Содержание к диссертации
Введение
1. Вопросы эксплуатации карьерных автосамосвалов и экскаваторно-автомобильных комплексов на разрезах Кузбасса 8
1.1. Состояние современного карьерного транспорта 8
1.2. Существующие разработки и научно-технические рекомендации .22
1.3. Обзор методик повышения производительности экскаваторно-автомобильных комплексов с помощью имитационного моделирования 32
1.4. Обзор существующих схем заезда автосамосвалов под погрузку и разгрузку и их классификация 38
1.5. Влияние динамических нагрузки и ресурс несущих конструкций карьерных автосамосвалов 42
Выводы 47
2. Методика расчета параметров рационального использования вместимости кузовов автосамосвалов при транспортных операциях 48
2.1. Постановка задачи расчета оптимальной степени загрузки автосамосвалов 48
2.2. Режимы работы экскаваторно-автомобильных комплексов на разрезах Кузбасса 51
2.3. Критерий эффективности 55
2.4. Оптимизация степени загрузки автосамосвала 61
2.5.Оптимизация степени загрузки с учетом динамических нагрузок в, несущей системе автосамосвала 65
Выводы 74
3. Согласование параметров вместимости кузова автосамосала с ковшом экскаватора при погрузке горноймассы 76
3.1. Постановка задачи и выбор критерия эффективности 76
3.2. Методика выбора оптимального соотношения вместимости кузова автосамосвала и ковша экскаватора 87
Выводы 96
4. Оценка результатов решения практических задач по эксплуатации экскаваторно-автомобильньгх комплексов на разрезах ОАО «УК Кузбассразрезуголь» 97
4.1. Определение оптимальной степени загрузки и оптимального соотношения a/v и сравнение их с фактическими значениями при различных сочетаниях погрузочно-транспортного оборудования и условиях эксплуатации 97
4.2. Разработка рекомендаций по выбору оптимальных типов экскаваторно-автомобильных комплексов 104
Выводы 110
Заключение 111
Список литературы 113
Приложения
- Существующие разработки и научно-технические рекомендации
- Режимы работы экскаваторно-автомобильных комплексов на разрезах Кузбасса
- Методика выбора оптимального соотношения вместимости кузова автосамосвала и ковша экскаватора
- Разработка рекомендаций по выбору оптимальных типов экскаваторно-автомобильных комплексов
Введение к работе
Ведущее место в горнодобывающей промышленности занимает открытый, способ добычи полезных ископаемых как наиболее производительный, экономичный и безопасный, причем в ближайшей' перспективе он сохранит свое доминирующее положение.
Транспортирование в карьере является важнейшим звеном единого» технологического процесса добычи^ полезных ископаемых. Несмотря на широкое применение с этой целью различных видовтранспорта в настоящее время* более 50% всей разрабатываемой горной массы перевозится' большегрузными* автосамосвалами.
Доля транспортных затрат в трудоемкости и энергоемкости процесса-добычи полезных ископаемых^ достигает 60 - 70 % [72]. В" связи с этим эффективность использования5 транспорта существенно: влияет на* себестоимость получаемого конечного продукта.
Совершенствование транспортного процесса на автомобильном карьерном транспорте характеризуется:
во-первых, разработкой w внедрением новых моделей карьерных автосамосвалов особо большой грузоподъемности и постоянным совершенствованием их конструкции путем устранения недостатков, выявленных в процессе эксплуатации;
во-вторых, исследованием закономерностей изменения технического состояния автосамосвалов в характерных условиях w рационализацией работы- технических служб при организации диагностики, технического обслуживания* и ремонта;
в-третьих, изучением режимов работы и движения карьерных большегрузных автосамосвалов и погрузочно-разгрузочных комплексов с целью их оптимизации и интенсификации в различных условиях эксплуатации на основе обеспечения более полного использования"
экскаваторов и автосамосвалов, а также рационального распределения автомобилей по маршрутам.
Между этими тремя путями существует тесная взаимосвязь, которая, прежде всего, отражается в большом разнообразии условий эксплуатации. В комплексе, решение любой из этих проблем отражается, с одной стороны, на повышении производительности карьерного автомобильного транспорта, а, следовательно, и объема транспортной работы и, с другой стороны, ведет за собой снижение транспортных затрат и как следствие себестоимости получаемого конечного продукта.
