Оптимизация режимов работы одноковшовых экскаваторов при разработке взорванных мерзлых грунтов: На примере оборудования «прямая лопата»

На строительстве и открытых месторождениях полезных ископаемых при разработке взорванных мерзлых грунтов широко применяются одноковшовые экскаваторы. Типоразмерный ряд этого класса машин в отечественном экскаваторостроении представлен следующими моделями: ЭКГ-4- ЭКГ-5- ЭКГ-8- ЭКГ-12,5- ЭКГ-15- ЭКГ-20 и их модификациями. Все машины имеют независимый привод от двигателей постоянного тока, управляемых по системе генератор-двигатель (Г-Д), снабжены рабочим оборудованием «прямая лопата» и гусеничным типом ходовой части.

Экскаваторы первых выпусков имели рабочее оборудование «прямая лопата» со свободно подвешенной на канатах однобалочной стрелой, реечным напором и двухбалочной внешней рукоятью. Начиная с 1964 г. стал выпускаться экскаватор ЭКГ-8И с шарнирно-сочлененной стрелой, канатным механизмом напора и с новой компоновкой узлов. Эта конструктивная схема изготовления рабочего оборудования использована при проектировании последующих моделей ЭКГ-12,5, ЭКГ-15 и т. д.

Мощность двигателей^ устанавливаемых на экскаваторах, зависит от вместимости ковша и назначения привода. Так^для механизма подъема используются двигатели с мощностью от 75 до 1500 кВт, для механизма напора — от 54 до 150 кВт и для механизма поворота — от 42 до 250 кВт.

При эксплуатации экскаваторов в условиях низких отрицательных температур увеличивается количество поломок элементов металлоконструкций и механизмов, длительность простоев машин в ремонте по сравнению с летними условиями эксплуатации увеличивается. Экономические потери зачастую носят не запланированный характер из-за аварийного выхода из строя элементов.

Обеспечению заданной надежности экскаваторов для работы при низких отрицательных температурах эксплуатации служат различные мероприятия по сезонной наладке приводов, т.к. установочная мощность двигателей, а также параметры металлоконструкций рабочего оборудования и механизмов остаются неизменными. Грунтовые и климатические условия при разработке вечно^мерзлых грунтов не остаются постоянными, изменяются и физико-механические свойства конструкционных материалов металлоконструкций экскаваторов.

У карьерных экскаваторов наиболее часто выходят из строя канаты напора и канаты подъема, ковш, седловой подшипник, полублок напора, секции стрелы, рукоять. Средняя наработка на отказ для канатов подъема для всех типов карьерных экскаваторов не превышает 800 часов, канатов напора — 1000 часов, стрел экскаваторов — не превышает 6000 часов[71].

Определение ресурса элементов конструкций и механизмов экскаваторов на стадии проектирования для конкретных условий эксплуатации с учетом спектра температур до сих пор не производится. В настоящее время и в отечественной^ и в зарубежной практике в документации по эксплуатации машин отсутствует расчетная оценка ожидаемого ресурса элементов с учетом температурного фактора. В основу оценки надежности экскаваторов приняты длительные наблюдения за работой карьерных экскаваторов в условиях низких температур [1, 61, 62, 63, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76]. При анализе используются комплексные показатели надежности — коэффициент надежности и коэффициент технического использования машин, определяется средняя наработка на отказ. Поэтому при сезонной наладке приводов механизмов экскаваторов пользуются рекомендациями с различными методиками оценки надежности конструкций экскаваторов при разработке мерзлых грунтов в условиях низких отрицательных температур. Практика показывает, что, например, в условиях Коршуновского ГОКа путем сезонной переналадки приводов экскаватора ЭКГ-12,5 удалось снизить количество поломок в зимний период лишь на 35%. В данной работе излагаются результаты исследований нагрузок на главные привода и напряженного состояния металлоконструкций экскаваторов ЭКГ-8И и ЭКГ-12,5^ эксплуатируемых в жестких климатических условиях, а также предлагается метод моделирования и оптимизации режимов на-гружения экскаваторов и отдельных элементов конструкции для решения технических, экономических и организационных задач связанных с зимней разработкой грунтов ковшовыми экскаваторами.

