технический уровень и качество функционально однородных машин разных типов, типоразмеров и конструктивных исполнений.

Функциональный критерий является основой этой методики и определяет основное назначение машины. Г. И. Солод предлагает определять его в виде произведения производительности горной машины по выполнению своей функции в заданных условиях и удельной энергии процесса выполнения машиной своей функции в этих условиях.

В соответствии с этим для карьерных экскаваторов функциональный критерий оценки их качества можно представить в виде (кВт):

Л = П-Т¥, (1)

где П — расчетно-теоретическая производительность экскаватора, м3/ч; IV — удельная энергия экскавации горной массы, кДж/м3.

Удельная энергия экскавации представляет собой минимально необходимые затраты энергии на копание и перемещение 1 м3 горной массы за один цикл, должна полностью определяться физико-механическими свойствами разрабатываемой горной массы и не зависеть от типа, модели и конструктивного исполнения экскаватора. Поэтому при сравнении между собой экскаваторов с различной областью применения, удельная энергия экскавации будет играть роль масштабного фактора, который ставит в один ряд все экскаваторы, позволяя сравнивать их технический уровень и качество.

Удельную энергию экскавации горной массы можно определить по полученной автором зависимости (кДж/м3):

1Г = к,+

' л

(2)

225 я

где к/ - удельное сопротивление породы копанию, кПа; рп — плотность горной массы, т/м3; g - гравитационное ускорение, м/с2; Яв - радиус выгрузки (принимаем равным максимальному радиусу выгрузки для экскаватора), м; п - частота вращения поворотной платформы, мин"1, ИК - наибольшая высота копания экскаватора, м.

Вместимость ковша является при проектировании исходным параметром, и потому не должна влиять на технический уровень экскаватора. Поэтому, чтобы исключить влияние этого параметра на определение технического уровня карьерных экскаваторов, целесообразно воспользоваться удельной производительностью на 1 м3 емкости ковша ((м3/ч)/м3):

П = (3)

где гч - расчетная продолжительность рабочего цикла (при повороте платформы на угол я/2), с.

Окончательная зависимость для определения функционального критерия оценки технического уровня карьерных одноковшовых экскаваторов имеет вид:

X = 3600

V

+ 0,5 р^

225Я

(4)

Полученный функциональный критерий позволяет количественно оценивать выполнение экскаватором своей функции и может быть использован при комплексной оценке технического уровня карьерных экскаваторов.

Другим важным вопросом оценки является выбор необходимой и достаточной номенклатуры показателей технического уровня карьерных одноковшовых экскаваторов. Номенклатура показателей, в наибольшей степени определяющих уровень качества, обеспечиваемый при проектировании экскаватора, выбирается из исходной номенклатуры в результате детального анализа с дальнейшей проверкой на согласованность и представительность.

Для уменьшения числа показателей некоторые из параметров приводятся к удельному виду. Кроме того, для параметров, с уменьшением значений которых качество машины ухудшается, в качестве единичных показателей должны быть взяты их обратные величины.

В качестве показателей, определяющих технический уровень карьерных одноковшовых экскаваторов, предлагаются следующие:

- удельная энергоёмкость, (кВт /(м3/ч)):

N

(5)

где Ыпр — мощность привода, кВт.

Показатель характеризует затраты энергии на единицу производительности. Снижение уделыюй энергоёмкости.экскаваторов позволяет получить более экономичную, а значит и более технически совершенную машину.

- удельная металлоемкость экскаватора, (т/(м3/ч)):

*-=§' (6)

где б, - эксплуатационная масса экскаватора с рабочим оборудованием, т.

Параметр характеризует массу, приходящуюся на единицу производительности. Снижение удельной металлоемкости позволяет применить более широкий ассортимент материалов, легированных сталей, обеспечить устойчивость, повысить усилие копания, а также снизить стоимость машины.

- удельное усилие копания экскаватора, (кПа):

Ртя-К

Ек

где Рко„ — наибольшее усилие копания, кН; Ик - наибольшая высота копания, м; Ек — емкость ковша экскаватора, м3.

(7)

Удельное усилие копания, развиваемое на кромке рабочего органа, является одним из основных технических характеристик экскаваторов, зависящих от их конструктивных особенностей. Высокие показания удельного усилия копания позволяют разрабатывать забои IV и V категории крепости.

- удельная наибольшая высота копания:

Ь-Ьк _ К

- удельный наибольший радиус копания:

Д.

L.RK _ КР ~

(9)

где Як - наибольший радиус копания, м.

Рабочие размеры экскаваторов являются основными показателями назначения, которые определяют качество экскаватора. Они определяют совершенство кинематики копания. Их повышение сокращает передвижки экскаватора и число горизонтов.

-установленный ресурс экскаватора Тр, как интегральный показатель надежности.

В итоге получен комплекс из шести показателей, определяющих технический уровень карьерных одноковшовых экскаваторов (рис. 1).

Рис. 1. Комплекс показателей технического уровня карьерных одноковшовых

экскаваторов

По выбранным показателям в работе проведена оценка технического уровня карьерных одноковшовых гидравлических экскаваторов всех типоразмеров, вместимостью ковша от 4 м3 до 45 м3.

Для сравнения технического уровня экскаваторов отечественного производства (ОАО «Объединенные машиностроительные заводы») с зарубежной техникой были рассмотрены широко используемые в мире конструкции карьерных экскаваторов, лидирующих в этой области фирм: «Caterpillar», «Komatsu», «Hitachi», «Liebherr» и «Тегех О&К».

Общий анализ результатов расчета обобщенного показателя технического уровня карьерных гидравлических экскаваторов показывает, что у всех машин он выше значения 0,5 (рис. 2). Это свидетельствует о достаточно высоком техническом уровне машин. Средний технический уровень рассматриваемой группы экскаваторов составляет Уср = 0,764.

0,95 0,9 0,85 0,8 0,75 0,7 0,65 0,6 0,55 0,5

Рис. 2. Обобщенный показатель технического уровня карьерных экскаваторов

Величина показателя У, выражающего усредненное значение обобщенного показателя технического уровня, для рассмотренных зарубежных машин составляет Узаруб = 0,769, что лишь на 3% выше, чем для экскаваторов компании ОМЗ, для которых Уотеч = 0,747. Это означает, что с точки зрения совершенства конструктивных схем, наличия новых идей и решений российские экскаваторы практически не уступают зарубежным машинам.

Более высокие значения обобщенного показателя технического уровня имеют экскаваторы с небольшой вместимостью ковша. Это можно объяснить тем, что при увеличении размеров машины во все большей степени начинают проявлять себя масштабный фактор и системные эффекты, которые при проектировании сегодня, как правило, не учитываются.

Изменение масштаба (размеров машины) в соответствии с системным подходом требует согласования с внешней средой, то есть либо должно сопровождаться изменением параметров взаимодействующих с машиной объектов, либо качественными изменениями в самой машине. Однако принятый разработчиками при проектировании машин эмпиризм не даст серьезных качественных изменений в будущем. При увеличении размеров экскаваторов для их производства необходимо использовать новые конструкционные материалы и производственные технологии, а также добиваться оптимальной сбалансированности их параметров.

Также установлено, что у машин, имеющих более высокий технический уровень, параметры являются более сбалансированными. Одной из главных

0,894 0 9 3

0,850

0 8 5 0 8 6

0 75 7 0 76 8 0 75 9 0,751 0.738 0 9 0 76 6 П7Ч8 о 748

0,700 0 7С 4 - 0 7С 8

| 1 0,647

0 б 6

ЭГ-5,5 ЭГ-110 1 ЭГ-150 1 ЭГ-350 ] ЭГ-550 ] РС1250-7 ] РС3000-6 1 РС4000 1 РС8000-6 1 8 й о о О) Х ш § СО Я ш 8 Ю Й 5 О) 01 СО 2 ю со о> си Р996 1 1ЧН 40-Е 1 РН 90-С 1 РН 120-Е 1 РН 200-Е 1 РН 400 1 365С ЯБ 1 385 РЭ J

причин этого является отсутствие системности при проектировании карьерных экскаваторов и назначении их основных параметров.

