Содержание
Одним из важных вопросов при оценке живучести, долговечности и остаточного ресурса горных машин является воссоздание истории их механического нагружения за относительно длительный период
По истории нагружения, связанной с условиями эксплуатации объекта и накопленными повреждениями, можно оценивать перспективы его работы в аналогичных условиях.
На горные машины, работающие в условиях разрезов, действуют различные механические нагрузки, зависящие от свойств разрабатываемых пород.
Энерготехнологический способ оценки механизмов и машин
Получить историю нагружения этих машин можно при использовании записей изменения электропотребления в течение длительного периода, например, в течение месяца.
Решение данного вопроса может быть рассмотрено на примере работы одноковшовых экскаваторов, которые разрабатывают взорванную горную породу.
Большое влияние на нагрузки, возникающие в металлоконструкциях экскаваторов, оказывает качество подготовки горных пород к экскавации взрывным способом.
В настоящее время известно достаточно большое число способов оценки качества взрывной подготовки горных пород к экскавации, в частности:
- Фотопланиметрический способ.
- Способ непосредственного замера (метод Зуркова).
- Энерготехнологический способ, весьма эффективный, хотя н не вполне изученный.
Энерготехнологический способ основывается на определении энергозатрат при проведении тех или иных работ используемым оборудованием и получении его энерготехнологических характеристик.
Отличием этого способа от остальных является:
- Что он весьма технологичен.
- С его помощью можно производить оценку качества подготовки забоя без дополнительных работ непосредственно в процессе экскавации по показаниям энергосчетчиков (электросчетчиков) [1].
Особенностью способа является то, что по энерготехнологическим характеристикам экскаваторов можно определять:
- Интенсивность накопления дефектов в их металлоконструкциях.
- Устанавливать скорость развития трещин.
Учитывая, что трещины в конструкциях экскаваторов возникают в достаточно большом количестве и необходима регуляция этого процесса, последнее свойство может быть признано весьма значимым.
Важнейшими энерготехнологическими характеристиками экскаваторов являются:
- Полное энергопотребление экскаватора в единицу времени (мощность, потребляемая из сети).
- Энергопотребление экскаваторов в единицу времени при имитации работы (мощность холостого хода).
- Энергопотребление в единицу времени при совершении полезной работы, т е. за исключением энергии, затраченной при имитации работы.
- Общее удельное энергопотребление (удельные энергетические затраты), т е. энергия (работа), отнесенная к объему или массе переработанной горной породы.
- Удельное энергопотребление при совершении полезной работы.
Эти характеристики могут быть получены как для экскаватора в целом, так и для отдельных его механизмов.
Была поставлена задача — установить взаимосвязь между:
- Удельным энергопотреблением экскаваторов при совершении полезной работы.
- Скоростью роста трещин в их металлоконструкциях и остаточным ресурсом.
С этой целью на разрезах Кузбасса были проведены экспериментальные исследования экскаваторов:
- ЭКГ-12,5.
- ЭКГ-15 с ковшом 18 м3 (дальше по тексту ЭКГ-15(18)).
- ЭШ-13/50.
При определении общего потребления электроэнергии использовались следующие средства:
- Стандартные счетчики переменного тока СА-3, которые устанавливались в энергораспределительные ячейки экскаваторов.
- Одновременно с помощью осциллографа Н-117 производилась запись изменения.
В результате производились замеры потребления электроэнергии отдельными механизмами экскаваторов:
- Тяговые усилия подъема.
- Тяговые усилия поворота при работе экскаваторов в различных забоях с изменяющимся грансоставом взорванной горной массы.
В свою очередь для фиксирования результатов учтено следующее:
- Осциллограф включался в сеть постоянного тока соответствующего электродвигателя.
- В опасных точках конструкций экскаваторов наклеивались датчики сопротивления (тензодатчики), выход которых через усилитель подключался к шлейфовому осциллографу и поступающий сигнал записывался на осциллограмме.
- Расшифровка полученных осциллограмм позволяла оценить уровень деформаций и определить напряжения в этих зонах.
Анализ полученных результатов исследований
По полученным сведениям, о нагрузках рассчитывались коэффициенты интенсивности напряжений (КИН).
Описывающие напряженно-деформированное состояние в вершинах, максимально допускаемых Госгортехнадзором трещиноподобных дефектов. Коэффициент интенсивности напряжений для сквозных трещин может быть вычислен на основании [2].
