CC BY
43
УДК 622.271:621.879.3 © А.П. Комиссаров, Ю.А. Лагунова, О.А. Лукашук, Н.С. Плотников, 2018
Новый тип рабочего оборудования карьерного экскаватора
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-12-27-29
КОМИССАРОВ Анатолий Павлович
Доктор техн. наук, профессор Уральского государственного горного университета, 620144, г. Екатеринбург, Россия, e-mail: Komissarov_a_p@mail.ru
ЛАГУНОВА Юлия Андреевна
Доктор техн. наук, профессор Уральского государственного горного университета, 620144, г. Екатеринбург, Россия, e-mail: Yu.Lagunova@mail.ru
ЛУКАШУК Ольга Анатольевна
Канд. техн. наук, заведующий кафедрой Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, 620002, г. Екатеринбург, Россия, e-mail: oldim96@mail.ru
ПЛОТНИКОВ Никита Сергеевич
Начальник бизнес-инкубатора Уральского государственного горного университета, 620144, г. Екатеринбург, Россия, e-mail: sofcrus@gmail.com
Показано, что с ростом единичной мощности карьерных экскаваторов изменяется соотношение между выемочной и погрузочной функциями экскаватора, что обусловливается ограниченными размерами (длиной) стрелы. Разработано рычажное рабочее оборудование карьерного экскаватора, обеспечивающее как повышение выемочной функции за счет увеличения размеров рабочей зоны при постоянстве массы экскаватора, так и необходимое соотношение между выемочной и погрузочной функциями экскаватора. Ключевые слова: карьерный экскаватор, выемочная и погрузочная функции экскаватора, рычажное рабочее оборудование.
Техническая характеристика карьерных экскаваторов
Параметры УРАЛМАШЗАВОД P&H (США)
ЭКГ-20А ЭКГ-25 ЭКГ-35 РН2300 РН2800 РН4100
Масса, т 1075 950 1200 920 1314 1440
Вместимость ковша, м3 16-25 25-23 26-40 26-28 36-39 46-51
Радиус копания максимальный, м 23,4 23,5 24,5 21,3 24,2 24,7
Радиус разгрузки максимальный, м 20,9 20,2 21 - - -
Высота копания максимальная, м 17 18 18,5 13,5 16,6 15,8
Высота разгрузки максимальная, м 11,5 11,5 12,3 8,5 9,1 9,1
Мощность сетевого двигателя 2250 - 2500 2000 2500 3000
(трансформатора), кВт
ВВЕДЕНИЕ
Карьерные экскаваторы с рабочим оборудованием «прямая лопата» типа ЭКГ (мехлопаты) являются основным видом выемочно-погрузочного оборудования при добыче полезных ископаемых открытым способом благодаря своим преимуществам - большим усилиям на режущей кромке ковша, что позволяет производить разборку забоя с включением негабаритов, и значительным размерам рабочей зоны экскаватора.
РАБОЧЕЕ ОБОРУДОВАНИЕ
КАРЬЕРНОГО ЭКСКАВАТОРА
В настоящее время наблюдается тенденция существенного роста единичной мощности карьерных экскаваторов. Так, отечественными заводами освоен выпуск экскаваторов с вместимостью ковша 32 м3 (ООО «ИЗ-КАРТЭКС») и 35 м3 (ПАО «УРАЛМАШЗАВОД»). Американские экскавато-ростроительные фирмы выпускают карьерные экскаваторы с вместимостью ковша до 61 м3 (Caterpillar-Bucyrus) и 76,5 м3 (Р&Н). Китайская фирма «ТУН1» производит экскаваторы с вместимостью ковша до 76 м3 [1].
Как показал сравнительный анализ [2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16] основных параметров карьерных экскаваторов отечественного и зарубежного производства (см. таблицу), с ростом единичной мощности машин соотношение между выемочной и погрузочной функциями экскаватора изменяется.
Так, выемочная функция, определяемая размерами рабочей зоны экскаватора и вместимостью ковша, с увеличением массы экскаватора существенно возрастает, а погрузочная функция, определяемая в основном высотой разгрузки и зависящая от размеров (длины) стрелы, изменяется незначительно или даже не меняется с ростом вместимости ковша (экскаваторы ЭКГ-20А и ЭКГ-25; РН2800 и РН4100).
Такое несоответствие выемочной и погрузочной функций может затруднить выполнение погрузочной операции при использовании транспортных средств (автосамосвалов) повышенной грузоподъемности (поскольку при увеличении вместимости ковша возрастают пропорционально грузоподъемность и размеры транспортных средств), а также при использовании сменных ковшей с увеличенными размерами и вместимостью.