Использование научно-обоснованных методов оптимального проектирования карьерных экскаваторов позволяет определить и оптимально сбалансировать их параметры и тем самым повысить технический уровень.

Для определения основных направлений повышения технического уровня экскаваторов на рис. 3 представлены диаграммы по единичным показателям для рассматриваемой группы машин, где цифрами обозначены экскаваторы, проранжированные по обобщенному показателю технического уровня к.

Рис. 3. Диаграммы технического уровня карьерных гидравлических экскаваторов по единичным показателям а - ч, (Еу), 6-42 (кД в - (кгэ), г - (Тр), д - Ч5 (крКк), е - (крЬк).

1 - 385С 2 - ЭГ-150; 3 - 365С Бв; 4 - ЕХ1200; 5 - ЕХ1900; б - Я994 Ькгошс; 7 - РС1250-7; 8 - Я984 Ькготс; 9 - ЭГ-550; 10 - ЯН 40-Е; 11 - РС3000-6; 12 - ЭГ-350; 13 - РС4000; 14 -РС8000-6; 15 - ЮН 90-С; 16 - 1Ш 120-Е; 17 - В.996 ЬИгошс; 18 - ИН 400; 19 - ЕХ5500; 20 -Я995 ЬИгошс; 21 -ЕХ3600; 22 - ЭГ-110; 23 - ЯН 200-Е; 24 - ЭГ-5,5.

Анализ диаграмм показывает, что основными резервами повышения технического уровня карьерных гидравлических экскаваторов является увеличение удельного усилия копания, а также снижение удельной металлоемкости и энергоемкости. Для отечественных экскаваторов основным резервом является повышение ресурса.

В третьей главе разработана методика оптимизации показателей технического уровня и параметров карьерных одноковшовых гидравлических экскаваторов.

Концептуальной основой оптимального проектирования является системный подход, который при назначении параметров машины заключается в том, что они, во-первых, должны соотноситься друг с другом оптимальным образом, и, во-вторых, получаемые на их основе выходные технико-эксплуатационные показатели - отвечать регламентированным нормативными документами значениям, то есть при проектировании должны обеспечиваться оптимальное соотношение получаемых параметров экскаватора и их обратная связь с исходными (входными) показателями.

Карьерный экскаватор как система характеризуется структурой и параметрами. Структура экскаватора определяет его составные части и связи между ними и должна обеспечивать оптимальное его функционирование, для чего характеризующие машину параметры должны быть оптимизированы (рис. 4). В качестве критерия оптимизации целесообразно использовать обобщенные оценки технического уровня (качества), а в качестве оптимизируемых параметров - его единичные показатели. Такой подход позволяет на первом этапе понизить размерность задачи оптимизации и тем самым упростить ее решение, а также иметь в процессе проектирования объективные оценки принимаемых решений. Модели целевой функции и ограничений математической модели оптимизации должны формироваться в результате анализа функционирования экскаватора как системы и представляются в виде уравнений регрессионного анализа, непосредственно связывающих соответствующие показатели с оптимизируемыми параметрами.

Основными показателями, оценивающими техническую, технологическую и экономическую эффективность техники, осуществляющей разработку горных пород, являются: показатель производительности; показатель материалоемкости; показатель энергоемкости. Будем рассматривать их в качестве выходных эксплуатационных показателей.

Зависимости для показателя производительности, материалоемкости и энергоемкости выглядят следующим образом:

(П)

(10)

1> 3 X 1 а о Я 19 2 Ч

« о

о Ь Он О

Я § и и Й се а « <и К

К с

св

а. о

ё а се Ьй о м

л и> К

м

(Я

п о о. к

и о сх С

а. о

Й а

се «

о «

СП

лз м

в о

я ё Он ю О

■ о

а

о св

О.

О

н

Я

и со

се

<и к

ч

0)

Параметры горной массы к/Рп

Общие технические требования, требования заказчика

тг О тгО Т* О Лд, Л, Л„

к О

£ 4

Iе! а-«

О, а о »С

О а?

«ч

к я о

X

3 5

|

а-®-

Экскаватор в целом V, 1гк 1гв Як /г, Рк,

Основные технико-эксплуатационные показатели

к„ К, к„

Оптимизация параметров

Рис. 4. Схема проектирования карьерного экскаватора р„ - плотность горной массы, т/м3; к/- удельное сопротивление копанию, МПа; Ы„р - мощность привода, кВт; РК0„ - максимальное усилие копания, кПа; Ек - емкость ковша экскаватора, м3; С, - рабочая масса экскаватора, т; г, - продолжительность цикла, с; Рс„ - среднее удельное давление на грунт, кПа; и3 - скорость передвижения, км/ч; Ик - наибольшая высота копания, м; И, - наибольшая высота выгрузки, м; Кк - наибольший радиус копания, м; /?„ -наибольший радиус выгрузки, м; У„ - скорость подъёма ковша, м/с; п — частота вращения платформы, об/мин; Тр - ресурс экскаватора, ч; К„ - показатель производительности, м3/кВт; Км - показатель материалоемкости, т/м3; К, - показатель энергоемкости, кВт-ч/м3.

Анализ выходных технико-эксплуатационных показателей позволил установить необходимую и достаточную номенклатуру оптимизируемых показателей: км - металлоемкость экскаватора; Ы„/ - удельная мощность привода; Л -функциональный критерий качества экскаваторов; Тр - ресурс экскаватора. Задача установления степени влияния каждого из оптимизируемых параметров на обобщенный показатель технического уровня к, выбранный в качестве критерия оптимизации, и формирования на этой основе модели целевой функции относится к задачам аппроксимационного типа и решается с использованием линейного регрессионного анализа.

Поскольку четкого требования по значениям эксплуатационных показателей в нормативных документах не зафиксировано, будем исходить из их фактических значений для группы карьерных одноковшовых экскаваторов, рассмотренных во второй главе.

При решении задачи оптимизации параметров карьерных одноковшовых экскаваторов имеют место следующие ограничения.

I. Ограничение по соответствию фактических значений эксплуатационных показателей Кж, Кэ, К„ регламентированным Км°, К3°, К„°. Модели этих ограничений могут быть получены из регрессионных связей соответствующих выходных эксплуатационных показателей с оптимизируемыми параметрами.

Поскольку выходные эксплуатационные показатели (К„°, Км°, Кэ°) при определении регрессионной зависимости их от оптимизируемых параметров, обладают разбросом, определяемым соответствующими значениями стандартных отклонений Зо*3 и Бо10", ограничения можно записать в следующем виде: «.о +апкм +апы>р +апХ + ах,Тр <,К°„ +С «ю + «> А +а12М^+а13Х + а1АТр>К' -С

«20 +аг\К + а12Щр + а2ЪХ + а

• «20 +апкм + а22Ыупр +ап1 + а24Тр (13)

«зо + «з.^ +«32^ +«зз^ + «з4^р «зо +а3Л. +апК +«зз^ + «зЛ "С А-тах Ля/л

где Ат/Го Хтах - минимальное и максимальное значение функционального критерия качества одноковшовых экскаваторов по группе рассмотренных экскаваторов, кВт/м3.

Параметры ограничений (13) и целевой функции устанавливаются в результате линейного регрессионного анализа.

