Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Соин Алексей Михайлович
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ КАРЬЕРНЫХ ЭКСКАВАТОРОВ
И РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ ОЦЕНКИ ИЗМЕНЕНИЯ
РЕСУРСА ИХ ДЕТАЛЕЙ ПРИ МОДЕРНИЗАЦИИ.
Специальность: 05.05.06 - Горные машины
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Владикавказ - 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет)
Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент
Хатагов Александр Черменович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Подэрни Роман Юрьевич
доктор технических наук, профессор
Сергеев Вячеслав Васильевич
Ведущее предприятие: ФГУП Национальный научный центр
горного производства - институт горного дела им. А.А. Скочинского, (МО, г. Люберцы)
Защита состоится 25 мая 2012 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.246.02 в Северо-Кавказском горно-металлургическом институте (государственном технологическом университете) по адресу: 362021, Республика Северная Осетия-Алания, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44, СКГМИ (ГТУ), факс 8(8672) 40-72-03, E-mail: info@skgmi-gtu.ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.
Автореферат разослан 25 апреля 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
Д.т.н., профессор М.В. Гегелашвили
Общая характеристика работы
Актуальность работы. Все возрастающие объемы добычи полезных ископаемых открытым способом требуют применения высокопроизводительной экскаваторной техники, в частности карьерных экскаваторов.
Большая часть эксплуатируемого экскаваторного парка физически и морально устарела. Однако из-за экономических трудностей горные предприятия имеют ограниченные возможности для замены действующих типов на машины последних проектов. Поэтому основным, а зачастую, единственным способом улучшения технических характеристик экскаваторов и повышения их производительности, является модернизация.
Анализ выполненных к настоящему времени работ по модернизации карьерных экскаваторов показывает, что основные исследования направлены преимущественно на совершенствование структур управления главными электроприводами экскаватора с целью повышения его производительности, а также на решение вопросов энергосбережения, улучшения эргономики, удобства обслуживания и т.п. Вопросам же оценки возможного при этом снижения долговечности мехоборудования при переходе на новые быстродействующие системы управления электроприводами (СУЭП) не уделяется достаточного внимания. В то же время интенсификация работы (сокращение времени цикла) неминуемо приводит к повышению динамических нагрузок в механической части привода и снижению усталостной долговечности его деталей и узлов. Замена электрической части привода, без учета влияния изменения процессов в механической, может свести на нет саму идею модернизации.
Поэтому на момент принятия решения о модернизации необходима научно обоснованная методика оценки ресурса деталей и узлов для находящихся в эксплуатации экскаваторов, а на её основе - выбор рекомендаций организационного характера по технологии эксплуатации механической части и(или) конструктивная модификация отдельных деталей с целью минимизации экономических потерь от снижения их долговечностей.
Такая задача является актуальной и с научной, и с практической точки зрения.
Цель работы: повышение реальной эффективности модернизации одноковшовых экскаваторов.
Идея работы заключается в разработке способов и средств оценки изменения долговечности деталей в условиях повышенной интенсивности работы модернизированного экскаватора.
Научные положения
1. Колебания механических напряжений в деталях карьерного экскаватора, вызывающие их усталостный износ, обусловлены периодическими изменениями кинематических и упругих параметров венцового зацепления: переменностью мгновенных значений КПД, упругих жесткостей зубьев и их производных по углу поворота.
2. Модель кинетического накопления усталостного повреждения в деталях с существенно нерегулярным нагружением, свойственным карьерным экскаванторам, должна учитывать не только мгновенные значения текущей нагрузки, но и её производной по времени.
3. Оперативность расчета остаточного (после модернизации экскаватора) усталостного ресурса рассматриваемой детали достигается получением для неё в моделях со штатной и новой системой привода поворота уточненных нагрузочных диаграмм за один паспортный цикл экскавации и последующим подсчетом накапливаемой поврежденности многократной обработкой полученных диаграмм.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются теоретическими исследованиями с использованием методов классической механики, сопротивления материалов, теории упругости, теории усталостной прочности, результатами экспериментальных исследований и математического моделирования динамических процессов.
Научная новизна
1. Разработана математическая модель механизма поворота экскаватора, впервые совокупно учитывающая переменность параметров венцового зубчатого зацепления.
2. Впервые предложена и обоснована разновидность кинетического подхода к оценке усталостной долговечности оборудования экскаватора.
