автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Снижение вероятности хрупких разрушений металлоконструкций карьерных экскаваторов регулированием динамических нагрузок

На правах рукописи

-Ф

ПАВЛОВ Михаил Валерьевич

УДК 622.271:621.879.3

СНИЖЕНИЕ ВЕРОЯТНОСТИ ХРУПКИХ РАЗРУШЕНИЙ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ КАРЬЕРНЫХ ЭКСКАВАТОРОВ РЕГУЛИРОВАНИЕМ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК

Специальность 05.05.06 — "Горные машины"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иркутск 2005

Работа выполнена в Иркутском государственном техническом университете

Научный руководитель:

Заслуженный работник высшей школы РФ,

доктор технических наук, профессор Дмитрий Евсеевич Махно

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Саул Самуилович Черняк

Кандидат технических наук Александр Петрович Данилов

Ведущая организация: ОАО ПО Иркутский завод тяжелого машиностроения

Защита диссертации состоится 07 февраля 2006 г. на заседании диссертационного совета Д 212 073.04 в Иркутском государственном техническом университете по адресу 664074, г Иркутск, ул. Лермонтова, 83, корпус К, конференц -зал. Факс (3952) 405-100.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Иркутскою государственного технического университета

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета на имя ученого секретаря.

Автореферат разослан 29 декабря 2005 г

С?

Учеуый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор Н.Н Страбыкин

Я006А b02j

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Результаты исследований работы карьерных экскаваторов в условиях Севера показывают, что основной причиной снижения их надежности в зимний период являются хрупкие разрушения металлоконструкций IIa ликвидацию данных отказов требуются значительные затраты времени, трудовых и финансовых ресурсов.

Рост числа хрупких разрушений в зимний период отмечается, так как по мере снижения температур происходиг смерзание грунта, возрастают нафузки в металлоконструкциях экскаваторов, при этом в металлах происходит снижение уровня ударной вязкости Вследствие одновременного стечения этих факторов элементы металлоконструкций становятся более подвержены вероятности возникновения хрупких разрушений.

Известно, что динамические нагрузки, возникающие в металлоконструкциях рабочего оборудования в процессе копания, имеют определяющее значение с точки зрения поддержания прочности конструкции Наиболее рациональный способ их снижения видится в регулировании загрузки электроприводов карьерных экскаваторов.

К настоящему времени проведен большой объем работ по исследованию негативного влияния низких отрицательных температур на надежность карьерных экскаваторов и изменение динамических нагрузок в металлоконструкциях в зимний период времени. Выдающуюся роль в исследованиях данной проблемы сыграли работы П.И. Коха, Р Ю. Подерни, Д.Е Махно, А И Шадрина и др.. Необходимо также отметить научные труды, посвященные исслезваниям динамических нагрузок в металлоконструкциях горных матин Наиболее значимыми работами в этой области являются исследования С А. Панкратова, Д Г1 Волкова, Д.В Докукина, А.Г Степанов«, Каминской Д JL. и др.

И' краткого обзора хрупких разрушений металлоконструкций карьерных экскаваторов следует, что проблема имеет практическое значение и углубленная ее разработка является актуальным направлением исследований.

Цель работы - повышение надежности карьерных экскаваторов, работающих в условиях Севера, путем снижения вероятности возникновения хрупких разрушений узлов и деталей металлоконструкций машин.

Идея работы заключается в снижении вероятности возникновения хрупких разрушений конструкций в зимний период за счет снижения динамических нагрузок в основных узлах машин путем введения обратной связи по скорости, ослабляющей ток возбуждения в электроприводах карьерных экскаваторов.

Задачи исследования:

- анализ хрупких разрушений и выявление наиболее характерных отказов;

- исследование и оценка причин возникновения отказов;

- анализ возможных мероприятий, направленных на снижение вероятности возникновения хрупких разрушений,

- разработка математической модели, определяющей предельные значения нагрузок, возникающих в металлоконструкциях экскаватора, наиболее подверженных хрупким разрушениям;

- разработка средств и методов снижения предельных значений нагрузок, возникающих в металлоконструкциях экскаватора;

Методы исследования. В работе использован комплексный подход к исследованиям, включающий- анализ статистических данных о надежности работы карьерных экскаваторов;

- анализ причин возникновения хрупких разрушений, проведенный на основе обработки представительной информации, актов расследования аварий карьера трубки «Удачная» за период с 1982 по 2002 годы,

- математическое моделирование предельных значений нагрузок, возникающих в рабочем оборудовании карьерного экскаватора;

- разработка методики снижения вероятности хрупких разрушений узлов металлоконструкций экскаваторов, работающих в условиях Севера.

Достоверность и обоснованность результатов исследования подтверждена теоретическими обобщениями общепринятых положений по вопросам хладноломкости конструкций; корректным построением исходной математической модели карьерного экскаватора; значительным объемом исходной информации, характеризующей работу карьерных экскаваторов в условиях Удачнин-ского ГОКа АХ «АЛРОСА»; использованием современных методов математического анализа.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Хрупкие разрушения металлоконструкций экскаваторов зависят от комплекса факторов воздействия внешней среды, основными из которых являются динамические нагрузки. Частота отказов по интервалам отрицательных температур подчиняется экспоненциальному закону распределения .

2. Математическая модель, рассматривающая экскаватор как единую электромеханическую систему, позволяющая исследовать загрузку приводов в зависимости от условий работы машин и уровня ожидаемых динамических на-, грузок.

3. Снижение вероятности хрупких разрушений металлоконструкций экскаваторов обеспечивается регулированием динамических нагрузок по предлагаемому алгоритму, учитывающему экспоненциальный характер распределения отказов и прочность сталей во взаимосвязи с уровнем опасности воздействия отрицательных температур.

Научная новнзпа результатов исследования состоит в'

- установлении фактического уровня критических отрицательных темпера-"тур для узлов металлоконструкций экскаваторов ЭКГ-10 и ЭКГ-15 при эксплуатации в условиях Удачнинского ГОКа,

- выявлении экспоненциальной зависимости вероятности возникновения хрупких разрушений металлоконструкций карьерных экскаваторов от уровня отрицательных температур;

- выявлении причин хрупких разрушений металлоконструкций экскаваторов;

- разработке математической модели экскаватора как единой электромеханической системы, позволяющей определять предельные значения нагрузок, возникающих в узлах металлоконструкций экскаваторов,

- разработке алгоритма снижения динамических нагрузок

Практическая чначимость работы заключается в:

- разработке и реализации способа регулирования загрузки приводов экскаваторов в целях снижения уровня динамических нагрузок и вероятности хрупких разрушений узлов металлоконструкций экскаваторов, защищенного патентом;

- реализацией предлагаемого устройства Удачнинским монтажно-наладочным упраштением «Алмазавтоматика» при сезонной настройке приводов машин, подтвержденного актом внедрения;

Апробация работы. Результаты проведенных исследований и разработок были доложены и обсуждены на традиционных научно - технических конференциях Иркутского государственного технического университета в 20022005гг.; международной конференции, посвященной памяти ААИгошина, межрегиональных научно - практических конференциях студентов и аспирантов посвещешшх способам обеспечения безопасности, на заседаниях кафедры горных машин и рудничного транспорта Иркутского государственного технического университета.

Публикации. По теме диссертации опубликовало семь печатных работ в научно - технических журналах, сборниках научных трудов и материалах научно - технических конференций, получен патент на изобретение.

Личный вклад автора заключается: в сборе и анализе данных о хрупких разрушениях узлов и металлоконструкций экскаваторов, выявлении причин отказов и их связи с факторами внешних воздействий, разработке модели экскаватора, как единой электромеханической системы и алгоритма регулирования уровня динамических нагрузок с целью снижения вероятности хрупких разрушений конструкций.

Автор рад представившейся возможности выразить благодарность работникам Удачнинского ГОКа AK «AJIPOCA» за помощь в сборе статистической информации, послужившей основой выполненных исследований. Особая благодарность и признательность профессору С С. Леоненко и доценту A.B. Сорокину за ценные советы и замечания в подходе к разработке математической модели и алгоритма регулирования привода. Чрезвычайную благодарность автор выражает научному руководителю Д..Е. Махно.

Объем и структура работы:

Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав и заключения, содержит 119 страниц машинописного текста, включая 14 таблиц, 140 рисунков и 4 приложения. Библиографический список содержит 121 наименование

Работа выполнялась в 2002-2005 годах в Иркутском государственном техническом университете на кафедре горных машип и рудничного транспорта в

соответствии с плановой госбюджетной тематикой НИР ВУЗа (Тема №53/150 «Повышение эффективности использования карьерных экскаваторов в условиях Севера»).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена анализу использования карьерных экскаваторов в условиях Севера Приведен анализ работы одноковшовых карьерных экскаваторов в условиях низких отрицательных температур Дан анализ причин увеличения простоев в неплановых ремонтах, снижения надежности и производительности экскаваторов По итогам выполненного анализа сформулированы цели и задачи исследований.