Методики наладки электроприводов, разработанные в работах [1, 71, 75, 76, 94, 95], не учитывали изменение нагрузок в зависимости от температуры эксплуатации. Учет температурного фактора необходим при оптимизации режимов нагружения и параметров металлоконструкции, т.к. изменение температуры оказывает влияние на режим нагружения. Не учет температурного фактора на режим нагружения ведет к недостоверным результатам в методах оптимизации. Температура окружающей среды влияет на физико-механические свойства разрабатываемых взорванных мерзлых грунтов. Исследования мерзлых грунтов, представленные в работах [10, 24, 25, 31, 40, 49, 50, 52, 65], проводились на стендах в лабораторных условиях и не учитывают конкретные жесткостные характеристики конструкций машин, применяемых на разработках мерзлых грунтов после проведения взрывного рыхления. Модели, представленные в работах [62, 63, 71, 73, 74], построены по статистической оценке параметра потока отказов отдельных элементов привода и металлоконструкции экскаваторов, не учитывают реальный режим нагружения, напряженное состояние металлоконструкций машины и изменение физико-механических свойств разрабатываемого грунта.

Надежность работы и эффективность применения одноковшовых экскаваторов для разработки мерзлых грунтов должны обеспечиваться научно-обоснованными алгоритмами автоматической переналадки электроприводов для существующих устройств в зависимости от параметров конструкций и механизмов, текущих грунтовых условий и температуры окружающей среды. Актуальным является разработка методик моделирования и оптимизации режимов работы одноковшовых экскаваторов для разработки взорванных мерзлых грунтов. Если условия эксплуатации не позволяют обеспечить заданную надежность или эффективность работы экскаваторов, то актуальным является разработка методов изменения параметров конструкций, при которых возможна их эффективная работа.

В настоящее время созданы реальные предпосылки для комплексного подхода к решению вопроса о снижении разрушений деталей и узлов рабочего оборудования с учетом реальных условий эксплуатации машин.

Напряжения, возникающие в элементах конструкций, при прочих равных условиях зависят от температуры окружающей среды. Температурный фактор^ как таковой, пока не учитывается при проектировании и оптимизации машин циклического действия, в частности, одноковшовых экскаваторов.

Эксплуатация машин в условиях открытого воздуха ставит их в условия активного и очень неблагоприятного воздействия низких и высоких температур. Надежность их работы и эффективность применения в значительной степени определяется степенью приспособленности их конструкции к эксплуатации в заданных климатических условиях.

Экспериментальные исследования, проведенные кафедрой «Строительных и дорожных машин» Томского государственного архитектурно-строительного университета [86, 81позволили проанализировать напряженное состояние металлоконструкции рабочего оборудования экскаватора ЭКГ-8И и ЭКГ-12,5 с учетом температуры эксплуатации. Последующий расчет на циклическую долговечность при коэффициенте концентрации напряжений равном 3,5, показателе кривой усталости материала — 3,43 и годовом количестве циклов нагружения — 0,36×106 показал, что ресурс элементов существенно различен.

Эффективность используемой техники может быть повышена за счет сокращения как плановых простоев, связанных с обслуживанием или заменой элементов, так и аварийных, связанных с внезапным выходом элементов из строя. При прочих равных условиях эффекта можно добиться путем повышения надежности работы элементов, учитывая влияние диапазона температур эксплуатации.

Работе машин циклического действия характерен нестационарный режим нагружения. В процессе работы машин элементы конструкций подвергаются воздействию значительных динамических нагрузок^ обусловленных ускорениями узлов их крепления. Значения ускорений для отдельных узлов достигают 0,5.3 м/с. Вследствие этого на элементы конструкции действуют динамические нагрузки, вызывающие поперечные колебания.

Проведенные экспериментальные исследования [86, 87] подтвердили влияние температурного фактора на эффективность эксплуатации экскаваторов, надежность и работоспособность машин.

Прогнозирование ресурса элементов на стадии проектирования требует учета большого количества случайных параметров и факторов, поэтому актуальным является изучение действительного характера изменения напряжений в элементах экскаваторов при положительных и отрицательных температурах эксплуатации. Достоверные методики определения расчетного ресурса элементов рабочего оборудования экскаваторов с учетом температуры эксплуатации позволяют решать задачи оптимизации режимов работы и параметров конструкций. Существующие методы расчета на циклическую долговечность, такие как метод полных циклов, метод «дождя» и др. [42, 54, 99], предполагают выявление приведенных максимального и минимального значений в процессе изменения напряжений.

