автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Совершенствование рабочего процесса самоходного погрузочно-транспортного оборудования при добыче медно-никелевых руд

На правах рукописи

ПОПОВИЧ Алексей Евгеньевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА

САМОХОДНОГО ПОГРУЗОЧНО-ТРАНСПОРТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ДОБЫЧЕ МЕДНО-НИКЕЛЕВЫХ РУД

Специальность 05.05.06 - Горные машины

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1998

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном горном институте им.Г.В.Плеханова (техническом университете).

Научный руководитель:

доктор технических наук профессор АЛЖулешов Официальные оппоненты:

доктор технических наук профессор ПЛ.Кравченко, кандидат технических наук доцент ДАМнгмейстер,

Ведущее предприятие: АО «Гипроникель», Санкт-Петербург.

Защита диссертации состоится 10 декабря 1998 г. в 15 ч 00 мин на заседании диссертационного Совета Д.063.15.12 в Санкт-Петербургском государственном горном институте им. Г.В.Плеханова по адресу: 199026 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. № 1201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан {О ых>2&№ 1998 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТ диссертационного С профессор

И.П.ТИМОФЕЕВ

Общая характеристика работы Актуальность работы

Одним из главных направлений научно-технического прогресса при подземной разработке месторождений в последние 20 лет являлось внедрение самоходного оборудования, которое обеспечивает рост производительности и улучшение условий труда, повышение экономической эффективности и культуры производства. В России оно наиболее широко применяется на рудниках цветной металлургии и объемы добычи руды с его использованием достигли 57,4%.

Эксплуатация самоходного горно-транспортного оборудования осложняется двумя серьезными факторами - высокой себестоимостью перевозок, погрузочно-доставочных работ (затраты на энергоносители составляют 15-20% в общей себестоимости) и отрицательным воздействием на экологическую обстановку в подземных выработках. Новые конструкторские решения, направленные на создание высокоэкономичных дизелей, долгосрочны в своей реализации, поэтому для получения экономического эффекта в ближайшее время без дополнительных капиталовложений следует оптимизировать режимы работы серийно вы пускаемого оборудования. Снижение транспортных расходов возможно также за счет максимального соответствия конструктивно-технологических характеристик машины заданным условиям эксплуатации, что не всегда соблюдается на практике из-за трудностей методологического характера.

В связи с изложенным, при существующих высоких затратах на приобретение, доставку, ремонт и эксплуатацию транспортного самоходного оборудования, проблема снижения энергозатрат и повышения его экологичности является актуальной и экономически значимой.

Цель работы

Разработка метода оптимизации режимных параметров дизельного привода погрузочно-доставочной машины (ПДМ) по

энергетическому критерию, учитывающему эксплуатационные и конструктивные факторы и позволящему минимизировать расход топлива ПДМ и прогнозировать его изменение в зависимости от условий эксплуатации.

Идея работы

Выбирать скоростной диапазон, оптимальный по критерию энергопотребления, возможно на основе анализа детализированной по элементарным операциям технологического цикла ПДМ силовой статической составляющей нагрузочного режима.

Защищаемые научные положения

1. Учет всех основных факторов, воздействующих на привод машины в течение технологического цикла, при исследовании режимных параметров достигается кусочно-интегральным детерминированным подходом, который позволяет в формализованном виде описать изменение силовой составляющей нагрузочного режима по элементарным технологическим операциям ПДМ, добиваясь наибольшего соответствия реальному процессу.

2. Минимизация энергетических показателей технологического цикла ПДМ достигается выбором оптимальных угловых скоростей вала дизеля по каждой элементарной технологической операции с предварительным определением величины силовой составляющей нагрузочного режима, зависящей от текущих показателей нагружения узлов привода.

Научная новизна:

- предложена математическая модель рабочего процесса ПДМ, отличающаяся от известных тем, что она основана на статическом силовом нагружении привода в зависимости от внешних (условий эксплуатации) и внутренних (конструкционные особенности) факторов при детализации технологического цикла ПДМ по элементарным операциям с учетом возможных направлений прохождения потока мощности от привода к узлам внешних и внутренних возмущений;

- на основе численного компьютерного моделирования с помощью разработанного алгоритма расчета получены зависимости энергетических характеристик рабочего процесса ПДМ от основных эксплуатационных факторов.

Обоснованность и достоверность

научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается использованием в теоретических исследованиях классической теории теоретической механики и гидравлики, теории движения автомобиля, применением методов математической статистики, сопоставимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований с исследованиями других авторов, наблюдениями за работой оборудования в условиях рудника «Северный» ГМК «Печенганикель».

Практическая значимость работы

]. Разработана методологическая база определения статической силовой составляющей нагрузочного режима привода за технологический цикл ПДМ, позволяющая выбирать технически обоснованный скоростной диапазон работы привода с минимизированным энергопотреблением и улучшенными экологическими показателями.

2. Разработан пакет прикладных программ, в основе которого лежит разработанный алгоритм расчета оптимальных режимных параметров работы ПДМ, который может использоваться как в процессе эксплуатации ПДМ с целью прогнозирования расхода топлива в изменяющихся условиях эксплуатации, так и при проектировании транспортных схем с целью выбора оптимального типоразмера машины.

Основные результаты исследований 1. Получены уравнения изменения силовой составляющей статического режима нагружения привода по элементам технологического цикла ПДМ, учитывающие конструкционные особен-

ности машины, а также факторы, определяющие условия эксплуатации.

2. Обоснованы принципы построения интегральной математической модели рабочего процесса ПДМ.

3. Получены эмпирические зависимости изменения центра тяжести пробы горной массы в ковше от угла его поворота.

4. Установлено, что оптимизация рабочего процесса ПДМ по критерию энергопотребления достигается за счет выбора оптимальных рабочих угловых скоростей дизеля.

5. Определены и реализованы новые подходы к моделированию режима совместной работы гидротрансформатора (ГТ) с дизелем, заключающиеся в аналитическом выражении безразмерной характеристики ГТ и универсальной - дизеля, после чего методом итерации с использованием ЭВМ определяются параметры совместной работы.