II. Граничные условия, отражающие диапазон изменения оптимизируемых параметров, могут быть определены следующим образом. Анализ показывает, что для всех них может быть задано только одно нижнее граничное условие - и это условие их неотрицательности, т.е. км > 0; Ы„ру > 0; Тр> 0. Верхние граничные условия для всех показателей отсутствуют.

В результате исследований получена математическая модель оптимизации (ММО) показателей технического уровня и параметров карьерных одноковшовых экскаваторов в виде:

к = а0+а}км + агЫу„р +а3Л + а4Тр -> тах а10+апкм + а]2Щр + апХ + а„Тр <К°п +С + А, + ОъК + аиХ + аиТ„> К°„ -

220 +аг\км

а,„ + а

О о-Ки

21^м + <*2гК + «23* + *24гр > < - 50

330 + «зЛл, + й32Щр + «ЗЗ1 + «34ТР ^ К°э -

Данная ММО относится к задачам линейного программирования и может быть решена стандартными способами.

В четвертой главе производится оптимизация параметров карьерных гидравлических одноковшовых экскаваторов.

В результате линейного регрессионного анализа были установлены параметры модели целевой функции к, а также ограничения по показателям производительности (К„° = 30,83 м3/кВт), материалоемкости (Км° = 0,0077 т/м3) и энергоемкости (Кэ° = 2,6 кВт-ч/м3). Для определения ограничения по функциональному критерию (24,22>Х>19,58) были использованы фактические значения по группе карьерных экскаваторов.

Таким образом, математическую модель оптимизации (14) можно записать в следующем виде:

к = 0,1955-0,01 ОЗАг, - 0,00287+ 0,03 841 + 0,0024?; шах 0,338^-1,051-0,3 087^ >-30,153 0,338Л^ - 1,051-0,308Гр <-29,207 0,624^ - 0,591- 0,11Тр > -19,1 ' 0,624^-0,591-0,17^ <-18,5 0,47^-1,1441 >-0,507 0,47Л^ -1,1441 <-0,469 24,22>Л>19,5Я;км>0;Мупр>0;Тр >0 При этом оптимальными являются следующие значения переменных:

1* =24,22 кВт/м3;

Г* =77,4тыс.ч;

(15)

57,94 кВт/м

¿>13,7 т/м3; к' =1,007.

(16)

Имея оптимальные значения оптимизированных показателей 1, М„р', км и Тр , а также обобщенного показателя технического уровня к , можно определить основные параметры технической характеристики карьерных гидравлических экскаваторов.

Результаты синтеза оптимальных параметров представлены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты синтеза оптимальных параметров карьерных экскаваторов

Параметры Аналоги Значения оптималь-

РС1250-7 РС-ЗООО-6 Я995 Ь ных параметров

Емкость ковша экскаватора (Ек), м:> 6,5 15 26,5 6,5 15 26

Масса рабочая (Оэ), т 110 253 448,5 89,05 205,5 356,2

Мощность привода (//„„), кВт 485 940 1600 376,6 869,1 1506,4

Расчетная продолжительность цикла (а с 24 26 28 20,43 23,08 25,04

Скорость передвижения (о3), км/ч 3,2 2,4 2,7 2,96 2,73 2,42

Радиус копания наибольший (/?„), м 11,4 13,5 16,12 10,69 14,13 16,98

Радиус выгрузки наибольший (кв), м 9,55 10,94 13,63 9,16 12,07 14,47

Высота черпания наибольшая (/г*), м 12,33 14,7 17,64 11,11 14,68 17,63

Высота выгрузки наибольшая (/)„), м 8,7 10,2 12,8 8,02 10,76 13,03

Наибольшее усилие копания (Рко„), кН 578,2 1100 1150 849,6 1483,6 2140,8

Ресурс (Тр), тыс. ч. 90 90 90 77,4 77,4 77,4

Скорость поворота платформы (п), об/мин. 5,5 4,6 3,7 5,24 4,89 4,44

Скорость подъёма ковша (К„), м/с 0,69 0,78 0,92 0,79 0,9 1,0

На основе проведенных исследований в деятельность эксплуатирующих организаций ОАО «СУЭК», ОАО «Разрез Красногорский» и ООО «Разрез Березовский» были внедрены:

- методика комплексной оценки технического уровня карьерных одноковшовых экскаваторов, как основа для выбора наиболее подходящих для условий эксплуатации предприятия моделей экскаваторов;

-методика оптимизации рабочих процессов и параметров карьерных одноковшовых экскаваторов для обоснования заявок на новую технику и перспектив переоснащения экскаваторного парка машинами нового технического уровня.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В диссертационной работе содержится новое решение актуальной научной задачи оптимизации параметров карьерных одноковшовых гидравлических экскаваторов, позволяющее создавать машины нового, более высокого технического уровня, что имеет существенное значение для развития теории и практики проектирования горных машин.

На основании проведенных в диссертационной работе исследований получены следующие результаты:

1.В результате анализа установлено, что расчёт основных параметров карьерных одноковшовых экскаваторов при разработке новых конструкций основан на применении теории подобия, когда большинство зависимостей связывают между собой не больше двух параметров машины. Такой подход имеет много недостатков, главный из которых заключается в невозможности «свя-

зать» между собой параметры будущей машины, и поэтому не приводит к существенному улучшению технического уровня экскаваторов. Для создания карьерной экскавационной техники высокого технического уровня необходимо исходить из системного подхода к экскаватору, суть которого заключается в том, что при проектировании следует учитывать не только состав объекта, но и взаимосвязи между его элементами и частями.

2. Предложена методика комплексной оценки технического уровня карьерных одноковшовых экскаваторов, которая позволяет оценить технический уровень существующего парка карьерных экскаваторов и выявить пути повышения технического уровня и реализовать их на стадии проектирования.

3. Разработана математическая модель оптимизации параметров, где в качестве критерия оптимизации использованы обобщенные оценки технического уровня, а в качестве оптимизируемых параметров - его единичные показатели. Данная математическая модель позволяет использовать для решения задачи оптимизации математический аппарат линейного программирования.

4. В результате исследования математической модели оптимизации установлено, что для создания карьерных одноковшовых гидравлических экскаваторов высокого технического уровня необходимо обеспечить достижение следующих значений их показателей: функциональный критерий качества экскаваторов, который представляет собой произведение производительности машины и удельной энергии экскавации горной массы, должен составлять не менее 24,2 кВт/м3; ресурс - не менее 77,4 тыс. ч; удельная мощность привода — не более 57,94 кВт/м3; металлоемкость - не более 13,7 т/м3.

5. Разработанные методики оптимизации показателей технического уровня и синтеза из них оптимальных параметров карьерных одноковшовых гидравлических экскаваторов позволяют не только установить и оптимально согласовать их параметры при заданных технических требованиях, но и решать обратную задачу: по данным параметрам экскаватора установить такие технические требования, при которых эти параметры будут оптимальными.

6. Реализация научно-методических рекомендаций диссертационной работы позволяет увеличить обобщенный показатель технического уровня вновь создаваемой карьерной экскаваторной техники до 1,007, что превышает наилучшее значение из группы рассмотренных экскаваторов на 10,3%, и выше, чем в среднем по всей группе машин, па 31,8%.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

- в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Зыков, П. А. Обоснование и определение показателей технического уровня карьерных одноковшовых экскаваторов [Текст] / Ю. Е. Воронов, П. А. Зыков // Вестн. Кузбасского гос. тех. унив., 2011, № 2. С. 67-70.

