ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы 3
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 5
Рациональные значения конструктивных параметров рабочего оборудования экскаватора определяются анализом напряженно-деформированного состояния 14
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 19
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ
Актуальность темы исследований. При добыче полезных ископаемых открытым способом большую долю в себестоимости составляют затраты на экскавацию горной массы. Резерв повышения эффективности горного производства заключается в модернизации технологического оборудования и совершенствовании технологических процессов. Учитывая большое число используемых в промышленности экскаваторов, даже при незначительном повышении их производительности, снижении стоимости, позволит получить существенный экономический эффект.
Выпускаемые в нашей стране карьерные экскаваторы имеют рабочее оборудование двух типов:
• с однобалочной стрелой и двухбалочной рукоятью;
• с двухбалочной стрелой и однобалочной круглой рукоятью.
Экскаваторы первого типа предназначены для тяжелых условий эксплуатации, стрела и рукоять подвержены сжимающим усилиям, нагружены крутящими и изгибающими моментами. Это приводит к тому, что элементы стрелы и рукояти имеют большие сечения по сравнению с рабочим оборудованием второго типа, у которых исключены крутящие и уменьшены изгибающие моменты.
Карьерные канатные экскаваторы имеют подъемный механизм в виде лебедки и напорный механизм двух типов - зубчато-реечный и канатный. Барабаны лебедок и приводные двигатели обладают большими моментами инерции, при разгоне они запасают кинетическую энергию. При стопорении ковша кинетическая энергия тратится на увеличение усилий в канатах выше стопорных расчетных значений. Стрела и рукоять экскаватора, элементы напорных и подъемных механизмов рассчитывают на эти увеличенные усилия, что сопровождается повышением их массы. Кроме того, масса и стоимость лебедок занимают существенную долю в массе и стоимости всего экскаватора.
В диссертационной работе проведены исследования по совершенствованию конструкции рабочего оборудования карьерных экскаваторов и предложено новое конструктивное решение использования канатно-гидравлического привода с коленчато-рычажным напорным механизмом, что обеспечит снижение металлоемкости экскаватора и повышение производительности.
Объект исследования: карьерные одноковшовые экскаваторы.
Предмет исследования: рабочее оборудование экскаваторов.
Цель работы - повышение эффективности карьерных одноковшовых экскаваторов за счет совершенствования рабочего оборудования и внедрения систем управления, основанных на алгоритме, улучшающем технологические показатели экскавации.
Идея работы. Снижение массы и повышение производительности экскаватора достигается за счет применения канатно-гидравлического привода и рациональных параметров элементов рабочего оборудования. Алгоритм для системы управления процессом копания обеспечивает движение ковша по эквидистантным траекториям, что обуславливает равномерность загрузки основных приводов, снижение числа стопорений при копании, а после передвижки экскаватора продолжение работы на подготовленном забое.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо рассмотреть и решить следующие задачи:
• разработать рациональную схему рабочего оборудования и конструкции механизмов подъема и напора для снижения металлоемкости экскаватора;
• разработать математическую модель для кинематического и силового анализа рабочего оборудования;
• разработать алгоритм системы управления, которая позволит обеспечивать эквидистантные траектории;
• разработать методику оптимизации параметров рабочего оборудования.
Методы научных исследований: теоретические исследования; математическое моделирование; моделирование силового и напряженно- деформированного состояния рабочего оборудования с использованием модуля АРМ WinStructure3D среды инженерного анализа АРМ WinМachine, который предназначен для комплексного анализа трехмерных конструкций и основан на методе конечных элементов (МКЭ).
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Снижение металлоемкости и повышение производительности карьерного экскаватора обеспечивается за счет применения канатно-гидравлического привода с коленчато-рычажной схемой рабочего оборудования.
2. Математическое моделирование рабочего процесса экскаватора позволяет решать задачи кинематического и силового анализа рабочего оборудования.
3. Рациональные значения конструктивных параметров рабочего оборудования экскаватора определяются анализом напряженно-деформированного состояния.
Научная новизна результатов исследований заключается:
• в разработке новой модели рабочего оборудования с канатногидравлическим приводом;
• в составлении математической модели рабочего процесса экскавации, обеспечивающей расчет кинематических и силовых параметров при экскавации;
• в разработке методики оптимизации параметров рабочего оборудования, основанной на использовании модуля расчета напряженно-деформированного состояния.