Апробация работы

Диссертационная работа и её основные разделы докладывались на ежегодных научных конференциях молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» (г. Санкт-Петербург, 1995-1998 гг.), Международном симпозиуме «Горное оборудование, переработка минерального сырья, новые технологии, экология» (г. Санкт-Петербург, 1996), на семинарах кафедры «Горных транспортных машин» СПГГИ(ТУ).

Публикации

Основные положения диссертации изложены в 6 печатных работах.

Объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы из 105 наименований, содержит 107 страниц машинописного текста, 36 рисунков, 12 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Быстрое расширение области применения самоходного горно-транспортного оборудования на подземных рудниках

цветной металлургии и значительная доля издержек на погрузоч-но-доставочные работы в себестоимости добычи полезных ископаемых обусловили необходимость исследования направлений повышения эффективности этого вида оборудования. В условиях сложившейся экономической ситуации в стране производство определяет основные приоритеты научных исследований в этом направлении. Одним из них является повышение эффективности эксплуатации самоходного горно-транспортного оборудования с учетом затрат энергии на погрузочно-доставочные работы.

Анализ влияния условий эксплуатации на энергетические показатели ПДМ с дизельным приводом показал, что основными факторами, определяющими нагрузочный режим дизеля и, как следствие, энергетические затраты являются конструктивные, горно-технические и дорожные условия. Кроме того, анализ показателей надежности основных узлов и агрегатов ПДМ позволил установить, что ресурс машины в целом лимитируется ресурсом приводного двигателя, в данном случае дизельного. Таким образом. было намечено основное направление повышения эффективности самоходного горно-транспортного оборудования, которое заключается в оптимизации режимных параметров дизельного привода по энергетическому критерию, что позволяет технически обоснованно выбирать эксплуатационные режимы работы ПДМ с минимальным расходом топлива. Эти режимы работы одновременно являются наиболее благоприятными с точки зрения ресурсных показателей, так как позволяют достичь наибольшего значения КПД дизеля для конкретных условий эксплуатации.

В связи с этим сформулирована цель диссертационной работы. В соответствии с поставленной целью и предложенной идеей в работе решены следующие задачи:

1. Исследована структура рабочего цикла ПДМ с детализацией по элементарным операциям.

2. Определена доля динамической составляющей в нагрузочном режиме привода за технологический цикл.

3. Исследовано влияние конструктивных и эксплуатационных факторов на силовую составляющую нагрузочного режима по элементам технологического цикла ПДМ.

4. Разработана интегральная математическая модель рабочего процесса ПДМ.

5. Разработан и реализован в виде алгоритма расчета метод оптимизации угловой скорости дизеля с использованием энергетического критерия.

Энергетические показатели работы дизельного привода пропорциональны эффективной мощности на валу дизеля, которая, в свою очередь, зависит от нагрузочного режима работы привода. Нагрузочный режим любого привода характеризуется двумя составляющими - скоростной и силовой. Задача оптимизации рабочего процесса погрузочно-доставочной машины (ПДМ) по критерию энергопотребления сводится к определению силовой составляющей нагрузочного режима и выбору оптимальной угловой скорости вала дизеля из диапазона возможных рабочих скоростей. Для описания силовой составляющей целесообразно использовать кусочно-интегральный детерминированный подход, включающий в себя детализацию технологического цикла по элементарным операциям, в течение которых количество воздействующих факторов было бы неизменно. По такому принципу весь рабочий цикл ПДМ разбивается на три операции, включающие в себя 10 элементов цикла: 1) черпание (первоначальное внедрение ковша, частичный вырыв ковша, заглубление ковша, полный вырыв ковша); 2) транспортирование и маневры (движение с грузом, движение порожняком); 3) разгрузка ковша (подъем стрелы для разгрузки ковша, опрокидывание ковша, подъем ковша, опускание стрелы).

В ходе теоретических исследований установлено, что для описания силовой составляющей нагрузочного режима достаточно остановиться на рассмотрении статического режима нагруже-ния привода, так как доля переходных процессов при движении ПДМ с грузом и порожняком не превышает 10-15% от всего времени движения, кроме того, динамическая составляющая усилия

в эти периоды в одном случае является дополнительным сопротивлением, в другом - дополнительной движущей силой. В периоды черпания и разгрузки динамическая составляющая не превышает 2-5% от общего усилия и в расчет не принимается.

Суммарные статические сопротивления, действующие на привод в течение рабочего цикла ПДМ, определяют минимально необходимый крутящий момент на валу дизеля, развиваемый для их преодоления.

Теоретические и экспериментальные исследования статической силовой составляющей нагрузочного режима по элементарным операциям технологического цикла ПДМ определили зависимости изменения потребных статических усилий на конечных элементах привода (колесных движителях и штоках гидроцилиндров) от перемещения.

Внедрение ковша

Суммарное статическое сопротивление в период первоначального внедрения

2Х„, = к ±»7, +(/<; -с -о, •«), (1)

где \Уа - основное сопротивление движению; IV, - сопротивление вызванное уклоном; Кк - конструкционный показатель, определяемый типом ПДМ; Ьвн - глубина внедрения ковша; п - характеризует влияние на процесс внедрения ковша условий его заполнения; й, - горно-технический показатель, зависящий от физико-механических свойств и гранулометрического состава горной массы; Ктр - коэффициент, характеризующий влияние на Рвн, траектории черпания; т - коэффициент, учитывающий расположение кромки ковша относительно уровня почвы.

С учетом конструкционных параметров ПДМ, определяемых её типоразмером, вида и состояния дорожного покрытия, а также эксплуатационных особенностей работы, которые приводят к увеличению или ослаблению максимальной тяговой способности машины, нами получена зависимость (2) для определения максимальной глубины первоначального внедрения

GM-¡ eos¡3-yc

Сo„

4000

+ sin/?

__ (2)

[[14-(0,28+ 0,01 -aj-yJ-Kt ■G,-Kmp-m '

где GM - сцепной вес машины, /3 - угол наклона выработки, оз0 -удельное сопротивление качению, - угол наклона днища ковша к почве выработки, у/с - коэффициент сцепления колес с почвой выработки.

