CC BY
32
УДК 658.386.3.633.33
МОДЕЛИРОВАНИЕ НАГРУЗОК ПРИВОДА ПОДЪЁМА СТРЕЛЫ РОТОРА РОТОРНОГО ЭКСКАВАТОРА БОЛЬШОЙ ЕДИНИЧНОЙ МОЩНОСТИ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ
© Е.Е. Милосердов1, А.В. Минеев2
Сибирский федеральный университет, 660041, Россия, Красноярск, пр. Свободный, 79.
Рассматривается проблема продления срока эксплуатации роторных экскаваторов большой единичной мощности, возможности проведения диагностики горнодобывающей техники, а также некоторые базовые соотношения моделирования основных приводов роторного экскаватора, находящегося в процессе эксплуатации. Приведены основные формулы, используемые в моделировании нагрузок на роторный экскаватор большой единичной мощности в целом, в частности рассмотрены нагрузки на привод подъёма стрелы ротора в процессе экскавации породы.
Ил. 2. Библиогр. 2 назв.
Ключевые слова: экскаватор; ротор; привод; моделирование; экскавация.
MODELING LOADS OF WHEEL BOOM LIFT DRIVE OF BUCKET-WHEEL EXCAVATOR OF LARGE UNIT CAPACITY WHILE IN OPERATION E.E. Miloserdov, A.V. Mineev
Siberian Federal University,
79 Svobodny pr., Krasnoyarsk, 660041, Russia.
The article treats the problem of extending the lifetime of bucket-wheel excavators of large unit capacity. It discusses the possibilities of mining machinery diagnostics as well as some basic modeling correlations of the major drives of the operating bucket-wheel excavator. The main formulas used in modeling the loads on the bucket-wheel excavator of the large unit capacity are given. In particular, the paper considers the loads on the wheel boom lift drive during rock excavation. 2 figures. 2 sources.
Key words: excavator; rotor; drive; modeling; excavation.
Как известно, роторные экскаваторы - сложная машина непрерывного действия, в которой насчитывается большое количество (многие сотни) больших и малых элементов, каждый из которых имеет свой комплекс различных процессов, приводящих к отказам.
При этом разрушение и выход из строя одних элементов оказывает значительное влияние на работоспособность других функциональных узлов. Отсюда следует необходимость комплексности различных диагностических методов и средств для определения технического состояния машины и формирования комплексов технологий по восстановлению работоспособности.
При этом совершенно выпадает из поля анализа электрооборудование, в том числе приводы, изоляция и контакты, смазка, канаты и крепёж.
С целью дальнейшего совершенствования кон-
троля технического состояния (КТС) и существующих диагностических технологий, повышения достоверности результатов для более точного определения ремонтных работ планируется комплектация центров технической диагностики (ЦТД) современными приборами по диагностике (оценке технического состояния) электродвигателей и генераторов, контролю состояния изоляции, экспресс-анализу смазочных масел и другими.
Для реализации возможности без образцового метода проведения металлографии в полевых условиях центр технической диагностики оснащается соответствующими переносными приборами. В ходе контроля технического состояния (КТС) экскаваторов решаются важные вопросы контроля оборудования в целом.
Обычно при анализе результатов теплового контроля электрооборудования учитываются следующие
1Милосердов Евгений Евгеньевич, старший преподаватель кафедры бурения нефтяных и газовых скважин, тел.: 89029121051, e-mail: [email protected]
Miloserdov Evgeny, Senior Lecturer of the Department of Oil and Gas Wells Drilling, tel.: 89029121051, e-mail: [email protected] 2Минеев Александр Васильевич, доктор технических наук, профессор кафедры бурения нефтяных и газовых скважин, тел.: 89082141682, e-mail: [email protected]
Mineev Alexander, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Oil and Gas Wells Drilling, tel.: 89082141682, e-mail: [email protected]
78
ВЕСТНИК ИрГТУ №9 (80) 2013
факторы: температурное поле, токовая нагрузка и тепловая энергия, излучательная способность поверхности.
