Содержание к диссертации
Введение
1. Исследование состояния вопроса и постановка задач исследований 6
1.1. Сравнительная оценка горнотехнических параметров и эксплуатационных показателей карьерных экскаваторов с электроприводом и гидроприводом основных механизмов 6
1.2. Основные конструктивные и технологические преимущества карьерных гидравлических экскаваторов 21
1.3. Цель, задачи и методы исследований 51
1.4. Методы определения эффективности карьерных гидравлических экскаваторов 57
Выводы по главе 61
2. Оценка факторов, определяющих надежность гидравлических экскаваторов
2.1. Влияние ремонтных воздействий на производительность и долговечность карьерных гидравлических экскаваторов 63
2.2. Влияние на надежность эксплуатации гидравлических систем чистоты рабочей жидкости 74
2.3. Систематизация сервисных воздействий и средств мониторинга в зависимости от условий эксплуатации 87
Выводы по главе 100
3. Исследование параметров чистоты рабочей жидкости в процессе эксплуатации карьерных гидравлических экскаваторов 101
3.1. Анализ и разработка комплекса контроля загрязненности жидкости 101
3.2. Исследование очистки заправляемой жидкости ПО
3.3. Установки для дополнительной очистки жидкости в гидравлической системе экскаватора 118
3.4. Эксплуатация систем фильтрации и мониторинг рабочей жидкости 122
Вы воды по главе 125
4. Разработка и исследование и средств контроля режимов работы гидравлических экскаваторов 126
4.1. Технические требования к приборной базе контроля режимов работы карьерных гидравлических экскаваторов 126
4.2. Исследование технологических возможностей карьерных гидравлических экскаваторов с применением приборного комплекса ИН-МГМ на базе информационного накопителя 130
4.3. Исследование эксплуатационных режимов работы карьерных гидравлических экскаваторов 135
4.4. Разработка экономической модели и создание средств повышения эффективности эксплуатации карьерных гидравлических экскаваторов 143
4.4.1. Разработка методики технико-экономической оценки средств повышения надежности экскаваторов 144
4.4.2. Создание и внедрение в практику горного производства маслозаправочного агрегата МЗА, фильтровальных установок PFU-lOm и мини - лабораторий контроля чистоты жидкости 151
Выводы по главе 154
Заключение 157
Литература
- Основные конструктивные и технологические преимущества карьерных гидравлических экскаваторов
- Влияние на надежность эксплуатации гидравлических систем чистоты рабочей жидкости
- Установки для дополнительной очистки жидкости в гидравлической системе экскаватора
- Исследование технологических возможностей карьерных гидравлических экскаваторов с применением приборного комплекса ИН-МГМ на базе информационного накопителя
Введение к работе
Интенсификация открытого способа разработки твердых полезных ископаемых возможна в большей степени за счет применения современных систем оборудования большей единичной мощности.
Темой настоящего исследования является анализ состояния транспортных систем разработки с применением карьерных гидравлических экскаваторов.
Технологические параметры гидравлических экскаваторов исследовались во многих работах, которые показали целесообразность технического перевооружения и вытеснения на горных предприятиях карьерных экскаваторов с электромеханическим приводом основных механизмов.
Наличие таких обоснований позволяет внедрить новые гибкие технологические схемы горного производства и одновременно в 2 раза снизить металлоемкость экскаваторного парка, обеспечить сервисное обслуживание нового поколения экскавационных машин, увеличив эффективность их применения.
Более 25 лет отечественные технологи и машиностроители пытаются создать условия для широкомасштабного применения гидравлических экскаваторов. Однако, эти работы носят в большей степени теоретический и экспериментальный характер, что на наш взгляд объясняется отсутствием инфраструктуры сервисного обслуживания гидравлических экскаваторов на карьерах.
На зарубежных предприятиях ситуация прямо противоположная. Еще десять лет назад, при поставке экскаваторов с ковшом вместимостью больше 12 куб.м., гидравлические экскаваторы составляли 30%, карьерные экскаваторы с электромеханическим приводом 70%. В настоящее время 75%, поставляемых на открытые горные работы, составляют карьерные гидравлические экскаваторы и только 25% экскаваторы с электромеханическим приводом. Главная причина в стремлении увеличить производительность труда, уменьшить численность работающих на горных предприятиях. Заказчиками 25% карьерных экскаваторов с электромеханическим приводом являются предприятия, которые имеют сложившуюся инфраструктуру с ремонтными цехами, системами электроснабжения и традициями интенсификации горных работ за счет увеличения вместимости ковшей и производительности средств транспорта.