Условно эти дефекты могут быть приняты за развивающиеся трещины, для которых могут быть вычислены скорости их роста в зависимости от энерготехнологических характеристик экскаваторов, связанных с грансоставом пород.
В результате анализа экспериментальных данных установлены:
- Зависимости полного энергопотребления экскаваторов в единицу времени (потребляемая мощность из сети) от их производительности.
- Производительность экскаваторов, определялась интерполированием в соответствии с [3].
- Следует отметить, что с увеличением производительности экскаваторов энергопотребление уменьшается.
Это, на наш взгляд, обусловлено технологическими особенностями забоев и определяется качеством взрывной подготовки пород к экскавации.
Зависимость энергопотребления от грансостава пород представлена на рисунке 1:
где
- 1 — ЭШ 13/50.
- 2 — ЭКГ-15(18).
- 3 — ЭКГ-12,5.
Зависимости энергопотребления при совершении полезной работ в зависимости от грансостава представлена на рисунке 2:
где
- 1 — ЭШ 13/50.
- 2 — ЭКГ-12,5.
- 3 -ЭКГ-15(18).
При изменении диаметра среднего куска взорванной горной массы от 0,3 до 0,5 м энергопотребление названных экскаваторов в среднем возрастало в 1,3 раза.
С целью расчета затрат энергии экскаваторами на выполнение полезной работы равной разности между их полной работой и работой имитирующей процесс экскавации.
Были проведены замеры затрат электроэнергии при имитации работы, которые составляли для экскаваторов:
- ЭКГ-12,5 — 460 кВт.
- ЭКГ-15(18) — 505 кВт.
- ЭШ 13/50 — 615 кВт.
Общие удельные энергозатраты экскаваторов на экскавацию 1 м3 горной массы определялись расчетным путем на основе использования полного энергопотребления экскаваторов.
В зависимости от грансостава пород они изменялись в следующих пределах:
- ЭКГ-12,5 — от 0,5 до 0,9 кВтч/м3.
- ЭКГ-15(18) — от 0,6 до 1,0 кВтч/м3.
- ЭШ 13/50 — от 1,4 до 1,9 кВтч/м3.
Удельные энергозатраты на экскавацию 1 м3 горной массы соответствующие совершаемой полезной работе определялись аналогично предыдущему параметру, и они составляли в зависимости от грансостава:
- ЭКГ-12,5 — 0,18+0,29 кВтч/м3.
- ЭКГ-15(18) – 0,17-0,27 кВтч/м3.
- ЭШ 13/50 — 0,31-0,58 кВтч/м3.
Нагруженность металлоконструкций экскаваторов существенно зависит от коэффициента разрыхления пород (Кр), величина которого изменяется как по ширине, так и по высоте развала.
В результате исследования отмечено, что энергозатраты на операцию черпания менялись параллельно изменению Кр по обратно степенному закону:
- Так, для драглайна ЭШ 13/50 при dCP = 0,45 м и Кр = 1,15 удельные энергозатраты были равны 0,8 кВтч/м3.
- При Кр = 1,3 — 0,5 кВтч/м3.
- При Кр = 1,5 — 0,4 кВтч/м3.
На основе полученных сведений о нагруженности экскаваторов была произведена оценка скорости роста трещин в их металлоконструкциях и осуществлена связь с энерготехнологическими характеристиками.
Но с целью уточнения результатов исследований были получены энерготехнологические характеристики отдельных механизмов экскаваторов, связанных с отдельными операциями.
В результате точность оценки долговечности металлоконструкций экскаваторов повысилась на 32 %. В расчетах долговечности металлоконструкций можно пользоваться обоими вариантами в зависимости от требуемой точности.
При определении энерготехнологических характеристик отдельных механизмов необходимо учитывать характер их использования, в частности:
- В ходе операции черпанья у драглайна задействуются все механизмы — тяги, подъема, поворота, у прямых лопат аналогично — подъема, напора и поворота.
- В ходе операции подъема у драглайнов задействуются как механизм подъема, так и механизм тяги, у прямых лопат операция подъема несвязанная с операциями поворота и черпанья является слабовыраженной.
- В процессе поворота и выгрузки у экскаваторов любых типов используются все механизмы.
В результате исследований установлено, что у всех трех типов экскаваторов наибольшее удельное энергопотребление, идущее на выполнение полезной работы, наблюдалось при операциях:
- На первом месте операция черпания.
- На втором месте операция подъема.
