Повышение технического уровня карьерных одноковшовых гидравлических экскаваторов на стадии проектирования

На правах рукописи

Зыков Петр Анатольевич ПОВЫШЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ КАРЬЕРНЫХ ОДНОКОВШОВЫХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ЭКСКАВАТОРОВ НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 05.05.06 – «Горные машины»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово 2013 -2

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Воронов Юрий Евгеньевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Хорешок Алексей Алексеевич кандидат технических наук Менчугин Александр Васильевич

Ведущая организация: ОАО «Евразруда»

Защита состоится 21 февраля 2013 года в 1500 часов на заседании диссертаци онного совета Д 212.102.01 в Федеральном государственном бюджетном обра зовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбас ский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева» по ад ресу: 650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государст венного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионально го образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева»

Автореферат разослан «15» января 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета А. Г. Захарова -3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Основным направлением развития угольной про мышленности является преимущественный рост доли открытого способа разра ботки месторождений как наиболее эффективного и перспективного. Увеличе ние добычи угля в стране открытым способом неразрывно связано с увеличени ем объемов экскавационных работ.

Экскаваторы занимают центральное место в технологической цепи добы чи полезных ископаемых открытым способом и выполняют свыше 80% общего объёма работ. Очевидно, что их высокопроизводительная работа напрямую влияет на эффективность ведения горных работ. Самым распространённым классом экскаваторов являются одноковшовые экскаваторы, причем на карье рах наиболее распространено оборудование «прямая лопата».

Основной тенденцией развития карьерных одноковшовых экскаваторов является использование гидравлического привода, который имеет значитель ные резервы по возможности его совершенствования и позволяет вести горные работы по сравнению с механическими лопатами более интенсивно. Однако эволюционный путь развития, принятый разработчиками, а также эмпириче ский подход при проектировании не даст серьезных качественных изменений гидравлической экскавационной техники в будущем. Для создания машин дей ствительно высокого технического уровня необходимо исходить из системного подхода к экскаватору, суть которого заключается в том, что при проектирова нии следует учитывать не только состав объекта, но и взаимосвязи между его элементами и частями, а также с внешней средой. Получаемые в процессе про ектирования параметры экскаватора должны быть связаны друг с другом опти мальным образом и отвечать регламентированным техническим требованиям.

Одним из эффективных инструментов оптимизации параметров карьерных экс каваторов становится математическое моделирование, которое позволяет суще ственно снизить трудоёмкость и затраты времени по сравнению с испытаниями машин на натурных моделях.

Этот круг вопросов по существу связан с проблемой повышения качества промышленной продукции, являющейся одной из наиболее важных проблем развития экономики в условиях рынка, решению которой в настоящее время уделяется большое внимание. Изложенное свидетельствует об актуальности диссертационной работы.

Цель работы: повышение технического уровня карьерных одноковшо вых гидравлических экскаваторов на стадии проектирования.

Идея работы заключается в оптимальном согласовании показателей тех нического уровня и параметров одноковшовых экскаваторов посредством сис темного анализа существующих между ними взаимосвязей.

Объект исследований: карьерные гидравлические одноковшовые экска ваторы с оборудованием «прямая лопата».

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

-4 1. Обоснование функционального критерия и номенклатуры показателей технического уровня карьерных гидравлических одноковшовых экскавато ров;

сравнительная оценка технического уровня существующих машин и выяв ление перспективных направлений и методов его повышения.

2. Разработка на базе системного подхода и методов комплексной оценки методики оптимизации показателей технического уровня по критерию качест ва.

3. Оптимизация единичных показателей технического уровня с целью достижения сбалансированности параметров экскаваторов.

4. Синтез оптимальных параметров исполнительных органов машин на основе полученных значений оптимальных единичных показателей техниче ского уровня.

Методы исследований. При выполнении работы использовались методы статистической обработки данных и построения регрессионных моделей, мате матического экспериментирования, анализа и синтеза, методы комплексной оценки показателей технического уровня, математическое моделирование и ап парат линейного программирования.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Функциональный критерий взаимодействия элементов системы «экска ватор – горная масса» и комплекс показателей, выбираемых в зависимости от степени влияния их на производительность, создают основу для оценки техни ческого уровня карьерных одноковшовых экскаваторов и выбора приоритетных направлений его повышения.

2. Регрессионные модели взаимосвязей между обобщенным и единичны ми показателями технического уровня, а также между параметрами карьерных гидравлических экскаваторов являются линейными, причем наибольший рост качества дает снижение удельной мощности привода, металлоемкости и про должительности цикла, а также увеличение ресурса.