Достоверность научных положений, выводов и результатов исследования подтверждается: корректным использованием методов математического моделирования, сертифицированных программных модулей расчета напряженно- деформированного состояния конструкций.
Практическая значимость работы состоит:
• в разработке конструкции рабочего оборудования экскаватора;
• в разработке методики определения усилий для расчета напряженно- деформированного состояния рабочего оборудования экскаватора;
• в разработке инженерной методики определения рациональных параметров рабочего оборудования карьерного одноковшового экскаватора.
Личный вклад автора заключается:
в разработке конструкции рабочего оборудования экскаватора;
в разработке математической модели рабочего процесса экскаватора;
в разработке методики оптимизации параметров рабочего оборудования экскаватора.
Реализация выводов и рекомендаций работы.
Результаты исследований используются в учебном процессе на кафедре «Г орные машины и комплексы» ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» и переданы для внедрения в ОАО «Уралмашзавод».
Получен патент на полезную модель «Рабочее оборудование карьерного экскаватора» № 122670 U1 МПК E02F 3/42; заявл. 07.08.12; опубл, 10.12.2012. Бюл. № з4 3 с.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических и практических конференциях: «Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности. Чтения памяти В.Р. Кубачека» (г. Екатеринбург, 2011-2014 гг., «Уральская горная школа» (г. Екатеринбург, 2010, 2012 гг.), «Неделя горняка - 2010-2014 гг.» (г. Москва)).
Публикации: По материалам диссертационной работы опубликовано 8 работ, в том числе 4 из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, библиографического списка из 100 наименований, 3-х приложений. Работа изложена на 155 страницах, в том числе содержит 25 таблиц, 65 рисунков и 3 приложения на 32 страницах...
В диссертации решена актуальная научно-практическая задача повышения эффективности работы карьерных экскаваторов за счет совершенствования рабочего оборудования и внедрения систем управления, основанных на алгоритме, улучшающем технологические показатели экскавации.
Основные выводы, научные и практические результаты работы заключаются в следующем:
1. Разработаны математическая модель, алгоритм и компьютерная программа рабочего процесса карьерного экскаватора, позволяющие выполнять кинематический и силовой анализ коленчато-рычажной схемы рабочего оборудования.
2. Составлены математическое описание, алгоритм и компьютерная программа для рабочего оборудования с зубчато-реечным напором, обеспечивающие расчет параметров рабочей зоны экскаватора, расчет возможных усилий копания, поиск максимальных значений усилий в элементах, расчет требуемых скоростей напорного механизма на заданной траектории движения ковша.
3. Разработан алгоритм определения скорости напорного механизма для получения эквидистантных траекторий движения ковша при копании, который обеспечит равномерность загрузки основных приводов, уменьшит число стопорений при копании, а после передвижки экскаватора продолжится работа на подготовленном забое.
4. Разработана методика оптимизации параметров рабочего оборудования с использованием модуля расчета напряженно-деформированного состояния. Установлена зависимость напряжения в элементах рабочего оборудования от положения ковша в забое, от точек крепления каната к ковшу, от исполнения элементов, от режима работы экскаватора, от исполнения узла соединения рукояти с балансиром и напорной балкой.
5. Выявлены оптимальные конструктивные исполнения элементов рабочего оборудования и их сечения, обеспечивающие наименьшую массу.
6. Разработано новое техническое решение рабочего оборудования карьерного экскаватора с канатно-гидравлическим приводом, оригинальность решения защищена патентом на полезную модель № 122670.
7. Предложены варианты конструктивного исполнения рабочего оборудования с коленчато-рычажным напором с одно- и двухбалочной рукоятью. При установке на рукояти гидроцилиндра поворота ковша схема приобретает все преимущества гидравлических экскаваторов - снижение энергозатрат на копание, снижение массы привода, но в то же время сохраняет преимущества канатных экскаваторов - требуемую высоту копания и разгрузки ковша, меньшую массу рабочего оборудования за счет исключения моментов изгиба.
8. Подтверждена эффективность предлагаемой схемы рабочего оборудования: масса экскаватора по сравнению со схемой рабочего оборудования с зубчато - реечным напором снижена на 90,33 т (на 3,3 %), производительность повышена на 3,33 %.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