Интенсификация эксплуатации карьерных автосамосвалов в условиях влияния множества эксплуатационных факторов позволит при минимальных капитальных вложениях получить экономический эффект в виде повышения производительности автосамосвалов.
В связи с этим целесообразным является исследование режимов работы экскаваторно-автомобильных комплексов с использованием критериев, характеризующих его производительность.
Цель работы. Достижение максимальной производительности карьерных автосамосвалов в структуре экскаваторно-автомобильных комплексов.
Идея работы состоит в оценке влияния ресурса несущих систем автосамосвалов на простои в ремонте при погрузке и транспортировании горной массы.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
анализ существующих методик определения производительности карьерных автосамосвалов, а также оценки эффективности их эксплуатации;
выбор критериев и разработка методик определения оптимальной степени загрузки автосамосвалов и оптимального соотношения вместимости
кузова автосамосвала и ковша экскаватора при различных условиях эксплуатации;
- разработка алгоритмического и программного обеспечения расчетов;
- проверка работоспособности и эффективности разработанных
методик, а также разработка рекомендаций по эксплуатации карьерных
экскаваторно-автомобильных комплексов (ЭАК) с максимальной
производительностью.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Основой для определения оптимальной степени загрузки являются
динамические напряжения в несущей системе автосамосвалов, создаваемые
при транспортировании горной массы.
Повышение годовой производительности автосамосвалов до максимального значения^ достигается' за счет уменьшения степени их загрузки и, как следствие, увеличения ресурса несущей системы и> уменьшения простоев автосамосвалов в ремонте.
Рациональность выбранного типа* экскаваторно-автомобильного комплекса оценивается через ресурс несущих систем автосамосвалов при загрузке экскаваторами и продолжительность простоя автосамосвалов под погрузкой.
Достоверность научных результатов подтверждена результатами вычислительных экспериментов, правомерностью принятых критериев эффективности и допущений, сопоставлением результатов компьютерного моделирования с фактическими данными.
Предметом исследований являются процессы погрузки и транспортирования горной массы карьерным автомобильным транспортом, а также характер влияния на его производительность возникающих при этом динамических нагрузок и простоев в ремонте.
Научная новизна работы заключается:
- в разработке методики определения оптимальной степени загрузки
автосамосвалов, на основе критерия максимальной годовой
производительности;
в оценке влияния на годовую производительность карьерных автосамосвалов таких факторов, как степень загрузки автосамосвалов, соотношение вместимости кузова автосамосвала и ковша экскаватора, плотность и гранулометрический состав горной массы;
в разработке методики определения оптимального соотношения вместимости кузова автосамосвала и ковша экскаватора;
в разработке алгоритмического и программного обеспечения для определения оптимальной степени загрузки автосамосвала и оптимального сочетания погрузочно-транспортного оборудования.
Практическая ценность заключается в получении зависимостей годовой производительности карьерных автосамосвалов от степени их загрузки, от соотношения вместимости кузова автосамосвала и ковша экскаватора; в разработке алгоритма, позволяющего определить рациональную структуру ЭАК и оптимальную степень загрузки автосамосвалов.
Реализация результатов работы. ~~ Научные результаты работы внедрены и используются ОАО «УК Кузбассразрезуголь» для оценки эффективности эксплуатации большегрузных автосамосвалов и ЭАК на различных разрезах. А также в учебном процессе студентов направления 150200 «Автомобили и автомобильное хозяйство», 150402 «Горные машины и оборудование» Кузбасского государственного технического университета.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на XI Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (Кемерово, 2006); 52 научно-технической конференции
Кузбасского государственного технического университета (Кемерово, 2007); I Региональной научно-практической конференции (Прокопьевск, 2007); Всероссийской научно-технической конференции «Современные пути развития машиностроения и автотранспорта Кузбасса» (Кемерово, 2007); 9 Международной научно-технической конференции «Проблемы карьерного транспорта» (Екатеринбург, 2007); на техническом совещании в ОАО «УК Кузбассразрезуголь»; на заседаниях кафедры «Горные машины и комплексы», «Стационарные и транспортные машины» и «Эксплуатация автомобилей» Кузбасского государственного технического университета.
Публикации.
По результатам исследований опубликовано 9 работ.
Структура и объем работы.
Диссертация изложена на 124 страницах машинописного текста, включает в себя введение, 4 главы, заключение, список использованной литературы из 125 наименований. Диссертация содержит 38 рисунков и 5 таблиц.
Существующие разработки и научно-технические рекомендации
Одним из направлений повышения эффективности использования экс-каваторно-автомобильных комплексов (ЭАК) является совершенствование организации процесса погрузки горной массы. Основными показателями качества работы ЭАК большинство авторов считают производительность и себестоимость транспортного процесса [19,20,61,62].
Одним из основных условий достижения максимальной производительности экскаваторов и автомобилей является согласованная их работа. На работу ЭАК оказывают влияние многие факторы. При изучении их влияния на производительность ЭАК могут быть применены следующие подхо- ды: - применение теоретических зависимостей, что дает несколько завышенные результаты, так как не учитывает вероятностный характер процесса; - применение экспериментальных методов получения данных о режимах работы в различных условиях и затем обработка их с помощью методов математической статистики и получение регрессионных зависимостей. Такой подход отличается достаточной точностью результатов, однако проведение натурных экспериментов требует достаточно больших материальных и временных затрат, а полученные регрессионные функции применимы только в горнотехнических условиях, типичных для данного карьера; - применение имитационного моделирования с помощью вычислительной техники, что позволяет оценивать влияние как на производительность каждого фактора в отдельности, так и комплекса факторов в целом.
Высокая стоимость автосамосвалов и значительные эксплуатационные затраты вызывают необходимость изыскания путей рационального их использования на угольных разрезах Кузбасса, где опыт внедрения автосамосвалов показал, что с увеличением их грузоподъемности возрастают требова ния как к повышению уровня их конструкции, в основном, к надежности и ремонтопригодности, так и к уровню эксплуатации. Одним из путей интенсификации применения автотранспорта является рациональная организация работы автомобилей на разрезе. Таким образом, процесс технического перевооружения предопределяет необходимость не только физической замены одного типа автомобилей на другой, но и корректировки существующих на разрезе технологических решений, а также создания условий, позволяющих максимально использовать возможности новой техники. Данный процесс должен сопровождаться изысканием соответствующих технологий их применения в сложных горно-геологических условиях месторождений Кузбасса.
Научные и теоретические основы организации выемочно-погрузочно-разгрузочнных работ и эффективной эксплуатации технологического автомобильного транспорта изложены в трудах Васильева М.В. [19,20,23,17,24,12,14,25], Хохрякова» B.C. [115,116], Щадова М.И. [120], Мельникова Н.В. [93],"Спиваковского А.О: [99Д00], Ташкинова А.С. [83], Еордиенко Б.В. [33,34], Астафьева КШ. [4,5], Белякова Ю.И.[7,9], Кулешова А.А.[61,62,63,64,65,66,67,68], Яковенко Б.В.[122], Малюта Д.Щ70] и многих других.
Автомобильный транспорт работает на карьерах с разными типами погрузочного оборудования и используется для транспортирования горной массы с самыми разнообразными физико-механическими свойствами и объемной массой.
Практика эксплуатации большегрузных автосамосвалов на ведущих карьерах показывает, что до 70% транспортируемых пород вскрыши имеет объемную массу 2,2-2,7 т/м3, более половины руд черных и цветных метал-лов характеризуется объемной массой от 2,9 до 3,8 т/м , объемная масса каменного угля составляет 1,6т/м3 [22].
Емкость кузова карьерного автосамосвала является тем конструктивным параметром, посредством которого осуществляется взаимосвязь между грузоподъемностью автомобиля, с одной стороны, и объемной массой горной породы и емкостью ковша экскаватора — с другой [24].
На основании проведенных исследований в работе [62] указывается, что соотношение между емкостью кузова автосамосвала и ковшом экскаватора мехлопаты следует считать 4:1, а максимальным — не более чем 6:1 — 7:1.