Однако анализ возможности оценки технического состояния экскаваторов, результатов измерений основных параметров оборудования, задаваемый нормативной и технической документацией, показывает, что их явно недостаточно для обнаружения многих дефектов, выявленных в процессе эксплуатации, особенно на начальной стадии развития.
В связи с нахождением производителей роторных экскаваторов за пределами РФ, а также в силу экономических причин, участие их в определении и отслеживании технического состояния поставляемой в своё время техники носит нерегулярный, эпизодический характер, либо отсутствует вообще.
В настоящее время в России значительная часть угля добывается открытым способом, при этом более половины добычи энергетических углей осуществляется роторными экскаваторами (РЭ) ЕФ - 1250 и его модификациями: (ЭРГИ - 600) ЭРП-2500 и ЭРШРД -5250, SRC (K) - 4000, ERS (K) - 800. Все эти машины разработаны и изготовлены более 20 лет назад предприятиями Украины и дальнего зарубежья.
По оценкам ведущих организаций Российской Федерации, износ машинного парка в добывающих горных отраслях страны составляет более 60%. В частности, роторные экскаваторы угольных разрезов компании «СУЭК» имеют износ более 69%. Обновление и модернизация машинного парка ведется сегодня так, что старение машин опережает их обновление. В этих условиях рационально применение своевременных обследований с применением инструментального диагностического контроля и передовых методов ремонта с целью обеспечения безопасности и эффективности работы, используемых в настоящее время на предприятиях экскаваторов. Такой подход наиболее актуален для экскаваторов, у которых срок службы превысил нормативный уровень, установленный заводом-изготовителем. Для таких экскаваторов, работающих на угольных разрезах, в соответствии с нормативными документами Федерального горного и промышленного надзора (Госгортехнадзор России) требуется обязательная экспертиза, на основе результатов которой формируется заключение, дающее возможность Гос-гортехнадзору России дать разрешение на продление эксплуатации или запретить дальнейшую эксплуатацию экскаватора.
Эффективная добыча угля открытым способом достигается главным образом надёжностью оборудования, оптимальным обслуживанием и ремонтом. Для этих машин требуется экспертиза их технического состояния для получения разрешения в «Ростех-надзоре» на их дальнейшую безопасную эксплуатацию. Срок амортизации, очевидно, назначается, исходя из имеющихся статистических данных, собранных много лет назад для некоторой группы машин, причем не только роторных экскаваторов, но и машин циклического действия.
В ОАО «Красноярскразрезуголь», как и на большинстве горнодобывающих предприятий, основным
показателем, определяющим срок службы экскаваторов, является срок амортизации, соответствующий нормам амортизационных отчислений.
Последние были приняты в период плановой экономии и практически не отражали фактического времени использования машины, реальных условий их эксплуатации, режима нагружения системы ТОР, т.е. факторы, которые определяют износ и техническое состояние оборудования.
Деградация машинного парка достигла такого уровня, когда прежняя статистическая основа, использующаяся в организации планово-предупредительных работ, оказывается несостоятельной, поэтому требуется принятие решений о возможной безопасной эксплуатации машин непосредственно из наблюдений за фактическим состоянием, используя инструментальные средства диагностики, т.е. без разборки узлов.
В связи с нахождением предприятий-изготовителей роторных экскаваторов за пределами РФ, а также в силу экономических причин, участие их в определении и отслеживании технического состояния поставленной в своё время техники носит нерегулярный, эпизодический характер либо вообще отсутствует. Необходимо восстанавливать техническое и методологическое сотрудничество с данными предприятиями либо ставить соответствующие задачи перед отечественными изготовителями аналогичной или близкой по классу техники.
Одним из резервов, позволяющих повысить надёжность дорогостоящей техники в процессе её эксплуатации, является моделирование основных механизмов оборудования роторных экскаваторов и существующих приводных систем с учётом определения основных динамических нагрузок и внедрения датчиков, расположенных в строго определенных местах на экскаваторе.