Вырыв ковша

Расчетная схема для определения суммарного статического сопротивления в период вырыва представлена на (рис. 1).

Рис 1. Схема действия статических сим в период вырыва ковша Потребное усилие на штоке гидроцилиндра поворота ковша для преодоления суммарного статического сопротивления определяется по выражению (3)

^ = (3)

где - вес порожнего ковша; 0П - вес горной массы (породы), отсекаемой ковшом; /?сд - сопротивление горной массы сдвигу в плоскости, близкой к вертикальной; - статическое усилие на

штоке гидроцилиндра; l\, h, h, U - плечи действия сил относительно т. О соответственно GK, G„, RCA, Fni. В результате теоретических исследований методами теоретической механики и тригонометрии определены все составляющие выражения (3) в функции угла поворота ковша (а.ПОв)-К - а т + «„„,),

( Н„

К = J\L. cosa - V-.L J +[ -L. sin a_ | ■ cos

arclg

— L, sin a..

L. cosa,.

I3=L, cos(aM -a„).

= sin(180°-(i/>

Л =arct[

-A),

2b,. sin"-»/

sin ц/н +

-ctg|^H +a-y2 -90°

G„ =

'^•»„tgp

Ж

A'

где /цмк. - расстояние от шарнира сочленения ковша со стрелой (т. О) до точки центра масс порожнего ковша; рк - угол поворота 1тк относительно днища ковша; Ь< - длина днища ковша; Н0 - высота слоя горной массы над режущей кромкой ковша после внедрения (Щ = ¿вп ■ 1%ср); у - объемная масса руды; К7 - коэффициент разрыхления; В - ширина ковша ПДМ; 6Ц - расстояние между осью поворота ковша (т. О) и шарниром закрепления гидроцилиндра поворота к ковшу; у/„ - начальный угол между продольной осью гидроцилиндра и осью проходящей через т. О и точку закрепления цилиндра на ковше; 1п - длина гидроцилиндра со штоком, соответствующая начальному углу у/н т.е. 0°.

\

/

Подъем стрелы для разгрузки ковша Схема действия статических сил в период подъема стрелы для разгрузки ковша представлена на (рис. 2). Из её рассмотрения следует что, потребное усилие на штоке гидроцилиндра подъема стрелы /V определяется по выражению (4)

—- г -— • (4)

АВ - гидроцилиндр поворота ковша; 0(С - стрела; ОЕ - гидроцилиндр подъема стрелы; А - точка крепления гидроцилиндра поворота ковша к передней полураме; 0| - точка крепления стрелы к передней полураме; Е - точка крепления гидроцилиндра подъема стрелы к передней полураме; С!,1пк - собственный вес цилиндра поворота ковша; С?„ - - собственный вес ковша; Ос - - собственный вес стрелы; - вес породы в ковше; Р„с - необходимое напорное усилие на штоке гидроцилиндра; Ь/, Ьу. ¿4, Ь} - плечи действия сил, соответственно

^кг ^не

Для определения зависимостей изменения каждой составляющей выражения (4) от угла поворота стрелы использован

графо-аналитический метод. Его суть заключается в том, что для выбранного типоразмера ПДМ (в данном случае TORO-400DS) строится кинематическая модель системы подвески ковша либо в виде плоского подвижного макега, выполненного с сохранением геометрических пропорций натурной машины, либо в электронном виде с применением пакета прикладных программ ACAD 14. Методами теоретической механики определяется положение центров масс каждого элемента, входящего в модель. Затем, задаваясь шагом угла поворота стрелы Аа ~ 5° и пределом его изменения ас е [0;55] (0°- соответствует транспортному положению стрелы, 55°- максимальный угол подъема стрелы, определяемый типоразмером машины), исследуются траектории движения центров тяжести ковша, стрелы, гидроцилиндров и горной массы с определением абсолютных значений плеч действующих статических сил. Предварительно были проведены в лабораторных условиях экспериментальные исследования поведения горной массы в ковше ПДМ при его повороте в результате которых: определены закономерности, позволяющие построить кривые верхнего уровня пробы руды при различных коэффициентах и углах наклона ковша, с помощью которых определено положение центра тяжести руды; доказано, что с вероятностью не менее 95% можно рассматривать положение центра тяжести руды относительно шарнира сочленения ковша со стрелой ПДМ неизменным в пределах угла поворота [0и; 75°].

Полученные результаты моделирования обработаны с помощью программы EXCEL с построением графиков и их последующей аппроксимацией:

¿,(0,, = -0,0004 • а] +0,0122-«, +2,702 ¿-„».аз, = -0,0004 • а] + 0,0104-ас +2,8408 LnaM = -0,0004 -а] +0,0106-а, +2.7685 = -0,0004-а) +0,0093 -ас +2,6812

1г = -3• 10 7 •«/ -0,0004-а/ + 0,0108-ас +2,7362 ¿, = -0,0002-а/-0,0014+1,2142

¿4 = -4.10-8 ■ а/ + 5 • 10"6 •-0,0004-а/+ 0,0099• аг + 0,8392 £, =.-3 -10"7 - а/ -0,0054-а,. +0,6962

Разработанный метод позволяет аналогичным образом получать закономерности изменения плеч действующих сил для периодов разгрузки ковша, опускания стрелы и ковша в транспортное положение для различных типоразмеров ПДМ с подобной кинематической схемой подвески ковша.

Поворот ковша для разгрузки горной массы Потребное напорное усилие на штоке гидроцилиндра поворота ковша определяется по формуле (5)

(5)

чмк

где ¿1, Ь2, Ьцт - плечи действия сил соответственно (1К, Р\„. Определение закономерностей изменения длин плеч действующих статических сил осуществляется по вышеизложенному методу с использованием кинематической модели. Зависимости, полученные в результате моделирования, аппроксимированы с достоверностью аппроксимации И2= 0,98 - 0,96: ¿1(„.5) =Ы0Х -2-10"6«' + 2-КГ5«' +0,0109«, +0,0248

Аю.65, =-6-10-'«; -2-10"7а,* -1-105а,2 + 0,0145а„ +0,0918

= 9• Ю'а* -2• 10~6а,' +5-Ю^а* +0,0137а, -0,0028

£шо, = -3-10~8а,4 + 3-10^а] -0,0001а' +0,0183а, -0,119

= 3-Ю"' «; -4-10 8а^ - 9-К) 5«; + 0,0005а, + 0,8955 =-Ы0'Х2 +0,017а,-0.0103

Таким образом, все составляющие уравнения (5) однозначно определены.