3. Для создания карьерных одноковшовых гидравлических экскаваторов высокого технического уровня необходимо обеспечить достижение следующих значений их показателей: функциональный критерий оценки качества должен составлять не менее 24,2 кВт/м3;

ресурс – не менее 77,4 тыс. ч;

удельная мощ ность привода – не более 57,94 кВт/м3;

металлоемкость – не более 13,7 т/м3.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и ре комендаций, сформулированных в диссертационной работе, подтверждается использованием апробированных теоретических положений по безэкспертной оценке качества горных машин;

достаточным объемом теоретических исследо ваний, выполненных с применением методов математической статистики, вы бором представительных критериев, обусловливающих технический уровень карьерных экскаваторов, что позволяет делать выводы с доверительной вероят ностью не ниже 95%.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1. Разработана методика комплексной оценки технического уровня, отли чающаяся специфическими для карьерных одноковшовых экскаваторов функ -5 циональным критерием и единичными показателями, номенклатура которых определена степенью влияния их на производительность экскаватора.

2. Впервые установлены закономерности формирования и регрессионные модели взаимосвязей между показателями технического уровня и параметрами карьерных экскаваторов;

3. Разработана математическая модель оптимизации показателей техни ческого уровня карьерных экскаваторов, где в качестве критерия оптимизации использовались обобщенные оценки технического уровня;

4. Разработан метод синтеза параметров карьерных экскаваторов на осно ве полученных оптимальных значений единичных показателей технического уровня с учетом оптимальных взаимосвязей их между собой.

Личный вклад автора заключается в постановке задач исследования и разработке методов их решения;

в выполнении аналитических и эксперимен тальных исследований;

в разработке методик комплексной оценки техническо го уровня и оптимизации параметров карьерных одноковшовых экскаваторов;

в установлении закономерностей формирования и регрессионных моделей взаи мосвязей между параметрами карьерных экскаваторов, а также между обоб щенным и единичными показателями технического уровня.

Научное значение работы заключается в разработке метода оценки тех нического уровня карьерных одноковшовых экскаваторов с применением функционального критерия, учитывающего их особенности и специфику рабо ты;

в разработке нового подхода к оптимизации параметров карьерных экскава торов, который базируется на использовании в качестве критерия оптимизации обобщенных оценок технического уровня, а в качестве оптимизируемых пара метров – его единичных показателей.

Практическая значимость работы заключается в разработке механизма объективной оценки принимаемых решений на самых ранних стадиях проекти рования карьерных одноковшовых гидравлических экскаваторов. Разработан ная методика оптимизации параметров карьерных экскаваторов позволяет на учно-обоснованно решать вопросы повышения технического уровня машин за счет оптимального согласования их параметров.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Основные научные ре зультаты диссертационной работы внедрены и находят практическое примене ние в учебных (Филиал КузГТУ в г. Новокузнецке) институтах и эксплуати рующих организациях (ОАО «СУЭК», ОАО «Разрез Красногорский» и ООО «Разрез Березовский»). К их числу относятся методические материалы по оцен ке технического уровня и расчету оптимальных параметров карьерных одно ковшовых экскаваторов, рекомендации по перевооружению карьеров за счет внедрения экскавационной техники с гидравлическим приводом, разделы лек ционных курсов.

Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее результаты докладывались и обсуждались на:

1. III Межвузовской научно-практической конференции студентов и мо лодых ученых «Перспективные направления в науке, обществе, образовании, -6 экономике и праве» (24 апреля 2009), Филиал ГУ КузГТУ в г. Новокузнецке, г.

Новокузнецк.

2. VI Международной научно-технической конференции «Проблемы ис следования и проектирования машин» (ноябрь 2010), г. Пенза.

3. III Международной научно-практической конференции «Перспективы развития прокопьевско-киселевского угольного района, как составная часть комплексного инновационного плана моногородов» (30 марта 2011), Филиал ГУ КузГТУ в г. Прокопьевске, г. Прокопьевск.

4. IX Международной научно-технической конференции молодых спе циалистов (23 апреля 2011), ОАО «ЕВРАЗ», г. Новокузнецк.

5. X Международной научно-технической конференции молодых спе циалистов (20 апреля 2012), ОАО «ЕВРАЗ», г. Новокузнецк.

6. семинарах кафедры «Горные машины и комплексы» ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбаче ва» 2009-2012 гг.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 12 печатных работ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, общим объемом 176 страниц, 27 таблиц и 19 рисунков, биб лиографического списка, включающего 109 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, приводится характери стика работы, аннотируются структура и содержание работы.

В первой главе рассматривается роль одноковшовых экскаваторов в тех нологии открытой добычи угля. Выявлены тенденции развития современных карьерных одноковшовых экскаваторов, основной из которых является исполь зование гидравлического привода. Анализируется и обосновывается цель дис сертационной работы, исследуются факторы, способствующие ее достижению.

Рассматривается состояние и перспективы развития современного парка карь ерных одноковшовых гидравлических экскаваторов. Выявлена необходимость разработки методов более объективной оценки технического уровня карьерных одноковшовых экскаваторов. При этом должна обеспечиваться возможность производить оценку технического уровня на самых ранних стадиях проектиро вания и изготовления машин. Повышение технического уровня карьерных од ноковшовых экскаваторов на стадии проектирования можно обеспечить за счет оптимального согласования их параметров.

Вопросами оценки и повышения технического уровня и качества горных машин занимались такие ученые и специалисты, как Г. И. Солод, Б. А. Алек сандров, В. И. Нестеров, Я. М. Радкевич, В. В. Пржежецкий, Ю. Е. Воронов, Н.

М. Скорняков, В. Д. Елманов, В. С. Квагинидзе, А. В. Буянкин, Р. С. Шамсут динов и др.

Во второй главе описаны методики оценки технического уровня и каче ства машин.

-7 Проведенный анализ существующих методик оценки качества показал, что, как и для большинства горных машин, наиболее приемлемым аналогом для оценки технического уровня карьерных одноковшовых экскаваторов является методика Г. И. Солода, которая основывается на фундаментальных принципах квалиметрии и позволяет количественно оценивать технический уровень и ка чество функционально однородных машин разных типов, типоразмеров и кон структивных исполнений.

Функциональный критерий является основой этой методики и определяет основное назначение машины. Г. И. Солод предлагает определять его в виде произведения производительности горной машины по выполнению своей функции в заданных условиях и удельной энергии процесса выполнения маши ной своей функции в этих условиях.

В соответствии с этим для карьерных экскаваторов функциональный кри терий оценки их качества можно представить в виде (кВт):

= П W, (1) где П – расчетно-теоретическая производительность экскаватора, м /ч;

W – удельная энергия экскавации горной массы, кДж/м3.

Удельная энергия экскавации представляет собой минимально необходи мые затраты энергии на копание и перемещение 1 м3 горной массы за один цикл, должна полностью определяться физико-механическими свойствами раз рабатываемой горной массы и не зависеть от типа, модели и конструктивного исполнения экскаватора. Поэтому при сравнении между собой экскаваторов с различной областью применения, удельная энергия экскавации будет играть роль масштабного фактора, который ставит в один ряд все экскаваторы, позво ляя сравнивать их технический уровень и качество.

Удельную энергию экскавации горной массы можно определить по полу ченной автором зависимости (кДж/м3):

п g (nRв ) W = kf + hк + (2), 2 225 g где kf – удельное сопротивление породы копанию, кПа;

п – плотность горной массы, т/м3;

g – гравитационное ускорение, м/с2;

Rв – радиус выгрузки (прини маем равным максимальному радиусу выгрузки для экскаватора), м;

n – частота вращения поворотной платформы, мин-1, hк – наибольшая высота копания экс каватора, м.

Вместимость ковша является при проектировании исходным параметром, и потому не должна влиять на технический уровень экскаватора. Поэтому, что бы исключить влияние этого параметра на определение технического уровня карьерных экскаваторов, целесообразно воспользоваться удельной производи тельностью на 1 м3 емкости ковша ((м3/ч)/м3):

П=, (3) tц где tц – расчетная продолжительность рабочего цикла (при повороте платформы на угол /2), с.

-8 Окончательная зависимость для определения функционального критерия оценки технического уровня карьерных одноковшовых экскаваторов имеет вид:

3600 (nRв )2.

k f + 0,5 п g hк + = (4) tц 225g Полученный функциональный критерий позволяет количественно оцени вать выполнение экскаватором своей функции и может быть использован при комплексной оценке технического уровня карьерных экскаваторов.

Другим важным вопросом оценки является выбор необходимой и доста точной номенклатуры показателей технического уровня карьерных одноковшо вых экскаваторов. Номенклатура показателей, в наибольшей степени опреде ляющих уровень качества, обеспечиваемый при проектировании экскаватора, выбирается из исходной номенклатуры в результате детального анализа с даль нейшей проверкой на согласованность и представительность.

Для уменьшения числа показателей некоторые из параметров приводятся к удельному виду. Кроме того, для параметров, с уменьшением значений кото рых качество машины ухудшается, в качестве единичных показателей должны быть взяты их обратные величины.

В качестве показателей, определяющих технический уровень карьерных одноковшовых экскаваторов, предлагаются следующие:

– удельная энергоёмкость, (кВт /(м3/ч)):

N E у = пр, (5) П где Nпр – мощность привода, кВт.

Показатель характеризует затраты энергии на единицу производительно сти. Снижение удельной энергоёмкости экскаваторов позволяет получить бо лее экономичную, а значит и более технически совершенную машину.

– удельная металлоемкость экскаватора, (т/(м3/ч)):

G kм = э, (6) П где Gэ – эксплуатационная масса экскаватора с рабочим оборудованием, т.

Параметр характеризует массу, приходящуюся на единицу производи тельности. Снижение удельной металлоемкости позволяет применить более широкий ассортимент материалов, легированных сталей, обеспечить устойчи вость, повысить усилие копания, а также снизить стоимость машины.