2. Зыков, П. А. Разработка модели оптимизации параметров карьерных одноковшовых экскаваторов [Текст] / Ю. Е. Воронов, П. А. Зыков // Вестн. Кузбасского гос. тех. унив., 2011, № 4. С. 12-15.

3. Зыков, П. А. Функциональный критерий оценки технического уровня и

качества карьерных одноковшовых экскаваторов [Текст] / Ю. Е. Воронов, П. А. Зыков, А. Ю. Воронов // Известия вузов. Горный журнал, 2011, № 6. С. 4-7.

4. Зыков, П. А. Решение задачи оптимизации параметров карьерных одноковшовых экскаваторов [Текст] / Ю. Е. Воронов, П. А. Зыков // Известия вузов. Горный журнал, 2012, № 8. С. 12-15.

— в прочих изданиях:

5. Зыков, П. А. Проектирование карьерного одноковшового экскаватора с позиций системного подхода / Ю. Е. Воронов, П. А. Зыков // Проблемы исследования и проектирования машин. Материалы VI Международной научно-технической конференции, ноябрь 2010 г. - Пенза: ПДЗ, 2010. - С. 9-12.

6. Зыков, П. А. Повышение технического уровня карьерных одноковшовых экскаваторов на стадии проектирования / Ю. Е. Воронов, П. А. Зыков // Применение инновационных технологий в научных исследованиях. Материалы Международной научно-практической конференции, 28 декабря 2010 г., ЮЗГУ. -Курск.-С. 159-162.

7. Зыков, П. А. Гидравлические одноковшовые экскаваторы на открытых разработках угольных месторождений / П. А. Зыков // Перспективы развития Прокопьевско-Киселевского угольного района, как составная часть комплексного инновационного плана моногородов. Материалы III Международной научно-практической конференции, 30 марта 2011 г., Филиал ГУ КузГТУ в г. Прокопьевске. - Прокопьевск. - С. 81-83.

8. Зыков, П. А. Комплексная оценка технического уровня существующего парка карьерных экскаваторов с гидравлическим приводом / П. А. Зыков // Перспективы развития Прокопьевско-Киселевского угольного района, как составная часть комплексного инновационного плана моногородов. Материалы III Международной научно-практической конференции, апрель 2011 г., Филиал ГУ КузГТУ в г. Прокопьевске. - Прокопьевск. - С. 234-236.

9. Зыков, П. А. Одноковшовые экскаваторы с гидравлическим приводом на горнорудных разработках России / П. А. Зыков // Тезисы IX Международной научно-технической конференции молодых специалистов, 23 апреля 2011 г., ОАО «ЕВРАЗ». - Новокузнецк. - С. 2-3.

10. Зыков, П. А. Оптимальное проектирование карьерных одноковшовых экскаваторов / Ю. Е. Воронов, П. А. Зыков // Применение инновационных технологий в научных исследованиях. Материалы II Международной научно-практической конференции, 28 мая 2011 г., ЮЗГУ. - Курск. - С. 184-188.

11. Зыков, П. А. Оптимизация параметров одноковшовых экскаваторов для повышения их качества на стадии проектирования / П. А. Зыков // Инновационные технологии и экономика в машиностроении. Материалы III Международной научно-практической конференции с элементами научной школы для молодых ученых, 24-25 мая 2012 г., ЮТИ ТПУ. -Юрга. - С. 322-326.

12. Зыков, П. А. Математическое моделирование оптимальных параметров карьерных экскаваторов / П. А. Зыков // Современные проблемы методологии и инновационной деятельности. Материалы III Всероссийской научно-практической конференции ученых, аспирантов, специалистов и студентов, 1719 мая 2012 г., филиал КузГТУ в г. Новокузнецке. — Новокузнецк. — С. 179-182.

Зыков Петр Анатольевич

ПОВЫШЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ КАРЬЕРНЫХ ОДНОКОВШОВЫХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ЭКСКАВАТОРОВ НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Подписано в печать 11.01.2013г. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,1 . Тираж 120 экз. Заказ 3.

Отпечатано в типографии Издательского центра СибГИУ, 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42.

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КАРЬЕРНЫХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ОДНОКОВШОВЫХ ЭКСКАВАТОРОВ НА ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТАХ.

1.1. Место и роль одноковшовых гидравлических экскаваторов в технологии открытой добычи угля.

1.2. Анализ состояния и перспективы развития гидравлических карьерных экскаваторов.

1.3. Проблемы оценки технического уровня и оптимизации параметров карьерных одноковшовых экскаваторов.

Выводы.

2. КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ КАРЬЕРНЫХ ОДНОКОВШОВЫХ ЭКСКАВАТОРОВ.

2.1. Анализ существующих методик оценки технического уровня и качества машин.

2.2. Функциональный критерий качества экскавации горной массы карьерными экскаваторами.

2.3. Определение и обоснование показателей технического уровня карьерных одноковшовых экскаваторов.

2.4. Оценка технического уровня существующего парка карьерных одноковшовых гидравлических экскаваторов типа «прямая лопата».

Выводы.

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПТИМИЗАЦИИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ И ПАРАМЕТРОВ КАРЬЕРНЫХ ОДНОКОВШОВЫХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ЭКСКАВАТОРОВ.

3.1. Системный подход при проектировании карьерных гидравлических экскаваторов и оптимизации их параметров.

3.2. Принципиальная схема оптимизации параметров изделий.

3.3. Математическая модель оптимизации показателей технического уровня и параметров карьерных экскаваторов.

3.3.1. Обоснование и формирование целевой функции.

3.3.2. Введение ограничений и граничных условий.

Выводы.

4. ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ КАРЬЕРНЫХ ОДНОКОВШОВЫХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ЭКСКАВАТОРОВ.

4.1. Формирование математической модели оптимизации параметров.

4.1.1. Определение параметров целевой функции.

4.1.2. Определение моделей ограничений.

4.2. Аналитическое исследование математической модели оптимизации параметров одноковшовых гидравлических экскаваторов.

4.2.1. Решение задачи оптимизации.

4.2.2. Определение запаса по ограничениям.

4.3. Синтез оптимальных параметров карьерных гидравлических экскаваторов.

Выводы.

Актуальность темы. Основным направлением развития угольной промышленности является преимущественный рост доли открытого способа разработки месторождений как наиболее эффективного и перспективного. Увеличение добычи угля в стране открытым способом неразрывно связано с увеличением объемов экскавационных работ.

Экскаваторы занимают центральное место в технологической цепи добычи полезных ископаемых открытым способом и выполняют свыше 80% общего объёма работ. Очевидно, что их высокопроизводительная работа напрямую влияет на эффективность ведения горных работ. Самым распространённым классом экскаваторов являются одноковшовые экскаваторы, причем на карьерах наиболее распространено оборудование «прямая лопата».

Основной тенденцией развития карьерных одноковшовых экскаваторов является использование гидравлического привода, который имеет значительные резервы по возможности его совершенствования и позволяет вести горные работы по сравнению с механическими лопатами более интенсивно. Однако эволюционный путь развития, принятый разработчиками, а также эмпирический подход при проектировании не даст серьезных качественных изменений гидравлической экскавационной техники в будущем. Для создания машин действительно высокого технического уровня необходимо исходить из системного подхода к экскаватору, суть которого заключается в том, что при проектировании следует учитывать не только состав объекта, но и взаимосвязи между его элементами и частями, а также с внешней средой. Получаемые в процессе проектирования параметры экскаватора должны быть связаны друг с другом оптимальным образом и отвечать регламентированным техническим требованиям. Одним из эффективных инструментов оптимизации параметров карьерных экскаваторов становится математическое моделирование, которое позволяет существенно снизить трудоёмкость и затраты времени по сравнению с испытаниями машин на натурных моделях.