На выбор определенного соотношения между выемоч-
Двуногая стойка \
ной и погрузочной функциями влияют, на наш взгляд, два фактора. Во-первых, увеличение выемочной функции (за счет снижения погрузочной функции, а именно, ограничения длины стрелы) производит значительный рекламный эффект. Во-вторых, повышение погрузочной функции сопряжено со значительными изменениями технико-экономических показателей экскаватора.
Так, увеличение длины стрелы как основного несущего элемента, воспринимающего действующие нагрузки на рабочее оборудование экскаватора, приводит к опережающему росту массы стрелы и, соответственно, к увеличению момента опрокидывающих экскаватор сил, массы противовеса, а также момента инерции поворотной части экскаватора. В результате возрастают масса экскаватора и продолжительность рабочего цикла ввиду роста длительности поворота платформы.
Кроме того, как показывает опыт эксплуатации карьерных экскаваторов, использование стрелы в качестве основного несущего элемента приводит к росту динамической нагруженности рабочего оборудования ввиду эффекта «поддомкрачивания» стрелы при ее гибкой подвеске к двуногой стойке. Так, при определенной комбинации рабочих нагрузок, действующих на стрелу, происходит ее поворот в сторону двуногой стойки и затем при возвращении стрелы в первоначальное положение (свободном падении) в результате кратковременного наложения связи (столкновении с вантовой подвеской) возникают ударные силы. Для снижения динамических нагрузок фирма Р&Н разработала систему «Centurion», которая автоматически возвращает стрелу в рабочее положение при ее «поддомкрачивании» [1].
В Уральском государственном горном университете разработан новый тип рабочего оборудования карьерного экскаватора. Рабочее оборудование (см.рисунок) включает рукоять с ковшом, установленную в седловом подшипнике, и напорную балку, установленную в седловом подшипнике и соединенную с ковшом посредством рамы и тяги. Седловые подшипники и главные механизмы (напорный механизм и механизм перемещения напорной балки) размещены на поворотной платформе.
Особенностью данного рычажного рабочего оборудования является использование в качестве подъемного механизма рычажной системы в виде напорной балки, рамы и тяги. Применение рычажной системы позволит увеличить размеры рабочей зоны экскаватора за счет изменения размеров рычагов, а также обеспечить устойчивость рабочего уступа.
Кроме того, ввиду установки главных механизмов на поворотной платформе уравновешенность платформы обеспечивается без использования противовеса.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В целом, применение рычажного рабочего оборудования позволит повысить как выемочную функцию экскаватора за счет увеличения размеров рабочей зоны при по-
------
Граница рабочей зоны
Схема рабочего оборудования: 1 - ковш; 2 - рукоять; 3 - седловой подшипник; 4 - напорная балка; 5 - рама; 6 - тяга, а - угол устойчивого откоса рабочего уступа
стоянстве массы экскаватора и, соответственно, выработки с одного места стояния экскаватора, так и погрузочную функцию за счет увеличения высоты разгрузки.
В конечном счете, применение такого типа рабочего оборудования позволит повысить эффективность функционирования карьерного экскаватора.
Список литературы
1. Меха ническое оборудова ние карьеров. М.: Издател ь-ство «Майнинг Медиа Групп», 2013. 594 с.
2. Воронов Ю.Е., Зыков П.А. Решение задачи оптимизации параметров карьерных одноковшовых экскаваторов // Известия вузов. Горный журнал. 2012. № 8. С. 12-15.
3. Ганин А.Р., Самолазов А.В., Донченко Т.В. Внедрение экскаваторов нового модельного ряда производства ООО «ИЗ-КАРТЭКС им. П.Г. Коробкова» на горных предприятиях России // Уголь. 2012. № 8. С. 60-62. URL: http://www. ugolinfo.ru/Free/082012.pdf (дата обращения: 15.11.2018).
4. Гафурьянов Р.Г., Комиссаров А.П., Шестаков В.С. Моделирование рабочего процесса карьерных экскаваторов // Горное оборудование и электромеханика. 2009. № 6. С. 40-45.
5. Интенсификация процессов экскавации горных пород / И.Ю. Иванов, А.П. Комиссаров, Ю.А. Лагунова, В.С. Шестаков // Известия вузов. Горный журнал. 2015. № 3. С. 94-99.
6. Комиссаров А.П., Летнев К.Ю., Лукашук О.А. Анализ двухкривошипно-рычажных механизмов рабочего оборудования карьерных экскаваторов / Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: сб. трудов XV Междунар. науч.-техн. конф. «Чтения памяти В.Р. Кубачека», 20-21 апреля, 2017 г., г. Екатеринбург. Екатеринбург: УГГУ, 2017. С. 41-46.