Во второй главе проведен анализ хрупких разрушений металлоконструкций экскаваторов Выявлен фактический уровень критических темпера 1ур для основных узлов карьерных экскаваторов, эксплуатирующихся Удачнипским ГОКом Приведены основные закономерности хрупких разрушений узлов металлоконструкций экскаваторов. Рассмотрена физика процесса хрупкого разрушения, выделены факторы, влияющие на надежность работы деталей машин. Анализ показан, что для ряда узлов действует прямая зависимость между их надежностью и уровнем темперагуры Проведен анализ способов снижения вероятности хрупких разр> шений Как наиболее эффективное меропршл ие защиты экскаваторов от хрупких разрушений выделено регулирование уровня динамических нагр\ зок в зависимости от опасности воздействия низких отрицательных температур.

В третьей главе исследована роль динамических нагрузок в возникновении хрупких разрушений металлоконструкций экскаваторов Разработана математическая модель экскаватора, как единой электромеханической системы, позволяющая варьировать загрузку приводов в зависимости от условий работы машин при различных уровнях динамических нагрузок Установлено, что существенное влияние на динамические нагрузки может оказывать электромеханическая инерционность экскаваторов Как мероприятие защиты экскаваторов от хрупких разрушений выделено снижение динамических нагрузок путем ограничения количества электрической энергии, подаваемой в систему из сети за время расчетного процесса в периоды наибольшей опасности воздействия низких отрицательных температур.

В четвертой главе исследованы методы регулирования загрузки приводов экскаваторов. Для снижения вероятности возникновения хрупких разрз'ше-ний, выделен метод ослабления тока возбуждения Математическое моделирование процессов разгона и стопорения электропривода показало, что при использовании обратной связи по скорости, ослабляющей ток возбуждения в - электроприводе подъема, снижаются динамические нагрузки, возникающие в рабочем оборудовании. Разработан алгоритм снижения динамических нагрузок в зависимости от скорости двигателя, дифференцированный во взаимосвязи с уровнем отрицательных температур Рассчитан ожидаемый экономический эф-

фект от результатов внедрепия предлагаемого устройства и способа регулирования электропривода одноковшового экскаватора.

Заключение содержит основные выводы по результатам выполненные исследований.

На основе выполненных исследований обоснованы следующие науч- , -ные положения, выносимые на защиту:

1. Хрупкие разрушения металлоконструкций экскаваторов зависят от комплекса факторов воздействия внешней среды, основными из которых являются динамические нагрузки. Частота отказов по интервалам отрицательных температур подчиняется экспоненциальному закону распределения. ,,

Для установления взаимосвязи между уровнем отрицательных температур и надежностью узлов металлоконструкций экскаваторов потребовалось выявить наиболее опасный интервал температур, для каждого отделыгого узла. Были систематизированы данные актов расследования аварий, произошедших на карьере трубки «Удачная» в период с 1982 по 2002 годы Обработка статистической информации позволила рассчитать относительную частоту хрупки* разрушений конструкций по 5°С интервалам отрицательных температур Относительная частота хрупких разрушений:

(1)

Ц/иЛ/-'

где пц - абсолютное число разрушений 1-го узла в ¡-м интервале температур по парку машин; Ц - число машинодней 1-го интервала температур за период наблюдений; ш - число однотипных машин, N - число узлов ]-го типа в данной машине;

Обобщенные данные представлены в таблице 1, они позволяют сравнись между собой гарантированный порог хладноломкости стали и фактический уровень его значений в реальной конструкции машин каждого узла. Было усыновлено, что полученные экстремальные значения относительной частоты отказов соответствуют температурам, которые в среднем на 10—15 °С выше гарантированного порога хладноломкости стали, полученного по результатам стандартных испытаний образцов сталей на ударную вязкость ' Таблица 1. лх

Узел Применяемая сталь Порог хладноломкости согласно

стандартных испытаний образцов сталей °С по данным статистической информации, °С

ЭКГ-15 Рукоять Ковш Ходовая тележка Механизм повороте 25Л-П 110Г13Л 35Л-Н 35Х.МФА —60 —•60 —40 —40 —45 —40 -20 —15

3 Стрела 09Г2С —40 —25

Рукоять 25Л-Н —60 —45

¡2 Ковш 110Г13Л —60 —40

35 Коромысло ковша 110Г13Л —60 -50

- Балка рукояти ^ = о 0012е°1732х

0,0008е

-15 -20 -25 -30 -ЗЕ -40 -45

-20 -25 -30 -36 -40

Рис.! Графики распределения относительной частоты хрупких разрушений основных узлов экскаваторов ЭКГ-15 по интервалам отрицательных температур.

{РДО-1

0,008

у = О.ОООТе0,22184 Балка руюяти -юр

Ь Л

-141ВШ "вф

-25 -30 -35 -40 у = 010003е°'4143х Рис.2 Графики распределения относительной>часто1ы хрупких разрушений основных узлов экскаваторов ЭКГ-12,5 но интервалам температур.

Как видно из полученных графиков распределения относительной частоты отказов по интервалам температур, для узлов, испытывающих динамические нагрузки при черпании породы (балка рукояти, ковш), характерна экспоненциальная зависимость числа отказов от температуры

Эта зависимость частоты отказов от температуры может быть, описана функцией вида с = е°", (2)

где е - относительная частота хрупких разрушений данного узла, а - параметр распределения; г -температура воздуха.

Были составлены уравнения связи относительной частоты хрупких разрушений и температуры воздуха (Таблица 2) Таблица 2.

Узел Уравнение регрессии

ЭКГ-15 Рукоять е=г«-2о 0,00121132

Ковш °.°008 е""ЛШ

ЭКГ-12,5 Рукоять е =,<«, 0,0007-е"'0 22,8

Ковш <?=,._, 0,0003- е~"миз

Отмеченная экспоненциальная зависимость частоты отказов от температуры наиболее отчетливо просматривается на примере узлов, испытывающих динамические нагрузки при черпании породы В ходе проведенного анализа было отмечено, что наиболее активным фактором, определяющим процесс хладноломкое ш конструкций, является уровень нагрузок Экспериментально установлено, что по мере з величения прочности грунтов, нагрузки увеличиваются, мак-

симальные нагрузки возникают при упоре ковша в препятствие Максимальные динамические нагрузки превышают стопорные статические в 2 раза Следовательно, основным фактором вызывающим хрупкие разрушения являются динамические нагрузки.

Рассмотрев, возможные способы снижения нагрузок в металлоконструкциях экскаватора, наиболее оправданным средством снижения вероятности хрупких разрушений избрано регулирование нагрузок в зависимости от степени опасности воздействия факторов внешней среды.

2. Математическая модель, рассматривающая экскаватор как единую электромеханическую систему, позволяющая исследовать загрузку приводов в зависимости от условий работы машин и уровня ожидаемы* динамических нагрузок.

При моделировании рабочее оборудование было представлено как упругий стержень с переменным сечением, в котором изгибающий момент создается лебедкой подъема и сопротивлением грунта копанию.

Рис.3 Силы, действующие в рабочем оборудовании в вертикальной плоскости.

Как видно из схемы, на балку рукоять воздействуют изгибающий момент в вертикальной плоскости (Л#«к); /?„. - усилие сопротивления грунта копанию в вертикальной плоскости; С«.^ ~ масса ковша с грузом, С„.Лр. - масса отливки балки рукояти; ц ц р - распределенная масса балки рукояти

с!г у

Изгибающий момент равен М:=Е7—(3)

где Ш - жесткость стержня (Е - модуль упругости стержня, 3 - момент

инерции стержня); —~ - относительный прогиб стержня. <вг

Отсюда значение изгибающего момента определится из системы дифферен-

те ак ускорение, предаваемое режущей кромке ковша; жесткость на изгиб рабочего оборудования; V ~ площадь рабочего оборудования; р плотность материала рабочего оборудования (в данном случае стали); Нп - сопротивление породы копанию; - скорость лебедки подъема в точке крепления с ковшом.

Л

циальных уравнений:

(4, 5)

Напряжения изгиба стйэт6 определятся из уравнения- <тг

М.

'IV,

(6)

где ]Уг- момент сопротивления в поперечном сечении

Представили лебедки подъема и напора эквивалентными двухмассовыми схемами Описали их системами уравнений:

Для подъема-

Л,

Л»

Л

— -М -М

1У1авл упрп.'

¿2М,„„„ V

—^-'сАаъ—Ч.

а р„

с!У М„ т. —:- = (-

Рп

Л

М

(___р )

(7)

(8)

(9)

(10) (Н)

напора

<М

-А/.

Л (1УН

" л

м <—

= --

р»

Л*.,

д.

А- +

(12)

(13)

(14)

05) (16)

где , суммарный момент инерции якорей двшагелей и приведенных к палу моментов инерции редуктора и барабана в лебедке подъема и напора, Мупр пМупр упругий момент в канатах подъема и напора. р =.

г-к-х

■ра-

диус приведения электропривода, где 1)6 - диаметр барабана в лебедке к-кратностъ полиспаста лебедки подъема, гр - передаточное число редуктора подъема

При определении жесткостей лебедок подъема и напора учли муфты предельного момента и поглощающее устройство

при

при 5

>М >оо

му тм

к.Ш?

с» =-;

(19)

+ с„„

- при <М

кЯИ

(17, 18)

(20)

" ¿Л+4

где с„_,с,- жесткости лебедок напора и подъема соответственно, Мупр,п,1 Мупр * - упругие моменты в канатах подъема или напора, сму.,сл а -жесткости муфт предельного момента и поглощающего аппарата; - жесткости ка-

.наюв напора и подъема соответственно, SMyLmax, значения моментов

срабатывания муфт упругих и поглощающего аппарат, к„ и Ь - соответственно кратность и длина полиспаста; Е и Р- соответственно модуль упругости и площадь поперечного сечения каната.