3. Разработана методика компьютерного анализа изменения ресурса деталей и узлов модернизируемых экскаваторов.
Научное значение работы
1. Разработанная математическая модель механизма поворота экскаватора позволяет рассчитывать дополнительные параметрические составляющие колебаний нагрузки в элементах конструкций экскаватора.
2. Предложенная разновидность кинетического подхода к оценке усталостной долговечности оборудования экскаватора работоспособна в условиях существенно нерегулярного нагружения натурных деталей.
3. Разработанная методика компьютерного анализа изменения ресурса деталей модернизируемых экскаваторов позволяет значительно ускорить соответствующие ей расчеты.
Практическое значение работы:
1. Предложенный подход к расчету усталостной долговечности деталей экскаваторов позволяет адекватно оценивать её в условиях существенно нерегулярного нагружения.
2. Разработанный анализатор ресурса позволяет оперативно осуществлять прогноз ресурса выбранных деталей экскаватора.
3. Предложенная методика учета результатов анализа минимизирует дополнительные расходы на обслуживание модернизированной машины.
4. Оценка реального вклада модернизации главных электроприводов экскаватора в общее повышение его производительности позволяет втрое уменьшить затраты на приобретение дополнительного оборудования.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Разработанные рекомендации приняты к использованию в разработках НПК Югцветметавтоматика.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы и ее отдельные положения докладывались и обсуждались на международной конференции Информационная математика, кибернетика, искусственный интеллект в информациологии (Москва-Владикавказ, 1999г.), на Всероссийской научно-практической конференции Перспективы развития горнодобывающего и металлургического комплексов России, посвящённой 70-летию СКГТУ (Владикавказ, 2002г.), на 2-ой Всероссийской научно-практической конференции Горно-металлургический комплекс России: состояние, перспективы развития, (Владикавказ, 2003), на ежегодных научно-технических конференциях СКГМИ (ГТУ) 2005-2010 г.г., на расширенном заседании кафедры Технологические машины и оборудование СКГМИ (ГТУ), 2011 г.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 печатных работах, одна из них в издании, входящем в перечень ведущих рецензируемых журналов.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 134 страницах машинописного текста, включая 41 рисунок, перечень литературы из 109 наименований, таблицу и 2 приложения.
Основное содержание работы
Объект исследования - карьерный экскаватор, который является основным звеном в технологической цепи горного производства при открытом способе добычи полезных ископаемых. Круг вопросов, связанных с установлением закономерностей функционирования карьерных экскаваторов, отражен в работах ряда российских ученых: докторов техн. наук Сатовского Б.И, Домбровского Н.Г., Волкова Д.П., Подэрни Р.Ю., Панкратова С.А., Красникова Ю.Д., Черкасова В.А., Ключева В.И., Каминской Д.А. и других.
Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и идея работы, показана её научная и практическая значимость, приведены краткие сведения о структуре работы.
В первой главе проведён анализ современного состояния экскаваторного парка России. В основном он представлен мехлопатами ЭКГ-5А (4,6Б) производства завода УУралмашФ, ЭКГ-8И и его модификациями ЭКГ-4У и ЭКГ-6,3Ус Ижорского завода. С 1987 года на горных предприятиях появились ЭКГ-10 и его модификации ЭКГ-5У, ЭКГ-8Ус, а также ЭКГ-12,5 (ЭКГ-6,3У) и ЭКГ-15 (ЭКГ-8У). Экскаватор ЭКГ-5А является самым распространенным на всем постсоветском пространстве - более 60% всего парка. На втором месте по массовости применения стоит ЭКГ-8И и его модификации. Отмечается, что степень износа экскаваторного парка превысила 80%. Производительность таких физически и морально изношенных машин на 40-50% ниже по сравнению с их современными аналогами.
Из-за экономических трудностей большинство горных предприятий не имеют возможности для замены устаревшего парка экскаваторов, поэтому основным и единственным способом поддержания их работоспособности и производительности является модернизация. Кроме того, зачастую вместо отработавших свой ресурс экскаваторов предприятия предпочитают приобретать новые машины тех же моделей, в связи с чем вопросы повышения их производительности становятся ещё более значимыми.