Производительность экскаватора оказывает влияние на работу автотранспорта, особенно значимо при небольших расстояниях транспортирования (до 3-5 км): При дальнейшем увеличении расстояния производительность экскаватора практически не влияет на работу автосамосвалов [28].
Из операций рабочего цикла экскаватора при других равных условиях только время-поворота; удельный вес которого составляет 50-60% времени: цикла, зависит от ширины заходки. Сокращение продолжительности поворота экскаватора может быть достигнутоt при минимальном угле поворота. -Угол-поворота-экскаватора-к-выгрузке,-в-свою очередьгопределяется-схемой, заезда и установки автосамосвала у экскаватора.
Режимы работы экскаваторно-автомобильных комплексов на разрезах Кузбасса
Для определения" характера "работы экскаваторно-автомобильных комплексов был поставлен эксперимент в условиях разреза «Бачатский» ОАО «Угольная компания Кузбассразрезуголь» и разреза «Новобачатский». Испытанию подвергались автосамосвалы БелАЗ-75213 грузоподъемностью 170 т., САТ-785В грузоподъемностью 130 т. и БелАЗ-7548 грузоподъемностью 42 т., перевозившие как вскрышные породы, так и полезные ископаемые. Схемы заезда под погрузку и разгрузку тупиковые. Расстояние транспортирования от 1,2 до 8 км. В процессе проведения эксперимента проводились замеры скоростей движения автосамосвалов на погрузочных и разгрузочных площадках методом фотометрической съемки через каждые 2 секунды (см. Приложение 1), а также продолжительности операций транспортного цикла методом хрономегражных наблюдений.
Результаты измерений показывают большую вариацию значений мгновенной скорости в фиксированный момент времени и в заданной точке пространства и наличие значительных непроизводительных простоев автосамосвалов и экскаваторов. Это определяется стохастической природой транспортного процесса при влиянии на него большого числа факторов.
Основную долю (до 50 %) непроизводительных операций составляют ожидание погрузки и сама погрузка, что резко снижает производительность автотранспорта. Поэтому необходима такая организация работы автосамосвалов и экскаваторов, при которой будут сведены к минимуму или полностью исключены простои погрузочно-транспортного оборудования.
Одним из факторов, влияющих на производительность, является грузоподъемность автосамосвала, увеличение которой прямо пропорционально влияет на часовую производительность. Однако при увеличении грузоподъемности, резко возрастает себестоимость транспортирования груза, и в некоторых случаях целесообразным будет использование автосамосвалов с меньшей грузоподъемностью. С другой стороны для перевозки определенного объема груза таких автосамосвалов потребуется больше и в какой-то момент их количество станет таким, при котором возникнут транспортные заторы на маршруте, появятся простои в ожидании погрузки и разгрузки, что в конечном итоге вызовет снижение производительности. В этом случае критерием эффективности является сменная или суточная производительность всех автосамосвалов, работающих на данном маршруте.
Годовая производительность является более сложным показателем, так как на ее величину влияют не только грузоподъемность автосамосвала и продолжительность его простоя в течение рейса, но и продолжительность простоя в техническом обслуживании и ремонте за год. В этом случае большое значение имеет ресурс несущей системы автосамосвала, который напрямую зависит от степени загрузки автосамосвала и соотношения вместимости кузова автосамосвала и ковша экскаватора.
Поэтому, приняв производительность в качестве критерия эффективности эксплуатации карьерных автосамосвалов, можно для каждого конкретного случая или конкретных условий эксплуатации разработать такие рекомендации, которые позволят получить максимальную эффективность при минимальных затратах.
Производительность одного автосамосвала прямо пропорционально зависит от степени загрузки. Чем выше степень загрузки автосамосвала, тем выше его производительность, независимо от расстояния транспортирования горной массы (рис.2.6.).
При уменьшении степени загрузки автосамосвала снижается продолжительность погрузки, а, следовательно, и продолжительность простоя в течение одного рейса, что дает возможность увеличить количество автосамосвалов, работающих на маршруте с одним экскаватором и тем самым повысить их суммарную производительность.
Следовательно, зависимость суммарной сменной производительности карьерных автосамосвалов от степени их загрузки (рис. 2.7.) имеет экстремум, при котором суммарная производительность максимальная.