Выразили изменение жесткости в лебедках подъема и напора через вели-

чину их перемещения, введя зависимости: /.„=/.,„-—, (21 )£„=£„„-—, (22)

кн ' к.

где кн, к„ - кратность полиспастов в лебедках напора и подъема; ¿„ 0

- начальные длины канатов напора и подъема; уи х} - перемещение приводов напора и подъема

Масса породы в процессе черпапия присоединяется к массе ковша, увеличивая инерционность системы, также при этом увеличивается и сила сопротивления движению ковша с породой бу*^ С принятием ряда допущений, вес породы в ковше равен: = ХВНХ,, (23)

где В - птирина ковша; Н - толщина стружки; ХК- путь пройденный ковшом; X - плотность породы в целике.

Сопротивления движению подъемного и напорного механизмов Р'сп и /Чл/, выразили следующим образом-

„ Й,Л +(С'к.г^г +абР г6р)<Х>*{<р)

сп =--,——.7,: --+ •$„««(/?), (24)

Ьр ¡.тур)

Рсн = 5. соз(/Г) + Л„ + +абА )8т(<р), (25)

где - вес ковша с грунтом; <7* - вес порожнего ковша, (7г - вес перемещаемой породы; - вес балки рукояти; Я„ - сопротивление породы копанию,

- отжимающее усилие породы; - суммарное усилие от действия механизма напора; Sn - суммарное усилие от действия механизма подъема; ,гбр., г„,

- длины плеч приложения сил относительно оси напорного вала, р - угол, образуемый геометрическими осями рукояти экскаватора и подъемного каната, <р-ушл, образуемый I еометрической осью рукояти экскаватора и горизонтом

Угол р (между рабочим оборудованием и канатом подъема) выражен с

Хг + Хг -Хг

помощью теоремы косинусов = -"-(26)

2 • Хп ■ Хн

где Хс - расстояние от конца стрелы до седлового подшипника, Х„ - расстояние от конца стрелы до точки крепления рукояти; Хн - расстояние от седлового подшипника до точки крепления рукояти.

В модели была реализована система СМУ-Г-Д постоянного тока

к

Функцию тиристорного преобразователя записали как- = ———, (27)

Отсюда дифференциальное уравнение, определяющее выходное напря-

¿и. 1 „ кт

-- =---и + —- и

■ у ' т **

жение с тиристорного преобразователя: а' ™ "» , (28)

где и, - выходное напряжение тиристорного преобразователя (напряжение возбуждения генератора), В; иупр - напряжение управления на входе СИФУ (номинальное напряжение управления иупр=10 В); Тт, - постоянная времени тиристорного преобразователя, с; кт1 - коэффициент передачи тиристорного преобразователя, р - оператор Лапласа.

Передаточная функция звена «генератор»:

(29)

Т.Р+У

Отсюда дифференциальное уравнение, описывающее ЭДС генератора, относительно первой производной:

№

ш

П Ь >

тг

Г1*!

ьь

I", -г

■^Ж-Я--• —^ ,

Ы ¡г */С 1 -А-' Г'^ 1 -...В" .1 I

шд ' .*

¿В.

1 к Л 1, ' Г '

(30)

Рис.4 Полная математическая модель экскаватора типа прямая лопата.

где Ег- ЭДС генератора; Т. - постоянная времени генератора, с; кг - коэффициент передачи звена «генератор».

Якорной цепи соответствует передаточная функция:

1.(Р) _

И'. (/>) = -

(31)

Е/р)-F.jp) Т,р +1' где к, - коэффициент передачи якорной цепи, к, = Ом'1; Г, Л/'- пйстоянная времени цепи якоря, с.

Дифференциальное уравнение цепи якоря:

<а, _ а ~ где /„

1

к.сФл

Г " Я 'чп -7 -Г» _ «I '

Т, Тя - ток якоря двигателя; сФ<> -магнитный поток двигателя; а>м -скорость вращения двигателя, рад/с*'.

Выходная функция блока, описывающего электроприводы экскаватора-

(33)

В разработанной модели учтено присутствие обратных связей по напряжению, гибкой по току и жесткой обратной связи с отсечкой по току.

С целью показать адекватность разработанной математической модели было проведено ее апробирование на примере работы экскаватора ЭКГ-8И и сравнение полученных результатов с диаграммами, полученными на карьере трубки «Мир».

Л) ПолучеШые экспериментальным путем (графики в разных масштабах).

Напряжение и ток напора

напрямеиие V ток подъема

2Е 55 75

Б) Смоделированные математически.

Рис.5 Диаграммы тока и напряжения напора и подъема в процессе черпания смерзшегося грунта VI категории экскаватором ЭКГ-8И. Ток;--Напряжение.

кг/см 2

А) Смоделированные. Б) Полученные экспериментальным путем.

Рис.6 Диаграммы напряжений изгиба в вертикальной плоскости, возникающих в рукояти при черлаюш смерзшегося грунта VI категории экскаватором ЭКГ-8И.

Полученные в результате моделирования максимальные значения напряжения изгиба в вертикальной плоскости соответствуют значениям, полученным в результате исследований Томского инженерно - строительного института на карьерах трубки «Мир» и железнорудном месторождении Коршунов- _ ского ГОСа.

Представленная математическая модель учитывает физические процессы механической и электромагнитной природы и позволяет выполнять расчеты максимально возможных нагрузок в рабочем оборудовании, а также про-счигьвать работу электропривода в режимах разгона, черпания горной массы и стспорения Результаты выполненных исследований позволяют полагать, что вероятность возникновения хрупких разрушений базовых узлов металлоконструкций экскаваторов определяется уровнем динамических нагрузок, опасность воздействия которых возрастает с понижением отрицательных температур и прочности конструкционных сталей. К дополнительным неблагоприятным факторам воздействия среды относятся смерзание грунта, мас-пгггбный фактор, остаточное влияние ремонтных воздействий и тд, сдви-

тающие критические значения порога хладноломкости сталей относительно стандартных испытаний на 10-15 °С в сторону положительных температур.

3. Снижение вероятности хрупких разрушений узлов металлоконструкций экскаваторов обеспечивается регулированием динамических нагрузок по предлагаемому алгоритму, учитывающему экспоненциальный характер распределения отказов и прочность сталей во взаимосвязи с уровнем опасности воздействия отрицательных температур.,

Применяемые в настоящее время способы снижения динамических нагрузок, возникающих в рабочем оборудовании карьерных экскаваторов, используют снижение тока стопорения приводного двигателя. Моделирование процесса стопорения показало, что недостатком данного способа является то, что при сниженном токе (моменте) стопорения двигателя нагрузки, возникающие в рабочем оборудовании при стопорении, не снижаются рис.7.

О 4 0 л

ЭКГ-15 заклинивание ковша Юте =2200А ЭКГ-! б заклинивание ксви.а о-с = 11 \ 0А

Рис.7 Напряжения изгиба при различных значениях тока отсечки в случае заклинивания ковша в груше при прочих идентичных условиях.

Анализ математической модели показал, что это связано со значительной электромеханической инерционностью карьерного экскаватора

Рис.8 Расчетная динамическая схема при стопорении рабочего оборудования экскаватора.

Ри - приведенное избыточное усилие со стороны электропривода.

Приняв Ри =сош1:, получим систему двух линейных дифференциальных урав-тя,*, + с,х, -с1х1=Ри, т1х1 — с,*, +сгхг +с2х2 =0.

Отсюда, максимальное значение динамической составляющей усилия в элеметах рабочего оборудования в первом приближении.

нении.

В описанной выше математической модели для расчета максимальных динамических нагрузок в рабочем оборудовании (ковше, рукояти) карьерных экскаваторов используем двухмассовую двухсвязную расчетную .схему (рис.8)

На рис. 8: Ш) - приведенная масса привода; с-, - приведенная жесткость лебедки подъема; пъ - приведенная масса рабочего оборудования, с2 - приведенная жесткость рукояти

где X] и х2 - координаты перемещения масс, у0 - приведенная скорость перед стопорением;

(34)

у0с;(с2 -тга>г) | У„сг(ег -отга>, ) | тга,(/»1 - со?) т2<о2(<0г -со?)

Определив, таким образом, максимально возможное значение динамической нагрузки в балке рукояти, можно вывести допустимое соотношение скорости рабочего оборудования и усилия со стороны привода:

Как видно, величина Рмма (нагрузки возникающей в рабочем оборудовании при стопорении) зависит как от усилия, передаваемого приводным двш ателем (Р„), так и от скорости ковша в момент стопорения (у0), а также механической инерционности системы Кроме того, в электроприводе экскаваторов ЭКГ-15 применяется система генератор - двигатель обладающая значительной инерционностью, что не позволяет мгновенно снижать усилие, передаваемое приводным двигателем (Ри) Как следствие, применяемое снижение момента (тока) стопорения не влечет снижения нагрузок в рабочем оборудовании.

Для снижения нагрузок в металлоконструкциях экскаваюра более эффективным является снижение скорости ковша (у0) Технически осуществить это возможно применением обратной связи по скорости, которая бы снижала ток возбуждения двигателя в зависимости от уровня скорости и опасности возникновения хрупких разрушений

Для снижения нагрузок, возникающих в рабочем оборудовании, снижение передаваемого усилия должно быть пропорционально скорости Для технического достижения данного результата был разработан способ управления электроприводом постоянного тока одноковшового экскаватора и устройство для его осуществления. Способ включает в себя регулирование момента стопорения приводного двигателя механизма, который проводится регулированием тока возбуждения двигателя одновременно и обратно пропорционально величине задания скорости приводного двигателя механизма

Предлагаемый способ реализуется устройством, которое поясняется функциональной схемой системы управления электропривода механизма экскаватора, помещенной на рис 9 и схемой задатчика ослабления тока возбуждения двигателя, помещенной на рис.10, а также механическими характеристиками приводного двигателя механизма тд =/(М*), помещенными на рис 11

(37)

Обозначим

(38)

(39)

Рис.9 Функциональная схема сисгемы управления.

У У - устройство управления электроприводом механизма экскаватора (система управления), / - заданный ток возбуждения, 1отс - заданный ток отсечки двигателя, изо - напряжение задания ослабления тока возбуждения двигателя.

Рис.10 Схема задатчика ослабления тока возбуждения двигателя.

ик - напряжение на выходе командоаппарата (напряжение задания скорости двигателя); Ь'30 - напряжение задания ослабления тока возбуждения двигателя, Ш- потенциометр настройки требуемого коэффициента связи между напряжениями IIк и £/,„; К/ - стабилитрон для создания зоны нечувствительности при малой скорости двигателя, Я2 - переменный резистор настройки ширины зоны нечувствительности; В - выпрямитель для формирования напряжения задания ослабления тока возбуждения двигателя из о одного знака

Рис.11 Механические характеристики приводного двигателя

М'„1, Л-/*,,;., 1/"„з, \/~п4 - относительные величины моментов стопорения (пусковых моментов) приводного двигателя при различных напряжениях задания скорости двигателя; «>/ - относительная скорость двигателя. Устройство управления электроприводом механизма экскаватора включа-

ет командоаппарат 1, выход которого подключен через параллельно соединенные регулятор 2 ЭДС и звено 3 ограничения к регулятору 4 тока, который соединен с преобразователем 5 приводного двигателя 6 механизма Формирователь 7 комплексного сигнала, учитывающего уровень отрицательной температуры металла машины, ветровой нагрузки и скорости изменения этих величин, соединен со вторым входом регулятора 2 ЭДС. Задатчик 8 тока возбуждения двигателя подсоединен к первому входу регулятора 9 тока возбуждения двигателя, выход которого соединен с источником 10 регулирования тока возбуждения двигателя. Вход задатчика 11 ослабления тока возбуждения двигателя соединен с выходом командоаппарата 1, а выход задатчика 11 ослабления тока возбуждения двигателя соединен со вторым входом регулятора 9 тока возбуждения двигателя.

Настройка устройства управления (У.У) заключается в следующем В период сезонной наладки устанавливается заданный ток отсечки /отс двигателя (рис.9). Задатчиком 8 тока возбуждения устанавливается заданный (номинальный) ток возбуждения / двигателя В задатчике 11 с помощью потенциометра К1 (рис. 10) устанавливается требуемый коэффициент связи между напряжением 1]к на выходе командоаппарата 1 и напряжением II, 0 задания ослабления тока возбуждения двигателя, обеспечивая возможность при разных положениях командоаппарата формировать семейство механических характеристик приводного двигателя тд"-/(М*), представленных на рис 11.

Работа привода механизма по/съема экскаватора в процессе копания с предлагаемым способом управления осуществляется следующим образом Машинист экскаватора, устанавливая командоаппарат 1 в нужное положение, задает требуемую скорость движения привода механизма В варианте быстрого перемещения рукоятки командоаппарата 1 в крайнее положение формируется механическая характеристика приводного двигателя, соответствующая максимальной рабочей скорости привода подъема, а момент стопоретгия (пусковой момент) М ,и на этой характеристике - минимальный (рис 11) Если при взаимодействии ковша с забоем нагрузка двигателя механизма подъема окажется больше пускового момента М п1, то движения не будет и машинисту придется задать меньшую скорость движения, при которой пусковой момент станет больше момента нагрузки. Начнется наполнение ковша Следовательно, наиболее рациональным управлением является управление с плавным переходом от меньшей скорости на большую, что и будет вынужден делать машинист. В этом случае разгон будет происходить с минимальными ускорениями и, следовательно, минимальными динамическими нагрузками

Для описания предлагаемого устройства в математической модели был рассчитан коэффициент обратной связи ослабления тока возбуждения двигателя (£„„„)

Усилие, электропривода гюстоянного тока равно. Р =Мр = сФ1лр, (40)

где Р - усилие передаваемое лебедкой подъема; М - момент на валу электродвигателя; р - радиус приведения лебедки подъема, Ф - магнитный поток

двигателя, с - конструктивный коэффициент двигателя; 1Я - ток якоря.

Скорость перемещения ковша приводом подъема определится, как •

о Е U-I R ....

v — —- —-=-s—', (41)

р сФр сФр

i де v - скорость ковша; со - скорость вращения двигателя; р - радиус приведения лебедки подъема, Е - электродвижущая сила двигателя, Ф - магнитный поток двигателя; с - конструктивный коэффициент двигателя; 1Я - ток якоря, 1(я - сопротивление цепи якоря двигателя.

Подставив эти значения в выражение, показывающее допустимое соотношение скорости рабочего оборудования и усилия со стороны привода, получим = сФ\лр + , (42)

сФр

где магнитный поток может быть определен как = —--Ф + —-t/..,, (43)

dt тл

где Т^ - постоянная времени цени возбуждения двигателя; Kf»„ — коэффициент передачи цепи возбуждения двигателя; U^ - напряжение в цепи возбуждения двигателя.

В установившемся режиме, с учетом связи ослабляющей ток возбуждения двигателя, магнитный поток двигателя: Ф = К^(JJX -Ukomt ), (44)

где U - напряжение командоаппарата; k0 те - коэффициент связи ослабления тока возбуждения двигателя.

сФр

где к0 тв - коэффициент связи ослабления тока возбуждения двигателя, оире-

делится как - -tiJiss—^-(46)

К^ргеФ1.и

Кри1ерием регулирования были заложены допустимые значения предела выносливости стали (из которой изготовлено рабочее оборудование) по интервалам отрицательных температур. Нагрузки ниже данных значений не будут приводить к накоплению повреждений металлоконструкций, поскольку предел выносливости стали не будет превышен, а значит, вероятность хрупких разрушений в зимний период снизится до уровня летнего периода.

Для анализа результатов внедрения, описанного выше устройства и способа ослабления тока возбуждения двигателя экскаватора, было проведено моделирование процессов черпания породы с использованием разработанного устройства и без него.

При моделировании данной ситуации без регулирования загрузки привода были получены напряжений в балке рукояти, превышающие значения

Отсюда ьп„ )с1,р+кч \ (45)

предела выносливости сталей Результаты приводятся ниже.

Ток польъема

А

Напряжение изгиба в вертикальной плоскости кг/см2

3828

WV

- 6SS - * 3828

О 10 1

Рис.12 Значения напряжения изгиба в балке рукояти и тока в двигателе подъема при стопорении, при максимальной скорости рабочего оборудования.

Как следует из результатов моделирования, значения напряжений в балке рукояти от изгиба в вертикальной плоскости могут превышать 1500 кг/см2.

Математическое моделирование процесса стопорения ковша при максимальной скорости, развиваемой приводом подъема, с применением устройства ослабления тока возбуждения, показывает, что напряжения, возникающие в балке рукояти, не могут превышать предела выносливости стали 25JT II Эго защищает базовые узлы машин от перегрузок и снижает вероятность возникновения хрупких разрушений конструкций.

Напряжение шгиОа з вертикальной плоскости . ,

кг/см2 с ослаблением тока возбуждения при* -20 С кг/см2 с ослаблением тока возбуждения при t -30 С Ы44 1408 |

И08

~0 " " 4 0 4

Kr'cv? г ослаблением тока возбуждённы при 1 -40 с ^ кг/см2 с ослаблением тока всСуждения при I -ЪС С

»^»миъдадхустиуьезжчения нагряюжй

— ■ II—,

0

•50

Рис.13 Диаграммы максимально возможных напряжений изгиба, возникающих в рабочем оборудовании экскаватора ЭКГ-15, при peí улхровании загрузки приводов для температур: -20°С, -30°С, -40°С, -50°С и -60°С.

Как видно из диаграмм, максимально возможные напряжения в рабочем оборудовании при использовании предлагаемого устройства не могут превышать допустимые значения, а значит и вероятность возникновения хруп-

19

ких разрушений снизится до уровня, отмеченного в летний период времени

Рассчитанный алгоритм регулирования уровня динамических нагрузок но интервалам отрицательных температур представлен на рисунке 14 и в таблице 3. Использование предлагаемою способа регулирования динамических нагрузок в зависимости от уровня температур вызовет снижение значения магнитного потока, пропорциональное значению усилия, передаваемого приводом подъема, и, как следствие, приведет к снижению скорости электропривода подъема В таблице также представлены ожидаемое растягивание цикла экскавации, возможное снижение производительности и среднегодовая продолжительность периодов отрицательных температур для рассматриваемых условий.

-Т<ж возбуждения

-Напряжение возбуждения

-м -эо ■« ■» «о

Рис.14 Напряжение и ток в цепи возбуждения двигателя при максимальном задании скорости по интервалам отрицательных температур.

Таблица 3. Алгоритм редуцирования уровня динамических нагрузок по ин-

Параметры Температуры

-20 -30 -40 -50 -60

Напряжение возбуждения, В 110 60 47 34 20

Ток возбуждения, А 16,5 9 7 5,1 3

Коэффициент обратной связи кот. 0 0,45 0,57 0,69 0,82

Растягивание цикла экскавации в % от номинального 100% 100,3% 110% 128% 148%

Продолжительность цикла экскавации, с. 28 28,1 30,7 35,9 41,4

Возможное снижение производительности в% 0% 0,3% 9,8% 28% 48%

Среднее количество дней в году данного интервала температур 89 53 30 6 4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных исследований обоснованы научные положения, р.овокупность которых можно квалифицировать как теоретическое обобщение и решение научной задачи, имеющей важное народнохозяйственное значение, - снижения вероятности хрупких разрушений консгрукций, обеспечивающей повышение надежности машин и увеличение эффективности использования экскаваторов в регионах холодного климата.

Основные выводы и рекомендации диссертационной работы сводятся к

20

следующему

1 Надежность экскаваторов на карьерах Севера подвержена существенному влиянию природно-климатических факторов внешней среды, которые увеличивают аварийность и снижают показатели работы машин Снижение надежности экскаваторов в зимний период обусловлено, в основном, ростом числа отказов металлоконструкций машин, на коюрые приходится до 38% простоев оборудования в неплановых ремонтах Наиболее опасны хрупкие разрушения базовых узлов ме 1аллоконструкций экскаваторов, ликвидация которых связана с высокой трудоемкостью ремонтных работ.

2 Выявлены основные закономерности хру пких разрушений металлоконструкций машин, работающих в условиях Севера.

- установлено, что вероятность возникновения хрупких разрушений металлоконструкций карьерных экскаваторов находится в экспоненциальной зависимости от уровня отрицательных температур,

- показало что, хладноломкость конструкций определяется одновременным опасным воздействием динамических нагрузок и уменьшением уровня ударной вязкости стали по мере снижения температур, вследствие чего нагрузки в узлах металлоконструкций могут превышать предел выносливости стали;

- определены предельные значения нагру зок, возникающих в рабочем оборудовании экскаваторов, установлено что их величины, могут превышать фактическое значение предела выносливости стали

3. В качестве основного мероприятия защиты экскаваторов от хрупких разрушений в условиях Севера предложен способ и устройство регулирования динамических нагрузок, возникающих в металлоконструкциях экскаваторов в зависимости от уровня опасности воздействия отрицательных температур Введение в электропривод экскаваторов обратной связи по скорости, ослабляющей ток возбуждения, может снизить нагрузки в узлах рабочего оборудования экскаватора до значений, при которых, вероятность возникновения хрупких разрушений в зимний период времени будет уменьшена до уровня, имеющего место в летний период.

4. Разработана математическая модель карьерного экскаватора как единой электромеханической системы, позволяющая исследовать загрузку приводов в зависимости от условий работы машин с учетом предельных значений динамических нагрузок.

5 Разработан алгоритм регулирования уровня загрузки приводов экскаваторов в зависимости от опасности воздействия температур, заложенный в основу предлагаемого устройства регулирования.

6 Разработанное устройство и способ защиты экскаваторов от хрупких разру шений приняты к внедрению в условиях карьера трубки «Удачная» (АК «ЛЛРОСА») при сезонных наладках приводов машин, что подтверждено актом внедрения.

7 Ожидаемый экономический эффект от внедрения научно-технических решений, разработанных в диссертации составляет 77 797 руб. на один экс-

каватор в год

8 Предлагаемый способ защиты металлоконструкций машин от хрупких разрушений и разработанное устройство могут быть рекомендованы для более широкого применения на экскаваторах, работающих в регионах холодного климата.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1 Авдеев А.Н. Надежность гидравлических погрузчиков L-1100 в условиях крайнего Севера/ Авдеев АН., Красноштанов СЮ, Павлов MB //Проблемы развития минеральной базы Восточной Сибири Третий выпуск Изд ИрГТУ. - Иркутск, 2003. - С. 151 - 154.

2 Павлов MB Надежность карьерного оборудования работающего в суровых природно-климатических условиях Севера .Павлов М.В. // Проблемы развития минеральной базы Восточной Сибири Третий выпуск. Изд.ИрГТУ. -Иркутск, 2003 - С. 154 - 158.

3 Леоненко С С. Спижсние динамических нагрузок в механических конструкциях экскавато{юв при двухканалыюй системе управления главных электроприводов /Леоненко С.С , Сорокин А В., Павлов MB. // Проблемы развития минеральной базы Восточной Сибири. Четвертый выпуск. Изд. ИрГТУ. -Иркутск, 2004. -С.282 - 286.

4 Павлов М.В. Обеспечение безопасности работы карьерных экскаваторов за счет регулирования загрузки приводов. /Павлов М.В, // Реализация современного законодательства в области охраны труда проблемы и перспективы //Материалы докладов II Межрегиональной научно-практической конференции. Изд-во ИрГТУ. - Иркутск, 2004. - С 255 - 269.

5 Павлов MB Моделирование опасных динамических нагрузок в узлах карьерных экскаваторов с целью снижения вероятности возникновения аварий /Павлов MB //Материалы докладов IX Всероссийской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Диагностика опасностей и угроз современного мира и способы обеспечения безопасности» «Безопасность - 04». Изд-во ИрГТУ. - Иркутск, 2004. - С. 193 - 196

6. Павлов M В Надежность карьерных экскаваторов в условиях Севера / Павлов M В //Вестник ИрГТУ -Иркутск, 2005. -№1- С. 166

7. Павлов М.В. Пути повышения безопасности работы карьерных экскаваторов, регулированием электропривода. /Павлов М.В , Махно Д.Е // Реализация современного законодательства в области охраны труда- проблемы и перспективы. Материалы докладов Ш Межрегиональной научно-практической конференции Изд-во ИрГТУ - Иркутск, 2005. - С 236 - 246.

8. Пат 2255184 Российская Федерация, МПК7 Е 02 F 9/20, H 02 Р 5/00. Способ управления электроприводом постоянного тока одноковшового экскаватора и устройство для его осуществления / Леоненко С.С., Сорокин А.В , Махно Д Е , Леоненко А С., Павлов M В ; патентообладатель Иркутский государственный технический университет - № 2004114678/03 ; заявл 13.05 2004 ; опубл 27 Об 2005, Бюл. № 18.

Подписано в печать 27 12.2005 Формат 60 х 84 / 16 Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,25 Уч.-изд. л 1,5. Тираж 100 экз Зак. 476. Поз. плана 18н

ИД № 06506 от 26.12 2001 Иркутский государственный технический университет 664074, Иркутск, ул. Лермонтова, 83

2QOGA

Введение

1.Надежность работы и эффективность использования экскаваторов на карьерах Севера. Цели и задачи исследования.

1.1 Анализ работы карьерного оборудования в условиях холодного климата.

1.2 Работа карьерных экскаваторов в условиях холодного климата.

1.3 Анализ надежности карьерных экскаваторов.

1.4 Анализ причин снижения надежности экскаваторов в зимний период.

1.5 Анализ производительности карьерных экскаваторов.

1.6 Цели и задачи исследования.

2. Анализ хрупких разрушений базовых узлов металлоконструкций и физика процесса разрушения.

2.1 Связь надежности узлов экскаваторов с климатическими факторами.

2.2 Закономерности разрушений базовых узлов металлоконструкций экскаваторов.

2.3 Физика процесса хрупкого разрушения. 2.4 Анализ способов снижения вероятности хрупких разрушений металлоконструкций.

Выводы

3. Динамика работы экскаваторов и моделирование загрузки приводов машин.

3.1 Динамика работы экскаваторов.

3.2 Методика моделирования работы экскаватора.

3.3 Моделирование процессов погрузки.

3.4 Предложения и направление для практической реализации предлагаемых решений.

Выводы.

4. Регулирование загрузки приводов экскаваторов и эффективность реализации решений.

4.1 Анализ существующих методов регулирования загрузки приводов экскаваторов.

4.2 Выбор и обоснование рационального способа регулирования электропривода.

4.3 Математическое моделирование работы приводов экскаваторов с регулированием тока возбуждения двигателя.

4.4 Ожидаемый экономический эффект от реализации предлагаемых решений.

Выводы.