Анализ существующих решений показывает, что модернизация карьерных экскаваторов фактически сводится к обновлению электрической части одновременно всех главных механизмов машины (подъема, напора, поворота) и имеет две основные разновидности:
- чаще всего это замена только силовых магнитных усилителей (СМУ) на тиристорные или транзисторные возбудители (ТВ) в системах управления существующих электроприводов постоянного тока;
- реже - замена электроприводов системы генератор - двигатель на приводы типа силовой тиристорный преобразователь - двигатель постоянного тока или частотный преобразователь - асинхронный двигатель.
Расчет экономической эффективности по методике проф. В.И. Ключева от замены систем управления с магнитными усилителями на тиристорные возбудители с микропроцессорным управлением для главных электроприводов карьерных экскаваторов на Качканарском ГОК показывает, что основная доля эффекта (5,3 из 5,8 млн. руб.) обеспечивается повышением производительности за счет уменьшения времени цикла экскавации примерно на 6-7%. К сожалению, в этом расчете: во-первых, повышение производительности машины не дифференцированно раздельно по модернизируемым приводам; во-вторых, не учтено неизбежное снижение ресурса деталей при интенсификации работы модернизированной машины.
Поэтому задачи работы сформулированы в следующем виде:
1. Оценить реальный вклад модернизации приводов каждого из основных механизмов в повышение производительности машины.
2. Разработать математическую модель электромеханической системы (ЭМС) поворотного механизма с целью получения уточненных временных диаграмм нагрузок в интересующих деталях с учетом влияния переменности параметров зубчатого зацепления на динамику процессов.
3. Разработать математическую модель процесса кинетического накопления усталостных повреждений в деталях с существенно нерегулярным характером нагрузок.
4. Разработать методику ускоренного компьютерного прогноза изменения ресурса деталей действующих экскаваторов при переходе на модернизированный привод поворотного механизма.
5. Уточнить экономическую эффективность модернизации, дать рекомендации по рациональному изменению структуры ремонтных циклов и системы технического обслуживания с учетом изменения ресурса узлов и деталей.
Сокращение времени цикла за счет интенсификации работы копающих механизмов не может быть существенным, так как время копания определяется главным образом условиями забоя (крепость породы, качество взрывной подготовки горной массы и т.п.). Поэтому сжатие цикла экскавации фактически осуществляется лишь за счет уменьшения времени поворотных движений, занимающих свыше цикла.
Таким образом, экономически целесообразным представляется ограничиться модернизацией одного лишь привода поворота и только системы его управления (с заменой СМУ на ТВ).
Переход на быстродействующий привод приводит к изменению тахограммы поворотного механизма: процессы разгонов-торможений осуществляются с почти постоянным (максимально допустимым по условиям прочности механических конструкций стрелы - рукояти) ускорением-замедлением. Это неминуемо увеличивает уровень нагрузок в деталях и узлах механизма поворота (и вообще во всех элементах на поворотной платформе) и приводит к более интенсивному накоплению усталостных повреждений, а, следовательно, к снижению сроков службы.
Во второй главе решается задача получения реальной картины нагрузок в деталях экскаватора в рабочем цикле с целью уточненной оценки их ресурса. Поскольку натурные измерения и осциллографирование упругих моментов в зубчатых зацеплениях и других элементах машины в процессе эксплуатации практически не осуществимы, единственно возможным способом их получения является компьютерное моделирование с использованием современных пакетов исследования динамических систем.
С этой целью предлагается математическое описание ЭМС поворота в алгебро-дифференциальной форме записи, удобной для использования в пакетах структурного моделирования типа Simulink. Для установления взаимосвязей между элементами ЭМС поворота рассмотрим функциональную схему системы машинист - СУЭП - электропривод поворота - трансмиссия - поворотная платформа.
Рис. 1. Функциональная схема поворотного механизма
карьерного экскаватора
Сигналы в схеме: У - управляющее воздействие; Uдв - напряжение на зажимах двигателя; М1, Мув, Му2, Mтр - моменты соответственно двигателя, упругий на вал-шестерне, крутящий на зубьях венца и трения; 1, 2 - угловые скорости соответственно вала двигателя и платформы.
Управляющее воздействие машиниста представляет собой последовательность переключений командоконтроллера, задающих тахограмму поворота платформы в цикле экскавации. СУЭП включает силовой генератор и его возбудитель с набором обратных связей. Учитываются основные обратные связи: задержанная по току (моменту) и положительная по напряжению. Переходу от существующего электропривода СМУ-ГД к модернизированному (ТВ-ГД) соответствует изменение параметров возбудителя и настроек обратных связей. Трансмиссия, за исключением венцового зацепления, принимается идеальной. Внешним возмущением считаем небольшой (по сравнению с динамическим) реактивный момент трения Mтр в роликовом круге платформы.
