Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ систем карьерного автотранспорта 19
1.1. Структура системы карьерного автотранспорта и анализ ее 19 характеристик
1.2. Понятие «экстремальности» условий эксплуатации карьерного автотранспорта и ее качественная оценка 36
1.3. Структура и целевая функция проводимых исследований 46
1.4. Цель, задачи и методика исследований 48
1.5. Выводы 49
2. Исследование взаимосвязей между основ ными показателями надежности транс портных систем и условиями эксплуатации 51
2.1. Анализ уровня надежности систем карьерного автотранспорта в условиях Севера 51
2.2. Математическая модель надежности транспортной системы . 68
2.3. Определение производительности погрузочно-транспортной системы с учетом фактора надежности 85
2.4. Выводы 95
3. Исследование динамических процессов в карьерных автосамосвалах и их влияния на ресурс опорных конструкций 97
3.1. Анализ существующих подходов к решению задач 97
3.2. Построение математических моделей динамических процессов при движении автосамосвалов 100
3.2.1. Идеология моделей 100
3.2.2. Математическая модель процесса движения карьерного автосамосвала 103
3.2.3. Дополнения, внесенные в модель в ходе численных экспериментов 107
3.2.4. Математическая модель ударного процесса при экскаваторной загрузке автосамосвалов 114
3.3. Реализация математической модели на ЭВМ и анализ результатов моделирования 126
3.4. Исследование нагруженности опорных конструкций автосамосвалов в эксплуатационных условиях 134
3.4.1. Методика проведения исследований 134
3.4.2. Исследование нагруженности металлоконструкций автосамосвалов БелАЗ-75191 иБелАЗ-75213 138
3.5. Влияние нагруженности базовых конструкций на их ресурс.. 150
3.6. Моделирование процесса движения автосамосвалов с учетом эксплуатационных данных 154
3.7. Выводы 157
4. Разработка эффективных методов повышения ресурса карьерных автосамосвалов 160
4.1. Оптимизация процесса загрузки карьерных автосамосвалов. 160
4.1.1. Методика расчета паспорта загрузки карьерных автоса мосвалов 168
4.2. Рекомендации по снижению динамических нагрузок на грузовые платформы и повышению их ресурса 178
4.3. Минимизация динамических нагрузок на несущие системы и узлы карьерных автосамосвалов при движении 182
4.3.1. Классификация технологических автодорог кимберлитовых карьеров в условиях вечной мерзлоты 182
4.3.2. Норматив дорожно-строительных машин для технологических автодорог 190
4.3.3. Требования к ровности дорог и регламентация скоростей движения автосамосвалов 191
4.4. Алгоритм управления скоростным режимом карьерных автомобилей-самосвалов при низких температурах 203
4.5. Обоснование оптимальной структуры и параметров системы технического обслуживания машин 207
4.6. Определение оборотного фонда запчастей и затрат на капитальный и текущий ремонт на основе теории надежности 222
4.6.1. Дифференцированные нормы расхода запасных частей... 222
4.6.2. Норматив на капитальный и текущий ремонт карьерных автосамосвалов 230
4.7. Построение рациональной системы технической диагностики автсамосвалов 238
4.8. Выводы 257
5. Разработка методики управления ресурсом карьерных автосамосвалов и оценка их эксплутационных качеств 260
5.1. Анализ методов прогнозирования ресурса технических сис
тем 260
5.1.1. Прогнозирование ресурса на основе критериев механики разрушения 260
5.1.2. Прогнозирование ресурса по усталостной долговечности 265
5.2. Обоснование принципов построения методики прогнозирования ресурса автосамосвалов 273
5.3. Определение оптимальных сроков службы автосамосвалов грузоподъемностью 120-13 6т в экстремальных условиях эксплуатации 285
5.4. Требования к карьерным автосамосвалам для экстремальных условий эксплуатации и принципы оценки их технико-эксплуатационного уровня 296
5.5. Разработка системы мониторинга технико-эксплуатационных показателей работы систем карьерного автотранспорта 318
5.6. Разработка системы показателей работы технологического автотранспорта и оценка эффективности управления ресурсом 324
5.6.1. Влияние глубины карьера на производительность и пробег технологического автотранспорта 324
5.6.2. Технико-экономическая система показателей работы карьерных автосамосвалов 336
5.7. Выводы 342
Заключение 345
Литература
- Понятие «экстремальности» условий эксплуатации карьерного автотранспорта и ее качественная оценка
- Математическая модель надежности транспортной системы
- Построение математических моделей динамических процессов при движении автосамосвалов
- Рекомендации по снижению динамических нагрузок на грузовые платформы и повышению их ресурса
Введение к работе
Проблема надежности сложных технических систем продолжает оставаться проблемой номер один в сфере техногенной деятельности человека и, несмотря на значительное продвижение вперед в теории и практике в этой сфере в последние десятилетия, актуальность ее остается чрезвычайно высокой из-за значительного усложнения технических систем и предъявляемых к ним требований как по эффективности функционирования, так и по безопасности эксплуатации, с вероятностью возникновения техногенных катастрофа могущих повлечь за собой существенные нарушения экологии окружающей среды.
Система карьерного автотранспорта - это одна из наиболее сложных и динамичных технических систем горного производства, от надежного функционирования которой зависит не только работа самого горного предприятия, но и смежных производств - обогатительных фабрик, перегрузочных пунктов и пр.
Учитывая существенную составляющую в экономике народного хозяйства страны горнодобывающей промышленности и то, что значительная доля ее сосредоточена в отдаленных восточных и северных регионах, при интенсивном вовлечении в отработку небольших по размерам месторождений полезных ископаемых карьерный автотранспорт будет на ближайшие 20-30 лет оставаться одним из самых перспективных.
Эксплуатация средств автомобильного транспорта в глубоких карьерах имеет существенные особенности, определяющие в конечном счете его эффективность.