Силовая составляющая нагрузочного режима дизеля получена путем приведения потребных усилий на конечных

элементах привода к валу дизеля. В процессе приведения учитывались возможные пути прохождения потока мощьности в зависимости от выполняемой технологической операции. Процессы внедрения, заглубления и движения характерны тем, что поток мощности проходит через гидродинамическую передачу, а в периоды вырыва, подъема стрелы и поворота ковша - через гидропривод. В первом случае, одному значению потребного момента на турбинном колесе гидротрансформатора (ГТ) М„, может соответствовать множество комбинаций момента на насосном колесе М„ и угловой скорости о)н, что влияет на неопределенность рабочих параметров ГТ. В связи с этим определен новый подход в моделировании совмесной работы дизеля с ГТ, заключающиеся в аналитическом выражении безразмерной характеристики ГТ и универсальной дизеля, определении диапазонов возможных развиваемых моментов и угловых скоростей на насосном колесе, после чего методом итерации с использованием ЭВМ определяются параметры совместной работы.

Для построения интегральной расчетной математической модели рабочего цикла ПДМ необходимо: 1) привести все зависимости к функции одной переменной, изменение значения которой отражало бы как поступательное движение машины, так и поступательно-вращательное движение исполнительного органа; 2) определить пределы изменения значений новой переменной для элементов технологического цикла.

Целесообразно принять за приведенную переменную х перемещение режущей кромки ковша, так как этот элемент машины участвует в поступательном движении ПДМ и во вращательном - исполнительного органа.

В результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований построена расчетная интегральная математическая модель, позволяющая определить величину потребного статического момента на валу дизеля в любой точке рабочей траектории которая выглядит следующим образом:

О < x < х-,х„р = х,Л/„ = - / ----

'те ■'imp -Чп-'К

Л . . (wДл ) +Л/„(х ) + </» •

х < * < > Х',л:т = х-х,\М. =-----------------

ft" ' 2K-S„imi-r}„-rrin-li(Xnp)

Ух,<х<Ух,-х„„ = х-Yx:A/„ = ^-!—-i—'.....' ■ --

1-1 1=1 1=1 V Чтр ЧГТ п

■Л Л Л .. + +

2,*! <х< у = х-= --------^-------------.....—

1=1 i=i ¡»1 2;r -S^«,) -i]H ■!].„ ■ lt(xnp)

Уx < x< Vi;j„ = x- у х,;Л/. = ------—-

I ¿J 1 » -¿-1 1 ° i" .n" -n ■h

¡-1 ¡=1 'тр Чпр ЧГТ л

2>,<x- L,x;-xnp= x- ¿><'м» =---

> x. < x < > x,;x„„ = x- > x,;M. = ------

ft" ft""' ft" 2 i^-T.-^-U^)

V „ ^ ^ ,, WxKH-

¿д:, < x < /х;хЛ(> - х- ух,;м„ =----

¡=1 ¡=1 i«i - •'«„(■Чр)

>х, < х < >х,;х x^Aij = --£-~-!----—-

ы ft' tf 2я-5п{ш)-11л-у1т-1;(хпр)

Ух <х < у х;х„„ = х -> х;Л/„ = —^-'

1 '' "Я ¿—i ^ 0 тл

i»l i=l 1=1 'my ' 'Imp ' ЧГТ ' л

где /" - граничные значения перемещения режущей кромки по элементам цикла; М6 - потребный момент на валу дизеля; iMmp -передаточное отношение механической части трансмиссии; rfnv - КПД механической части трансмиссии; rjn - КПД гидротранс-фотматора; К - коэффициент трансформации момента ГТ; гк -радиус колеса; q„ - рабочий объем насоса; т]но - объемный КПД насоса; г]„ - полный КПД насоса; Sn(mj - площадь поршневой (штоковой) полости гидроцилиндра; //,„ - КПД гидропривода.

Расчетная интегральная математическая модель реализована в виде пакета прикладных программ на языке программирования ТУРБО-ПАСКАЛЬ 7. В данный пакет входят:

прикладная программа для расчета оптимальных параметров рабочего процесса ПДМ типа TORO-400 DS при миними-

зированном расходе топлива в периоды внедрения, заглубления, движения с грузом и порожняком. Данная программа в качестве промежуточного результата выдает величину суммарных сопротивлений на колесных движителях и в качестве окончательного результата - величину потребного статического момента, приведенного к валу дизеля, оптимизированную угловую скорость дизеля, параметры совместной работы дизеля с ГТ и минимизированный расход топлива на шаге интегрирования;

прикладная программа для расчета оптимальных параметров рабочего процесса ПДМ типа ТСЖСМОО ББ для периодов частичного и полного вырыва ковша, подъема стрелы для разгрузки ковша, разгрузки ковша по критерию энергопотребления (минимизированном расходе топлива), а именно: оптимального момента и оборотов дизеля, скорости поступательного движения штоков гидроцилиндров, расхода топлива за шаг интегрирования.

За основной критерий оптимизации принят расход топлива за шаг интегрирования. Целевая функция оптимизации рабочих параметров выглядит следующим образом:

Лг] . ,

-» шт. где с/дх - расход топлива за шаг ин-

С?л.=

о ■ Л/ • со.

'' д у

тегрирования, це - удельный расход топлива для данного режима работы дизеля, Ах - шаг интегрирования по х, V - скорость движения режущей кромки ковша.

В ходе численного компьютерного моделирования установлено, что за счет выбора оптимальной угловой скорости дизеля из диапазона возможных рабочих скоростей достигается экономия расхода топлива 15-30% за шаг интегрирования. Выбор оптимальной скорости необходимо выполнять по индивидуальной универсальной характеристики дизеля с учетом силовой составляющей нагрузочного режима и соответствующих ему показателей нагружения узлов привода.