Рис. 2. Эквивалентная схема 2-массовой системы с упругими связями
Совокупность механической части двигателя и поворотного механизма в рассматриваемом случае может быть упрощена до эквивалентной 2-массовой системы с тремя сосредоточенными упругостями и зазором (рис. 2). Поведение такой системы описывается уравнениями Лагранжа II рода:
(1)
вкупе с алгебраическими уравнениями связей в зазоре венцовой пары:
; , (2)
где L = T - U - лагранжиан системы;
- кинетическая энергия вращающихся частей; - потенциальная энергия, запасаемая в упругостях системы; Qi - вектор обобщенных сил; qi - вектор обобщенных координат; J1, J2 - моменты инерции соответственно всех вращающихся масс механизма поворота и всех вращающихся масс поворотной платформы с груженым ковшом на полном вылете; Mz1, Mz2 - крутящие моменты, передаваемые через зубья вал-шестерни и венцового колеса соответственно; i, - мгновенные значения передаточного отношения и КПД в контакте венцовой ступени передачи; сВ, с1, с2 - крутильные жесткости соответствующих элементов эквивалентного вала. В качестве обобщенных координат приняты углы поворота соответствующих сечений эквивалентного вала q1=1, q2=в, q3='1, q4='2, q5=2. Точка над переменной означает взятие производной по времени (например, ).
Это математическое описание механической части ЭМС содержит периодически изменяющиеся при вращении эквивалентного вала параметры, такие как крутильные жёсткости зубьев с1 и с2, их производные по углу поворота и , мгновенные значения передаточного отношения i и КПД зубчатого зацепления h, а также зазор в контакте зубьев. Их совместное действие приводит к дополнительным параметрическим колебаниям упругого момента в элементах механической системы, которые также вносят свой вклад в накопление усталостных повреждений в деталях.
В итоге уравнения имеют следующий вид:
;
;
;
;
.
Влияние переменности передаточного отношения i подробно рассмотрено в работах проф. В.И. Ключева. Для остальных переменных параметров в диссертации получены соответствующие аналитические зависимости в функции угла поворота эквивалентного вала (в пределах контакта зубьев). Результаты этих расчетов в ПП Maple приведены на рис. 3 и 4.
а) б)
Рис. 3. Графики изменения крутильных жесткостей (а) и их производных (б) (1 - вал-шестерня, 2 венец). По ординате рис. а - крутильные жёсткости, Нм/рад, рис. б их производные, Нм/рад2; по абсциссе - угол контакта зубьев, рад.
Из графиков рис. 3, 4 видно, что изменение крутильных жёсткостей зубьев в пределах фазы зацепления составляет 2,1 - 2,6 раза, их производных - до 5 раз; изменение КПД (при = 0,1) для ЭКГ-8И равно 5%, по данным В.И. Ключева амплитуда отклонений передаточного отношения i = 6 - 10%. Всё это приводит к необходимости учета переменности этих параметров зубчатого зацепления при исследовании динамики ЭМС поворота.
На этой основе разработана компьютерная модель механизма поворота с использованием пакета динамического моделирования Simulink, которая позволяет получить временные диаграммы нагрузок в интересующих элементах механической системы поворота.
Слева на рис. 5 приведено главное окно модели, содержащее в соответствии с функциональной схемой рис. 1 блок задания (воспроизводит управляющие действия машиниста), СУЭП, электродвигатель поворота, субсистемный блок Transmission (зубчатая передача) и блоки, имитирующие поведение второй сосредоточенной массы системы - платформы экскаватора над ходовой тележкой.
Справа вверху на рис. 5 раскрыт субсистемный блок Transmission, с помощью которого учитываются зазор в передаче и эффект двупарности зубчатого зацепления (два одинаковых субсистемных блока Z1 и Z2). Внизу на рис. 5 изображено содержимое субблока Z1, имитирующего работу первой пары зацепления с учетом переменности жесткостей зубьев передачи, их производных по углу, КПД и передаточного отношения.
Рис. 5. Simulink-модель ЭМС привода поворота карьерного экскаватора
Рис. 7. Осциллограмма усилий в зубьях [по Г.Б. Иосилевичу]: а - зоны двухпарного зацепления; б - зона однопарного зацепления.