Эти особенности заключаются в следующем:
непрерывный (двух-трехсменный) режим работы автосамосвалов;
сложный профиль автомобильных дорог (спуски и подъемы с большими продольными уклонами - величина средневзвешенного уклона достигает 6%, наличие серпантинов, затяжных поворотов и т.д.);
преобладающее направление движения с грузом на подъем;
большое количество временных автомобильных дорог с щебеночным покрытием (до 85-90%), некачественное состояние дорожного полотна;
постоянное ухудшение условий эксплуатации, связанное с понижением горных работ до 18-20 м в год, а в зоне реконструкции карьеров до 50-60м в год;
жесткие климатические условия в районах Севера, где перепад температур в штилевой период достигает 20С между верхней и нижними отметками карьера;
работа автосамосвалов в комплексе с мощными экскаваторами с ковшом вместимостью до 20-25 м (погрузчиками), что приводит к многоцикловым динамическим нагрузкам на узлы автосамосвалов в процессе погрузки: например, при сроке службы 450-500 тыс.км и расстоянии транспортирования около 5 км в автосамосвал грузоподъемностью 110-140 т за весь период эксплуатации экскаватором ЭКГ-12,5 загружается 150-180 тыс. ковшей;
большие габаритные размеры машин (до 11,6x5,5), что усложняет формирование производственно-технической базы и организацию технического обслуживания и ремонта.
Для обеспечения конкурентоспособности и повышения эффективности эксплуатации карьерных автосамосвалов по сравнению с другими горнотранспортными машинами, полной реализации их потенциальных возможностей необходимо постоянно оптимизировать транспортную систему «водитель - автосамосвал - дорога - среда». В настоящей работе предлагается ряд конкретных организационных, нормативных и проектных решений, реализация которых позволит не менее чем в 1,5-2,0 раза увеличить эффективность использования карьерных автосамосвалов.
Одно из основных условий эффективной работы самосвалов на карьерах - необходимый запас мощности первичного двигателя и его надежность. Заложенные в 50-60-е годы методические подходы к выбору
7 рациональной мощности двигателя через 20-25 лет потребовали корректировки. Так, опыт эксплуатации самосвалов БелАЗ-548 (двигатель ЯМЗ-240, 500 л.с.) на карьере «Мир» ПНО «Якуталмаз» в конце 70-х -начале 80-х годов при транспортировании пород с глубины 300 м показал, что машины имели низкий коэффициент технической готовности (Кт.г.)- Для улучшения характеристик работы подвижного состава и выполнения плановых показателей была применена двойная перегрузка горной массы, на одном из горизонтов использовали промежуточный склад.
Замена автопарка в 1985-1986 гг. на машины БелАЗ-7548 (двигатель ЯМЗ-8401.10-01, 600 л.с.) позволила без технических сложностей транспортировать груз до мест разгрузки с одной перегрузкой. При этом ресурс дизеля до капитального ремонта составлял не менее 200 тыс. км.
Задача выбора модели автосамосвала для конкретных условий эксплуатации в последние годы становится для горнодобывающих предприятий все более актуальной. Самостоятельность предприятий и экономические преобразования в стране позволяют специалистам учитывать в проектах использование не только отечественных машин, но и зарубежных аналогов. При этом часто возникает ситуация, когда эксплуатационники одновременно могут рассматривать до 3-5 альтернативных моделей самосвалов одного класса грузоподъемности. При использовании машин грузоподъемностью более 120 т возникает проблема выбора еще и типа трансмиссии - с гидромеханической (только фирма «Катерпиллар») или с электромеханической (БелАЗ, «Дрессер», «Юклид», «Юнит Риг», «Комацу»)
В первом приближении рекомендации по данному вопросу могут быть следующие:
- при укомплектовании автопарка машинами, особенно грузоподъемностью более 100 т, целесообразно иметь две равноценные модели (с целью снижения монопольной зависимости от одной фирмы-изготовителя и исключения внезапного массового отказа каких-либо узлов);
использовать автосамосвалы с электромеханической и гидромеханической трансмиссиями ведущих фирм-изготовителей практически одного технико-эксплуатационного уровня (±10%);
для конкретного месторождения целесообразно определять комплектацию машин и ее конструктивные особенности (хладостойкость, вместимость платформы, противоизносные качества днища кузова и др.).
Один из основных показателей, характеризующих самосвал, - срок службы. И хотя одни и те же машины на различных предприятиях имеют отличающиеся (до 2 раз) фактические сроки службы, определяющим критерием, указывающим на преимущество определенной фирмы, является то, что стоимость запасных частей в течение срока службы транспортного средства отнесенная на единицу транспортной работы или на мото-час, должна быть минимальной.
Автосамосвалы особо большой грузоподъемности ведущих фирм имеют ресурс 60000 мото-ч при среднем КТг~0,9+0,95. При этом определяющим узлом машины является рама, срок службы которой должен быть равен сроку службы транспортного средства. Как показывает практика, срок службы машин зависит в основном от горнотехнических условий. Так, при высоте подъема горной массы до 100-420 м и использовании самосвалов НД-1200 в условиях разреза «Нерюнгринский» пробег до списания машин достигает 1 млн.км, а на Удачнинском ГОКе составлял не более 450+500 тыс.км (при Н=300+350 м и нормативном пробеге до 300 тыс.км).
Данный факт указывает на то, что установленные нормы амортизационных отчислений не соответствуют реальным либо, как показали исследования, превышают расчетные оптимальные периоды эксплуатации. В действующих нормативных документах регламентируется корректировка срока службы машин лишь до глубины 200 м и более. Выполненные исследования показали, что экономически целесообразные сроки службы из-за увеличивающихся с глубиной расходов на ТО и текущий ремонт должны
9 быть дифференцированы через каждые 100 м. Например, для условий Удачнинского ГОКа АК «Алроса» рекомендуемая норма амортизационных отчислений на 1000 км пробега (в%) составляла 0,42, а по нормам - 0,33 (при НЫ00 м).