Определение расчетного ресурса элементов рабочего оборудования с учетом температуры эксплуатации позволяет решать оптимизационные задачи. В практических расчетах в явном виде не учитывается влияние температурного фактора.

В настоящее время не разработана методика оптимального проектирования элементов стреловых конструкций экскаваторов и кранов в зависимости от температуры.

Актуальность создания методики оптимального проектирования элементов, как составляющих стержневых конструкций, подтверждается возможностью дальнейшего развития систем оптимального проектирования, включением методики в качестве отдельного этапа при оптимизации различных групп параметров конструкций.

Реализация методик на ЭВМ позволит на этапе проектирования машин моделировать работу, определять напряженное состояние элемента с учетом температуры эксплуатации, проводить анализ многих вариантов и выбирать оптимальные параметры элементов рабочего оборудования.

Целью настоящей работы является создание методики оптимизации режимов работы одноковшовых экскаваторов для разработки взорванных мерзлых грунтов. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

— экспериментальное исследование экскаваторов с рабочим оборудованием «прямая лопата» при разработке взорванных мерзлых грунтов с учетом изменения температуры эксплуатации;

— формализация процессов копания мерзлых грунтов и статистическая обработка процессов нагружения экскаваторов;

— разработка методики моделирования процессов копания взорванных мерзлых грунтов одноковшовыми экскаваторами с рабочим оборудованием «прямая лопата» на основе метода нормальных форм колебаний;

— разработка методики оптимизации режимов работы одноковшовых экскаваторов при заданном температурном спектре окружающей среды и физико-механических характеристиках взорванных мерзлых грунтов.

Данная работа является первым этапом исследования, поэтому при теоретическом исследовании напряженного состояния элементов при динамическом нагружении с учетом температурного фактора решается плоская задача. Рассмотрено рабочее оборудование одноковшовых экскаваторов «прямая лопата» с канатным напором.

Научную новизну работы составляют:

— результаты экспериментальных исследований процессов нагружения одноковшовых экскаваторов при разработке взорванных мерзлых грунтов в летних и зимних условиях эксплуатации в ПО «Якуталмаз»;

— методика моделирования процессов копания взорванных мерзлых грунтов одноковшовыми экскаваторами с рабочим оборудованием «прямая лопата» на основе метода нормальных форм колебаний;

— методика оптимизации режимов работы одноковшовых экскаваторов при заданном температурном спектре окружающей среды и физико-механических характеристиках взорванных мерзлых грунтов.

Для расчета элементов рабочего оборудования конструкции использован метод нормальных форм колебаний позволяющий рассчитывать дискретные системы с различным числом массовых параметров. Разработаны схемы для поэтапного расчета элементов, позволяющие определить напряженное состояние элементов с учетом температуры эксплуатации. Задача колебаний динамической системы элементов решена в нелинейной постановке. Результаты расчета сопоставлены с данными натурного эксперимента стреловой конструкции экскаватора ЭКГ-8И и ЭКГ-12,5 имеющей элементы различных длин, углов наклона, местоположения на стреловой конструкции.

Результаты работы включены в программный комплекс «Оптимизация стреловых конструкций и автоматизация расчетов» — ОСКАР, разработанный на кафедре «Строительных и дорожных машин» Томского государственного архитектурно-строительного университета. Результаты работы используются как программное обеспечение учебного процесса в дипломном проектировании студентов специальности 170 900 и по дисциплинам «Математические модели в расчетах на ЭВМ», «САПР строительных и дорожных машин», «Проектирование металлических конструкций строительных и дорожных машин», «Динамика грузоподъемных машин», «Землеройные машины».

На защиту выносятся:

— результаты экспериментальных исследований процессов нагружения одноковшовых экскаваторов для разработки взорванных мерзлых грунтов;

— методика моделирования процессов нагружения одноковшовых экскаваторов с рабочим оборудованием «прямая лопата" — на основе метода нормальных форм колебаний для разработки взорванных мерзлых грунтов;

— методика оптимизации режима работы одноковшового экскаватора для заданного температурного спектра окружающей среды и физико-механических свойств взорванных мерзлых грунтов.