Рис. 6. Временные диаграммы усилий в первой (вверху) и второй (внизу) парах венцового зацепления при разгоне привода поворота экскаватора на выгрузку [модель].
Адекватность модели зубчатого зацепления подтверждается характером поведения упругих усилий в зубьях на временных диаграммах модели и лабораторных осциллограммах (рис. 6 и 7).
Основными выводами по результатам исследований модели являются:
- компьютерная модель позволяет получить достаточно точные для заявленной цели временные диаграммы нагрузок в характерных деталях поворотного механизма, учитывающие дополнительные параметрические колебания упругого момента, которые в натурном эксперименте практически невозможно зафиксировать;
- модельное время оказалось соизмеримым с временем паспортного цикла экскавации (десятки секунд), что исключает накопление данных за большое число циклов экскавации (соответственно срокам службы деталей) непосредственно в процессе моделирования; это приводит к необходимости разработки специализированного вычислительного модуля для оценки их ресурсов.
В третьей главе решается задача разработки модели накопления усталостных повреждений.
Как показывает опыт эксплуатации, причиной разрушения деталей экскаваторов является не превышение их статической прочности, а исчерпание долговечности по выносливости, то есть процесс многоцикловой усталости. Основной, а зачастую единственно известной характеристикой материала, используемой для описания его способности сопротивления многоцикловой усталости, является кривая Вёлера (Whler). Традиционно её левая наклонная ветвь выражается уравнением Басквина (Basquin) в записи:
= CN -1/m, (4)
где N - число циклов нагружения до разрушения при амплитуде напряжения ; m - константа материала; C - константа материала, которая для конструкционных сталей равна
C = R N01/m, (5)
где N0 - абсцисса точки перегиба кривой Вёлера; R - предел выносливости, напряжения ниже которого ювенильный материал не повреждают (т.е. правая ветвь кривой Велера есть горизонтальная прямая с N, стремящимся к ).
Современные представления о процессах усталостного разрушения материалов (работы Гусева А.С., Почтенного Е.К. и др.) полагают предел выносливости снижающимся от исходного значения R (для ювенильного материала) до нуля (в момент разрушения) по мере роста числа нагружений от 0 до N. Одновременно появляется понятие вторичных кривых Вёлера для поврежденных образцов, претерпевших предварительное число циклов нагружения ni (меньшее, чем Ni) с амплитудой i.
Рис. 8. Кривые Вёлера для ювенильного и поврежденного материала
В такой постановке построение вторичной кривой Вёлера иллюстрируется диаграммой рис. 8 (ординаты и абсциссы в относительных единицах с базами соответственно R и N0; масштабы осей логарифмические). Цифрами обозначены: 1 - исходная кривая Вёлера ювенильного материала; 2 - вторичная кривая усталости того же материала, предварительно подвергнутого ni циклам нагружения с амплитудой напряжения i; 3 - траектория снижения предела выносливости Ri для ювенильного материала по мере роста числа циклов нагружения с амплитудой напряжения i.
Большое число экспериментальных данных говорит о том, что наклон левых ветвей и абсциссы точек перегиба вторичных и исходной кривых Вёлера могут считаться практически неизменными. Тогда для точки с ординатой i на вторичной кривой Вёлера справедливо:
i = C2(Ni - ni)-1/m, (6)
где С2 = Ri N01/m , (7)
- константа поврежденного материала на вторичной кривой Вёлера.
Из соотношений 4 - 7 предел выносливости поврежденного материала представляется известной зависимостью Е.К. Почтенного:
Ri = R (1 - ni /Ni)1/m, (8)
или (в несколько измененной форме записи):
Ri = R [1 - ni(i/C)m]1/m, (9)
Согласно данным того же автора, характеристикой усталости, наиболее чувствительной к степени повреждения, является именно предел выносливости, а использование линейного принципа суммирования с таким учётом его снижения даёт в прогнозе долговечности наилучшее совпадение с экспериментом (поэтому выражение 5 эффективно используется в методиках ускоренных испытаний опытных образцов с блочно-регулярным нагружением).