Кроме того, необходимо учитывать следующие факторы:
средневзвешенную высоту подъема горной массы, а не глубину карьера;
модель автосамосвала (машины одного класса грузоподъемности имеют различные эксплуатационные показатели - Ктг., производительность и т.д.);
партию машин, так как порой качество последующей партии может уступать качеству предыдущей.
Серьезным препятствием для обоснования рациональных сроков службы подвижного состава является отсутствие учета расхода запасных частей по каждой машине. Списание запчастей осуществляется на среднесписочное количество машин в отчетном году, возраст которых, как правило, «держится» на одном уровне.
В изменяющихся экономических условиях в стране, когда отсутствует централизованное распределение запасных частей и нет лимитов, а их наличие определяется лишь финансовыми возможностями конкретного предприятия, целесообразно обоснование рационального уровня развития ремонтной базы. Вероятно, на подавляющем большинстве горных предприятий экономически выгоднее будет использовать фирменные запчасти, чем изготавливать их «на местах». В ценах до 1991 г. стоимость запасных частей, изготовленных в северных регионах, была в 3 раза больше, чем в центральных.
Необходимо совершенствовать систему технического обслуживания. Существующие системы ТО для различных моделей автосамосвалов отличаются лишь периодичностью и по видам (ЕО, ТО-1, ТО-2,...ТО-10). При этом каждый вид ТО имеет определенную трудоемкость, что
10 сказывается на продолжительности очередного ТО, загруженности ремонтного персонала и, как следствие, на ритмичности подачи машины на линию. Как показывает практика, перспективной системой ТО может быть организация работ с определенной периодичностью при одинаковой трудоемкости каждого обслуживания по заездам.
С учетом экономической целесообразности перспективными являются отход от затратной системы ППР и активный переход на систему ремонтов по графикам прогнозируемых отказов, т.е. по фактическому состоянию оборудования, что возможно при внедрении электроники и средств диагностики, позволяющих предупредить поломку. Так, автосамосвал 510Е грузоподъемностью 136 т. фирмы «Дрессер» оснащен системой контроля, которая позволяет иметь информацию о состоянии электротрансмиссии за последние 30 мин. до ее отказа, определять местонахождение и вид неисправности.
Значительным резервом в повышении эффективности эксплуатации машин является использование всех потенциальных возможностей существующей системы ППР.
В настоящее время на большинстве автобаз карьеров по ряду причин практически не проводят плановых ремонтов. В то же время за рубежом до 30% регламентированных ремонтов на автосамосвалах производится до отказа детали. К 2007г. будет накоплен достаточный объем информации, который позволит выполнять 70-80% всех ремонтов до полной остановки машин.
Одной из важных проблем является обеспечение массовой эксплуатации штатных бортовых весоизмерительных систем (ВИСМ). Ими в настоящее время оснащены все зарубежные автосамосвалы. В конце 70-х начале 80-х годов на, автосамосвалах БелАЗ были испытаны различные отечественные системы для определения массы перевозимого груза. Далее опытно-промышленных испытаний работы не продвинулись.
В настоящее время фирмой «Вист» продолжены работы по внедрению подобных систем на автосамосвалах БелАЗ.
Накапливаемая информация за каждый рейс позволяет оценивать
фактическую степень использования грузоподъемности машин, обеспечивая
нагрузочный режим шин в требуемых пределах, а специалисты службы
безопасности движения автопредприятия оценивают скоростной режим
машин. Одной из проблем эффективной эксплуатации систем является то,
что окончательный учет перевезенной массы осуществляется по
маркшейдерским замерам. Помимо этого, определенная
незаинтересованность производственников при существующих на предприятиях проблемах с финансированием приводит к тому, что системы загружены лишь на 50-70%. С целью более эффективной эксплуатации бортовых весоизмерительных систем и реализации их потенциальных возможностей данные системы следует использовать как составную часть адаптированной и специализированной системы управления горным производством.
Учитывая, что доля затрат на шины в структуре себестоимости транспортирования составляет до 30%, а общие затраты на них за срок службы автосамосвалов (АК «Алроса») достигают 60-80% их стоимости, необходимо уделять самое серьезное внимание вопросам повышения ресурса шин. На практике встречаются случаи, когда шины одного размера используются на автосамосвалах различной грузоподъемности (например, шина 33.00-51 - на БелАЗ-7519 грузоподъемностью ПО т, НД-1200 грузоподъемностью 120 т, Сат-785 грузоподъемностью 136 т). Вследствие этого они имеют различную ходимость. Поэтому при сравнительной оценке фактического ресурса шин целесообразно использовать показатели, учитывающий количество перевезенного груза на единицу пробега шины. Значительным резервом в повышении ресурса шин является обеспечение требуемого качества технологических автодорог. Опыт показывает, что ходимость шин на различных предприятиях отличается в 2 раза. Основные
12 причины низкой ходимости - механические повреждения (35-60%о), отслоение протектора (17-30%).
Значительная доля механических повреждений свидетельствует о низком качестве дорог, что связано, как правило, со слабой обеспеченностью дорожной техникой. На отечественных предприятиях, где дорожной службе уделяется существенное влияние, имеется значительная экономия материально-технических ресурсов. По данным АО «Промтрансниипроект», на карьере «Мурунтау» после внедрения требуемой технологии строительства и содержания дорог были существенно улучшены показатели работы автотранспорта: расход топлива снизился на 7%, себестоимость транспортирования - на 3%, пробег шин увеличился на 18%, коэффициент использования парка - на 15% и т.д.. Кроме того, при планировании дорожных работ необходимо учитывать и то, что на большинстве карьеров наблюдается устойчивое увеличение числа отказов в летнее время (на 25%) по сравнению с зимним периодом.
При технико-экономическом обосновании рациональной модели шины необходимо отдавать предпочтение шинам с наибольшей ходимостью в конкретных условиях эксплуатации на единицу ее стоимости, так как разница стоимости шин различных моделей одного размера достигает 15%), а их ходимости- 10-50%.