С помощью четкого моделирования и использования необходимых датчиков мы можем получить достаточно реальную картину взаимодействия основных функциональных узлов и механизмов роторного экскаватора и определить факторы, негативно влияющие на её нормальную работу. Кроме того, полученная информация позволит проектировщикам и изготовителям новых видов данного оборудования иметь ту необходимую информацию о функциональном состоянии оборудования, которую они ранее не имели возможности получить.
При моделировании динамической нагрузки техники непрерывного действия следует учитывать большое количество различных факторов, влияющих на эксплуатацию, особенно техники, вышедшей за свой нормативный срок, предусмотренный заводом изготовителем [1].
Операция выемки горной массы осуществляется при работе приводов ротора, приводов поворота и подъёма стрелы ротора и привода хода экскаватора. Следовательно, операция выемки реализуется движением элементов режущих кромок роторных ковшей по винтовой линии пространственной тороидальной поверхности. Для упрощения кинематической модели предлагается вести расчёт по количеству резцов ков-
шей ротора, приняв условие, что положение каждого резца описывается одной точкой, расположенной в месте пересечения режущей кромки с осевой линией симметрии резца, то есть положение каждого ковша в пространстве будет описываться положением точек, соответствующих количеству резцов. При условии, что расстояние от оси вращения ротора до любой из расчётных точек ковша превышает расстояние от оси вращения ротора до моделируемой стенки забоя, начинаем моделировать процесс резания горной массы, а по разнице этих расстояний формируется толщина стружки. При этом координаты прохождения условных точек в горной массе являются исходной выходной информацией изменения базы данных формирования модели стенки забоя.
Упрощённая кинематическая схема экскаватора с его рабочими органами приведена на рис. 1.
Начало координат по начальным условиям расположено в центре окружности, образованной телами качения поворотной платформы, и имеет координаты (X ,У ,^ ). Ось X расположена в горизонтальной
плоскости и направлена параллельно боковой стене забоя, положительное направление - на обрабатываемую стену. Ось У - вертикаль, ось 1 расположена в горизонтальной плоскости перпендикулярно оси X, положительное направление - вправо.
Все последующие перемещения экскаватора и его
рабочих органов, а также моделирование выработки забоя, как в процессе резания, так и установочных и маневровых перемещениях отсчитываются от начального положения центра координат.
Уравнения движения условных точек положения ковшей ротора записываются в следующем виде: X = (±а + £ • + R • sгnpr )• +
+гх •';
Z = (±Ь + Ь • + R • 8т(Зг )• ^^^^^^ (1) У = ±с + Ь • + Я • со>?рг, где а, Ь, с - координаты оси качения стрелы ротора от начального центра координат; Ь - длина стрелы ротора; Рс - угол наклона стрелы относительно горизонтальной плоскости (угол подъёма и опускания стрелы вниз и вверх); Рг - угол поворота роторного колеса; у - угол разворота стрелы ротора, поворот в плоскости (X, X) ; Я - радиус, описываемый
условными точками ковшей ротора; - скорость
X
движения платформы вперед, вдоль оси X ; Ь -время движения.
Разгрцзочная консоль Рис. 1. Кинематическая схема роторного экскаватора в забое
Запишем зависимости углов Вс, Рг, у от вре-
мени £
В = О ■ £; нс с
Вг ' ^ ;
ш = со
^ п
(2)
(3)
(4)
где О , СО , СО„ - угловые скорости вращения П С г
платформы, стрелы ротора, вращения ротора.
Рельеф обрабатываемого забоя моделируется координатными точками секторов, грани секторов соизмеримы с расстояниями между условными точками резцов ковшей. Координаты промежуточных точек сектора определяются методом интерполяции [42].
Если кабина машиниста имеет степени свободы, т.е. может перемещаться в пространстве, то её движение будет описываться. Если же она не имеет собственных степеней свободы, где кабина неподвижная, то её поведение в системе не описывается.
Уравнения движения разгрузочной консоли:
Хр.к = (±ар.к + Ьр.к) ■ ^яЦ/рк:+ Ух
ветствует положению осевых линий рабочих органов, совпадающих с направлением координат X, У, 1. Направление ветра задаётся в этой же системе координат.
Для того чтобы модель была больше приближена к реальности, необходимо учитывать воздействие
ветра. Характеристикой ветра является его скорость
^
При установочных и маневровых перемещениях экскаватора в забое должны быть дополнительно промоделированы ещё три движения:
- поворот установочной платформы;
- перестановка лыж экскаватора и подъём-опускание экскаватора гидравлическими домкратами.
При этом уравнения, формирующие изменение координаты У, дополняются новым видом этих моделей:
по оси У -
Л
У1 = V
по оси X -X1 =
2р.к =((
'р. к ^ Ьр. к ) ■ Я1пЦ/
р.к'
(5)
= (±а + Ь ■ соврс + R
гд
■Бтрг) ■ собцш +
(7)
(8)
У =±с У р. к ±ср. к,
с
где ар.к, Ьр.к разгрузочной консоли от начального центра координат; Ьр к - длина разгрузочной консоли.
Угол поворота разгрузочной консоли:
Цр. к = °р. к ■1' (6)
где Ор к - угловая скорость вращения разгрузочной консоли.
Нулевое значение углов в уравнениях (1-5) соот-
ГС
+V ■ / х
по оси Ъ -,1
■р к - координаты оси качения 2 = (±Ь + Ь ■ соврс + R ■ ¡¡трг) ■ вту^, (9)
где V ^ - скорость подъёма и опускания платформы с гидравлическими домкратами; Цпп - угол поворо-
Ор к ■ ^, (6) та платформы.
р. Схема усилий, действующих непосредственно на
привод подъёма стрелы ротора, приведена на рис. 2.
1 =11
Борей»
Рис. 2. Схема усилий, действующих на привод подъёма стрелы ротора: Об - диаметр барабана лебедки; Рн.к - сила натяжения канатов; 1п - количество
канатов; вр - вес стрелы ротора; Рп.п - сила, действующая на полиспастную систему
Из условия равенства моментов сил относительно оси качения усилие, воспринимаемое полиспастной подвеской [2]:
ЪГ
пп
ЪО
2
р сosв,
(10)
1
где ЪОр - суммарный вес привода и стрелы ротора.
Сила натяжения канатов, без учёта потерь в полиспастах:
Г
ЪГ
пп
н.к
]
• г
п.с п
(11)
где ] - число полиспастных систем; г - пере-п.с п
даточное число полиспастов.
Момент статического сопротивления на валу приводных двигателей с учётом КПД полиспастов и редуктора (передаточного механизма):
М — ■_нк_Б
М V! п П —
'с.п
2 •л •л 'п 'п. м
г
Р
(12)
л - КПД 'п
где - диаметр барабана лебёдки; Б
полиспастов; Лп м- КПД передаточного механизма;
Г - сила натяжения канатов. н.к
Для моделирования срабатывания фрикционных муфт выполняется анализ:
(13)
Скорость подъёма (опускания) стрелы ротора:
Мс.п < Мс.п. м ■
с — с • г, в д.в.п
(14)
где / - передаточное число приводов подъёма (опускания).
Скорость вращения оси сельсина датчика:
с ч — с • г ч. с.д д.в.п с.д
(15)
Таким образом, при помощи данных зависимостей, моделируя условия подъема стрелы роторного экскаватора и факторы, влияющие на данные условия, можно оптимально спроектировать привод подъема стрелы ротора и определить мощность машины в целом.
Библиографический список
1. Беляков Ю.И., Владимиров В.М. Рабочие органы ротор- 2. Домбровский Н.Г. Многоковшовые экскаваторы. М.: Ма-ных экскаваторов. М.: Машиностроение, 1967. 179 с. шиностроение, 1972. 432 с.