Новые предприятия большой единичной мощности, средней и малой мощности, как правило, идут на применение карьерных гидравлических экскаваторов.
Проводить сравнение эффективности применения карьерных гидравлических экскаваторов с традиционными канатными следует с учетом затрат на инфраструктуру сервисного обслуживания, доставку и монтаж экскаваторов, привлечение людских ресурсов и вспомогательной техники, строительство ремонтной базы и складского хозяйства.
В нашей стране, учитывая преимущества гидравлических экскаваторов, мощные горные предприятия АК «АЛРОСА», ОАО ХК «ЯКУТУГОЛЬ», ОАО «АПАТИТ», ОАО «Черниговец», ОАО «Норильский Никель», а также «Навоинский Горно-металлургический комбинат» в Узбекистане, «Васильковский ГОК», «Казахмыс» в Казахстане, приняли решение о перевооружении за счет внедрения нового поколения погрузочных машин.
Идеей настоящей работы является анализ работы зарубежных и отечественных предприятий, которые накопили определенный опыт эксплуатации карьерных гидравлических экскаваторов, обобщение достигнутых результатов и разработка методики формирования средств эффективной эксплуатации новых машин в экстремальных условиях карьеров.
Основные конструктивные и технологические преимущества карьерных гидравлических экскаваторов
В работах /1,2,3,4,5/ проведены исследования основных факторов, определяющих производительность и эффективность применения карьерных гидравлических экскаваторов. Наиболее глубоко исследованы процессы копания и разработки забоя, безопасности ведения работ и технологических схем применения . При этом исследования проводились в натурных условиях при экстремальных температурах в летнее время до +35С и зимой до -40С. Однако, эти исследования относятся к влиянию горно-технических условий разработки и климатических факторов на эффективность применения карьерных гидравлических экскаваторов. В меньшей степени касаются исследования собственно вопросов влияния гидропривода и систем обеспечивающих его работоспособность. Необходимо отметить цикл работ выполненных учеными ИГД им. А.А. Скочинского /6,17,3139,46/ в которых детально решены вопросы совершенствования систем гидропривода отечественного роторного экскаватора ЭРП-1600Г и карьерного экскаватора с гидроприводом механизмов напора и хода 204М, изготовленных «Сумитомо Корп.» (Япония) по лицензии фирмы «Марион» (США). Результаты этих исследований могут быть использованы для решения вопросов диагностирования отказов гидравлических систем и создания средств очистки гидравлической жидкости.
Большой объем исследований /3,20,35,52/ был направлен на изучение рабочего процесса карьерных гидравлических экскаваторов ЭГ-12, ЭГ-12А, ЭГ-20 и ЭГО-6, изготовленных ПО «Уралмаш». Общие положительные выводы о целесообразности внедрения такого типа машин, к сожалению, не получили развития и серийный выпуск подобных экскаваторов не начат. Причинами этого можно считать, в первую очередь, не совершенство конструктивных решений и отсутствие у производителей возможностей довести машины до серийного выпуска. Во вторых, показатели надежности у этих машин можно было зафиксировать на уровне часовой, суточной и среднемесячной работы, что не является достаточным условием их промышленного внедрения. Период проведения этих работ относится к 1975 -1992 г.г. Результаты работ, безусловно, достоверны и могут быть применены для прогнозирования качественных характеристик нового поколения экскаваторов. Первым промышленным опытом в СНГ можно считать применение карьерных гидравлических экскаваторов с ковшом вместимостью 17 куб.м. производства фирм «Каттерпилар» (США), «Оренштайн - Коппель» (Германия) и «Хитачи» (Япония). Опыт применения /79/ экскаваторов Cat 5232, RH-170 и ЕХ-2500 доказал их технологические преимущества по сравнению с карьерными механическими лопатами. В 3-й главе будут приведены результаты статистического анализа данных по применению этих экскаваторов, которые были предоставлены специалистами «Навоинского горно — металлургического комбината». Более мощные гидравлические экскаваторы H-285S были поставлены фирмой «Комацу Горное Германия» (Германия) в АК «Алроса» в 1999 г.