Повышение грузоподъемности автосамосвалов требует применение экскаваторов с большим объемом ковша. А при погрузке такими экскаваторами несущие конструкции автосамосвала испытывают огромные ударные нагрузки, что резко снижает их ресурс и долговечность. Кроме того, при движении по маршруту большая масса груза в кузове также вызывает большие нагрузки на опорные металлоконструкции, что также снижает их надежность (рис 2.8.). А это в свою очередь влечет за собой появление сверхнормативных простоев автосамосвалов в ремонте, увеличение затрат на ремонт, повышение себестоимости транспортирования и, как следствие, снижение производительности. А так как ресурс автосамосвалов не находится в прямо пропорциональной зависимости от их грузоподъемности (т.е. интенсивное увеличение грузоподъемности не влечет за собой столь же интенсивного роста ресурса), то актуальной задачей является определение такой степени загрузки автосамосвала, при которой производительность и ресурс автосамосвалов оптимальные.
Методика выбора оптимального соотношения вместимости кузова автосамосвала и ковша экскаватора
Для определения продолжительности работы автосамосвалов в течении года необходимо оценить величину динамических напряжений, возникающих в несущей системе автосамосвалов при загрузке их экскаваторами, а также установить величину фактического ресурса опорных металлоконструкций и изменение его при работе с различными марками экскаваторов в различных условиях эксплуатации.
Программа, составленная на языке программирования Visual Basic, представлена в приложении 3. Расчет производится для различных марок большегрузных автосамосвалов, экскаваторов и для различных горнотехнических, технико-эксплуатационных и дорожных условий. Для удобства и оперативности расчета необходимо все исходные данные разделить на две группы: - технические данные существующих автосамосвалов, которые должны быть введены во входной файл с именем INPUT.txt через запятую в следующей последовательности: марка автосамосвала, минимальный радиус поворота, время подъема кузова при разгрузке, время опускания кузова при разгрузке, грузоподъемность, вместимость кузова, скорость движения в груженном направлении, нормативный ресурс несущей системы, нормативное количество дней простоя автосамосвала в ремонте, нормативное количество дней простоя автосамосвала в техническом обслуживании, скорость движения в порожнем направлении; - технические данные существующих экскаваторов, которые должны быть введены во входной файл с именем INPUT l.txt через запятую в следующей последовательности: марка экскаватора, вместимость ковша экскаватора. 2. переменные, т.е. данные, характеризующие горнотехнические и эксплуатационные условия, которые вводят при каждом запуске программы. Выводы: 1. При погрузке автосамосвала экскаватором рационально оптимизировать соотношение вместимости кузова автосамосвала (Va) и ковша экскаватора (Уэ) при максимальном значении годовой производительности. 2. Установлено, что выбор экскаваторно-автомобильных комплексов для конкретных горнотехнических и горно-геологических условий осуществляется с помощью разработанной методики определения оптимального соотношения вместимости кузова автосамосвала и ковша экскаватора. 3.
Для проверки эффективности разработанных методик, а также сравнения полученных результатов с фактическими значениями, были произведены расчеты для конкретных условий эксплуатации и различных сочетаний карьерных автосамосвалов и экскаваторов. Для расчетов были приняты несколько наиболее распространенных марок карьерных экскаваторов и автосамосвалов, эксплуатируемых на разрезах ОАО «УК Кузбассразрезуголь». Результаты расчетов представлены на рис. 4.1 - 4.5.
Кроме того, для некоторых марок автосамосвалов были определены оптимальные соотношения вместимостеи кузова автосамосвала и ковша экскаватора для различных горнотехнических условий и условий" эксплуатации. Полученные результаты, представленные на рис. 4.8 - 4.10, служат как практические рекомендации при эксплуатации карьерного автотранспорта на разрезах Кузбасса.
Таким образом, как видно из рис. 4.1 - 4.5, оптимальная степень загрузки для всех марок автосамосвалов и при любых сочетаниях погрузочно-транспортного оборудования меньше номинального значения и составляет при различных горнотехнических условиях и условиях движения: от 0,67 до 0,81 - при перевозке вскрышных пород и от 0,82 до 0,92 - при перевозке полезных ископаемых. При этом рост годовой производительности карьерных автосамосвалов при уменьшении степени загрузки от единицы до оптимального значения составил 28 - - 46 % и 6 + 16,7 %, соответственно.