При прогнозировании долговечности полноразмерных деталей со случайным характером нагружения встаёт вопрос схематизации нагрузок. Поскольку в результате моделирования мы имеем спектр нагрузок и их цикличностей в виде временных диаграмм за цикл экскавации, то вопрос схематизации можно решить следующим образом. Назовем мерой поврежденности произведение мгновенных значений числа циклов нагружения и напряжений v = n(/C)m. Условием разрушения (исчерпания ресурса) детали является достижение мерой поврежденности уровня v = 1. Текущее значение накопленной меры поврежденности (так как уравнение 9 является кинетическим) надо находить интегрированием производной:
v(t) = =. (10)
При характерных для экскаватора весьма переменном во времени (t) и нелинейно нарастающем n(t) следует иметь в виду две особенности:
- Производная
. (11)
Когда амплитуда = const, то первое слагаемое правой части равенства равно нулю и уравнение Басквина в виде (4) или (6) может использоваться впрямую; когда переменно, то первое слагаемое отлично от нуля и существенно меняет характер процесса накопления повреждений.
- Уравнение 10 выведено на основе аппроксимаций экспериментальных кривых Вёлера, то есть для регулярных нагружений. В нерегулярном случае первое слагаемое в (11), обусловленное динамичностью нагружения, имеет, скорее всего, другой коэффициент, нежели 1/Cm.
Отдельно для этого слагаемого введем в константу С усредненный за время интегрирования (за срок службы детали) поправочный коэффициент k, тогда аналитически процесс накопления поврежденности опишется выражением:
v(t) = , (12)
в котором по абсолютной величине (механизм поворота работает в реверсивном режиме) зачитываются:
- скорости нагружения и нагрузки (в моменты, когда последние превышают текущее значение предела выносливости):
(13)
- положительные значения производной (полагая в первом приближении, что уже накопленные повреждения не могут релаксировать):
(14)
В четвёртой главе показан пример практической реализации подхода для одной из деталей карьерного экскаватора ЭКГ-8И.
Известно, что в общей структуре потока отказов доля механического оборудования карьерных экскаваторов составляет до 65%, треть приходится на механизм поворота, в котором наиболее низкий уровень надёжности имеет вал-шестерня венцового зацепления (свыше 40% из отказов поворотного механизма ЭКГ-8И).
Временные диаграммы для этой критичной детали (вал-шестернни) изображены ниже на рис. 9 (при работе в паспортном цикле со штатным приводом) и на рис. 10 (при работе в ускоренном цикле с модернизированным приводом).
Наличие мощных программных пакетов моделирования сложных систем (Simulink и т.п.) позволяет создавать сколь угодно детализированные модели динамических объектов, а, нанося такой модели соответствующую совокупность управляющих и возмущающих воздействий, можно имитировать адекватное действительному поведение любых интересующих координат процесса (в том числе, не поддающихся прямому измерению на экскаваторе).
С учетом выводов по второй главе работы функциональная схема предлагаемого подхода выглядит так:
Рис. 11. Функциональная схема ускоренного определения изменения
ресурса деталей экскаватора при модернизации.
Результаты моделирования за время одного цикла экскавации (с помощью блока вывода simout, рис. 5) запоминаются в промежуточный текстовый файл табулированных значений модельного времени t, упругого момента М(t) в рассматриваемой детали и скорости её вращения (t), а затем загружаются в модуль анализа для последующей поцикловой обработки и представления итогов в графическом виде.
Конечно, расчет поврежденности несложно организовать и в самой Simulink-модели без использования внешнего анализатора ресурса, но это ведет к миллионам прогонов (пока в детали не накопится предельное повреждение = 1) моделируемого цикла экскавации и, следовательно, время расчета становится сопоставимым с реальным сроком службы детали (годы). С другой стороны, итеративный расчет поврежденности осуществляется по простым формулам прямого численного интегрирования и многократная обработка единожды загруженного массива данных (даже большой размерности) средствами любого языка программирования занимает минуты. Тогда представляется естественным задавать при моделировании такую совокупность управляющих и возмущающих воздействий, на которую при проектировании экскаватора были рассчитаны эксплуатационные характеристики всех узлов машины, то есть соответствующую её паспортному циклу экскавации (грунт IV категории, высота копания - до уровня напорного вала, угол отгрузки 90, время цикла для ЭКГ-8И - 28 с).