Несмотря на постоянное совершенствование конструкций машин и подбор соответствующих материалов, низкие отрицательные температуры окружающего воздуха негативно сказываются на надежности узлов автосамосвала. Так, в металлоконструкциях появляются трещины, «текут» подвески. При движении порожняком сверху вниз у автосамосвалов наблюдается переохлаждение дизеля. Однако силовое электрооборудование за счет дополнительного охлаждения имеет меньшее число отказов в зимний период. Одним из способов повышения надежности автомобиля в зимний период является снижение среднетехнической скорости движения до такого уровня, когда параметр потока отказов при отрицательных температурах
13 равен параметру потока отказов при положительных температурах. Как показали расчеты, данное мероприятие на производительности машин существенно не отражается.
Одним из реальных путей повышения эффективности эксплуатации карьерных автосамосвалов, в частности БелАЗ, является замена на них отечественных узлов и систем, имеющих низкую надежность, зарубежными аналогами. В 1991-1992гг. ПНО «Якуталмаз» совместно с Белорусским заводом фактически впервые в стране осуществило проект по комплектации автосамосвалов БелАЗ-75125 грузоподъемностью 120 т импортной силовой установкой - дизелем КТА-38 (1200 л.с.) фирмы Cummins и тяговыми генераторами фирм «Като» и Marathon.
Результаты испытаний самосвалов с импортной силовой установкой в условиях карьера «Юбилейный» Айхальского ГОКа при средневзвешенной высоте подъема горной массы 70-90 м показали, что производительность БелАЗ-75125 за первые два года была на 11-13% больше, чем у БелАЗ-7512, расход топлива на 12-13% ниже, а КТт на 20% выше. Подобные проекты реализовываются в настоящее время в условиях акционерных обществ «Якутуголь», «Кемеровоуголь», «Кузбассразрезуголь» и других на автосамосвалах грузоподъемностью 180-200т.
Комплекс горнотранспортных машин представляет собой сложную систему со множеством разнообразных связей между технологическими, конструктивными и экономическими параметрами. Использование даже самых совершенных самосвалов без соответствующей организации их работы не может гарантировать их высоких технико-эксплуатационных качеств. Уровень организации транспортного процесса оценивается системой показателей: производительностью машин, коэффициентом использования календарного времени Кия, удельной трудоемкостью транспортирования и др. однако единого комплексного показателя пока не существует.
В настоящее время разработаны методические положения по оценке организации транспортного процесса с использованием интегрального
14 показателя за отчетный период, в которых учитываются Ктг, Кив., а также техническая (ут) и эксплуатационная (уэ) скорости машин.
Определенного внимания заслуживает отчетная информация о работе подвижного состава на горнодобывающих предприятиях, которая содержит от 30 до 50 технико-экономических показателей (ТЭП). При этом во всех отчетах отсутствуют данные, указывающие возраст одного среднесписочного самосвала, высоту подъема груза, что препятствует выполнению сравнительной оценки эффективности эксплуатации машин на различных предприятиях.
Несмотря на то, что условия эксплуатации карьерных автосамосвалов и транспорта общего пользования отличаются, производительность машин оценивается в тонно-километрах без учета высоты подъема горной массы. Поэтому сравнение результатов работы машин по принятым на предприятиях ТЭПам некорректно. С целью укрупненного сопоставления производительности машин на различных карьерах предполагается использовать показатель эквивалентного грузооборота, который учитывает вертикальную составляющую высоты подъема груза. Установлено, что в условиях Удачнинского ГОКа (Н=300-350 м) АК «Алроса» фактическая производительность НД-1200 на 30% меньше, чем на разрезе «Нерюнгинский» (Н=100-120м). Эквивалентная производительность на кимберлитовых карьерах на 7% больше, что указывает на более высокий уровень эксплуатации самосвалов на коренном алмазоносном месторождении.
С целью принятия более корректных управленческих решений специалистами автопредприятий требуется ревизия методик определения (формирования) статей затрат в калькуляции себестоимости транспортирования груза. Так, статья «накладные расходы» учитывает грузоподъемность автосамосвала. Поэтому среди машин одного класса грузоподъемности автосамосвалы несколько большей по абсолютному значению грузоподъемности, например, «Дрессер 510Е» грузоподъемностью
15 136 т менее предпочтительны, чем БелАЗ-75125 грузоподъемностью 120 т, хотя технико-эксплуатационный уровень первых выше.
Необходимо четко организовать учет запасных частей, так как в настоящее время они списываются на всю среднесписочную численность автопарка, что не позволяет проанализировать их расход в зависимости от возраста машин с применением компьютерной техники.
Значительное повышение производительности самосвалов может быть обеспечено за счет более полного использования их технических возможностей. И, хотя существуют объективные причины простоев автосамосвалов, доля простоев по причинам организационного характера достаточно велика. Из-за отсутствия запасных частей - до 9% времени, ожидания ремонта - до 8%, отсутствия водителей - до 4% и погрузочного оборудования - до 7%.
Постоянно изменяющиеся горнотехнические условия и накапливаемый опыт эксплуатации подвижного состава требуют корректировки, уточнений и дополнений некоторых нормативных положений:
определения ширины проезжей части в зависимости от категории дорог при глубине карьера более 200 м;
уточнения параметров, характеризующих условия эксплуатации машин, с целью определения величины продольных уклонов;
обоснования целесообразности наличия резервной полосы движения на участках дорог I и II категории при интенсивности движения более 400 автомобилей в сутки в одном направлении.
Кроме того, целесообразно обоснование максимально допустимой скорости движения самосвалов в карьере, а также регламентирование требований к ровности дорожного полотна.
Расширение области применения автотранспорта при углублении карьеров и ограничении карьерного пространства с учетом климатического фактора изменяет экологическую обстановку на горных предприятиях в худшую сторону. На ряде месторождений складывается ситуация, когда их
доработка открытым способом при дальнейшей недооценке экологических аспектов будет невозможна или малоэффективна. И хотя вопросам проветривания карьеров посвящено немало исследований, простои их по причине загазованности достигают до 2500 ч в год. Поэтому при выборе модели автосамосвала и дизеля необходимо учитывать расход топлива. В одних и тех же горнотехнических условиях топливная экономичность различных моделей самосвалов отличается до 65% на единицу транспортной работы. Перспективным является оснащение нейтрализаторами и системами пылегазоочистки. Целесообразно для каждой модели автосамосвала составлять экологический паспорт за весь срок службы.
Принятие и введение в нашей стране все более жестких требований к охране окружающей среды заставит фирмы-изготовители разрабатывать экологически «чистые» машины. Так, фирма «Катерпиллар» на автосамосвалах серии «В» применяет электронную систему управления впрыском топлива, которая автоматически регулирует состав топливо-воздушной смеси, что позволяет улучшить сгорание топлива и уменьшить содержание вредных компонентов в выхлопах. Не исключено, что проводимые исследования, направленные на уменьшение содержания загрязняющих веществ в выхлопных газах, определят внедрение в качестве альтернативного вида топлива сжиженного природного газа или смеси -бензина и дизельного топлива с водой. Возможно, в ближайшем будущем, когда утилизация жидких отходов станет слишком дорогой, потребуются биоразлагающиеся масла.
Приведенные соображения и рекомендации обозначены «пунктирно» и требуют достаточно глубокого научного обоснования, чему и посвящена предлагаемая работа.
Таким образом, настоящая диссертационная работа направлена на решение крупной научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение, а именно - обеспечение устойчивой, эффективной работы систем карьерного автотранспорта в экстремальных
17 условиях эксплуатации, в первую очередь, алмазодобывающих предприятий, а также других подотраслей горнодобывающей промышленности.
По классическому определению в общей теории систем [149], проблема есть разница между существующей и желаемой ситуациями, или, другими словами: «что мы имеем и чего мы хотим». В этом смысле существующее положение с уровнем эксплуатации систем карьерного автотранспорта в экстремальных условиях нас не устраивает, и нужно сделать так, чтобы повысить его эффективность в течение определенного периода, по крайней мере, в 1,5 - 2,0 раза (по основным показателям).
Для этого необходимо обосновать и защитить следующие научные положения:
Прямые и обратные связи сложной динамичной системы карьерного автотранспорта и её надежность (безотказность, коэффициент готовности) могут быть оценены комплексом синтезирующих показателей технического, эксплуатационного и экономического характера с учетом цикличности погрузки и транспортирования горной массы элементами системы и их функциональных связей.
Величина нагрузок, возникающих в основных демпфирующих узлах карьерного автосамосвала при его загрузке и движении оценивается с использованием математической модели, описывающей шарнирные и вязко-упруго-пластичные связи между подрессоренными и неподрессоренными частями автосамосвала и опорной поверхностью, представленной системой дифференциальных уравнений второго порядка.
Управление расходованием ресурса опорных элементов карьерного автосамосвала при обеспечении диапазона допустимых нагрузок осуществляется на основе выбора рациональных режимов загрузки и скорости движения, температуры окружающей среды, норматива на дорожное оборудование, параметров технологических автодорог, при этом взаимосвязи между выходными величинами динамических процессов и ресурсом опорных элементов носят эргодический характер.
18 4. Повышение ресурса карьерных автосамосвалов обеспечивается системой ремонтно-профилактических мероприятий на основе мониторинга узлов автосамосвала с учетом дифференцированных норм расхода запасных частей и расходных материалов, нормативов на капитальный и текущий ремонт, комплектации автосамосвалов узлами и агрегатами для экстремальных условий эксплуатации.
Понятие «экстремальности» условий эксплуатации карьерного автотранспорта и ее качественная оценка
Условия эксплуатации средств карьерного автотранспорта можно условно разделить на пять категорий: I - легкие; II - средние; III - тяжелые; IV - очень тяжелые; V - экстремальные.
Необходимо определить единый критерий, который характеризует все эти категории, синтезирующий, по существу, климатические, горнотехнические и дорожные условия. Представляется целесообразным формировать этот критерий на базе двух определяющих факторов: жесткости климата и энергонагруженности транспортного средства (А), которая зависит от горно-технических (физико-механическая характеристика перевозимых грузов, дальность транспортирования и высота подъема груза) и дорожных условий (качество дорожного покрытия, угол наклона трассы -максимальный и средний, количество поворотов на трассе и величина радиусов, число полос движения).
Экстремальные условия эксплуатации характеризуются: - жесткими климатическими условиями: низкими отрицательными температурами (до -60С), большими ветровыми нагрузками (скорость ветра до 40-60 м/с и более ), большим количеством осадков в виде снега (до 2000 мм и более), низкой видимостью на трассе из-за туманов и метелей (менее 100 м) в течение длительного периода года (до 300 дней в году), разреженностью атмосферы (содержание кислорода значительно ниже нормы) из-за высокого расположения карьера над уровнем моря; - большой глубиной карьера (более 350м), что существенно усложняет трассу движения автосамосвалов, увеличивает энергоемкость процесса перемещения горной массы и износ машин; - стесненные размеры карьера в плане, когда при его глубине 300.. .400 м площадь рабочей зоны составляет всего 15.. .20 тыс. м .
Таким образом, экстремальные условия можно в целом характеризовать тремя приведенными выше признаками. Не все крупные карьеры, даже расположенные в зоне Севера, обладают этим комплексом признаков. Наиболее соответствуют им только алмазодобывающие карьеры Якутии.
В меньшей степени им соответствуют апатитовые карьеры «Центральный», «Восточный», Оленегорский, Ковдорский, ГМК «Печенганикель» (Кольский полуостров), Костомукшский (Республика Карелия), угольный разрез «Нерюнгринский» и угольные разрезы Кузбасса.
Наибольшее влияние на работу транспорта оказывают первые два признака, которые в целом и определяют надежность всех элементов транспортной системы в процессе эксплуатации.
На рис. 1.8. приведена расчетная зависимость выполненной работы (энергонагруженности) автосамосвала в глубоком карьере при движении с грузом вверх при сопротивлении качению w0 =35Н/кН. Видно, что при глубине карьера Н=500м и соответствующем ей расстоянии транспортирования 1=8500 м объем выполненной работы составляет 100 млн.Дж. А экстремальные условия по этому фактору можно обозначить в диапазоне 60... 100 млн.Дж. и выше. Естественно, что значения энергонагруженности будут меняться для автосамосвалов различной грузоподъемности в аналогичных условиях эксплуатации. В табл. 1.5. представлена характеристика условий эксплуатации карьерного автотранспорта, соответствующая обозначенным выше пяти группам условий.
Наиболее ярко экстремальные условия проявляются при эксплуатации карьерного автотранспорта на апатитовых и алмазодобывающих карьерах. Очень тяжелые условия эксплуатации автотранспорта характерны также для железорудных карьеров Кольского полуострова.
Среднегодовая температура на плато Расвумчорр - минус 4,3С, продолжительность периода с отрицательными температурами составляет 261 день в году. Минимальная температура (февраль) равна -36С. Характерна высокая интенсивность ветровой деятельности: средняя скорость ветра - 6,4 м/с (на отм.+1050м), в отдельные месяцы она равна 10 м/с, максимальные порывы ветра достигают 60 м/с и более. При ветре более 15 м/с дни считаются с бурными ветрами. Число таких дней 38 - 54. В отдельные годы их может быть больше (до 80). Годовое количество осадков - в пределах 900-1500 мм. Осадки - половина времени в году. На снег приходится 60-70% осадков. Высота снежного покрова достигает 2-3 м и более. Продолжительность залегания снежного покрова 260 - 280 дней. Количество дней с метелями -140-180, с туманами - доЗОО. Относительная влажность воздуха -16-90%, причем меньшее значение относится к летнему периоду.
Таким образом, климатические условия района открытых горных работ на апатитовых рудниках являются суровыми, а на плато Расвумчорр их можно приравнять к климатическим условиям южной части арктических островов.
Апатитовые карьеры в настоящее время имеют общую мощность около 18,0 млн.т в год, в т.ч. «Центральный» - 9,0 млн.т.
Четыре железорудных карьера ОАО «Олкон» (бывший Оленегорский ГОК) добывают вместе 10,0 млн.т руды в год.
На горнодобывающие предприятия региона Кольского полуострова Белорусским автозаводом за последние 10 лет было поставлено свыше 700 автосамосвалов грузоподъемностью от 30 до 180 т.
Математическая модель надежности транспортной системы
Природа информационных процессов, связанных с функционированием технических объектов, в большинстве случаев носит вероятностный характер. Поэтому при количественном подходе к надежности как свойству системы эффективно функционировать, можно выделить один из критериев надежности - вероятность сохранения системой качественных характеристик в течение определенного промежутка времени при заданной цели ее функционирования.
Развитие теории надежности идет по трем направлениям: 1. Изучение проблемы структуры надежности, связанное с определением общей надежности сложных устройств при различном соединении элементов и с разработкой методики выбора элементов и узлов аппаратуры и режимов их работы при заданной степени надежности. 2. Определение надежности элементов, связанное с изучением физических свойств элементов. 3. Исследование надежности передачи сигнала в условиях помех, включающего в себя и проблему помехоустойчивого кодирования. В свете этих направлений надежность является одним из важнейших технических качеств системы.
Нет элементов абсолютно надежных, т.е. таких, вероятность безотказной работы которых равна 1,0. Имеет место старение элементов вследствие физической энтропии, поэтому надежность того или иного элемента есть убывающая функция времени, и усилия, направленные на повышение надежности элемента, приводят лишь к замедлению убывания вероятности его безотказной работы.
Академик А.И. Берг так определил круг вопросов ТН: «Теория надежности устанавливает закономерности возникновения отказов и восстановление работоспособности системы и ее элементов, рассматривает влияние внешних и внутренних воздействий на процессы в системах, создает основы расчета надежности и предсказания отказов, изыскивает способы повышения надежности при конструировании и изготовлении систем и их элементов, а также способы сохранения надежности при эксплуатации» (1963).
Статистическая закономерность представляет собой такую упорядоченную причинную связь, при которой предшествующие состояния системы определяют последующее не однозначно, а лишь с некоторой вероятностью, являются объективной мерой возможности осуществления состояния. Статистические законы действуют в неавтономных системах, свойства которых зависят от постоянно меняющихся внешних воздействий.
Если динамическая закономерность представляет собой форму проявления однозначно детерминированных законов, то статистическая является формой проявления вероятностных законов. Оба данных типа законов тесно связаны между собой и могут одновременно проявляться в различных областях. В макромире в большинстве случаев динамический закон реализуется как основная тенденция на фоне статистических процессов, в которых необходимая причинная связь пробивается через массу случайностей. Между детерминированными и вероятностными процессами не может быть проведена резкая граница. Динамические законы действуют в относительно не сложных автономных системах, но принятие большей меньшей сложности и автономии относительны.
Статистические законы действуют обычно там, где имеется большее число объектов (элементов) и связей между ними. Но закон динамический для системы какого-либо порядка может быть статистическим для систем меньшего порядка, входящих в данную систему в виде ее составных элементов. Динамические закономерности представляют собой, по существу, статистические с вероятностью осуществления событий, близкой к 1,0.
Теория надежности основывается на вероятностной природе самого феномена надежности. При таком подходе из всех состояний, в которых может находиться та или иная система, выделяется множество таких состояний, которые различаются между собой с точки зрения надежности. Это множество называется фазовым пространством системы. С течением времени в составных частях системы происходят различные изменения, например, связанные со «старением» элементов. Поэтому, если в момент tj состояние соответствует () хь то в момент t2 t] состояние системы соответствует () х2. При этом может оказаться, что х2 Ф Х\. Если обозначить через x(t) є G состояние системы в момент времени t, то последующие х(1), зависящие от времени, можно рассматривать как процесс, протекающий во времени. Так как изменение состояния носит случайный характер, то значение x(t) можно рассматривать как траекторию случайного процесса, протекающего в фазном пространстве состояния системы G.