Развитие горнодобывающей промышленности в районах Восточной Сибири и Севера страны с длительным зимним периодом выявило задачу повышения надежности техники, работающей в условиях постоянного неблагоприятного воздействия низких отрицательных температур. Влияние климата проявляется в снижении надежности и производительности экскаваторов в зимнее время года на 15-20 % [66,62], в росте трудоемкости и уровня затрат на техническое обслуживание и ремонт машин, сокращении сроков службы оборудования. В период амортизационных сроков службы карьерных экскаваторов затраты на эксплуатацию и ремонт машин в условиях Севера в 2-3 раза [66,62] превышают стоимость приобретения нового оборудования. Поддерживание работоспособного состояния экскаваторов при продолжительности зимнего периода 5-6 месяцев в году обеспечивается, в основном, за счет увеличения затрат на ремонт машин, расширения производственной мощности ремонтных баз, занятости людей в малопроизводительной сфере обслуживания. При этом повышенный уровень заработной платы и стоимости материалов в условиях Севера, острый дефицит людских ресурсов снижают показатели работы горных машин и предприятий в целом. Низкий уровень использования карьерных экскаваторов (0,4 — 0,5) в большинстве случаев компенсируется увеличением количества действующих машин, что приводит к непосредственному росту основных фондов и дальнейшему снижению эффективности использования оборудования в условиях Севера.

Одной из причин недостаточно эффективного использования экскаваторов является большая продолжительность их пребывания в плановых и неплановых ремонтах. На проведение плановых ремонтов затрачивается от 8 до 15% календарного времени, а неплановых - от 3 до 7% [51].

Основными путями сокращения больших трудовых и материальных затрат на проведение ремонтов экскаваторов являются: повышение безотказности экскаваторов; увеличение сроков службы деталей и узлов экскаваторов; повышение ремонтопригодности и ремонтной технологичности конструкций экскаваторов; улучшение организации и повышение технического уровня ремонтов.

Из-за снижения уровня надежности карьерных экскаваторов, эксплуатирующихся в условиях Севера, зависимости показателей их работы от факторов воздействия внешней среды, постоянного роста затрат на техническое обслуживание и ремонт машин, снижения рентабельности разрабатываемых месторождений, проблема повышения надежности карьерных экскаваторов становится все более актуальной. Для решения этой проблемы необходимо комплексное исследование надежности экскаваторов, работающих в условиях Севера, изучение причин снижения работоспособности экскаваторов в зимний период времени, анализ существующих способов снижения негативного влияния низких отрицательных температур, разработка математической модели электромеханической системы экскаватора, позволяющей определять предельные значения нагрузок возникающих в рабочем оборудовании экскаваторов, разработка методики регулирования нагрузок, возникающих в рабочем оборудовании, позволяющей снизить вероятность хрупких разрушений конструкций.

Работа выполнялась в 2002-2005 годах в Иркутском государственном техническом университете на кафедре горных машин и рудничного транспорта в соответствии с плановой госбюджетной тематикой НИР ВУЗа (Тема №53/150 «Повышение эффективности использования карьерных экскаваторов в условиях Севера»),

Цель работы - повышение надежности карьерных экскаваторов, работающих в условиях Севера путем снижения вероятности возникновения хрупких разрушений узлов и деталей металлоконструкций машин.

Идея работы заключается в снижении вероятности возникновения хрупких разрушений конструкций, в зимний период за счет снижения динамических нагрузок в основных узлах машин путем введения обратной связи по скорости.

Научные положения, выдвигаемые к защите:

- Хрупкие разрушения узлов металлоконструкций экскаваторов определяется комплексом факторов воздействия внешней среды, основными из которых являются динамические нагрузки. Частота отказов по интервалам отрицательных температур подчиняется экспоненциальному закону распределения.

- Математическая модель, рассматривающая экскаватор как единую электромеханическую систему, позволяет исследовать загрузку приводов, в зависимости от условий работы машин и уровня ожидаемых динамических нагрузок.

- Снижение вероятности хрупких разрушений узлов металлоконструкций узлов металлоконструкций обеспечивается регулированием загрузки приводов подъема экскаватора по предлагаемому алгоритму, учитывающему экспоненциальный характер распределения отказов и прочность сталей в взаимосвязи с уровнем опасности воздействия отрицательных температур.

Научная новизна результатов исследования состоит в:

- установлении фактического уровня критических отрицательных температур для узлов металлоконструкций экскаваторов ЭКГ-10, ЭКГ-15, при эксплуатации в условиях Удачнинского ГОКа;

- выявлении экспоненциальной зависимости, вероятности возникновения хрупких разрушений металлоконструкций карьерных экскаваторов от уровня отрицательных температур;

- выявлении причин определяющих характер зависимости хладноломкости конструкций, следствием которых является превышение предела выносливости сталей, при снижении температуры в зимний период времени;

- разработке математической модели экскаватора как единой электромеханической системы, позволяющей определять предельные значения нагрузок, возникающих в узлах металлоконструкций экскаваторов;

- разработке методики регулирования загрузки приводов машин, для снижения, вероятности хрупких разрушений узлов металлоконструкций экскаваторов в зимний период времени.

Методы и объекты исследования. Достижение поставленной в диссертационной работе цели осуществлялась на основе комплексного подхода к исследованиям, включающего:

- анализ статистических данных о надежности работы карьерных экскаваторов;

- анализ причин возникновения хрупких разрушений, проведенный на основе обработки предоставленной информации, актов расследования аварий карьера трубки «Удачная», за период с 1982 по 2002 годы;

- математическое моделирование предельных значений нагрузок, возникающих в рабочем оборудовании карьерного экскаватора;

- разработка методики, снижения вероятности хрупких разрушений узлов металлоконструкций экскаваторов, работающих в условиях Севера.

Основными объектами исследования были карьерные экскаваторы, эксплуатирующиеся Удачнинским ГОКом, на карьере трубки «Удачная», расположенной в районе Крайнего Севера.

Достоверность и обоснованность результатов исследования подтверждена теоретическими обобщениями общепринятых положений по вопросам хладноломкости конструкций. Корректным построением исходной математической модели исследуемого типа карьерных экскаваторов. Значительным объемом исследуемой информации, характеризующей работу карьерных экскаваторов в условиях Удачнинского ГОКа АК «АЛРОСА», и использованием современных методов математического анализа.

Практическая значимость работы заключается в:

- разработке и реализации способа, регулирования загрузки приводов экскаваторов в целях снижения уровня динамических нагрузок и вероятности хрупких разрушений узлов металлоконструкций экскаваторов, защищенного патентом.

- Реализацией предлагаемого устройства Удачнинское монтажно-наладочное управление «Алмазавтоматика» при сезонной наладке приводов машин, подтвержденного актом внедрения.

- Ожидаемый экономический эффект от реализации технического решения составляет 77 797 рублей на один экскаватор в год.

Апробация работы. Результаты проведенных исследований и разработок были доложены и обсуждены на традиционных научно - технических конференциях Иркутского государственного технического университета в 2002-2005гг.; международной конференции, посвященной памяти А.А.Игошина; на заседаниях кафедры горных машин и рудничного транспорта Иркутского государственного технического университета.

Публикации. По теме диссертационной опубликовано семь печатных работ в научно-технических журналах, сборниках научных трудов и материалах научно-технических конференций, получен патент на изобретение.

Успешному выполнению работы способствовали, предоставление большой объем исчерпывающей технической информации, диспетчерской службой Удачнинского ГОКа и главным механиком карьера «Удачный». Большая помощь в разработке методики ограничения динамических нагрузок в рабочем оборудовании экскаваторов, оказанная профессором С.С. Леоненко и доцентом А.В. Сорокиным. Автор выражает глубокую признательность научному руководителю, коллективам кафедр «горных машин и рудничного транспорта» и «электропривода и автоматики промышленных установок и технологических комплексов горного производства», а также работникам Удачнинского ГОКа с которыми ему довелось сотрудничать в процессе выполнения работ положенных в основу диссертации.

Основные выводы и рекомендации диссертационной работы сводятся к следующему:

1. Надежность экскаваторов на карьерах Севера подвержена существенному влиянию природно-климатических факторов внешней среды, которые увеличивают аварийность и снижают показатели работы машин. Снижение надежности экскаваторов в зимний период обусловлено, в основном, ростом числа отказов металлоконструкций машин, на которые приходится до 38% простоев оборудования в неплановых ремонтах. Наиболее опасны хрупкие разрушения базовых узлов металлоконструкций экскаваторов, ликвидация которых связана с высокой трудоемкостью ремонтных работ.

2. Выявлены основные закономерности хрупких разрушений металлоконструкций машин, работающих в условиях Севера:

2.1. установлено, что вероятность возникновения хрупких разрушений металлоконструкций карьерных экскаваторов находится в экспоненциальной зависимости от уровня отрицательных температур;

2.2. показало что, хладноломкость конструкций определяется одновременным воздействием динамических нагрузок, уменьшением уровня ударной вязкости стали по мере снижения температур, вследствие чего нагрузки, в узлах металлоконструкций, могут превышать предел выносливости стали;

2.3. определены предельные значения нагрузок, возникающих в рабочем оборудовании экскаваторов. Установлено что их величины, могут превышать фактическое значение предела выносливости стали.

3. В качестве основного мероприятия защиты экскаваторов от хрупких разрушений в условиях Севера предложен способ и устройство регулирования динамических нагрузок, возникающих в металлоконструкциях экскаваторов в зависимости от уровня опасности воздействия отрицательных температур. Введением в электропривод экскаваторов обратной связи по скорости, ослабляющей ток возбуждения, можно снизить нагрузки в узлах рабочего оборудования экскаватора до значений, при которых, вероятность возникновения хрупких разрушений в зимний период времени, будет снижена до уровня летнего

152

4. Разработана математическая модель карьерного экскаватора как единой электромеханической системы, позволяющая исследовать загрузку приводов в зависимости от условий работы машин с учетом предельных значений динамических нагрузок.