Для определения оптимальных параметров режима работы ПДМ типа ТОЯСМОО ББ по критерию энергопотребления проводились компьютерные численные эксперименты для производственных условий рудника «Северный» ГМК «Печенгани-

кель». В ходе экспериментов исследовалось изменение технически обоснованного расхода топлива в зависимости от условий эксплуатации. В качестве варьируемых параметров принимались крупность и физико-механические свойства руды, длина плеча доставки, тип дорожного покрытия, угол наклона выработки.

В результате обработки экспериментальных данных определены зависимости изменения минимизированного абсолютного (г/рейс) и удельного (г/т км) расхода топлива от:

- кусковатости руды

=-8-10-' < - 0.0953 • + 961,26,

Ои =-4,77-ИГУ+ 662.57 • 10" V* -26,10905 у, + 4322,6;

- длины доставки

£ег= 5,08-^+218,21,

=-2,2-КУЦ +127,54- Ш1 Ь\ -25,8429-1, +3334,2;

- удельного сопротивления движению

<2а6с =5,8125- №+282,12, Оу, = 18,871 • м» + 30,826;

- угла наклона транспортной выработки

<20* = 3,25 • а' - 28,194 • а.' + 86,333 • а,2 - 86,532 • а, + 649,74. £>,„ =6,4369-о," -55,84-а," +170,99-а,1 -171,38-а, + 1286,9.

Минимизация расхода топлива за технологический цикл ПДМ достигается выбором оптимальных угловых скоростей дизеля в конкретных условиях эксплуатации. В диссертации разработана методологическая база для использования этого принципа в практической деятельности предприятий и организаций, занимающихся проектированием транспортных систем.

Заключение

В диссертации, представляющей собой законченную научную работу, приведены разработанные автором теоретические и практические положения, которые в совокупности можно квалифицировать как технические решения по совершенствованию

рабочего процесса самоходного погрузочно-транспортного оборудования при добыче медно-никелевых руд, внедрение которых в горнодобывающую промышленность вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса. Практические результаты исследования используются на руднике «Северный» ГМК «Печенганикель».

Проведенные исследования позволяют сделать следующие основные выводы и рекомендации:

1. Для оптимизации нагрузочного режима дизеля по критерию энергопотребления разработан метод, в основу которого положено исследование силовой статической составляющей нагрузочного режима и доказано, что динамическая составляющая усилий в периоды черпания, разгрузки ковша, движения не оказывает существенного влияния на энергоемкость процесса.

2. Для учета всех основных факторов, воздействующих на привод машины в течение технологического цикла, при исследовании режимных параметров использован кусочно-интегральный детерминированный подход, который позволил в формализованном виде описать изменение суммарных сопротивлений по элементарным технологическим операциям ПДМ, в результате чего достигнуто наибольшее соответствие реальному процессу.

3. Для построения расчетной интегральной математической модели рабочего процесса ПДМ теоретическим и экспериментальным путем определены функциональные зависимости потребных усилий на узлах внешних и внутренних возмущений от перемещения машины, позволяющие компьютеризировать сложнейшие силовые расчеты.

4. Для определения теоретическим путем глубины внедрения ковша ПДМ в развал горной массы определены зависимости, которые учитывают конструктивные и эксплуатационные факторы, ранее не учитываемые.

5. Проведенные экспериментальные исследования показывают, что с достоверностью не менее 95% можно рассматривать положение центра тяжести руды в ковше при разгрузки неизменным в пределах угла поворота ковша 0-75 градусов.

6. Разработанная расчетная интегральная математическая модель рабочего процесса погрузочно-доставочной машины, основанная на статическом силовом нагружении привода в зависимости от внешних и внутренних факторов, учитывающая возможные направления прохождения потока мощности от привода к узлам внешних и внутренних возмущений.

7. В результате нового подхода к моделированию режима совместной работы дизеля с гидротрансфоматором, основанном на итерационном методе определения параметров совместной работы, решена задача выбора скоростного режима дизеля по известному значению потребного момента на турбинном колесе ГТ.

8. Оптимизация режимных параметров дизельных приводов по критерию энергопотребления достигается за счет регламентации угловых скоростей дизеля, что позволяет составить паспорт рабочих скоростей для конкретных условий эксплуатации, контроль за выполнением которого осуществляется по бортовым приборам ПДМ (спидометрам, тахометрам). Это дает возможность опираться не на субъективное мнение оператора по выбору рабочей скорости, а рекомендовать скорость, максимально эффективную для данных условий.

9. Диапазон оптимальных угловых скоростей дизеля для периодов внедрения и движения находится в пределах 1600 -1900 мин"1, для периодов вырыва, подъема стрелы и поворота ковша - в пределах 800 - 1000 мин"1 (увеличение угловой скорости дизеля свыше 1000 мин"1 приводит к чрезмерному увеличению расхода топлива при незначительном увеличении скорости поступательного движения штока цилиндра).

10. Наибольшее влияние из внешних факторов (условий окружающей среды, непосредственно контактирующих с ПДМ в процессе её работы) на энергоемкость погрузочно-транспортного процесса оказывают физико-механические свойства, гранулометрические состав горной массы и тип дорожного покрытия транспортной выработки. В этой связи могут быть рекомендованы количественные показатели указанных факторов, при которых достигается максимальный экономический эффект за период погру-

зочно-транспортного цикла: средняя кусковатость горной массы 250 - 350 мм, вид дорожного покрытия - гравийное и грунтовое выровненное укатанное.

11. Процесс внедрения ковша в развал горной массы целесообразно осуществлять при касании режущей кромки ковша почвы выработки (Л-0), так как при внедрении ковша на высоте 15 - 20 см от почвы {И?Ю) энергоемкость внедрения увеличивается в среднем на 33-40% при сокращении глубины внедрения на 25-30%.