Вторым шагом построения математической модели служит определение этого случайного процесса в зависимости от конкретных условий постановки задачи. Когда определено фазовое пространство G = {х} и в нем задан случайный процесс x(t), описывающий эволюцию системы по времени, то следующим этапом является выбор различных числовых характеристик надежности системы.
Современные транспортные системы карьеров имеют сложную структуру, характеристики которой подвержены изменениям как в связи с изменениями в самой структуре (износ машин, введение их новых моделей и пр.), так и под влиянием внешних факторов, которые постоянно меняют свои значения как в течение короткого периода (например, рабочая смена), так и месяца (года), когда изменяются горнотехнические условия. Таким образом, значения выходных параметров системы, определяемые ее надежностью, подчиняются вероятностным законам и могут быть определены с использованием известных методов теории вероятностей и математической статистики [6, 26, 34, 36, 164, 178, 196].
Построение математических моделей динамических процессов при движении автосамосвалов
Рассматриваемая РММ представляет собой систему дифференциальных уравнений (СДУ), которая позволяет путем численного интегрирования этих уравнений на ЭВМ рассчитывать динамические процессы вертикальных колебаний, сопровождающие движение автосамосвала по дорогам.
Основные отличия данной модели от известных, заключаются в том, что здесь рассмотрены вопросы учета влияния колебаний конструкций автосамосвала амортизационных прокладок между рамой и платформой с учетом возможного отрыва платформы, продольных усилий, возникающих при движении с ускоренным торможением (разгон-торможение), поперечных усилий при прохождении поворотов, а также дополнительные моменты нагрузки от продольного и поперечного уклонов дороги и разных профилей под левым и правым следом колес.
Используемый здесь подход заключается в следующем. Дорога рассматривается как суперпозиция гладкой базовой дороги и малых отклонений от нее, носящих вполне нерегулярный характер. Базовая дорога характеризуется указанием трех непрерывных функций от S-координаты, отсчитываемой вдоль траектории движения: угла продольного уклона дороги a(S), поперечного (3(S), радиуса кривизны дороги в плане R(S). Для каждого следа колеи указываются наложенные малые отклонения в виде таблиц поточечно измеренных ординат.
Задается также кинематика движения автосамосвала в целом, т.е. неубывающая функция времени s(t) с ее первой s(t) = V и второй s(t) = а производными.
Влияние продольного, поперечного уклонов дороги, поворота и линейного ускорения учитывается путем вычисления соответствующих моментных нагрузок, определяемых отдельно для каждого тела системы АТТ. Заданные малые отклонения от профилей базовой дороги приравниваются перемещениями колес, при этом учитывается возможность отрыва колес.
Для представления малых отклонений микропрофиля в виде функции привлекается алгоритм сплайн-апроксимации, т.е. поточечно заданные отклонения интерполируются набором кубических полиномов [4].
В итоге численное интегрирование СДУ по времени позволяет математически моделировать различные режимы движения автосамосвала по дорогам с заданными макро- и микропрофилями [3].
В ходе первых ЧЭ по динамике автосамосвалов, движущихся по дорогам с реальным нерегулярным микропрофилем, оказалось, что иногда расчетные максимальные давления газа в цилиндрах рессор могут достигать порядка 20.. .40 Мпа, а усилие в шарнире задней подвески 100.. .800 кН. Хотя продолжительность таких всплесков, возникающих обычно при ударе колеса о дорогу после отрыва, не превышает 0,01...0,03 с, существуют определенные сомнения в достоверности подобных результатов по отношению к поведению конструкции реальной подвески. В связи с этим было обращено внимание на принятую характеристику вязкого сопротивления пневмогидравлических рессор РЇ=ЕЇ, i=l,4 (3.8) где Р - усилие вязкого сопротивления (кН), А. - скорость взаимного смещения цилиндра и поршня рессоры (м/с), Е - функция коэффициента вязкости (кН-м); і=1,2 - соответствует здесь и далее передним рессорам, і=3,4 - задним. Для функций Е принимались следующие соотношения, учитывающие физическую и конструктивную нелинейность вязкого сопротивления рессор: ЕІ = \ (у-У)
IEf - АРІАЕ ,АРІ 0,(сжатие)
Однако во всех конкретных расчетах фактически реализовывалась кусочно-линейная характеристика для Р, так как, например, в случае 120-тонного автосамосвала для коэффициентов из (1.2) бралось: Ех = Е = 0,2, Е = Е = 0,272, f = Есг = ОД, Есъ = Ес- = ОД 36, (3.10) = ,5=0, 1=1,4 109
В случае умеренных загрузок и режимов движения автосамосвала расчеты с характеристикой для Е (1.2), (1.3) приводили к удовлетворительному совпадению с данными натурных экспериментов.
Однако в случае более тяжелых режимов ситуация с расчетными результатами кардинально меняется. Так, при наезде полностью загруженного 120-тонного автосамосвала на «кочку» пики усилий в задних рессорах составляет 2000 кН, скорость сжатия рессор достигает 4 м/с. Соответственно на долю вязкого сопротивления здесь максимально приходится 250кН, что совершенно недостаточно для гашения указанных всплесков упругих усилий до разумных пределов, которые по разным представлениям, могут составлять не более нескольких сотен кН [112].
Очевидно, что в описанных расчетах совершенно не учтен известный факт резкого возрастания гидродинамического сопротивления вязкой жидкости при ее протекании через отверстие с относительно большими скоростями.