– удельное усилие копания экскаватора, (кПа):

Р h k э = коп к, (7) f Eк где Ркоп – наибольшее усилие копания, кН;

hк – наибольшая высота копания, м;

Ек – емкость ковша экскаватора, м3.

Удельное усилие копания, развиваемое на кромке рабочего органа, явля ется одним из основных технических характеристик экскаваторов, зависящих от их конструктивных особенностей. Высокие показания удельного усилия ко пания позволяют разрабатывать забои IV и V категории крепости.

-9 – удельная наибольшая высота копания:

h kр = к.

hк (8) 3G э – удельный наибольший радиус копания:

R kр = к, Rк (9) 3G э где Rк – наибольший радиус копания, м.

Рабочие размеры экскаваторов являются основными показателями назна чения, которые определяют качество экскаватора. Они определяют совершен ство кинематики копания. Их повышение сокращает передвижки экскаватора и число горизонтов.

– установленный ресурс экскаватора Тр, как интегральный показатель на дежности.

В итоге получен комплекс из шести показателей, определяющих техниче ский уровень карьерных одноковшовых экскаваторов (рис. 1).

П W 1/kfэ 1/kрhк 1/kрRк 1/Тр Еу/ kМ/ kfэ kрhк kрRк Тр Еу kм Nпр tц П Ек Gэ hк Rк Pкоп Рис. 1. Комплекс показателей технического уровня карьерных одноковшовых экскаваторов По выбранным показателям в работе проведена оценка технического уровня карьерных одноковшовых гидравлических экскаваторов всех типораз меров, вместимостью ковша от 4 м3 до 45 м3.

Для сравнения технического уровня экскаваторов отечественного произ водства (ОАО «Объединенные машиностроительные заводы») с зарубежной техникой были рассмотрены широко используемые в мире конструкции карь ерных экскаваторов, лидирующих в этой области фирм: «Caterpillar», «Komatsu», «Hitachi», «Liebherr» и «Terex O&K;».

- 10 Общий анализ результатов расчета обобщенного показателя технического уровня карьерных гидравлических экскаваторов показывает, что у всех машин он выше значения 0,5 (рис. 2). Это свидетельствует о достаточно высоком тех ническом уровне машин. Средний технический уровень рассматриваемой груп пы экскаваторов составляет Уср = 0,764.

0, 0, 0, 0,9 0, 0, 0,85 0, 0, 0, 0, 0, 0,768 0, 0,759 0, 0, 0,738 0,738 0, 0, 0,75 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, EX EX EX EX ЭГ-5, ЭГ- ЭГ- ЭГ- ЭГ- PC1250- PC3000- PC PC8000- R R R R RH RH 40-E RH 120-E RH 200-E 365C FS 385 FS RH 90-C Рис. 2. Обобщенный показатель технического уровня карьерных экскаваторов Величина показателя У, выражающего усредненное значение обобщенно го показателя технического уровня, для рассмотренных зарубежных машин со ставляет Узаруб = 0,769, что лишь на 3% выше, чем для экскаваторов компании ОМЗ, для которых Уотеч = 0,747. Это означает, что с точки зрения совершенства конструктивных схем, наличия новых идей и решений российские экскаваторы практически не уступают зарубежным машинам.

Более высокие значения обобщенного показателя технического уровня имеют экскаваторы с небольшой вместимостью ковша. Это можно объяснить тем, что при увеличении размеров машины во все большей степени начинают проявлять себя масштабный фактор и системные эффекты, которые при проек тировании сегодня, как правило, не учитываются.

Изменение масштаба (размеров машины) в соответствии с системным подходом требует согласования с внешней средой, то есть либо должно сопро вождаться изменением параметров взаимодействующих с машиной объектов, либо качественными изменениями в самой машине. Однако принятый разра ботчиками при проектировании машин эмпиризм не даст серьезных качествен ных изменений в будущем. При увеличении размеров экскаваторов для их про изводства необходимо использовать новые конструкционные материалы и про изводственные технологии, а также добиваться оптимальной сбалансированно сти их параметров.

Также установлено, что у машин, имеющих более высокий технический уровень, параметры являются более сбалансированными. Одной из главных - 11 причин этого является отсутствие системности при проектировании карьерных экскаваторов и назначении их основных параметров.

Использование научно-обоснованных методов оптимального проектиро вания карьерных экскаваторов позволяет определить и оптимально сбалансиро вать их параметры и тем самым повысить технический уровень.

Для определения основных направлений повышения технического уровня экскаваторов на рис. 3 представлены диаграммы по единичным показателям для рассматриваемой группы машин, где цифрами обозначены экскаваторы, проранжированные по обобщенному показателю технического уровня k.

а) б) 24 1 24 2 23 3 23 0,8 0, 22 4 22 0,6 0, 21 5 21 0,4 0, 20 6 20 0,2 0, 19 0 7 19 0 18 8 18 17 9 17 16 10 16 15 11 15 14 12 14 13 в) г) 1 24 2 24 23 3 23 0,8 0, 22 4 22 0,6 0, 21 5 21 0,4 0, 20 6 20 0,2 0, 19 0 7 19 0 18 8 18 17 9 17 16 10 16 15 11 15 14 12 14 13 д) е) 24 2 24 23 23 0,8 0, 22 22 0,6 0, 21 21 0,4 0, 20 20 6 0, 0, 19 19 0 18 18 17 17 16 16 15 15 11 14 14 Рис. 3. Диаграммы технического уровня карьерных гидравлических экскаваторов по единичным показателям а – q1 (Еу), б – q2 (kм), в – q3 (kfэ), г – q4 (Тр), д – q5 (kрRк), е – q6 (kрhк).

1 – 385C FS;

2 – ЭГ-150;

3 – 365C FS;

4 – EX1200;

5 – EX1900;

6 – R994 Litronic;

7 – PC1250 7;

8 – R984 Litronic;

9 – ЭГ-550;

10 – RH 40-E;

11 – PC3000-6;

12 – ЭГ-350;

13 – PC4000;

14 – PC8000-6;

15 – RH 90-С;

16 – RH 120-E;

17 – R996 Litronic;

18 – RH 400;

19 – EX5500;

20 – R995 Litronic;

21 – EX3600;

22 – ЭГ-110;

23 – RH 200-E;

24 – ЭГ-5,5.

- 12 Анализ диаграмм показывает, что основными резервами повышения тех нического уровня карьерных гидравлических экскаваторов является увеличение удельного усилия копания, а также снижение удельной металлоемкости и энер гоемкости. Для отечественных экскаваторов основным резервом является по вышение ресурса.

В третьей главе разработана методика оптимизации показателей техни ческого уровня и параметров карьерных одноковшовых гидравлических экска ваторов.

Концептуальной основой оптимального проектирования является сис темный подход, который при назначении параметров машины заключается в том, что они, во-первых, должны соотноситься друг с другом оптимальным об разом, и, во-вторых, получаемые на их основе выходные технико эксплуатационные показатели – отвечать регламентированным нормативными документами значениям, то есть при проектировании должны обеспечиваться оптимальное соотношение получаемых параметров экскаватора и их обратная связь с исходными (входными) показателями.

Карьерный экскаватор как система характеризуется структурой и пара метрами. Структура экскаватора определяет его составные части и связи между ними и должна обеспечивать оптимальное его функционирование, для чего ха рактеризующие машину параметры должны быть оптимизированы (рис. 4). В качестве критерия оптимизации целесообразно использовать обобщенные оценки технического уровня (качества), а в качестве оптимизируемых парамет ров – его единичные показатели. Такой подход позволяет на первом этапе по низить размерность задачи оптимизации и тем самым упростить ее решение, а также иметь в процессе проектирования объективные оценки принимаемых решений. Модели целевой функции и ограничений математической модели оп тимизации должны формироваться в результате анализа функционирования экскаватора как системы и представляются в виде уравнений регрессионного анализа, непосредственно связывающих соответствующие показатели с опти мизируемыми параметрами.

Основными показателями, оценивающими техническую, технологиче скую и экономическую эффективность техники, осуществляющей разработку горных пород, являются: показатель производительности;

показатель материа лоемкости;

показатель энергоемкости. Будем рассматривать их в качестве вы ходных эксплуатационных показателей.

Зависимости для показателя производительности, материалоемкости и энергоемкости выглядят следующим образом:

П Т р Кп =, (10) N пр Gэ Км = (11), П Т р N К э = пр. (12) П - 13 Параметры внеш- Общие техниче Исходные данные ские требования, ней среды Параметры гор требования за ной массы казчика kf п Км0 Кэ0 Кп Элементы экс Силовая установка Ек Pк hк hв Rк Rв Vn Поворотная плат оборудование Ходовая часть каватора Рабочее Nпр тип форма Pоп э n Проектирование экскаватора Экскаватор Экскаватор в целом Ек Gэ tц Pоп э hк hв Rк Rв Pкоп Tр Обратная связь Основные технико-эксплуатационные показатели К м Кэ К п Оптимизация параметров Рис. 4. Схема проектирования карьерного экскаватора п – плотность горной массы, т/м3;

kf – удельное сопротивление копанию, МПа;

Nпр – мощ ность привода, кВт;

Pкоп – максимальное усилие копания, кПа;

Ек – емкость ковша экскавато ра, м3;

Gэ – рабочая масса экскаватора, т;

tц – продолжительность цикла, с;

Pоп – среднее удельное давление на грунт, кПа;

э – скорость передвижения, км/ч;

hк – наибольшая высота копания, м;

hв - наибольшая высота выгрузки, м;

Rк – наибольший радиус копания, м;

Rв наибольший радиус выгрузки, м;

Vn – скорость подъёма ковша, м/с;

n – частота вращения платформы, об/мин;

Tр – ресурс экскаватора, ч;

Кп – показатель производительности, м3/кВт;

Км – показатель материалоемкости, т/м3;

Кэ – показатель энергоемкости, кВт·ч/м3.