- На третьем месте операция поворота.
Наиболее варьируемым фактором было изменение энергопотребления также в ходе операции черпания:
- Коэффициент вариации 23%.
- Меньше всего параметр варьировался при операции поворота, на него влиял грансостав лишь посредством изменения наполнения ковша, где коэффициент вариации 15%.
С повышением качества дробления пород увеличивалось наполнение ковша, и вследствие этого повышались энергозатраты.
При экскавации пород с различным качеством подготовки взрывом распределение потребления энергии значительно меняется между механизмами:
- При экскавации пород при dCP > 0,5 м наибольшее энергопотребление имеет место в механизме тяги и подъема у драглайна и механизме напора и подъема у прямых лопат.
- При экскавации пород с dCP < 0,5 м в сравнении с разработкой пород, имеющих в среднем более крупные куски, происходит перераспределение энергопотребления в пользу механизма поворота.
- При этом облегчается разрушение пород при черпании и повышается коэффициент наполнения ковша, что и приводит к такого рода изменениям.
Таким же образом влияет на энергопотребление и качество подготовки пород взрывом к экскавации.
В результате выполненных исследований была определена интенсивность накопления микродефектов в металлоконструкциях экскаваторов при различных условиях эксплуатации и преобразования дефектов в макротрещины.
За объект исследования были взяты однотипные экскаваторы ЭКГ-12,5, работавшие длительное время в различных условиях северного и южного Кузбасса разрезов:
- «Кедровский».
- «Красногорский».
В результате была установлено распределение размахов напряжений от удельных энергозатрат в процессе экскавации представлена на рисунке 3:
где
- 1 — еэ = 0,8 кВтч/м3.
- 2 — еэ = 0,4 кВтч/м3.
На основе оценки нагруженности зон сварных швов с трещиноподобными дефектами, циклограмм ее изменения и установленной связи между нагруженностью и качеством подготовки пород были определены скорости роста трещиноподобных дефектов в соответствии с [4].
Трещины у горного оборудования формируются по-разному:
- В итоге, трещине длиной 0,0015 м развивающейся в ходовой тележке экскаватора ЭКГ-15(18) со скоростью 4*10-7 м/цикл соответствовали удельные энергозатраты 0,35 кВтч/м3.
- В свою очередь, для аналогичной трещины в верхней секции стрелы драглайна ЭШ 13/50 такая же скорость достигается при энергозатратах равных 0,4 кВтч/м3.
Зависимость скорости роста трещины представлена на рисунке 4:
где
- 1 — трещина в верхней секции стрелы ЭШ 13/50.
- 2 -трещина в ходовой тележке ЭКГ-15(18).
На основании полученных данных разработаны графики, позволяющие по полученным сведениям общих или удельных энергозатрат за длительный период воспроизводить историю нагружения.
Данная методика позволила рассчитывать скорость роста трещин в различных металлоконструкциях экскаваторов, и тем самым оценивать их живучесть, долговечность и остаточный ресурс.
Разработанная методика позволяет предотвращать неожиданные отказы работы экскаваторов, продлевать период их безаварийной эксплуатации, увеличивать общий срок службы.
Список литературы
- Таноаев И.А. Энергетические основы оптимизации технологических процессов открытых горных работ. Автореферат диссертации на соискание степени доктора технических наук. Фрунзе. Фрунзенский политехнический институт. 1988. С.32.
- Панасюк В.В., Саврук М.П., Дацишин А.П. Распределение напряжений около трещин в пластинах и оболочках. Киев Наукова думка 1976. С 443.
- Репин Н.Я., Бирюков А.В., Паначев И.А., Ташкинов А.С. Временная методика расчета параметров взрывной отбойки пород наугольных разрезах. М : ИГД им. А А Скочинского. 1976 г. С. 48.
- Паначев И.А., Насонов М.Ю., Сидельников С.А. К оценке прочности стреловых конструкций шагающих экскаваторов при наличии различных типов трещин. ВестникКузГТУ. 1997. №1. С. 45-49.
- Ресурсосберегающее управление электроприводами горных машин.
- Функциональное диагностирование и прогнозирование состояния асинхронных электродвигателей горных машин на основе их динамической идентификации.
Источник: Получение истории нагружения горных машин в зависимости от изменения энергопотребления / М.Ю. Насонов, В.Г. Гореликов // Вестник КузГТУ. — 2012. — №3. — C. 36-39.