7. Кузнецов А.Л., Анистратов К.Ю. Карьерные экскаваторы ПАО «Уралмашзавод» - настоящее и будущее российской горнодобывающей промышленности // Уголь. 2016. № 8. С. 77-81. URL: http://www.ugolinfo.ru/Free/082016.pdf (дата обращения: 15.11.2018).
8. Певзнер Л.Д., Бабаков С.Е. Управление операцией черпания карьерного экскаватора-мехлопаты с применением нечеткой логики // Уголь. 2012. № 8. С. 64-65. URL: http://www.ugolinfo.ru/Free/082012.pdf (дата обращения: 15.11.2018).
9. Певзнер Л.Д. Автоматизированное управление мощными одноковшовыми экскаваторами. М.: Горное дело, 2014.
10. Повышение качества управления одноковшовыми экскаваторами на основе мультиагентного подхода / Е.А. Волкова, В.Н. Полузадов, А.В. Дружинин, Е.Ю. Нагат-кин // Новые огнеупоры. 2016. № 3. С. 11-12.
11. Рехтман А.П., Крагель А.А. Комплексные испытания экскаватора ЭКГ-1 // Механизация строительства. 2001. № 1. С. 24-26.
12. Bender F.A., Sawodny O.A. Predictive Driver Model for the Virtual Excavator / The 13th International Conference on Control, Automation, Robotics a nd Vision (ICARCV), 2014. Рр. 187-192.
13. Berns K., Proetzsch M., Schmidt D., Simulation and control of an autonomous bucket excavator for landscaping tasks / In Proceedings of the IEEE ICRA, Anchorage, Alaska, USA, May 3-8, 2010. Pp. 5108-5113.
14. Frimpong S., Hu Y., Chang Z. Perfomance simulation of shovel excavators for earthmoving operations / In Summer in computer simulation conference (SCSC/03). 2003. Pp. 133-138.
15. Development of a Virtual Excavator using SimMechanics and SimHydraulic / Q.H. Le, Y.M. Jeong, C.T. Nguyen, S.Y. Yang // Journal of Drive and Control. 2013. Vol. 10. Pp. 29-36.
16. Liu J. Integrated mechanical and electrohydraulic system modeling and virtual reality simulation technology of a virtual robotic excavator / Computer-Aided Industrial Design & Conceptual Design. IEEE 10th International Conference, 2009. Pp. 797-802.
SURFACE MINING
UDC 622.271:621.879.3 © A.P. Komissarov, Yu.A. Lagunova, O.A. Lukashuk, N.S. Plotnikov, 2018 ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2018, № 12, pp. 27-29
Title
new type of mining excavator lever working equipment
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-12-27-29 Authors
Komissarov A.P.1, Lagunova Yu.A.1, Lukashuk O.A.2, Plotnikov N.S.'
1 Ural State Mining University, Ekaterinburg, 620144, Russian Federation
2 Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education (FSAEI HE)
"Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin", Ekaterinburg, 620002, Russian Federation
Authors' Information
Komissarov A.P., Doctor of Engineering Sciences, Professor, e-mail: Komissarov_a_p@mail.ru
Lagunova Yu.A., Doctor of Engineering Sciences, Professor, e-mail: Yu.Lagunova@mail.ru
Lukashuk O.A., PhD (Engineering), Head of Department, e-mail: oldim96@mail.ru
Plotnikov N.S., Head of business incubator, e-mail: sofcrus@gmail.com Abstract
It is shown that with the increase in the unit capacity of the mining excavators, the ratio between the excavating and excavating functions changes, which is determined by the limited dimensions (length) of the boom. The lever working equipment of a mining excavator has been developed, which provides both an increase in the excavating function due to the increase in the dimensions of the working zone with the constant mass of the excavator, and the necessary ratio between the excavating and excavating functions of the excavator.
Keywords
Mining excavator, Excavating and loading functions of excavator, Lever working equipment.
References
1. Mekhanicheskoe oborudovanie kar'erov [Open-pit mechanical equipment]. Moscow, Mining Media Group Publ., 2013, 594 p.
2. Voronov Yu.E. & Zykov P.A. Resheniye zadachi optimizatsii parametrov kar'yernykh odnokovshovykh ekskavatorov [Solving the task of optimizing parameters of mining excavators]. Izvestiya vuzov. GornyiZhurnal - News of high schools. Mining Journal, 2012, No. 8, pp. 12-15.