В ходе исследований сделаны определенные выводы о возможности эффективной эксплуатации таких мощных экскаваторов в экстремальных условиях карьеров Якутии при низких температурах /47,48,50,73,/. Эффективность эксплуатации можно выразить интегральным показателем отношения эксплуатационных затрат к производительности карьерных гидравлических экскаваторов. Гидравлические экскаваторы можно представить, как совокупность следующих основных систем: - механические - конструкции, нижняя рама, поворотная платформа, рабочее оборудование, ходовой механизм; - гидравлическая система - включающая гидравлические цилиндры, насосы, моторы, блоки золотников, рукава высокого давления, фильтры, контрольные и защитные устройства; - электрическая система - включающая управление золотниками, освещение, отопление, подогрев рабочего оборудования для запуска при низких температурах, систему датчиков контроля температуры, давления, загрязненности фильтров бортовой компьютер для фиксирования всех параметров, информационного обеспечения оператора и сервисных служб, управление приводами;
Влияние на надежность эксплуатации гидравлических систем чистоты рабочей жидкости
Выбор принципиальной схемы вызывает наибольшие дискуссии при проектировании систем фильтрации. Существует достаточно много традиционных позиций размещения фильтров и каждое расположение имеет свои достоинства и недостатки [89], определяемые прежде всего конструктивными особенностями очистителей, которые будут рассмотрены ниже. Однако, поскольку задержание частиц загрязнений есть процесс статистический, во всех случаях разумно использовать сочетание фильтров двух принципиально разных назначений:
Рабочих, задачей которых является задержание большинства загрязнений, поступающих в систему, и поддержание чистоты жидкости на требуемом уровне. Кроме Р-характеристики, важнейшим показателем рабочего фильтра является грязеемкость.
Страховочных, задачей которых является гарантированное (со 100% вероятностью) улавливание частиц, размер которых превышает максимально допустимый. Таких частиц при работе машины в штатных режимах обычно очень мало, поскольку соотношение абсолютных тонкостей фильтрации страховочного и рабочего фильтра, как правило, превышает 2:1. Поэтому, кроме ( -характеристики, важнейшим показателем страховочного фильтра является пропускная способность. Рекомендуемые параметры фильтров в таб.2.6.
Примечание: рекомендованные величины ресурсов указаны из расчета непрерывного режима работы
В настоящее время на рынке имеется огромный выбор фильтров самых разных конструкций и параметров, что открывает широкие возможности для развития и оптимизации схем фильтрации на базе анализа эффективности схемных и конструктивных решений. При этом наиболее обоснованным критерием эффективности системы фильтрации представляется цена очистки жидкости в расчете на час работы машины, при заданной гранулометрической кривой и приемлемом графике обслуживания фильтровальных установок.
Рабочие фильтры целесообразно размещать на путях поступления загрязнений в гидросистему и в гидролиниях, для которых характерна наибольшая относительная концентрация частиц.
Желательно, с целью уменьшения стоимости агрегатов, устанавливать фильтры в гидролиниях низкого давления.
Страховочные фильтры целесообразно устанавливать непосредственно перед чувствительными узлами, либо непосредственно за агрегатами, отказ которых может вызвать лавинообразное загрязнение системы (например, насос). Следует подчеркнуть, что даже использование высокоэффективных рабочих фильтров не исключает необходимости применения страховочных. Так, в жидкостях гидросистемах экскаваторов, где использовались фильтры с АТФ 30 мкм (Рзо=75) были отмечены отдельные частицы размером до 50 мкм, а единичные - до 80 мкм [8]. В гидросистемах вертолетов, где применялись фильтры с АТФ 5 мкм (Р5=200), обнаруживались частицы крупностью до 20 мкм.
Для страховочных фильтров лучше всего использовать регенерируемые фильтрующие материалы типа металлических сеток, тем более, что их фильтрационные характеристики вполне достаточны как для отсева случайных крупных частиц, так и для защиты системы в случае внезапного кратковременного загрязнения. Кроме того, металлические сетки являются практически фильтрами геометрической эффективности , поэтому они не будут терять ресурс на отсев регулярных частиц, которые должны улавливаться рабочими очистителями.