Этот круг вопросов по существу связан с проблемой повышения качества промышленной продукции, являющейся одной из наиболее важных проблем развития экономики в условиях рынка, решению которой в настоящее время уделяется большое внимание. Изложенное свидетельствует об актуальности диссертационной работы.

Цель работы: повышение технического уровня карьерных одноковшовых гидравлических экскаваторов на стадии проектирования.

Идея работы заключается в оптимальном согласовании показателей технического уровня и параметров одноковшовых экскаваторов посредством системного анализа существующих между ними взаимосвязей.

Объект исследований: карьерные гидравлические одноковшовые экскаваторы с оборудованием «прямая лопата».

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Обоснование функционального критерия и номенклатуры показателей технического уровня карьерных гидравлических одноковшовых экскаваторов; сравнительная оценка технического уровня существующих машин и выявление перспективных направлений и методов его повышения.

2. Разработка на базе системного подхода и методов комплексной оценки методики оптимизации показателей технического уровня по критерию качества.

3. Оптимизация единичных показателей технического уровня с целью достижения сбалансированности параметров экскаваторов.

4. Синтез оптимальных параметров исполнительных органов машин на основе полученных значений оптимальных единичных показателей технического уровня.

Методы исследований. При выполнении работы использовались методы статистической обработки данных и построения регрессионных моделей, математического экспериментирования, анализа и синтеза, методы комплексной оценки показателей технического уровня, математическое моделирование и аппарат линейного программирования.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Функциональный критерий взаимодействия элементов системы «экскаватор - горная масса» и комплекс показателей, выбираемых в зависимости от степени влияния их на производительность, создают основу для оценки технического уровня карьерных одноковшовых экскаваторов и выбора приоритетных направлений его повышения.

2. Регрессионные модели взаимосвязей между обобщенным и единичными показателями технического уровня, а также между параметрами карьерных гидравлических экскаваторов являются линейными, причем наибольший рост качества дает снижение удельной мощности привода, металлоемкости и продолжительности цикла, а также увеличение ресурса.

3. Для создания карьерных одноковшовых гидравлических экскаваторов высокого технического уровня необходимо обеспечить достижение следующих значений их показателей: функциональный критерий оценки о качества должен составлять не менее 24,2 кВт/м ; ресурс - не менее 77,4 тыс. ч; удельная мощность привода - не более 57,94 кВт/м ; металлоемкость - не более 13,7 т/м3.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертационной работе, подтверждается использованием апробированных теоретических положений по безэкспертной оценке качества горных машин; достаточным объемом теоретических исследований, выполненных с применением методов математической статистики, выбором представительных критериев, обусловливающих технический уровень карьерных экскаваторов, что позволяет делать выводы с доверительной вероятностью не ниже 95%.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1. Разработана методика комплексной оценки технического уровня, отличающаяся специфическими для карьерных одноковшовых экскаваторов функциональным критерием и единичными показателями, номенклатура которых определена степенью влияния их на производительность экскаватора.

2. Впервые установлены закономерности формирования и регрессионные модели взаимосвязей между показателями технического уровня и параметрами карьерных экскаваторов;

3. Разработана математическая модель оптимизации показателей технического уровня карьерных экскаваторов, где в качестве критерия оптимизации использовались обобщенные оценки технического уровня;

4. Разработан метод синтеза параметров карьерных экскаваторов на основе полученных оптимальных значений единичных показателей технического уровня с учетом оптимальных взаимосвязей их между собой.

Личный вклад автора заключается в постановке задач исследования и разработке методов их решения; в выполнении аналитических и экспериментальных исследований; в разработке методик комплексной оценки технического уровня и оптимизации параметров карьерных одноковшовых экскаваторов; в установлении закономерностей формирования и регрессионных моделей взаимосвязей между параметрами карьерных экскаваторов, а также между обобщенным и единичными показателями технического уровня.

Научное значение работы заключается в разработке метода оценки технического уровня карьерных одноковшовых экскаваторов с применением функционального критерия, учитывающего их особенности и специфику работы; в разработке нового подхода к оптимизации параметров карьерных экскаваторов, который базируется на использовании в качестве критерия оптимизации обобщенных оценок технического уровня, а в качестве оптимизируемых параметров - его единичных показателей.

Практическая значимость работы заключается в разработке механизма объективной оценки принимаемых решений на самых ранних стадиях проектирования карьерных одноковшовых гидравлических экскаваторов. Разработанная методика оптимизации параметров карьерных экскаваторов позволяет научно-обоснованно решать вопросы повышения технического уровня машин за счет оптимального согласования их параметров.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Основные научные результаты диссертационной работы внедрены и находят практическое применение в учебных (Филиал КузГТУ в г. Новокузнецке) институтах и эксплуатирующих организациях (ОАО «СУЭК», ОАО «Разрез Красногорский» и ООО «Разрез Березовский»). К их числу относятся методические материалы по оценке технического уровня и расчету оптимальных параметров карьерных одноковшовых экскаваторов, рекомендации по перевооружению карьеров за счет внедрения экскавационной техники с гидравлическим приводом, разделы лекционных курсов.

Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее результаты докладывались и обсуждались на:

1. III Межвузовской научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Перспективные направления в науке, обществе, образовании, экономике и праве» (24 апреля 2009), Филиал ГУ КузГТУ в г. Новокузнецке, г. Новокузнецк.

2. VI Международной научно-технической конференции «Проблемы исследования и проектирования машин» (ноябрь 2010), г. Пенза.

3. III Международной научно-практической конференции «Перспективы развития прокопьевско-киселевского угольного района, как составная

часть комплексного инновационного плана моногородов» (30 марта 2011), Филиал ГУ КузГТУ в г. Прокопьевске, г. Прокопьевск.

4. IX Международной научно-технической конференции молодых специалистов (23 апреля 2011), ОАО «ЕВРАЗ», г. Новокузнецк.

5. X Международной научно-технической конференции молодых специалистов (20 апреля 2012), ОАО «ЕВРАЗ», г. Новокузнецк.

6. семинарах кафедры «Горные машины и комплексы» ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева» 2009-2012 гг.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 12 печатных работ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, общим объемом 176 страниц, 27 таблиц и 19 рисунков, библиографического списка, включающего 109 наименований.

ВЫВОДЫ

1. Проведенные исследования показали, что для создания карьерных одноковшовых гидравлических экскаваторов высокого технического уровня необходимо обеспечить достижение следующих значений их показателей: функциональный критерий качества экскаваторов, который представляет собой произведение производительности машины и удельной энергии экскавации горной массы, должен составлять не менее 24,2 кВт/м3; ресурс - не менее 77,4 тыс. ч; удельная мощность привода - не более 57,94

3 3 кВт/м ; металлоемкость - не более 13,7 т/м . Значение обобщенного показателя технического уровня при оптимальных значениях параметров экскаватора составит 1,007, что превышает наилучшее значение из группы рассмотренных экскаваторов на 10,3% и выше, чем в среднем по всей группе машин на 31,8%.

2. Имея оптимальные значения оптимизируемых показателей ),*, Nпр , км , которые являются также комплексными, зависящими от нескольких параметров, можно определить основные параметры технической характеристики карьерных гидравлических экскаваторов.

3. Разработанные методики оптимизации показателей технического уровня и синтеза из них оптимальных параметров карьерных одноковшовых гидравлических экскаваторов дают возможность не только установить и оптимально согласовать их параметры при заданных технических требованиях, но и решать обратную задачу: по данным параметрам карьерного экскаватора установить такие технические требования, при которых эти параметры будут оптимальными.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе содержится новое решение актуальной научной задачи оптимизации параметров карьерных одноковшовых гидравлических экскаваторов, позволяющее создавать машины нового, более высокого технического уровня, что имеет существенное значение для развития теории и практики проектирования горных машин.