12. Наиболее тяжелыми по энергопотреблению являются такие элементы цикла, как подъем стрелы для разгрузки ковша и опускание после разгрузки. Результаты численного моделирования показывают, что сокращение угла поворота стрелы на 1 градус позволяет уменьшить расход топлива на 0,5% для типичных условий эксплуатации рудника «Северный» ГМК «Печенгани-кель». Отказ от операций подъема и опускания стрелы для этих же условий сокращает расход топлива на 26%.

13. На основе выполненных исследований целесообразно создание каталога адаптированных программ под эксплуатируемый парк ПДМ, что позволит прогнозировать экономические показатели работы машин в изменяющихся условиях эксплуатации, выполнять оперативное управление парком с учетом их технически обоснованных энергетических показателей.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Попович А. Е. Совершенствование процессов эксплуатации самоходного оборудования при добыче медно-никелевых руд // Ежегодная научная конференция молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение». Тезисы докладов /СПГГИ, СПб., 1996. С. 46.

2. Кулешов А. А., Попович А. Е., Трусов С. Н. Пути повышения эффективности самоходного оборудования на руднике «Северный» ГМК «Печенганикель» // Горный журнал. № 11, 1997,С. 13-19.

3. Попович А. Е. Исследование нагрузочного режима дизеля погрузочно-доставочных машин // Ежегодная научная конференция молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение». Тезисы докладов / СПГГИ, СПб., 1997. С. 85.

4. Кулешов А. А., Попович А. Е. Анализ факторов, влияющих на энергетические характеристики пневмоколесных машин IIИ Тезисы докладов Международного симпозиума «Горное оборудование, переработка минерального сырья, новые технологии, экология» / СПГГИ, СПб., 1997. С. 29.

5. Попович А. Е. Статическая математическая модель нагрузочного режима дизеля погрузочно-доставочных машин // Ежегодная научная конференция молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение». Тезисы докладов / СПбГГИ, СПб., 1998. С. 105.

6. Кулешов А. А., Сергеев О. И., Попович А. Е. Повышение эффективности работы транспортных систем на рудниках ГМК «Печенганикель» // Наука в СПГГИ(ТУ). Вып. №3. / СПГГИ, СПб.,1998. С. 238-248.

>г

РО

и и

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

(технический университет)

На правах рукописи

Попович Алексей Евгеньевич

/

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА САМОХОДНОГО ГОРНО-ТРАНСПОРТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ДОБЫЧЕ МЕДНО-НИКЕЛЕВЫХ РУД

Специальность 05.05.06 - "Горные машины"

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д. т. н., профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ академик Академии горных наук Кулешов А. А.

Санкт-Петербург 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 4

1. АНАЛИЗ ИЗУЧЕННОСТИ ПРОБЛЕМЫ

1. 1. Анализ влияния условий эксплуатации на энергетические показатели и надежность самоходного горно-транспортного оборудования с приводом от дизеля 6

1. 2. Степень решения изучаемой проблемы 16

1. 3. Цель, задачи и общая методика исследований 23

2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ПДМ С ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ТРАНСМИССИЕЙ

2. 1. Структурирование рабочего цикла ПДМ 25

2. 2. Исследование силовой составляющей нагрузочного режима привода по элементам технологического цикла 28

2. 2. 1. Черпание 28

2. 2. 2. Разгрузка ковша 44

ВЫВОДЫ 65

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ПДМ

3.1. Нагрузочный режим ПДМ в пределах технологического цикла 67

3.2. Реализация на ЭВМ метода оптимизации угловой скорости дизеля

3.3. Анализ результатов моделирования и оценка адекватности модели реальной ПДМ

3. 4. Адаптация математической модели к ПДМ с учетом их конструктивных различий

ВЫВОДЫ

4. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОПТИМИЗАЦИИ

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ РЕЖИМОВ ПДМ

4. 1. Рекомендации по использованию результатов исследований при эксплуатации ПДМ 87

4. 2. Возможности применения и перспективы развития пакета программ ОРТ ЕЫЕЯ на стадии проектирования транспортных схем 89

4. 3. Оценка уровня повышения экологической безопасности от использования результатов исследования 90

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 94

ЛИТЕРАТУРА 98

ВВЕДЕНИЕ

Одним из главных направлений научно-технического прогресса при подземной разработке месторождений в последние 20 лет являлось внедрение самоходного оборудования, которое должно было обеспечить резкий рост производительности и улучшение условий труда, а также повышение экономической эффективности и культуры производства. В России оно наиболее широко применяется на рудниках цветной металлургии, и объемы добычи руды с его использованием достигли 57,4% [73]. Всего в цветной металлургии России насчитывается 66 рудников, ведущих подземную разработку месторождений. Удельный вес подземного способа разработки по добыче руды составляет 46,4%.

Эксплуатация транспортного самоходного оборудования осложняется двумя серьезными факторами - высокой себестоимостью перевозок, погрузоч-но-доставочных работ (затраты на энергоносители составляют 15-20% в общей себестоимости) и отрицательным воздействием на экологическую обстановку в подземных выработках. Новые конструкторские решения, направленные на создание высокоэкономичных дизелей, долгосрочны в своей реализации, поэтому быстрое расширение области применения самоходного горно-транспортного оборудования на подземных рудниках цветной металлургии и значительная доля издержек на погрузочно-доставочные работы в себестоимости добычи полезных ископаемых обусловили необходимость исследования направлений повышения эффективности серийно выпускаемого оборудования. В условиях сложившейся экономической ситуации в стране производство определяет основные приоритеты научных исследований в этом направлении. Одним из них является ^повышение эффективности эксплуатации самоходного горнотранспортного оборудования с учетом затрат энергии на погрузочно-доставочные работы.

Несмотря на ряд проведенных ранее исследований в данном направле-

нии, многие вопросы требуют дальнейшего углубленного изучения. В частности, недостаточно изучено влияние эксплуатационных факторов на характер суммарных сопротивлений, преодолеваемых приводом ПДМ, не определены зависимости изменения силовой составляющей нагрузочного режима дизеля в течение технологического цикла и ее влияние на энергоемкость процесса.