- 14 Анализ выходных технико-эксплуатационных показателей позволил ус тановить необходимую и достаточную номенклатуру оптимизируемых показа телей: kм – металлоемкость экскаватора;

Nпру – удельная мощность привода;

– функциональный критерий качества экскаваторов;

Тр – ресурс экскаватора. За дача установления степени влияния каждого из оптимизируемых параметров на обобщенный показатель технического уровня k, выбранный в качестве крите рия оптимизации, и формирования на этой основе модели целевой функции от носится к задачам аппроксимационного типа и решается с использованием ли нейного регрессионного анализа.

Поскольку четкого требования по значениям эксплуатационных показа телей в нормативных документах не зафиксировано, будем исходить из их фак тических значений для группы карьерных одноковшовых экскаваторов, рас смотренных во второй главе.

При решении задачи оптимизации параметров карьерных одноковшовых экскаваторов имеют место следующие ограничения.

I. Ограничение по соответствию фактических значений эксплуатацион ных показателей Км, Кэ, Кп регламентированным Км0, Кэ0, Кп0. Модели этих ог раничений могут быть получены из регрессионных связей соответствующих выходных эксплуатационных показателей с оптимизируемыми параметрами.

Поскольку выходные эксплуатационные показатели (Кп0, Км0, Кэ0) при оп ределении регрессионной зависимости их от оптимизируемых параметров, об ладают разбросом, определяемым соответствующими значениями стандартных отклонений S0Кп, S0Кэ и S0Км, ограничения можно записать в следующем виде:

a10 + a11k м + a12 N пр + a13 + a14T р К п + S 0Кп у a10 + a11k м + a12 N пр + a13 + a14Т р К п S у Кп a20 + a 21 k м + a22 N пр + a23 + a24T р К м + S у Км a20 + a21k м + a22 N пр + a23 + a24T р К м S у Км (13) а + а k + а N у + а + а Т К 0 S Кэ 30 31 м 32 пр 33 34 р э а30 + а31k м + а32 N пр + а33 + а34Т р К э S 0Кэ у max min где min, max – минимальное и максимальное значение функционального крите рия качества одноковшовых экскаваторов по группе рассмотренных экскавато ров, кВт/м3.

Параметры ограничений (13) и целевой функции устанавливаются в ре зультате линейного регрессионного анализа.

II. Граничные условия, отражающие диапазон изменения оптимизируе мых параметров, могут быть определены следующим образом. Анализ показы вает, что для всех них может быть задано только одно нижнее граничное усло вие – и это условие их неотрицательности, т.е. kм 0;

Nпру 0;

Тр 0. Верхние граничные условия для всех показателей отсутствуют.

В результате исследований получена математическая модель оптимиза ции (ММО) показателей технического уровня и параметров карьерных одно ковшовых экскаваторов в виде:

- 15 k = a0 + a1k м + a2 N пр + a3 + a4Т р max у a10 + a11k м + a12 N пр + a13 + a14T р К п + S у 0 Кп a10 + a11k м + a12 N пр + a13 + a14Т р К п S у 0 Кп a + a k + a N у + a + a T К 0 + S Км 20 21 м 22 пр 23 24 р м a20 + a21k м + a22 N пр + a23 + a24T р К м S у 0 Км (14) а + а k + а N у + а + а Т К 0 + S Кэ 30 31 м 32 пр 33 34 р э а30 + а31k м + а32 N пр + а33 + а34Т р К э S 0Кэ у max min k м 0;

N пр 0;

0;

Т р у Данная ММО относится к задачам линейного программирования и может быть решена стандартными способами.

В четвертой главе производится оптимизация параметров карьерных гидравлических одноковшовых экскаваторов.

В результате линейного регрессионного анализа были установлены пара метры модели целевой функции k, а также ограничения по показателям произ водительности (Кп0 = 30,83 м3/кВт), материалоемкости (Км0 = 0,0077 т/м3) и энергоемкости (Кэ0 = 2,6 кВт·ч/м3). Для определения ограничения по функцио нальному критерию (24,2219,58) были использованы фактические значения по группе карьерных экскаваторов.

Таким образом, математическую модель оптимизации (14) можно запи сать в следующем виде:

k = 0,1955 0,0103k м 0,0028 N пр + 0,0384 + 0,0024T р max у 0,338 N пр - 1,05 - 0,308Т р 30, у 0,338 N пр - 1,05 - 0,308Т р 29, у 0,624k м 0,59 0,17Т р 19, (15) 0,624k 0,59 0,17Т 18, м р 0,47 N пр 1,144 0, у 0,47 N пр 1,144 0, у 24,22 19,58;

k м 0;

N пр 0;

Т р у При этом оптимальными являются следующие значения переменных:

* = 24,22 кВт/м 3 ;

* Т р = 77,4 тыс.ч;

у* N пр = 57,94 кВт/м ;

(16) * k м = 13,7 т/м ;

k * = 1,007.

Имея оптимальные значения оптимизированных показателей *, Nпру*, kм* и Тр*, а также обобщенного показателя технического уровня k*, можно опреде лить основные параметры технической характеристики карьерных гидравличе ских экскаваторов.

- 16 Результаты синтеза оптимальных параметров представлены в табл. 1.

Таблица Результаты синтеза оптимальных параметров карьерных экскаваторов Аналоги Значения оптималь Параметры ных параметров PC1250-7 PC-3000-6 R995 L Емкость ковша экскаватора (Ек), м3 6,5 15 26,5 6,5 15 Масса рабочая (Gэ), т 110 253 448,5 89,05 205,5 356, Мощность привода (Nпр), кВт 485 940 1600 376,6 869,1 1506, Расчетная продолжительность цикла 24 26 28 20,43 23,08 25, (tц), с Скорость передвижения (э), км/ч 3,2 2,4 2,7 2,96 2,73 2, Радиус копания наибольший (Rк), м 11,4 13,5 16,12 10,69 14,13 16, Радиус выгрузки наибольший (Rв), м 9,55 10,94 13,63 9,16 12,07 14, Высота черпания наибольшая (hк), м 12,33 14,7 17,64 11,11 14,68 17, Высота выгрузки наибольшая (hв), м 8,7 10,2 12,8 8,02 10,76 13, Наибольшее усилие копания (Ркоп), кН 578,2 1100 1150 849,6 1483,6 2140, Ресурс (Тр), тыс. ч. 90 90 90 77,4 77,4 77, Скорость поворота платформы (n), 5,5 4,6 3,7 5,24 4,89 4, об/мин.

Скорость подъёма ковша (Vn), м/с 0,69 0,78 0,92 0,79 0,9 1, На основе проведенных исследований в деятельность эксплуатирующих организаций ОАО «СУЭК», ОАО «Разрез Красногорский» и ООО «Разрез Березовский» были внедрены:

– методика комплексной оценки технического уровня карьерных одноковшовых экскаваторов, как основа для выбора наиболее подходящих для условий эксплуатации предприятия моделей экскаваторов;

– методика оптимизации рабочих процессов и параметров карьерных одноковшовых экскаваторов для обоснования заявок на новую технику и перспектив переоснащения экскаваторного парка машинами нового технического уровня.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ В диссертационной работе содержится новое решение актуальной науч ной задачи оптимизации параметров карьерных одноковшовых гидравлических экскаваторов, позволяющее создавать машины нового, более высокого техни ческого уровня, что имеет существенное значение для развития теории и прак тики проектирования горных машин.

На основании проведенных в диссертационной работе исследований по лучены следующие результаты:

1. В результате анализа установлено, что расчёт основных параметров карьерных одноковшовых экскаваторов при разработке новых конструкций ос нован на применении теории подобия, когда большинство зависимостей связы вают между собой не больше двух параметров машины. Такой подход имеет много недостатков, главный из которых заключается в невозможности «свя - 17 зать» между собой параметры будущей машины, и поэтому не приводит к су щественному улучшению технического уровня экскаваторов. Для создания карьерной экскавационной техники высокого технического уровня необходимо исходить из системного подхода к экскаватору, суть которого заключается в том, что при проектировании следует учитывать не только состав объекта, но и взаимосвязи между его элементами и частями.

2. Предложена методика комплексной оценки технического уровня карь ерных одноковшовых экскаваторов, которая позволяет оценить технический уровень существующего парка карьерных экскаваторов и выявить пути повы шения технического уровня и реализовать их на стадии проектирования.

3. Разработана математическая модель оптимизации параметров, где в ка честве критерия оптимизации использованы обобщенные оценки технического уровня, а в качестве оптимизируемых параметров – его единичные показатели.

Данная математическая модель позволяет использовать для решения задачи оптимизации математический аппарат линейного программирования.

4. В результате исследования математической модели оптимизации уста новлено, что для создания карьерных одноковшовых гидравлических экскава торов высокого технического уровня необходимо обеспечить достижение сле дующих значений их показателей: функциональный критерий качества экскава торов, который представляет собой произведение производительности машины и удельной энергии экскавации горной массы, должен составлять не менее 24, кВт/м3;

ресурс – не менее 77,4 тыс. ч;

удельная мощность привода – не более 57,94 кВт/м3;

металлоемкость – не более 13,7 т/м3.

5. Разработанные методики оптимизации показателей технического уров ня и синтеза из них оптимальных параметров карьерных одноковшовых гид равлических экскаваторов позволяют не только установить и оптимально со гласовать их параметры при заданных технических требованиях, но и решать обратную задачу: по данным параметрам экскаватора установить такие техни ческие требования, при которых эти параметры будут оптимальными.

6. Реализация научно-методических рекомендаций диссертационной ра боты позволяет увеличить обобщенный показатель технического уровня вновь создаваемой карьерной экскаваторной техники до 1,007, что превышает наи лучшее значение из группы рассмотренных экскаваторов на 10,3%, и выше, чем в среднем по всей группе машин, на 31,8%.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих рабо тах:

– в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Зыков, П. А. Обоснование и определение показателей технического уровня карьерных одноковшовых экскаваторов [Текст] / Ю. Е. Воронов, П. А.

Зыков // Вестн. Кузбасского гос. тех. унив., 2011, № 2. С. 67-70.

2. Зыков, П. А. Разработка модели оптимизации параметров карьерных одноковшовых экскаваторов [Текст] / Ю. Е. Воронов, П. А. Зыков // Вестн.

Кузбасского гос. тех. унив., 2011, № 4. С. 12-15.

3. Зыков, П. А. Функциональный критерий оценки технического уровня и - 18 качества карьерных одноковшовых экскаваторов [Текст] / Ю. Е. Воронов, П. А.

Зыков, А. Ю. Воронов // Известия вузов. Горный журнал, 2011, № 6. С. 4-7.

4. Зыков, П. А. Решение задачи оптимизации параметров карьерных од ноковшовых экскаваторов [Текст] / Ю. Е. Воронов, П. А. Зыков // Известия ву зов. Горный журнал, 2012, № 8. С. 12-15.

– в прочих изданиях:

5. Зыков, П. А. Проектирование карьерного одноковшового экскаватора с позиций системного подхода / Ю. Е. Воронов, П. А. Зыков // Проблемы иссле дования и проектирования машин. Материалы VI Международной научно технической конференции, ноябрь 2010 г. – Пенза : ПДЗ, 2010. – С. 9-12.

6. Зыков, П. А. Повышение технического уровня карьерных одноковшо вых экскаваторов на стадии проектирования / Ю. Е. Воронов, П. А. Зыков // Применение инновационных технологий в научных исследованиях. Материалы Международной научно-практической конференции, 28 декабря 2010 г., ЮЗГУ.

– Курск. – С. 159-162.

7. Зыков, П. А. Гидравлические одноковшовые экскаваторы на открытых разработках угольных месторождений / П. А. Зыков // Перспективы развития Прокопьевско-Киселевского угольного района, как составная часть комплекс ного инновационного плана моногородов. Материалы III Международной на учно-практической конференции, 30 марта 2011 г., Филиал ГУ КузГТУ в г.

Прокопьевске. – Прокопьевск. – С. 81-83.

8. Зыков, П. А. Комплексная оценка технического уровня существующего парка карьерных экскаваторов с гидравлическим приводом / П. А. Зыков // Пер спективы развития Прокопьевско-Киселевского угольного района, как состав ная часть комплексного инновационного плана моногородов. Материалы III Международной научно-практической конференции, апрель 2011 г., Филиал ГУ КузГТУ в г. Прокопьевске. – Прокопьевск. – С. 234-236.

9. Зыков, П. А. Одноковшовые экскаваторы с гидравлическим приводом на горнорудных разработках России / П. А. Зыков // Тезисы IX Международной научно-технической конференции молодых специалистов, 23 апреля 2011 г., ОАО «ЕВРАЗ». – Новокузнецк. – С. 2-3.

10. Зыков, П. А. Оптимальное проектирование карьерных одноковшовых экскаваторов / Ю. Е. Воронов, П. А. Зыков // Применение инновационных тех нологий в научных исследованиях. Материалы II Международной научно практической конференции, 28 мая 2011 г., ЮЗГУ. – Курск. – С. 184-188.

11. Зыков, П. А. Оптимизация параметров одноковшовых экскаваторов для повышения их качества на стадии проектирования / П. А. Зыков // Иннова ционные технологии и экономика в машиностроении. Материалы III Междуна родной научно-практической конференции с элементами научной школы для молодых ученых, 24-25 мая 2012 г., ЮТИ ТПУ. – Юрга. – С. 322-326.

12. Зыков, П. А. Математическое моделирование оптимальных парамет ров карьерных экскаваторов / П. А. Зыков // Современные проблемы методоло гии и инновационной деятельности. Материалы III Всероссийской научно практической конференции ученых, аспирантов, специалистов и студентов, 17 19 мая 2012 г., филиал КузГТУ в г. Новокузнецке. – Новокузнецк. – С. 179-182.

- 19 Зыков Петр Анатольевич ПОВЫШЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ КАРЬЕРНЫХ ОДНОКОВШОВЫХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ЭКСКАВАТОРОВ НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ Подписано в печать 11.01.2013г. Формат 6084 1/16.

Усл. печ. л. 1,1. Тираж 120 экз. Заказ 3.

Отпечатано в типографии Издательского центра СибГИУ, 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42.