Отметим, что точной математической характеристики вязкого сопротивления рессор, применяемых на самосвалах типа БелАЗ, не имеется. Поэтому реализация идеи об учете существенного роста коэффициентов вязкости Е основана далее на эвристических соображениях. Исходя из данных работы [13], для рессор принята следующая кусочно-квадратичная характеристика коэффициента-функции вязкого сопротивления рессор: /д + А (А,.)2,А о Е = \ г г. г , . (3.11) При подборе параметров в выражениях (3.11) исходим из следующих условий: - при малых А,, в том числе в пределе слева и справа к точке А,. = 0, коэффициент Е принимает те же значения, что и в (3.11); - при достаточно большой скорости, здесь и при А,. =1 м/с - усилие вязкого сопротивления для задней рессоры в случае отбоя увеличиваем по сравнению с вариантом (3.11) примерно вдвое;
Рекомендации по снижению динамических нагрузок на грузовые платформы и повышению их ресурса
Для повышения производительности автотранспорта, а, следовательно, и снижения себестоимости транспортирования необходимо строительство карьерных автодорог с прочным и долговечным покрытием, отвечающим весовым, габаритным и скоростным характеристикам автосамосвалов. Как известно, прочность и долговечность технологических автодорог оценивается их работоспособностью, которая рассчитана на определенный объем перевозки горной массы или заданный срок службы при имеющихся показателях состава и интенсивности движения. Эффективность использования и повышения производительности технологического автотранспорта в значительной степени сдерживается небольшим количеством дорог с твердым покрытием и неудовлетворительным состоянием всей дорожной сети. Так, на кимберлитовых карьерах Якутии всего 10% технологических автодорог имеют твердые покрытия.
На ряде отечественных предприятий, а также на карьерах Канады, Австралии строят дороги с покрытиями капитального и облегченного типа. Такие покрытия, несмотря на их высокую стоимость, требуют в среднем в 2-3 раза меньше затрат на ремонт, содержание и т.д
Опыт работы отечественных и зарубежных карьеров, а также специальные исследования [175] показывают, что производительность транспорта на дорогах с усовершенствованным покрытием на 17% выше, а затраты на 14-15% ниже, чем на дорогах с переходным покрытием. Экономия обусловлена снижением расхода топлива, шин и трудозатрат на ремонт автомашин.
По данным работы [174], перерасход топлива из-за неудовлетворительного состояния автодорог на карьерах Минчермета СССР в среднем составлял 20,6%. Расход топлива на дорогах с выравнивающим слоем из щебня на 15 - 20% больше, чем на дорогах с усовершенствованными покрытиями. Расход шин на дорогах с переходными покрытиями на 21-34% выше, чем на дорогах с усовершенствованным покрытием. Неровная поверхность автодорог из-за большой засоренности кусками горной массы приводит к пробоям крупногабаритных шин (до 30%).
Преимуществом усовершенствованных покрытий является также их малая подверженность воздействию климатических факторов, тогда как щебеночные и грунтовые дороги в периоды обильных осадков и снеготаяния под воздействием высоких осевых нагрузок автосамосвалов интенсивно разрушаются. Это приводит к снижению средней скорости движения машин на 25-50%, увеличению расхода топлива на 30-50%, а также значительному уменьшению надежности работы автосамосвалов за счет интенсивного износа их узлов и агрегатов.
Отсутствие дренажа земляного полотна, вогнутый профиль проезжей части, использование при строительстве автодорог горной массы из экскаваторных забоев, некачественное уплотнение грунта земляного полотна и материала конструктивных слоев дорожной одежды при помощи технологического автотранспорта являются основными причинами низких транспортно-эксплуатационных качеств карьерных автодорог.
Опыт эксплуатации HD-1200 на Удачнинском ГОКе показал [52], что жесткую зависимость значений выработки расхода топлива, а также шин и себестоимости от состояния карьерных автодорог и времени года. Так, в период сезонной оттайки многолетнемерзлых пород (май - июнь) выработка падает на 8-13% по сравнению со среднегодовыми значениями, а в переходные периоды на 19-21%.
С наступлением круглосуточных положительных температур начинается оттайка многолетнемерзлых пород. На дорогах без специальных покрытий, рассчитанных на высокие осевые нагрузки (у HD-1200 она составляет 1370 кН), наблюдается разрушение полотна дороги, сложенного из низкопрочных пород щебня ( =450 кг/см ). Образующиеся ямы, выбоины обуславливают рост сопротивления движению, а соответственно и увеличение расхода топлива, который в мае был на 15% выше среднегодового, то же наблюдается в период дождей (с августа по октябрь). Анализ ходимости крупногабаритных шин показывает, что максимальный их износ также приходится на период с положительными температурами воз 185 духа. В июне - сентябре расход шин в 1,3 - 1,5 раза больше среднегодового.
Действующие же нормативные документы [43] не в полной мере учитывают горнотехнические и климатические особенности кимберлитовых карьеров Якутии, что затрудняет выбор рационального типа дорожного полотна.
При выборе типа покрытия дорожной одежды кроме технико-экономических показателей и гидрогеологических условий необходимо учитывать и положительный эффект низкой температуры воздуха зимой. Так, с наступлением холодного периода верхняя часть дороги, а потом вся дорожная конструкция из-за замерзания содержащейся в ней влаги превращается в монолит. Поэтому зимой покрытие любого типа практически обеспечивает ровность и прочность дороги.
Следовательно, эффект от усовершенствования покрытия карьерных дорог в основном проявляется только при положительной температуре воздуха, т. е. в течение 5-6 мес. (с мая по сентябрь-октябрь).
Особенностью внутрикарьерных дорог является то, что срок их существования определяется временем отработки горизонта, на котором они устроены. Поэтому для карьерных автодорог он почти всегда меньше общепринятого.
При выборе типа покрытия необходимо проводить технико-экономические сравнение, чтобы избежать ошибок. Также утверждалось, что к строительству цементобетонного покрытия нужно приступать при предельном объеме перевозимой горной массы 35 млн т. Это положение неприемлемо, поскольку для карьера средней производительности срок службы цементобетонного покрытия может составить всего 2 года.