Для циркуляционных систем совершенно необязательно, чтобы рабочий фильтр был полнопоточным, то есть чтобы он пропускал через себя весь поток жидкости, формируемый насосной установкой (Qpmax)- Во многих случаях вполне достаточно частичнопоточных фильтров и требуемая чистота жидкости обеспечивается при Qz Qpmax /2.3/ С созданием в 1990-е годы фильтрующих материалов повышенной эффективности, появляется возможность использовать частичнопоточные фильтры не только совместно с полнопоточными, но и вместо последних. Так, анализ простейшей открытой одноконтурной гидросистемы показывает, что очистка 20% потока фильтром с высокой р-характеристикой обеспечивает класс чистоты 16/13. При этом оптимальным можно считать применение фильтра с Р15 = 12 и Q/V=0.19, поскольку именно это сочетание фильтрационных и энергетических характеристик наиболее экономически выгодно.
Установки для дополнительной очистки жидкости в гидравлической системе экскаватора
Обоснованный выбор параметров обслуживания систем карьерных гидравлических экскаваторов, в том числе выбор оптимального уровня загрязненности рабочей жидкости, который должен быть достигнут с применением внелинейных систем фильтрации и который входит в качестве параметра и должен выбираться с учетом особенностей режимов нагружения привода. Выше показано, что ресурс агрегата может быть найден из соотношения (2.1)
Для КГЭ, учитывая динамичность рабочего процесса и исходя из гипотезы линейного суммирования повреждений, многократно подтвержденной для абразивного износа, выражение (2.1) можно представить в виде (2.2).
Важнейшим преимуществом применения внелинейных систем фильтрации является возможность оперативного вмешательства в процесс работы гидросистемы и получение того уровня очистки жидкости, который наилучшим образом соответствует эксплуатационным условиям. Поэтому очевидно, что для обоснованного принятия решений о режимах работы ВСФ и, следовательно, с целью избежания излишних затрат на эксплуатационные мероприятия, необходимо иметь данные о режимах работы КГЭ. Разнообразие горно-геологических условий эксплуатации не позволяет предсказать режимы нагружения машин, поэтому для получения актуальной информации желательно иметь соответствующее приборное обеспечение, реализующее малозатратный, и, по возможности, автоматический контроль величин нагрузок не привод экскаватора.
Данные о режимах работы должны быть использованы не только для определения рациональных периодичности и длительности работы ВСФ, но также и для уточнения периодичности иных видов техобслуживания и прогнозирования остаточного ресурса агрегатов с использованием накопленного обширного экспериментального материала и известных расчетных соотношений вида R=pN V /50,100/.
До сих пор наиболее распространенной формой сбора данных о режимах нагружения техники для последующего анализа являются испытания, которые проводятся в течение короткого времени с применением исследовательской аппаратуры. Естественно, один из важнейших вопросов организации подобных испытаний - это обеспечение их статистической достоверности и/или выбор действительно характерных режимов работы, что очень часто представляет значительные трудности.
Новые возможности для получения достоверной информации не в ходе трудоемких испытаний, но в процессе регулярной работы техники открывает применение технологий непрерывного измерения и записи физических параметров. Впервые в нашей стране аппаратура для таких измерений — хемотронные концентраторы информации - была создана в отделении горной механики ИГД им. А.А. Скочинского /50/.Эта аппаратура была применена при подконтрольной эксплуатации гидравлических экскаваторов в ПО «Якутуголь» в 1984 году.
Однако хемотронные концентраторы информации КИН-Ід работали только с датчиками тока и давления, накапливая данные на специальных блоках, и не были приспособлены для динамического анализа, равно как и для стыковки с компьютерами. Иные существующие изделия, например даталоггеры типа Omega /53/, не могут быть применены для исследования карьерных гидравлических экскаваторов в связи с недостаточной надежностью при работе в условиях вибраций и отрицательных температур окружающего воздуха. Поэтому имеется необходимость в разработке специального приборной базы для контроля режимов работы карьерных гидравлических экскаваторов.