Работа выполнена на кафедре «Строительные и дорожные машины» Томского государственного архитектурно-строительного университета.

Выводы.

1 .Оптимальная скорость привода механизма подъема определяется по ограничению на прочность отдельных элементов конструкции при гарантированной заданной долговечности. Если динамические нагрузки при внедрении ковша в забой или при его стопорении нарушают прочность элементов для заданной минимально возможной производительности экскаватора, то эксплуатация экскаватора с заданными параметрами ковша при данной отрицательной температуре экономически не целесообразна.

2,Оптимальный стопорный ток механизма подъема ковша определяется по ограничению на долговечность отдельных элементов конструкции при гарантированной заданной прочности. Если параметры циклического нагру-жения элементов конструкции при копании не обеспечиваются для заданной толщины среза по условию заданной минимально возможной производительности экскаватора, то эксплуатация экскаватора с заданным гранулометрическим составом грунта и параметрами ковша при данной отрицательной температуре экономически не целесообразна.

3.Разработанные методики статистической обработки экспериментальных данных, динамического расчета и моделирования конструкций одноковшовых экскаваторов, оптимизации режимов работы при разработке взорванных мерзлых грунтов реализованы в виде программного комплекса для ЭВМ «ОСКАР», что позволяет в условиях эксплуатирующих организаций производить научно обоснованную регулировку параметров электроприводов, своевременно учитывать изменяющиеся условия эксплуатации одноковшовых экскаваторов.

1. Предложенная методика обработки процессов нагружения одноковшовых экскаваторов позволяет получить статистические характеристики прочностных свойств взорванных мерзлых грунтов для конкретных условий эксплуатации.

2.Статистический анализ отдельных этапов копания взорванных мерзлых грунтов позволил сформировать диаграммы нагрузок на динамические модели одноковшовых экскаваторов при расчете элементов конструкций на прочность и долговечность.

3.Исходные температурные спектры окружающей среды для районов с суровым климатом приняты определяющими при формировании прочностных свойств взорванных мерзлых грунтов, максимальная температура смерзшихся кусков грунта во взорванном массиве принята равной температуре вечной мерзлоты.

4.Предложенная методика моделирования процессов нагружения одноковшовых экскаваторов позволяет путем прогонки динамических моделей со случайными исходными данными получать оценки прочности или долговечности отдельных элементов для заданного спектра температур эксплуатации.

5.Результаты моделирования позволяют отказаться от сезонной переналадки электропараметров приводов одноковшовых экскаваторов и перейти к температурной переналадке в зависимости от окружающей среды и характеристик забоев.

6.Оптимальная скорость привода механизма подъема определяется по ограничению на прочность отдельных элементов конструкции при гарантированной заданной долговечности. Если динамические нагрузки при внедрении ковша в забой или при его стопорении нарушают прочность элементов для заданной минимально возможной производительности экскаватора, то эксплуатация экскаватора с заданными параметрами ковша при данной отрицательной температуре экономически не целесообразна.

7.0птимальный стопорный ток механизма подъема ковша определяется по ограничению на долговечность отдельных элементов конструкции при гарантированной заданной прочности. Если параметры циклического нагружения элементов конструкции при копании не обеспечиваются для заданной толщины среза по условию заданной минимально возможной производительности экскаватора, то эксплуатация экскаватора с заданным гранулометрическим составом грунта и параметрами ковша при данной отрицательной температуре экономически не целесообразна.

8.Разработанные методики статистической обработки экспериментальных данных, динамического расчета и моделирования конструкций одноковшовых экскаваторов, оптимизации режимов работы при разработке взорванных мерзлых грунтов реализованы в виде программного комплекса для ЭВМ «ОСКАР», что позволяет в условиях эксплуатирующих организаций производить научно обоснованную регулировку параметров электроприводов, своевременно учитывать изменяющиеся условия эксплуатации одноковшовых экскаваторов.

9.Экономический эффект от внедрения результатов настоящей работы определяется за счет повышения надежности элементов конструкций экскаваторов, снижения затрат на внеплановые ремонты и связанные с ними простои машин.