Необходимо отметить, что данные результаты были получены для определенных горнотехнических условий. Однако, как отмечалось выше, такие показатели, как плотность горной породы и ее гранулометрический состав оказывают значительное влияние на величину оптимальной степени загрузки автосамосвалов, а также на соотношение вместимостеи кузова автосамосвала и ковша экскаватора.
Разработка рекомендаций по выбору оптимальных типов экскаваторно-автомобильных комплексов
Решение данной задачи актуально как для вновь проектируемых карьеров, так и для уже существующих, с целью рационального выбора карьерных автосамосвалов и экскаваторов, распределения автосамосвалов различной грузоподъемности по маршрутам и экскаваторам. В качестве основных факторов, влияющих на этот процесс, можно выделить тип груза, плотность горной массы и ее гранулометрический состав, расстояние транспортирования и т.д. Критерием выбора типа ЭАК при решении данной задачи является максимальная годовая производительность автосамосвалов.
Пользуясь методиками и имитационными моделями, представленными во второй и третьей главах, разработаны рекомендации по эксплуатации с максимальной производительностью, при различных условиях эксплуатации и различных горнотехнических условиях автосамосвалов БелАЗ - 7509 (грузоподъемностью 75 т), БелАЗ - 7513 (грузоподъемностью 130 т) и БелАЗ - 75306 (грузоподъемностью 220 т), которые представлены в виде схем на рис. 4.12-4.16.
Данные модели автосамосвалов были выбраны как наиболее распространенные среди тех, которые эксплуатируют в ОАО «УК Кузбассразрезуголь». Однако предложенные методики позволяют разработать подобные рекомендации для любых других моделей автосамосвалов.
1. В результате сравнения фактической степени загрузки автосамосвалов с расчетными значениями установлена эффективность разработанной методики оптимизации степени загрузки.
2. При снижении степени загрузки автосамосвалов в среднем при перевозке полезных ископаемых на 14 % и при перевозке вскрышных пород на 28 % рост производительности составил, соответственно 9,8 % и 38,1 %.
3. В результате сравнения фактического соотношения вместимости кузова автосамосвала и ковша экскаватора с расчетными значениями установлена эффективность разработанной методики оптимизации данного соотношения.
4. При обеспечении оптимального соотношения вместимости кузова автосамосвала и ковша экскаватора рост производительности составил в среднем 4,1 % при перевозке полезных ископаемых и 32,1 % при перевозке вскрышных пород.
5. Разработанные алгоритмическое и программное обеспечение позволяет выбрать режимы работы экскаваторно-автомобильных комплексов при изменении горнотехнических и горно-геологических условий.
Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой дано новое решение задачи повышения производительности карьерных автосамосвалов путем оптимизации степени загрузки, а также выбора оптимальных параметров экскаваторно-автомобильных комплексов.
Научные и практические результаты выполненных исследований позволяют сделать следующие основные выводы:
1. Обоснована актуальность изучения и оптимизации режимов работы карьерных экскаваторно-автомобильных комплексов на основе повышения годовой производительности автосамосвалов.
2. Разработаны критерии оптимизации степени загрузки автосамосвалов и соотношения вместимостеи кузова автосамосвала и ковша экскаватора.
3. Разработаны методики определения оптимальной степени загрузки автосамосвалов и соотношения вместимости кузова автосамосвала и ковша экскаватора на основе получения максимальной годовой производительности, а также алгоритмическое и программное обеспечение для этих методик.
4. Установлено влияние снижения степени загрузки автосамосвалов на рост годовой производительности на 9,8 % при перевозке полезных ископаемых и на 38,1 % при перевозке вскрышных пород.
5. При обеспечении оптимального соотношения a/v при перевозке полезных ископаемых рост производительности составил в среднем: 4,1 %, а при перевозке вскрышных пород 32,1 %.
6. На основе методики определения оптимальной степени загрузки решена задача расчета необходимого количества автосамосвалов, работающих на маршруте с одним экскаватором для достижения максимальной сменной производительности.