5. Разработан алгоритм регулирования уровня загрузки приводов экскаваторов в зависимости от опасности воздействия температур, заложенный в основу предлагаемого устройства.

6. Разработанное устройство и способ защиты экскаваторов от хрупких разрушений приняты к внедрению в условиях карьера трубки «Удачная» при сезонных наладках приводов машин, что подтверждено актом реализации.

7. Ожидаемый экономический эффект от реализации научно-технических решений диссертации который составляет 77 797 руб. на один экскаватор в год.

8. Предлагаемый способ защиты металлоконструкций машин от хрупких разрушений и разработанное устройство могут быть рекомендованы для более широкого применения на экскаваторах, работающих в регионах холодного климата.

Заключение.

В результате выполненных исследований обоснованы научные положения, совокупность которых можно квалифицировать как теоретическое обобщение и решение научной задачи, имеющей важное народнохозяйственное значение, - снижения вероятности хрупких разрушений конструкций, обеспечивающей повышение надежности машин и увеличение эффективности использования экскаваторов в регионах холодного климата.

1. Авдеев А.Н. Надежность гидравлических погрузчиков L-1100 в условиях крайнего Севера. / Авдеев А.Н., Красноштанов С.Ю., Павлов М.В.//Проблемы развития минеральной базы Восточной Сибири. Третий выпуск. Изд. ИрГТУ Иркутск, 2003. -С.151 - 154.

2. Андреев А.В. Основы электроники./ Андреев А.В., Горлов М.И.-Ростов н/Д: Изд. Феникс, 2003. -416с.

3. Анурьев В.И. Справочник конструктора машиностроителя: в 3т. / гл.ред. В.И.Анурьев -М.: Машиностроение, 1999.-Т.1 -912с.

4. Астахов А.С. Динамические методы оценки эффективности горного производства. -М.: Недра, 1973.-272с.

5. Ачеркан Н.С. Детали машин. Справочник: в 2 т. М.: Машиностроение, 1968.-Т.2,-408с.

6. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. М.: Изд. Наука, 1976. - 608с.

7. Бермант А.Ф. Краткий курс математического анализа для ВТУЗов./ Бермант А.Ф., Араманович И.Г. -М.: Наука, 1969. 736с.

8. Биргер И. А. Запасы прочности при переменных напряжениях. /Биргер И.А.//Вестник машиностроителя. -1948. № 6 - С. 17-19.

9. Биргер И.А. Сравнение условий усталостной прочности. /Биргер И.А.//Вестник машиностроителя. 1954. - № 9 - С. 51-55.

10. Биргер И.А. Остаточные напряжения. М.: Машгиз, 1963. - 210с.

11. Биргер И.А. Расчет, но прочность деталей машин. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Шнейдерович P.M. -М.: Машиностроение, 1966. 340с.

12. Биргер И.А. Основы автоматизированного проектирования. /Биргер И.А. //Известия ВУЗов. 1977. - №7. - С. 5-15.

13. Биргер И.А. Сопротивление материалов. /Биргер И.А., Мавлютов P.P. -М.: Наука, 1986. 560с.

14. Блейд Е.С. Динамика электромашинных следящих систем./ Блейд Е.С., Семенов Ю.М., Чемоданов Б.К. -М.: Энергия, 1967. - 693с.

15. Бритарев В. А. Расчет усилий в конструктивных элементах рабочего оборудования выемочно — транспортных машин. -М.: Машгиз, 1971. 132с.

16. Владимирский Т.А. Хрупкость сталей. -М.: Машгиз, 1959. 140с.

17. Волков Д.П. Динамические нагрузки в универсальных экскаваторах-кранах. М.:1. Машгиз, 1958.-277с.

18. Волков Д.П. Динамика и прочность одноковшовых экскаваторов. -М.: Машиностроение, 1965.-463с.

19. Волков Д.П. Динамика и прочность многоковшовых экскаваторов и отвалообразователей. /Волков Д.П., Черкасов В.А. М.: Машиностроение, 1969. - 406с.

20. Волков Д.П. Динамика электромеханических систем экскаваторов./ Волков Д.П., Каминская Д.А. М.: Машиностроение, 1971. - 384с.

21. Вуль Ю.Я. Наладка электроприводов экскаваторов. /Вуль Ю.Я., Ключев В.И., Седаков Л.В. М.: Недра, 1975. -312с.

22. Выгодский М.Л. Справочник по высшей математике. -М.: Физматгиз, 1953. 783с.

23. Гетопанов В.Н. Проектирование горных машин и комплексов. Анализ и выбор схем выемочных машин и оценка их производительности в САПР ГМ. Гетопанов В.Н., Коваль П.В., Рачек В.М. - М.: Изд. МГТИ, 1981. - 90с.

24. Глушко В.В. Характеристики режимов работы горных машин и их автоматическое управление. М.: Недра, 1973. - 237с.

25. Гончаревич И.Ф. Динамические процессы горных машин. / Гончаревич И.Ф., Докукин А.В. М.: Наука, 1972. - 149с.

26. Гончаревич И.Ф. Динамика горных машин с упругими связями./ Гончаревич И.Ф., Докукин А.В. -М.: Наука, 1975. -210с.

27. Давыдов Б.А. Динамика горных машин./ Давыдов Б.А., Скоморохов Б.Л. М.: Госнаучтехиздат, 1961.-334с.

28. Давыдов Б.А. Статика и динамика машин./ Давыдов Б.А., Скоморохов Б.Л. М.: Машиностроение, 1967.-430с.

29. Дарков А.В. Сопротивление материалов./ Дарков А.В., Шпиро Г.С. М.: Высшая школа, 1969. -734с.

30. Дитрих Я. Проектирование и конструирование. М.: Мир, 1981. -456с.

31. Докукин А.В. Аналитические основы динамики выемочных машин./ Докукин А.В., Красников Ю.Д., Хургин 3 Я. М.: Наука, 1966. - 125с.

32. Докукин А.В. Методика определения нагрузок в элементах привода и на исполнительном органе выемочных машин по мощности двигателя./ Докукин А.В., Красников Ю.Д., Хургин З.Я., Шмарьян Е.М. М.: Наука, 1968. - 115с.

33. Докукин А.В. Корреляционный анализ нагрузок выемочных машин./ Докукин А.В., Красников Ю.Д., Хургин З.Я., Шмарьян Е.М. М.: Наука, 1969. - 135с.

34. Докукин А.В. Динамические процессы горных машин./ Докукин А.В. и др. Под общ. редакцией Каренина Г.П. -М.: Наука, 1972. 149с.

35. Иванов А.В. Некоторые особенности расчета копающих механизмов экскаваторов. /Иванов А.В., Оленев В.А., Барыкин М.Д. // Известия ВУЗов Горный журнал. 1978. - №8. - С.98-101.

36. Ильин М.М. Теория колебаний. /Ильин М.М., Колесников К.С., Саратов Ю.С.// М.: Изд. МГТУ им. Баумана, 2001. - 272с.

37. Иоселевич Г.Б. Детали машин: Учебник для студентов машиностроительных специальностей. М.: Машиностроение, 1988.-368с.

38. Каминская Д.Л. Анализ и пути улучшения динамических режимов в электроприводах и главных механизмах мощных одноковшовых экскаваторов: автореф. дис. канд. техн. наук. / Каминская Д.Л. МИСИ им. Куйбышева. -М., 1962. 21с.

39. Канаев А.Л. Справочник по свойствам сталей применяемых в котлотурбиностроении. -М.: Машгиз, 1955. 240с.

40. Ключев В.И. Ограничение динамических нагрузок электропривода. -М.: Энергия, 1971.-320с.

41. Ключев В.И. Теория автоматизированного электропривода. / Ключев В.И., Чиликин М.Г., Сандлер А.С. М.: Энергия, 1979. - 616с.

42. Ключев В.И. Теория электропривода. М.: Энергоиздат, 1985. - 540с.

43. Колинз Дж. Повреждение материалов в конструкциях. М.: Мир, 1984. -624с.

44. Козярук А.Е. Направления модернизации электроприводов главных механизмов карьерных экскаваторов./ Козярук А.Е., Рудаков В.В., Кулыгин А.В., Вологин Н.А.// Горные машины и автоматика. 2003. №5 - С. 41-44.

45. Козярук А.Е. Математическая модель механической части карьерного экскаватора./ Козярук А.Е., Кулыгин А.В. // XXX юбелейная неделя науки СПбГТУ: Материалы межвузовской научной конференции. СПб.: СПбГТУ, 2002. - Ч. 1 - С. 74-75.

46. Козярук А.Е. Системы управления электроприводами главных механизмов карьерного экскаватора переменного тока./ Козярук А.Е., Рудаков В.В. // Сборник научных трудов Электропривод экскаваторов М.: Изд. МЭИ, 2004. - С.34-45.

47. Кох П.И. Одноковшовые экскаваторы. М.: Машгиз, 1963. -438с.

48. Кох П.И. Влияние упругих вставок на характер нагрузок./ Кох П.И. //Известия ВУЗов. Горный журнал. 1963,- №1-С. 119-122.