Для того чтобы создание нового прибора было оправданным, он должен иметь перспективу достаточно широкого применения, поэтому в данном приложении рассматривались не только задачи настоящего исследования, но и схлжие задачи, получения фактических данных о производительности, эффективности использования, износе агрегатов, возникающие при эксплуатации современной техники. Эти задачи могут быть подразделены на пять классов: - Квалификационные испытания, то есть определение или проверка тактико-технических характеристик, ткаих как производительность, максимальные усилия и т.п.; - Подконтрольная эксплуатация, то есть определение фактических эксплуатационных параметров, таких как средняя производительность, надежность и т.п.; - Контроль эффективности работы оператора, то есть соответствия фактически обеспечиваемых под его управлением показателей возможностям машины; - Контроль эффективности использования машины, то есть ее загрузки и востребованности в реальном производственном процессе; - Диагностика узлов и агрегатов. Решение перечисленных задач может быть обеспечено только путем измерения и анализа физических параметров, номенклатура которых определяется соответствующей организационно-технической, эксплуатационной и диагностической документацией. При этом требуется реализация трех различных режимов контроля:
Исследование технологических возможностей карьерных гидравлических экскаваторов с применением приборного комплекса ИН-МГМ на базе информационного накопителя
Создание и внедрение в практику горного производства маслозаправочного агрегата МЗА, фильтровальных установок PFU-10m и мини - лабораторий контроля чистоты жидкости.
Фактическое состояние рабочей жидкости характеризуется ее вязкостью, а также следующими параметрами, отнесенными к единице объема жидкости: масса загрязняющих частиц; количество загрязняющих частиц определенного размера; масса воды; Основные задачи перед инструментальным комплексом контроля качества жидкостей заключаются в следующем: периодическом отборе, подготовке и обработке проб рабочих жидкостей; накоплении результатов обработки проб в компьютерной базе данных; анализе результатов обработки проб путем сравнения полученных данных с диапазонами рекомендованных значений; анализе динамики накопленных результатов обработки проб; разработке эксплуатационных мероприятий на основании анализа. Эксплуатационные мероприятия, назначаемые на основании информации о фактических значениях параметров состояния рабочих жидкостей, заключаются в следующем: замена рабочей жидкости; запрещение заправки некондиционной жидкости в системы машин; замена фильтрующих элементов (картриджей) в штатных фильтрах; очистка жидкости «внелинейными» ("off-line") фильтровальными установками; замена насосов, гидромоторов и/или других гидроагрегатов; ремонт агрегатов, в том числе гидромашин, гидроцилиндров или двигателей (дизелей);
Большинство аппаратных средств являются портативными, что обеспечивает удобство их применения в условиях горных предприятий, когда зачастую нет возможности оснастить самостоятельной лабораторией каждую структурную единицу. Тем не менее, подсистема может быть развернута в виде стационарной лаборатории.
Использование комплекта FQC обеспечивает значительное повышение надежности и производительности техники.
Предлагаемый комплект содержит специализированные приспособления и лабораторное оборудование, пригодное только для выполнения необходимых задач и не обязательно приспособленное для универсальных исследований и измерений. Оборудование комплекта FQC значительно дешевле универсальных лабораторных приборов. Универсальные приборы, созданные для высокоточной работы в широких диапазонах измеряемых параметров, не требуются. Их практическое применение затруднено, поскольку требует наличия специально оборудованных помещений, квалифицированного обученного персонала, точной настройки. Универсальная лаборатория дорога не только в приобретении, но и в эксплуатации. В развитых странах организации, эксплуатирующие технику, универсальных лабораторий обычно не содержат, но прибегают к услугам специализированных фирм, оказывающих соответствующий сервис.
Комплект FQC специально разработан для условий, когда специализированные фирмы отсутствуют или недоступны, при обслуживании горно-транспортной техники.
Отличительные особенности комплекта FQC следующие: применение относительно дешевого оборудования, обеспечивающего контроль качества рабочих жидкостей только в пределах, необходимых для решения конкретных задач диагностики; возможность расширения комплекта по мере появления новых диагностических задач; возможность проведения измерений в полевых условиях. Использование средств измерений в комплекте FQC предполагает высокую требовательность к подготовке исходных данных, в частности: обеспечению адекватности пробоотбора; тщательной предварительной обработке проб; накоплению банка данных о текущем состоянии рабочих жидкостей. Оборудование комплекта FQC позволяет удовлетворить перечисленным требованиям и, на основании окончательной обработки и интерпретации данных, принять обоснованные решения о необходимости тех или иных ремонтных воздействий. Изложенные выше теоретические и экспериментальные исследования получили свое практическое применение при разработке маслозаправочного агрегата МЗА.