На основании проведенных в диссертационной работе исследований получены следующие результаты:

1. В результате анализа установлено, что расчёт основных параметров карьерных одноковшовых экскаваторов при разработке новых конструкций основан на применении теории подобия, когда большинство зависимостей связывают между собой не больше двух параметров машины. Такой подход имеет много недостатков, главный из которых заключается в невозможности «связать» между собой параметры будущей машины, и поэтому не приводит к существенному улучшению технического уровня экскаваторов. Для создания карьерной экскавационной техники высокого технического уровня необходимо исходить из системного подхода к экскаватору, суть которого заключается в том, что при проектировании следует учитывать не только состав объекта, но и взаимосвязи между его элементами и частями.

2. Предложена методика комплексной оценки технического уровня карьерных одноковшовых экскаваторов, которая позволяет оценить технический уровень существующего парка карьерных экскаваторов и выявить пути повышения технического уровня и реализовать их на стадии проектирования.

3. Разработана математическая модель оптимизации параметров, где в качестве критерия оптимизации использованы обобщенные оценки технического уровня, а в качестве оптимизируемых параметров - его единичные показатели. Данная математическая модель позволяет использовать для решения задачи оптимизации математический аппарат линейного программирования.

4. В результате исследования математической модели оптимизации установлено, что для создания карьерных одноковшовых гидравлических экскаваторов высокого технического уровня необходимо обеспечить достижение следующих значений их показателей: функциональный критерий качества экскаваторов, который представляет собой произведение производительности машины и удельной энергии экскавации горной массы, о должен составлять не менее 24,2 кВт/м ; ресурс - не менее 77,4 тыс. ч; удельная мощность привода - не более 57,94 кВт/м3; металлоемкость - не более 13,7 т/м .

5. Разработанные методики оптимизации показателей технического уровня и синтеза из них оптимальных параметров карьерных одноковшовых гидравлических экскаваторов позволяют не только установить и оптимально согласовать их параметры при заданных технических требованиях, но и решать обратную задачу: по данным параметрам экскаватора установить такие технические требования, при которых эти параметры будут оптимальными.

6. Реализация научно-методических рекомендаций диссертационной работы позволяет увеличить обобщенный показатель технического уровня вновь создаваемой карьерной экскаваторной техники до 1,007, что превышает наилучшее значение из группы рассмотренных экскаваторов на 10,3%, и выше, чем в среднем по всей группе машин, на 31,8%.

1. Угольная промышленность Электронный ресурс.. - Режим доступа: http://www.rb.ru/biz/markets/show/90/. - Загл. с экрана.

2. Таразанов, И. Г. Итоги работы угольной промышленности России за 2011 года Текст. / И. Г. Таразанов // Уголь. 2012. - № 3. - С. 40-51.

3. Братченко, Б. Ф. Уголь Сибири и Дальнего Востока Текст. / Б. Ф. Братченко. М. : Недра, 1980. - 62 с.

4. Глинина, О. И. IV Всероссийский Съезд горнопромышленников России Текст. / О. И. Глинина // Уголь. 2009. - № 12. - С. 26-31.

5. Аналитический обзор. Итоги работы угольной промышленности России за 2009 год Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.ugolinfo.ru/itogi2009all.html. - Загл. с экрана.

6. Ташкинов, А. С. Основные направления совершенствования и развития открытой угледобычи в Кузбассе Текст. / А. С. Ташкинов, А. И. Корякин, А. А. Сысоев // Уголь. 2005. - № 9. - С. 27-30.

7. Кузнецкий угольный бассейн (Кузбасс) Электронный ресурс. -Режим доступа: http://minenergo.gov.ru/activity/coalindustry/coaldirection/ 982.html. Загл. с экрана.

8. Экскаватор Электронный ресурс. Режим доступа: http://bse.sci-lib.com/articlel25697.html. - Загл. с экрана.

9. Классификация экскаваторов Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.automarket.dp.ua/promportal/index.php?1а^е1=са1а^&а = 147. - Загл. с экрана.

10. Энциклопедия спецтехники Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.gruzovikl.ru/articles/enciklopediyaspectehnikiekskavato r.html. - Загл. с экрана.

11. Позин, Е. 3. Разрушение углей выемочными машинами Текст. / Е. 3. Позин, В. 3. Меламед, В. В. Тон М. : Недра, 1984. - 286 с.

12. ГОСТ Р ИСО 6165-99. Машины землеройные. Классификация. Термины и определения Текст. Введ. 2000-07-01. - М. : Изд-во стандартов, 2000. - 4 с.

13. Обратная лопата Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.miningexpo.ru/useful/4561. - Загл. с экрана.

14. История экскаваторов ч. 2 Электронный ресурс. - Режим доступа: Ьйр://ехкауа1ог.ги/агис1ез/т^аг11с1е8/~^=5353. - Загл. с экрана.

15. Штейнцайг, В. М. Мощные карьерные одноковшовые экскаваторы Текст. / В. М. Штейнцайг. М. : Наука, 1993. - 190 с.

16. Бродский, Г. С. Повышение надежности гидропривода средство эффективного внедрения гидравлических экскаваторов на горных предприятиях СНГ Текст. / Г. С. Бродский, Б. В. Слесарев // Горная промышленность. - 2002. - № 2. - С. 12-17.

17. Страбыкин, Н. Н. Расширение применения отечественных гидравлических экскаваторов в горнодобывающей и строительной отраслях промышленности актуальная потребность времени Текст. / Н. Н. Страбыкин // Горные машины и автоматика. - 2003. - № 10. - С. 16-18.

18. Побегайло, П. А. Мощные отечественные карьерные одноковшовые экскаваторы Текст. / П. А. Побегайло // Горные машины и автоматика. 2004. - № 2. - С. 13-22.

19. Карьерный экскаватор ближайшие перспективы Электронный ресурс. - Режим доступа: http://www.spec-technika.ru/index.php?page= ¡8зие&р1ё= 100881&БиЬ=100016&кеш= 100887. - Загл. с экрана.

20. Карьерные гидравлические экскаваторы Hitachi Электронный ресурс. Режим доступа: http://maxi-exkavator.ru/articles/excavators/~id= 32. - Загл. с экрана.

21. Эффективная добыча Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.idpr.ru/projects/2221/2223atextb61511. - Загл. с экрана.

22. Концепция разработки и изготовления карьерных гидравлических экскаваторов типа LB Электронный ресурс. Режим доступа: http://investtek.narod.ru/koncep.html. - Загл. с экрана.

23. Современные тенденции рынка экскаваторов для горных предприятий мира, России и стран СНГ Электронный ресурс. Режим доступа: http://maxi-exkavator.ru/articles/excavators/~id=1554. - Загл. с экрана.

24. Зарубежные карьерные гусеничные одноковшовые гидравлические экскаваторы Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.spec-technika.ru/?page=issue&pid=100775&sub=100005&item=. -Загл. с экрана.

25. Сапожников, Н. А. О создании и конструкции гидравлического экскаватора ЭГ-5,5 Текст. / Н. А. Сапожников, И. Б. Бакланов, Л. Л. При-луцкий // Горные машины и автоматика. 2002. - № 6. - С. 22-25.

26. ОМЗ изготовили первый в России серийный гидравлический карьерный экскаватор ЭГ-110 Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.metalinfo.ru/ru/news/19713. - Загл. с экрана.

27. Ковригин, В. Д. Новые российские карьерные экскаваторы Текст. / В. Д. Ковригин // Научно-технический журнал «Горная Промышленность». 2006. - № 6. - С. 78-79.

28. Новости и пресс-релизы Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.omz.ru/. - Загл. с экрана.

29. Молодцев, В. И. Повышение качества экскаваторов ООО "ОМЗ -Горное оборудование и технологии" Текст. / В. И. Молодцев // Горное оборудование и электромеханика. 2007. - № 12. - С. 15-16.

30. Бойко, Г. X. Производство гидравлических экскаваторов на Уралмашзаводе Текст. / Г. X. Бойко, В. С. Семенников // Горные машины и автоматика. 2002. - № 6. - С. 25-28.

31. Модельный ряд ОМЗ Горное Оборудование и Технологии (Группа Уралмаш-Ижора) Электронный ресурс. Режим доступа: http://exkavator.ru/ excapedia/producers/omziz-karteks. - Загл. с экрана.

32. Какие экскаваторы и бульдозеры наиболее востребованы в российских карьерах? Электронный ресурс. Режим доступа: http://maxi-exkavator.ru/articles/excavators/~id=400. - Загл. с экрана.

33. Перелыгин, В. Гидравлические экскаваторы HITACHI достойный конкурент карьерным канатным экскаваторам Текст. / В. Перелыгин // Научно-технический журнал «Горная Промышленность». - 2006. - № 6. -С. 24-25.

34. Новости горной и карьерной техники Электронный ресурс. -Режим доступа: http://maxi-exkavator.ru/news/infnews/~id=541. Загл. с экрана.

35. Скорняков, Н. М. Теоретические основы проектирования станков вращательного бурения нового технического уровня для угольных шахт Текст. : дис. . д-ра техн. наук : 05.05.06 / Скорняков Николай Михайлович. Кемерово, 1992. - 401 с.

36. Воронов, Ю. Е. Методология проектирования станков вращательного бурения нового технического уровня для разрезов Текст. : дис. . д-ра техн. наук : 05.05.06 / Воронов Юрий Евгеньевич. Кемерово, 1996.-377 с.

37. Воронов, Ю. Е. Оптимизация параметров карьерных автосамосвалов по критерию качества Текст. / Ю. Е. Воронов, А. Ю. Воронов, С. В. Басманов // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. -2008.-№7.-С. 61-65.

38. ГОСТ 26980-95. Экскаваторы одноковшовые. Общие технические условия Текст. Введ. 1996-01-01. М. : Изд-во стандартов, 1996. -16 с.

39. ГОСТ Р ИСО 9001-2008. Системы менеджмента качества. Требования Текст. Введ. 2009-11-13. - М. : Стандартинформ, 2008. - 65 с.

40. ГОСТ 4.377-85. Система показателей качества продукции. Экскаваторы одноковшовые. Номенклатура показателей Текст. Введ. 198701-01. - М. : Изд-во стандартов, 1987. - 8 с.

41. ГОСТ 2.116-84. Карта технического уровня и качества продукции Текст. Введ. 1985-07-01. - М. : Изд-во стандартов, 2007. - 15 с.

42. ОСТ 24.008.39-83. Методика оценки технического уровня и качества одноковшовых экскаваторов Текст. Введ. 1983-07-01. - М. : Изд-во стандартов, 1983. - 26 С.

43. Солод, Г. И. Основы квалиметрии Текст. / Г. И. Солод. М. : МГИ, 1991.-84 с.

44. Домбровский, Н. Г. Исследование экскаваторов и кранов. Сборник статей Текст. / Н. Г. Домбровский. М. : Машиностроение, 1974. -179 с.

45. Домбровский, Н. Г. Экскаваторы. Общие вопросы теории, проектирования, исследования и применения Текст. / Н. Г. Домбровский. -М. : Машиностроение, 1969. 319 с.

46. Расчет основных параметров карьерных экскаваторов Текст. : учеб. пособие / В. Н. Цветков [и др.]. Екатеринбург : Изд-во УГГГА, 2006,- 132 с.

47. Оценка уровня качества Технический уровень и качество продукции Электронный ресурс. - Режим доступа: http://leg.co.ua/knigi/ гагпоеЛеЬшсЬезИу-игоven-i-kachestvo-produkcii-5.html. - Загл. с экрана.

48. Солод, Г. И. Повышение долговечности горных машин Текст. / Г. И. Солод, К. И. Шахова, В. И. Русихин. М. : Машиностроение, 1979. - 184 с.

49. Азгальдов, Г. Г. Теория и практика оценки Текст. / под ред. А.

50. B. Гличева. М. : Изд-во стандартов, 1972. - 172 с.

51. Воронов, Ю. Е. Совершенствование бурового оборудования разрезов Текст. / Ю. Е. Воронов. Кемерово : ГУ КузГТУ, 1998. - 192 с.

52. Данияров, А. Н. Определение коэффициентов весомости при количественной технико-экономической оценке машин и оборудования Текст. / А. Н. Данияров // Известия вузов. Горный журнал. 1992. - № 12. -С. 82-83.

53. Семенов, Г. М. Определение научно-технического уровня технических объектов Текст. / Г. М. Семенов // Горн. журн. 1989. - № 9.1. C. 18-20.

54. Нанзанд, Ц. Управление качеством функционирования экскаваторов на карьерах Монголии Текст. : дис. . д-ра техн. наук : 05.05.06 / Цэвээний Нанзанд. Иркутск : ИрГТУ, 1998. - 352 с.

55. Шамсутдинов, Р. С. Оценка и повышение уровня качества использования драглайна Текст. : автореф. дис. . канд. техн. наук : 05.05.06 / Шамсутдинов Рифкат Сарыпович. М. : МГИ, 1984. - 17 с.

56. Пржежецкий, В. В. Исследование и разработка мероприятий по повышению качества эксплуатации экскаваторного парка объединения Текст. : автореф. дис. . канд. техн. наук : 05.05.06 / Пржежецкий В. В. -М. : МГИ, 1991,-18 с.

57. Буянкин, А. В. Комплексная оценка и прогнозирование показателей качества эксплуатации карьерных автосамосвалов Текст. : дис. . канд. техн. наук : 05.05.06 / Буянкин Алексей Владимирович. Кемерово, 2004.-305 с.

58. Александров, Б. А. Экспериментально-теоретические основы повышения качества взаимодействия механизированных крепей с боковыми породами Текст. : дис. . д-ра техн. наук : 05.05.06 / Александров Борис Алексеевич. Новосибирск, 1987. - 496 с.

59. Нестеров, В. И. Экспериментально-теоретические основы повышения качества процесса взаимодействия рабочих органов очистных комбайнов с разрушаемым массивом Текст. : дис. . д-ра техн. наук : 05.05.06 / Нестеров Валерий Иванович. Кемерово, 1989. - 410 с.

60. Радкевич, Я. М. Методология прогнозирования параметров горных машин (на примере очистных комбайнов) Текст. : автореф. дис. . д-ра техн. наук : 05.05.06 / Радкевич Яков Михайлович. М., 1993. - 36 с.

61. Елманов, В. Д. Обоснование параметров и разработка функциональных элементов шахтных скребковых конвейеров нового технического уровня Текст. : автореф. дис. . д-ра техн. наук : 05.05.06 / Елманов Валерий Дмитриевич. Кемерово, 1995. - 38 с.

62. Квагинидзе, В. С. Диагностика, техническое обслуживание и ремонт карьерного горно-транспортного оборудования в условиях низких температур Текст. : автореф. дис. . д-ра техн. наук : 05.05.06 / Квагинидзе Валентин Сулекоевич. Кемерово, 2003. - 39 с.

63. Баймолдаев, Т. А. Методика оценки технического уровня одноковшовых экскаваторов / Т. А. Баймолдаев // Механизация строительства. 2007. - №2. - С. 27-29.

64. Нанзанд, Ц. К определению функционального критерия экскава-торно-автомобильного комплекса Текст. / Ц. Нанзанд, Д. Гэрэлт-Од // Горные машины и автоматика. 2004. -№ 4. - С. 35-36.

65. ГОСТ 15467-79. Управление качеством продукции. Основные понятия, термины и определения Текст. Введ. 1979-07-01. - М. : Изд-во стандартов, 1979. - 26 с.

66. Единые нормы выработки на открытые горные работы для предприятий горнодобывающей промышленности. Часть 4. Экскавация и транспортирование горной массы автосамосвалами Текст. : М. : НИИ труда, 1989. 82 с.

67. Производительность одноковшовых экскаваторов Электронный ресурс. Режим доступа: http://maxi-exkavator.ru/articles/excavators/~id =447. - Загл. с экрана.

68. Хамханова, Д. Н. Основы квалиметрии Текст. : учеб. пособие / Д. Н. Хамханова. Улан-Удэ : Изд-во ВСГТУ, 2003. - 142 с.

69. ГОСТ 27.002-89. Надёжность в технике. Основные понятия. Термины и определения Текст. Введ. 1990-07-01. - М. : Издательство стандартов, 1989. - 32 с.

70. ГОСТ 27.003-90. Надежность в технике. Состав и общие правила задания требований по надежности Текст. Введ. 1992-01-01. - М. : Стандартинформ, 2007. - 19 с.

71. Кантемиров, В. Д. Оценка эксплуатационных факторов и параметров вымоечно-погрузочного оборудования рудных карьеров Текст. / В. Д. Кантемиров, А. А. Чиркин // Горные машины и автоматика. 2003. - № 7.-С. 10-13.

72. Одноковшовые полноповоротные экскаваторы Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.uralstroyportal.ru/articles/article369. html. - Загл. с экрана.

73. Савченко, А. Я. Анализ производительной работы одноковшовых экскаваторов на основе показателей качества Текст. / А. Я. Савченко // Горное оборудование и электромеханика. 2009. - № 3. - С. 15-22.

74. Горные машины Текст. : сб. науч. тр. / Моск. горн. ин-т. М. : Мир горной книги, 2008. - 378 с.

75. Определение средней длительности рабочего цикла и вычерчивания схемы рабочего цикла Электронный ресурс. Режим доступа: http://sdm.kstu.kz/KSTP/prakt/metod8.htm - Загл. с экрана.

76. Дроздова, Л. Г. Одноковшовые экскаваторы: конструкция, монтаж и ремонт Текст. : учеб. пособие / Л. Г. Дроздова, О. А. Курбатова. -Владивосток : Изд-во ДВГУ, 2007. 235 с.

77. ГОСТ 17257-87. Экскаваторы одноковшовые универсальные. Методы определения вместимости ковша Текст. Введ. 1988-01-01. - М. : Изд-во стандартов, 1987. - 11 с.

78. ГОСТ 27252-87. Машины землеройные. Метод испытаний по определению времени перемещения рабочих органов Текст. Введ. 1988-01-01. - М. : Изд-во стандартов, 1987. - 7 с.

79. Экскаваторы гусеничные HITACHI карьерные Электронный ресурс. - Режим доступа: http://www.nestormedia.com/budpragres/?act= STAND&id=5088. - Загл. с экрана.

80. Комиссаров, А. П. Метод оценки рабочих параметров карьерного экскаватора в конкретных условиях эксплуатации Текст. / А. П. Комиссаров // Горные машины и автоматика. 2003. - № 6. - С. 33 - 35.

81. Продолжительность операций. Годовая норма Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.avto-c.ru/prodolzhitelnost-operatsiy-godovaya-norma.html. - Загл. с экрана.

82. Беляков, Ю. И. Совершенствование экскаваторных работ на карьерах Текст. / Ю. И. Беляков, В. М. Владимиров. М. : Недра, 1974. 303 с.

83. Савченко, А. Я. Анализ энергоемкости и энергоэкономичности одноковшовых экскаваторов с использованием показателей качества Текст. / А. Я. Савченко // Горное оборудование и электромеханика. -2010.-№3,-С. 9-15.

84. Кабашев, Р. А. Пути совершенствования рабочих органов экскаваторов на основе анализа патентной информации Текст. / Р. А. Кабашев, Ашраф Халлад. Алматы : [б. и.], 1995. - 18 с.

85. Организация работ, выполняемых экскаваторами Электронный ресурс. Режим доступа: http://kopat.net/info/text/exkav5. - Загл. с экрана.

86. Ефимов, В. Н. Карьерные экскаваторы Текст. : справочник рабочего / В. Н. Ефимов, В. Н. Цветков, Е. М. Садовников. М. : Недра, 1994.- 381 с.

87. Рекламные материалы Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.omz.ru/rus/segments/mineq/promotional/index.wbp. - Загл. с экрана.

88. Экскаваторы гусеничные Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.liebherr.com/emyru/productsem.asp?menulD= 106178! 5430. - Загл. с экрана.

89. Большие экскаваторы Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.hcme.com/ru/Produkty/Ekskavatory. - Загл. с экрана.

90. Hydraulic Mining Excavators Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.bucyrus.com/media/103387/excavatorsusbr050510 lr.pdf. - Загл. с экрана.

91. Индексация одноковшовых строительных экскаваторов Электронный ресурс. Режим доступа: http://exkavator.ru/articles/facts/ ~id=454. - Загл. с экрана.

92. Беляков, Ю. И. Экскаваторные работы Текст. : справ, рабочего / Ю. И. Беляков. М. : Недра, 1992. - 288 с.

93. Открытые горные работы Текст. : справочник / К. Н. Трубецкой [и др.]. М. : Горное бюро, 1994. - 590 с.

94. ГОСТ 30067-93. Экскаваторы одноковшовые универсальные полноповоротные Текст. Введ. 1996-01-01. - М. : Изд-во стандартов, 1995.-26 с.

95. Меерович, Г. А. Эффект больших систем Текст. / Г. А. Мееро-вич. М. : Знание, 1985.- 192 с.

96. Николаев, В. И. Системотехника: методы и приложения Текст. / В. И. Николаев, В. М. Брук. JI. : Машиностроение, 1985. - 199 с.

97. Дитрих, Я. Проектирование и конструирование. Системный подход Текст. / Я. Дитрих. М. : Мир, 1981. - 454 с.

98. Крайнев, А. Ф. Идеология конструирования Текст. / А. Ф. Крайнев. М. : Машиностроение, 2003. - 384 с.

99. Родин, И. И. Проектирование одноковшовых строительных экскаваторов Текст. : учеб. пособие / И. И. Родин, В. П.Пономарев ; М-во высш. и сред. спец. образования РСФСР ; Краснояр. политехи, ин-т. 2-е изд. - Красноярск : [б. и.], 1973. - 208 с.

100. Полетаев, В. А. Основы управления качеством функционирования машин Текст. / В. А. Полетаев. Кемерово : Кузбасс, политехи, инт., 1993.-233 с.

101. Безвзрывные технологии открытой добычи твердых полезных ископаемых Текст. : научное издание / А. Р. Маттис [и др.]. ; ред. В. Н. Опарин ; Ин-т горного дела СО РАН ; Ин-т горного дела УрО РАН. Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2007. - 337 с. : табл., ил.

102. Ткаченко, В. В. Система оптимизации параметров объектов стандартизации Текст. / В. В. Ткаченко, Ю. Т. Алексеев, Д. М. Комаров. -М. : Изд-во стандартов, 1977. 214 с.