3. Ganin A.R., Samolazov A.V. & Donchenko T.V. Vnedrenie ehkskavatorov novo-go model'nogo ryada proizvodstva OOO "IZ-KARTEHKS im. P.G. Korobkova" na gornykh predpriyatiyakh Rossii [Introduction of new generation excavators by "IZ-KARTEX its P.G. Korobkova" with Russia's mining companies]. Ugol' - Russian Coal Journal, 2012, No. 8, pp. 60-62. Available at: http://www.ugolinfo.ru/ Free/082012.pdf (accessed 15.11.2018).
4. Gafuryanov R.G., Komissarov A.P. & Shestakov V.S. Modelirovaniye rabochego protsessa kar'yernykh ekskavatorov [Mining excavator workflow modeling]. Gornoye oborudovaniye i elekromekhanika - Mining equipment and electrome-chanics, 2009, No. 6, pp. 40-45.
5. I vanov I.Yu., Komissarov A.P., Lagunova Yu.A. & Shestakov V.S. Intensifikatsiya protsessov ekskavatsii gornykh porod [Intensification of rock excavation processes]. Izvestiya vuzov. Gornyi Zhurnal - News of high schools. Mining Journal, 2015, No. 3, pp. 94-99.
6. Komissarov A.P., Letnev K.Yu. & Lukashuk O.A. Analiz dvukhkrivoshipno-rychazh-nykh mekhanizmovrabochegooborudovaniya kar'yernykh ekskavatorov [Analysis of double-crank lever mechanisms for working equipment of mining excavators]. Process equipment for mining and oil and gas industry. Collection of works of the 15th International scientific and technical conference "Readings in memory of V.R. Kubachek, April 20-21, 2017. Yekaterinburg, UGGU Publ., 2017, pp. 41-46.
7. Kuznetsov A.L. & Anistratov K.Yu. Kar'ernye ehkskavatory PAO «Uralmashza-vod» - nastoyashhee i budushhee rossijskoj gornodobyvayushhej promyshlen-nosti ["Uralmashplant" PJSC mining excavators - the present and the future of the Russian mining industry]. Ugol'- Russian Coal Journal, 2016, No. 8, pp. 77-81. Available at: http://www.ugolinfo.ru/Free/082016.pdf (accessed 15.11.2018).
8. Pevzner L.D., Babakov S.Ye. Upravlenie operatsiej cherpaniya kar'ernogo ehk-skavatora-mekhlopaty s primeneniem nechetkoj logiki [Quarry power shovel excavating operation control using a fuzzy logic]. Ugol' - Russian Coal Journal,
2012, No. 8, pp. 64-65. Available at: http://www.ugolinfo.ru/Free/082012.pdf (accessed 15.11.2018).
9. Pevzner L.D. Avtomatizirovannoye upravleniye moshchnymi odnokovshovymi ekskavatorami [Powerful shovel excavator automated control]. Moscow, Gor-noe delo Publ., 2014.
10. Volkova E.A., Poluzadov V.N., Druzhinin A.V. & Nagatkin E.Yu. Povysh-eniye kachestva upravleniya odnokovshovymi ekskavatorami na osnove mul'tiagentnogo podkhoda [Improving quality of shovel excavator control based on multi-agent approach]. Novyye ogneupory - Newcastables, 2016, No. 3, pp. 11-12.
11. Rekhtman A.P. & Kragel A.A. Kompleksnyye ispytaniya ekskavatora EKG-1 [EKG-1 excavator complex tests]. Mekhanizatsiya stroitel'stva - Mechanization of construction, 2001, No. 1, pp. 24-26.
12. Bender F.A. & Sawodny O.A. Predictive Driver Model for the Virtual Excavator. The 13th International Conference on Control, Automation, Robotics and Vision (ICARCV), 2014, pp. 187-192.
13. Berns K., Proetzsch M. & Schmidt D. Simulation and control of an autonomous bucket excavator for landscaping tasks. In Proceedings of the IEEE ICRA, Anchorage, Alaska, USA, May 3-8, 2010, pp. 5108-5113.
14. Frimpong S., Hu Y. & Chang Z. Perfomance simulation of shovel excavators for earthmoving operations. In Summer in computer simulation conference (SCSC/03), 2003, pp. 133-138.
15. Le Q.H., Jeong Y.M., Nguyen C.T. & Yang S.Y. Development of a Virtual Excavator using SimMechanics and SimHydraulic. Journal of Drive and Control,
2013, Vol. 10, pp. 29-36.
16. Liu J. Integrated mechanical and electrohydraulic system modeling and virtual reality simulation technology of a virtual robotic excavator. Computer-Aided Industrial Design & Conceptual Design. IEEE 10th International Conference, 2009, pp. 797-802. ,