49. Кох П.И. Надежность горных машин при низких температурах. М.: Недра, 1972.192с.

50. Кох П.И. Надежность механического оборудования карьеров. -М.: Недра, 1978. 189с.

51. Кох П.И. Ремонт экскаваторов. М.: Недра, 1979. - 380с.

52. Кох П.И. Климат и надежность машин. М.: Машиностроение, 1981. - 175с.

53. КрасношапкаВ.А. Исследование динамических моделей приводов и проектирование горных машин./ Красношапка В.А., Бережной Ю.И. Киев: Наукова думка, 1983. -184с.

54. Крейнин Г.В. Динамика машин и управление машинами./ Крейнин Г.В.и др. -М.: Машиностроение, 1988.-240с.

55. Кряпин И.Р. Марочник сталей и сплавов. М.: ЦНИИТ, 1977. - 320с.

56. Кулыгин А.В. Экскаваторный электропривод переменного тока: автореф. дис. канд. техн. наук. / Кулыгин А.В. СПбГГИ им. Плеханова, 2003. 21с.

57. Лаутеншлейгер А.А. Проектирование и конструирование горных машин и комплексов./ Лаутеншлейгер А.А., Шестаков B.C., Комисаров А.П. -Екатеринбург: УТИ, 1993. 140с.

58. Лачин В.И. Электроника. Уч. пособие для ВТУЗов./ Лачин В.И., Савелов Н.С. // Ростов п/Д: Изд. Феникс, 2002. 576с.

59. Мартынов М.В. Автоматизированный электропривод в горной промышленности./ Мартынов М.В., Переслегин Н.Г. -М.: Недра, 1969. -412с.

60. Махно Д.Е. Механизация вспомогательных работ при ремонте экскаваторов./ Махно Д.Е., Горбунов И.В., Анисимов А.И. М.: ЦНИИЭИуголь, 1982. - 34с.

61. Махно Д.Е. Ремонт и управление карьерными экскаваторами в условиях низких отрицательных температур. Иркутск: Изд. ИрГТУ, 1985. 56с.

62. Махно Д.Е. Основы управления ресурсом экскаваторов на карьерах Севера: автореф. дис. докт. техн. наук. / Свердловск: Изд. Горного института им. В.В. Вахрушева, 1986. -32с.

63. Махно Д.Е. Эксплуатация и ремонт механических лопат в условиях Севера./ Махно

64. Д.Е., Шадрин А.И. -М.: Недра, 1992. 127с.

65. Махно Д.Е. Техническое обслуживание и ремонт экскаваторов на карьерах Севера. Организация и механизация./ Махно Д.Е., Шадрин А.И., Макаров А.П. и др. Иркутск: Изд. ИЛИ, 1993.-200с.

66. Махно ДЕ. Горные машины и комплексы./ Махно Д.Е., Страбыкин Н.Н., Кисурин В.Н. -Иркутск: ИрГТУ, 1996 224с.

67. Михайлов Михеев П.Б. Справочник по металлическим материалам турбино и моторостроения. -М.: Машгиз, 1961. - 210с.

68. Никольский JI.H. Фрикционные амортизаторы удара. Расчет и конструирование. -М.: Машиностроение, 1964. 60с.70.0ленев В.А. Некоторые особенности расчета копающих экскаваторов./ Оленев В.А., Барыкин М.Д. //Известия ВУЗов. Горный журнал, №8. - С. 98 - 101.

69. Павлов М.В. Надежность карьерного оборудования, работающего в суровых природно-климатических условиях Севера. //Проблемы развития минеральной базы Восточной Сибири третий выпуск, Иркутск: Изд.ИрГТУ, 2003. С.154 - 158.

70. Павлов М.В. Надежность карьерных экскаваторов в условиях Севера. //Вестник ИрГТУ, 2005- №1-С.166.

71. Павлов П.А. Основы инженерных расчетов, элементов машин на усталостную прочность. Л.: Машиностроение, 1988. -252с.

72. Панкратов С.А. Конструкция и основы расчета главных узлов экскаваторов кранов. -М.: Машгиз, 1962. -320с.

73. Панкратов С. А. Динамика машин для открытых горных и земляных работ. -М.: Машиностроение, 1967. -447с.

74. Панкратов С. А. Основы расчета и проектирования металлических конструкций строительных и дорожных машин./ Панкратов С.А., Ряхин В.А. -М.: Машиностроение, 1967.-273с.

75. Писаренко Г.С. Вибропоглощающие свойства конструктивных материалов. /Писаренко Г.С. и др. Киев: Наукова думка, 1971. - 375с.

76. Подерни Р.Ю. Горные машины и комплексы для открытых горных работ. М.: Недра, 1985.-544с.

77. Попов К.Б. Мороз и сталь. Иркутск: Иркутское книжное издательство, - 1958. - 50с.

78. Полянский Е.С. Динамические нагрузки в рабочем оборудовании ЭКГ-8И. / Полянский Е.С., Сосновский А.И., Яковлев В.В. //Динамика механических и гидравлических систем Выпуск III Томск, 1975. -С. 37-45.

79. Родькин Д.И. Системы динамического нагружения и диагностика электродвигателей при послеремонтных испытаниях. М.: Недра, 1992. - 236с.

80. Решетов Д.Н. Надежность машин./ Решетов Д.Н., Иванов А.С., Фадеев В.З. М.: Высшая школа, 1988. - 238с.

81. Руководство по капитальному ремонту экскаватора ЭКГ-12,5: / Минуглепрома СССР. -Челябинск, 1982.-493с.

82. Савин Г.Н. Теоретическая механика. /Савин Г.Н., Кильчевский Н.А., Путята Т.В. -Киев: АН УССР, 1963. -609с.

83. Савин Г.Н. Динамика нити переменной длины./ Савин Г.Н., Горошко О.А. Киев: АН УССР, 1962. -332с.

84. Сатовская Т.Б. Исследование динамики механизма тяги экскаватора ЭШ 40/85 при резонансе./ Сатовская Т.Б., Барыкин М.Д. //Горный журнал, 1975. - №5. - С. 119-122.

85. Скляров Н.М. Конструкционные, нержавеющие и жаропрочные стали и сплавы. //Труды ВИАМ №6. М.: Машгиз, 1961. С.56-61.

86. Соколов М.М. Автоматизированный электропривод общепромышленных механизмов. -М: Энергия, 1976. 488с.

87. Солод В.И. Проектирование и конструирование горных машин и комплексов. /Солод

88. B.И., Гетопанов В.Н., Рачек В.М. М.: Недра, 1982. -351с.

89. Солод С.В. Надежность горных выемочных машин. М.: ООО Недра - Бизнесцентр, 2003.-291с.

90. Сорокин А.В. Расчет замкнутых систем управления горных машин и механизмов. -Иркутск: Изд. В.О. ИрГТУ, 2001. 68с.

91. Сорокин В.Г. Марочник сталей и сплавов. / Сорокин В.Г., Волосникова А.В., Вяткин

92. C.А. М.: Машиностроение, 1989. - 640с.

93. Ставрогин А.Н. Экспериментальная физика и механика горных пород./ Ставрогин А.Н., Тарасов Б.Г. -СПб.: Наука, 2001. 343с.

94. Степанов А.Г. Динамика машин. -Екатеринбург: УРО РАН, 1999. -391с.

95. Степанов А.Г. Динамика шахтных подъемных установок. -М.: Наука, 1994. -203с. ЮО.Стрет Дж.В. Теория звука. М.: Гостехиздат, 1955. - 318с.

96. Титиевский Е.М. Ремонт экскаваторов./ Титиевский Е.М., Щербань И.Е., Гохберг Ю.Ш., Суботин С.В.- М.: Недра, 1992. 238с.

97. Хазак В.И. Об эффективности снижения динамических нагрузок в узлах одноковшовых экскаваторов методом введения поглощающих устройств./ Хазак В.И. //Известия ВУЗов, 1965. №1. - С. 73-78.

98. Хазак В.И. Об учете податливости каната на барабане. / Хазак В.И. //Известия ВУЗов, Горный журнал, 1965. №7. - С. 131 - 135.

99. Жук К.Д. Исследования структур и моделирование логико динамических систем./ Жук К.Д., Тимченко А.А., Доленко Т.И. - Киев: Наукова думка, 1975. - 199с.

100. ГОСТ 977-88 Отливки стальные. Общие технические условия. Государственный стандарт СССР. М.: Издательство стандартов, 1989. - 21с.

101. А.С. 1090813 СССР, МКИЕ 02 F9/20. Устройство управления электроприводом одноковшового экскаватора/ Д.Е. Махно, И.В. Горбунов, Е.А. Дмитриев и др. (СССР). № 3542180/29-03; Заявлено 12.01.83; 07.05.84, Бюл. №17. -Зс.

102. Gere J.M. Matrix algebra for engineers./ Gere J.M., Weaver W. Princeton: D. Van Nostrand, 1965,- 168c.

103. G.A.Korn Mathematical handbook for scientists and engineers definitions, theorems and formulas for reference and review second enlarged and revised edition./ G. A.Korn, T.M.Korn -M.S.: Mc Graw Hill Book Company, 1968. -112c.

104. Niemann G. Maschienenelemente./ Niemann G., Winter H. Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1975. - 294c.