Решение данных задач позволит: оптимизировать рабочий процесс транспортного самоходного оборудования по энергетическим и экологическим показателям; прогнозировать изменение расхода топлива в зависимости от изменяющихся условий эксплуатации, создавать машины для конкретных горнотехнических условий. Все это может быть решено только на базе комплексных экспериментально-теоретических исследований с применением специальной аппаратуры и средств вычислительной техники.

При высоких затратах на приобретение, доставку, ремонт и эксплуатацию транспортного самоходного оборудования проблема повышения его эколо-гичности и снижения энергоемкости является актуальной и экономически значимой.

1. АНАЛИЗ ИЗУЧЕННОСТИ ПРОБЛЕМЫ

1. 1. Анализ влияния условий эксплуатации на энергетические показатели и надежность самоходного горно-транспортного оборудования

с приводом от дизеля

Работы по внедрению самоходного оборудования на подземных рудниках взамен малопроизводительных и трудоемких переносных машин (ручные и колонковые перфораторы, разборные или передвигаемые на "салазках" буровые станки, скреперные лебедки и т. п.)начаты в мировой практике в 50-е годы.

В бывшем СССР самоходное оборудование впервые применили в конце 1956 г. на рудниках цветной металлургии Казахстана (Джезказганский и Ачи-сайский комбинаты) [ 85 ].

В настоящее время в цветной металлургии России насчитывается 66 рудников, ведущих подземную разработку месторождений. Удельный вес подземного способа разработки по добыче руды составляет 46,4% и имеет тенденцию увеличиваться. Объемы добычи руды с применением самоходного оборудования достигли 57,4%.

Общий парк самоходного оборудования на пневмоколесном и гусеничном ходу на рудниках цветной металлургии составляет 1202 ед., в том числе: 964 ед. (80,2%) - основного назначения и 238 ед. (19,8%) - вспомогательного назначения [56 ]. Примерно 70% парка самоходного оборудования составляют импортные машины и только оставшиеся 30% отечественного производства.

Одним из основных видов самоходного оборудования являются подземные автосамосвалы и погрузочно-доставочные машины (ПДМ). Они составляют 41,4% от общего парка самоходного оборудования в России. Как правило, эти группы машин оснащают дизельным приводом и пневмоколесным ходом, тем самым обеспечивая им большую маневренность, автономность энергопитания и высокие скорости движения (дизельными машинами доставляют 97% горной

массы) [33].

На большинстве крупных подземных рудниках России, использующих самоходное горно-транспортное оборудование, в настоящее время основными технологическими единицами являются: подземные автосамосвалы Могилев-ского автозавода грузоподъемностью 20 т, подземные автосамосвалы фирм KIRUNA TRUCK грузоподъемностью 45 т и ARA грузоподъемностью 27-40 т [ 2 ]; ПДМ Донецкого машиностроительного завода грузоподъемностью 8, 12 т,

•з

фирм WAGNER с вместимостью ковша 3,8 и 5,6 м , а также ARA грузоподъемностью 3,5-14 т.

Себестоимость перевозок самоходными горно-транспортными машинами составляет 35 - 70% от общерудничной и зависит от целого ряда факторов, в первую очередь связанных с условиями эксплуатации.

Доля отдельных статей затрат в эксплуатационных расходах на самоходный транспорт в среднем по рудникам цветной металлургии России представлена в табл. 1. 1. [ 33 ].

Таблица 1.1.

Доля отдельных статей затрат в эксплуатационных расходах, %

Статьи затрат

Заработная плата Горючесмазочные материалы Техническое обслуживание Амортизационные отчисления Шины Прочие расх.

10-12 10-15 30-35 25 * 15-35 5-8

* у ПДМ до 35%

Затраты на заработную плату, составляющие 10 - 12%, определяются стоимостью трудовых ресурсов в данном регионе и являются величинами, мало зависящими от собственно горнодобывающих предприятий.

Амортизационные отчисления определяются сроком службы машины и её закупочной ценой. Кроме того, они могут корректироваться в зависимости от эффективности использования оборудования (ускоренные нормы амортизации).

Затраты на шины зависят от ресурса шин, который определяется технологией их изготовления и конкретными условиями эксплуатации.

Ремонтные издержки зависят от показателей безотказности и ремонтопригодности как каждого узла в отдельности, так и машины в целом, а также от уровня технического обслуживания и ремонта.

Затраты на горюче-смозочные материалы составляют хотя и не большую долю в общей калькуляции, но являются очень важным показателем совершенства горно-транспортного самоходного оборудования. Работа самоходного оборудования в условиях, ограниченных по проветриванию, требует максимальной отдачи от каждой машины с дизельным приводом при минимальном расходе топлива, и следовательно, при наиболее выгодном экологическом режиме. Как известно, объем отработавших газов (ОГ) дизелей, при прочих равных условиях, пропорционален количеству израсходованного топлива [54], поэтому, решая задачу минимизации расхода топлива мы, снижаем вредное воздействие ОГ на человека и окружающую среду. Топливная экономичность самоходного оборудования с дизельным приводом зависит от нагрузочного режима, который, в свою очередь, определяется скоростной и силовой составляющими.

Снизить транспортные расходы можно повышением долговечности и безотказности машин, а также за счет выбора их оптимальных параметров для заданных условий эксплуатации или (обратная задача) создания максимально возможных благоприятных условий (с точки зрения экономической целесообразности) под оптимальные параметры машины по одному или нескольким критериям.

Одним из наиболее важных показателей надежности горной техники, определяющим как её качество, так и эффективность использования, являются ресурсные показатели [49] (табл. 1. 2.).

Таблица 1. 2.