График роста поврежденности вал-шестерни рассчитывается по формулам 9 - 11, в которых параметры и расчетные переменные определяются следующим образом:
- По ГОСТ 21354-87 для зубчатых передач показатель кривой Вёлера по контактным напряжениям равен m = 6; при расчете на изгибную выносливость - 6 или 9 (в зависимости от способа обработки зубьев); в литературе есть рекомендации для реверсивных передач принимать m = 4,5. Циклом нагружения шестерни считается 1 оборот; за один паспортный цикл экскавации вал-шестерня делает около шести оборотов, таким образом, базовое число циклов нагружения по кривой Вёлера можно принять равным её 6-кратному паспортному сроку службы в циклах экскавации N0=62106.
- Число циклов нагружения , их производная (скорость нагружения) .
- Относительная нагрузка , где расчетный момент на шестерне вычисляется по паспортному стопорному моменту двигателя М ст. Производная относительной нагрузки определяется численным дифференцированием.
Два семейства кривых, полученных в анализаторе ресурса при работе с исходным и модернизированным приводом и иллюстрирующих накопление меры поврежденности в вал-шестерне, приведены ниже на диаграмме рис.12.
Рис. 12. Зависимость меры поврежденности от числа проделанных циклов экскавации.
Семейство СМУ-ГД получено при различных значениях показателя кривой Вёлера m = 4,5; 6; 9 и так подобранных значениях поправочных коэффициентов km, чтобы итоговый срок службы вал-шестерни при штатном приводе каждый раз соответствовал паспортному значению 2106 циклов экскавации. Те же поправочные коэффициенты использованы для расчета соответствующих кривых семейства ТВ-ГД. Из диаграммы видно, что ресурс детали при модернизированном приводе в зависимости от принятого значения m уменьшается в 3,153,44,15 раза и составляет % от исходного. Этот разброс погрешности в оценке изменения ресурса может считаться несущественным, и в качестве стандартного значения для зубчатых передач можно принимать показатель m = 6.
Анализатор ресурса позволяет запустить расчет временнй диаграммы исходного привода до заранее заданного числа циклов экскавации, затем загрузить временную диаграмму модернизированного привода и продолжить расчет до наступления условия разрушения = 1, то есть оценивать изменение ресурса для деталей различного возраста (рис. 13). Это особенно важно для деталей длительного срока службы, внутри которого может наступать этап модернизации машины, а в результате раньше планового срока замены этой детали возможна аварийная остановка экскаватора.
| Рис. 13. Изменение графика накопнления поврежденности в зависимости от момента модернизации (абсцисса - циклы экскавации). | Рис. 14. Остаточный ресурс вал-шеснтерни в зависимости от момента мондернизации (абсцисса - срок службы вал-шестерни на момент модернизации, ордината - остаточный ресурс после модернизации; тыс. циклов) |
Номограмма рис. 14 позволяет не только спрогнозировать дату аварийной ситуации и принять упреждающие меры по её предотвращению в первый период после модернизации, но и уточнить позицию плановой замены штатной детали в структуре ремонтного цикла модернизированного экскаватора по расчетной долговечности работы новой вал-шестерни ( 600 тыс. циклов экскавации) в модернизированном приводе.
Предложенная методика (при соответствующем дополнении разработанной Simulink-модели) позволяет проводить аналогичные расчёты для любых интересующих деталей экскаватора с модернизированным приводом поворота.
Задачей может быть поставлена и неизменность графика и структуры ремонтного цикла экскаватора после модернизации. Тогда конкретно для рассматриваемой детали (например, той же вал-шестерни ЭКГ-8И) методика может быть использована для обоснования её конструктивной модификации.
Прежний срок службы измененной детали после модернизации привода поворота может быть получен заданием в анализаторе ресурса увеличенного на 19,6% значения Мрасч (рис. 15, кривая 2).
Рис. 15. Накопление поврежденности за паспортный срок службы.
(1 - штатная вал-шестерня; 2 - модифицированная)
Это равносильно либо уменьшению на эту же величину текущей нагрузки - напряжения (t), либо упрочнению детали (увеличению на ту же величину исходного предела выносливости R). В первом случае требуемого можно добиться увеличением длины зуба на те же 19,6%, во втором - применить специальную обработку зубьев, например, ионное имплантирование + многослойное покрытие Ti - TiN и обусловить требования к её технологии.
Таким образом, оперативность предлагаемого подхода позволяет использовать его не только для анализа, но и для синтеза рациональных конструкторских и организационных решений.