Ресурсные показатели отдельных узлов и деталей погрузочно-транспортных машин

Вид оборудования Двигатель, тыс. ч Ковш, тыс. т Шины, ч Машины в целом, тыс. ч

передние задние

Подземные автосамосвалы 14-5-20 до 1200 ДО 800 до 20

Погрузочно- 7-5-10 ЗОн-80 300 ДО до 10

доставочные - 400

машины 400

Из (табл. 1. 2) видно, что ресурс машины в целом лимитируется ресурсом приводного двигателя, в данном случае дизельного. В свою очередь, на долговечность работы двигателя внутреннего сгорания главным образом влияет нагрузочный режим (при условии, что выполняются все требования, предписанные заводом изготовителем). Значение силовой составляющей нарузочного режима в большей мере обусловлено конкретными условиями эксплуатации. В абсолютизированном виде эти условия можно представить как:

- сопротивление движению, связанное с преодолением сопротивления качению колес;

- сопротивление, вызванное трением в силовой передаче;

- сопротивление от составляющей силы тяжести на уклоне;

- сопротивление, вызванное инерционностью вращающихся масс;

- сопротивление воздуха при движении, а также специфичные для ПДМ сопротивления, возникающие в процессе черпания и разгрузки. В процессе эксплуатации ПДМ оператор не может повлиять на величину статических сопротивлений, которые составляют 80-90% от суммарных [66], так как она зависит от конструктивных параметров машины и конкретных условий эксплуатации. Поэтому, как правило, выбор оптимального нагрузочного режима по какому либо критерию осуществляется путем выбора скоростного режима, значения которого можно изменять и контролировать в ходе технологического цикла. Таким образом, задача оптимизации рабочего процесса по любому из критериев,

функционально зависящих от нагрузочного режима, сводится к определению силовой составляющей, в первую очередь, статической её части и выбору оптимальной скорости движения машины (угловой скорости вала дизеля).

В процессе движения транспортного средства по определенной дороге детали и узлы его трансмиссии передают энергию от двигателя к ведущим колесам. Трансмиссия является промежуточным звеном между двигателем и движителем и поэтому, воспринимая нагрузки от одного, передает их на вал другого, изменяя и преобразуя их при этом с учетом своей специфики. Следовательно, для того, чтобы знать момент сопротивления, передаваемый на вал двигателя, необходимо определить величину и характер его изменения в связующем звене. Для трансмиссий горно-транспортных машин имеется нечто общее, что позволяет говорить о двух режимах: переходных процессов (1Ш) и условно-установившейся работы (УУР) [51]. Для первого режима характерны периоды работы с высокими ускорениями, с резким изменением силовых и скоростных характеристик трансмиссии, что сопровождается, как правило, повышенными динамическими нагрузками. Режим УУР характеризуется небольшими ускорениями и плавным изменением силовых и скоростных характеристик, малыми динамическими нагрузками. Аналитическое описание нагрузки на заданном звене трансмиссии как сложной случайной функции практически невозможно. Тем не менее в настоящее время на основе обширного экспериментального материала по оценке нагрузочных режимов трансмиссий транспортных средств различного назначения принято представлять общий нагрузочный режим как суперпозицию трех процессов: квазистатического, динамического циклического и динамического импульсивного [97]. Первый процесс является низкочастотным ( до 1 -г 2 Гц ), он не возбуждает колебаний в упруго-инерционной системе трансмиссии транспортного средства, обусловлен внешними сопротивлениями движению и техническими параметрами машины. Второй и третий процессы по своему характеру являются высокочастотными ( более 1 ч- 2 Гц ), они определяют амплитудные (динамические) колебания напряжений. При этом дина-

мический циклический процесс обусловлен особенностями работы двигателя внутреннего сгорания, воздействием микропрофиля дороги, карданной передачей, технологическими погрешностями изготовления деталей и узлов, автоколебательными и резонансными явлениями и др. Динамический импульсный процесс нагружения определяется колебательными процессами в трансмиссии на переходных режимах (трогание, переключение передач, пробуксовка ведущих колес, переезд единичных неровностей, торможение, процесс внедрения ковша в развал) [88].

Большое значение на формирование нагрузочного режима дизеля оказывает вид трансмиссии. На большинстве современных горно-транспортных самоходных машин используется гидромеханическая трансмиссия с автоматической или ручной блокировкой. Процесс движения автомобиля начинается с трогания и разгона с переключением передач. Это процесс переходного типа, характеризующийся быстрым переходом трансмиссии из одного состояния в другое. Поэтому для адекватной оценки нагрузочных режимов как трансмиссии, так и двигателя, необходимо знать структуру производственного цикла, удельный вес составляющих и их связи между собой на каждом маршруте движения. Факторы, определяющие нагрузочный режим при работе подземных автосамосвалов и ПДМ, представлены на рис. 1.1.

Рис. 1. 1. Факторы, определяющие нагрузочный режим Как говорилось выше, нагрузочный режим определяет эффективную

мощность на валу двигателя, которая обратно пропорциональна удельному эффективному расходу топлива; следовательно, факторы определяющие нагру-

зочный режим также определяют и энергозатраты.

Конструктивный фактор определяется совершенством узлов и агрегатов, которые преобразуют тепловую энергию сгораемого топлива в механическую, обеспечивающую выполнение поставленной задачи. При системном подходе узлы и агрегаты разделяют по своим функциям (рис. 1. 2), и определяется их доля в расходе энергии (табл. 1.3).

Гидромеханическая трансмиссия

Рис. 1. 2. Схема потерь энергии в узлах самоходных горно-транспортных машин

Таблица 1. 3.

Коэффициенты полезного действия (КПД) некоторых узлов и систем самоход__ног о горно-транспортного оборудования_

—^Оборудование Узлы ПД-8 ПД-12 СТ-8 А Т(ЖО 400Б8 МоАЗ 74051 К 501

Двигатель ЯМЗ-23 8К Д6Н-250 нет данных БЕитг БЮЬ 413Ш ямз 238КМ2 БЕитг ВР12Ь413

Мощность, кВт 140 185 165,4 204 140 257

КПД (эффективный) 0,38 0,40 0,40 0,40 0,38 0,41

Карданная передача КПД 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95

Колесная передача КПД 0,90 0,90 0,92 0,92 0,90 0,93

За основную энергетическую характеристику принято принимать коэффициент полезного действия (КПД) как величину, непосредственно определяющую количество непроизводительной энергии.

К сожалению, данные, представленные в табл. 1.3, получены не от фирм изготовителей, а из различных литературных источников, в которых их значения колеблются в пределах 10% для одних и тех же узлов и агрегатов, поэтому достоверность этих значений вызывает,