Заключение
Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, посвященной повышению реальной эффективности модернизации карьерных экскаваторов. Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы и рекомендации:
1. Уменьшение времени цикла экскавации, т.е. повышение производительности экскаватора, определяется поворотным движением, поэтому с целью снижения капитальных затрат достаточно модернизировать только привод механизма поворота.
2. Колебания упругих моментов в венцовом зацеплении, вызывающие усталостный износ в деталях экскаватора, обусловлены, кроме прочего, переменностью текущих мгновенных значений КПД, упругости зубьев и их производных по углу поворота.
3. Интенсификация нагрузок механического оборудования при замене штатного привода поворота на модернизированный повышает техническую производительность машины на 5 - 8%, но ведёт к ускоренному износу деталей экскаваторов (в частности, ресурс штатной вал-шестерни венцового зацепления поворотного механизма карьерного экскаватора ЭКГ-8И уменьшается в 3,4 раза).
4. Разработана методика и программное обеспечение для ускоренной оценки изменения ресурса деталей одноковшовых экскаваторов при модернизации поворотного механизма.
5. Получаемые на основе этой методики номограммы остаточного (после модернизации поворота) ресурса позволяют:
а) спрогнозировать (а, следовательно, предотвратить) аварийные усталостные поломки деталей в начальной стадии эксплуатации модернизированного экскаватора;
б) обоснованно вносить изменения в структуру графика и содержание последующих плановых ремонтов экскаватора, либо без изменения графика обоснованно выбирать степень необходимого упрочнения или конструктивной модификации штатных деталей.
6. Полученные математические зависимости жесткости зубьев и ее производной от угла поворота вала зубчатой пары венцового зацепления могут быть использованы в других отраслях промышленности (в машиностроении и пр.).
7. Основные результаты диссертационной работы приняты к использованию НПК Югцветметавтоматика в проектно-констнрукторских разработках по модернизации электроприводов одноковшовых экскаваторов на карьерах предприятий цветной металлургии.
Основные положения диссертации опубликованы:
в изданиях, рекомендованных ВАК РФ
1. Хатагов А.Ч., Соин А.М., Хатагов З.А. Оценка эффективности модернизации приводов поворота карьерного экскаватора // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2008. - №11. С. 80 85.
в других научных изданиях
2. Соин А.М., Хатагов А.Ч. О влиянии динамических нагрузок режима черпания на усталостную прочность металлоконструкций карьерного экскаватора // Труды СКГТУ. 1997. - Вып. 3. С. 151155.
3. Хатагов А.Ч., Соин А.М., Будагов А.Г. Автоматизированная обработка результатов осциллографирования для получения типовых нагрузочных диаграмм механизмов экскаваторов // Труды СКГТУ. 1998. Вып. 4. С. 225 230.
4. Хатагов А.Ч., Харченко В.В., Соин А.М. Моделирование колебаний в передачах крупных горных машин // Информационная математика, кибернетика, искусственный интеллект в информациологии: Материалы международной конференции. - М. - Владикавказ, 1999. С. 73 76.
5. Харченко В.В., Соин А.М., Гаглоев А.А., Хатагов А.Ч. Трение в зубчатых передачах как причина параметрических колебаний в механизмах горных машин // Сборник научных трудов аспирантов СКГТУ. Владикавказ: СКГТУ, 2000. - С.364 368.
6. Хатагов А.Ч., Соин А.М. Анализ нагрузки механизма поворота карьерного экскаватора // Перспективы развития горнодобывающего и металлургического комплексов России: Материалы Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 70-летию СКГТУ. - Владикавказ: СКГТУ, 2002. С. 97 100.
7. Хатагов А.Ч., Харченко В.В., Соин А.М. Расчет крутильной жесткости венцовой передачи экскаватора // Горно-металлургический комплекс России: состояние, перспективы развития: Материалы II-й Всероссийской научно-практической конференции. - Владикавказ: СКГТУ, 2003. С. 328 334.
8. Хатагов А.Ч., Харченко В.В., Соин А.М. Исследование совместного влияния переменных параметров зубчатых передач крупных горных машин // Горно-металлургический комплекс России: состояние, перспективы развития: Материалы II-й Всероссийской научно-пракнтической конференции. - Владикавказ: СКГТУ, 2003. С. 328 334.
Подписано в печать 20.04.2012. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура Таймс. Объём 1 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 77.
ФГБОУ ВПО "Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет)".
Отпечатано в отделе оперативной полиграфии СКГМИ (ГТУ).
362021, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям