Введение к работе
Актуальность темы. Основным направлением развития угольной промышленности является преимущественный рост доли открытого способа разработки месторождений как наиболее эффективного и перспективного. Увеличение добычи угля в стране открытым способом неразрывно связано с увеличением объемов экскавационных работ.
Экскаваторы занимают центральное место в технологической цепи добычи полезных ископаемых открытым способом и выполняют свыше 80% общего объёма работ. Очевидно, что их высокопроизводительная работа напрямую влияет на эффективность ведения горных работ. Самым распространённым классом экскаваторов являются одноковшовые экскаваторы, причем на карьерах наиболее распространено оборудование «прямая лопата».
Основной тенденцией развития карьерных одноковшовых экскаваторов является использование гидравлического привода, который имеет значительные резервы по возможности его совершенствования и позволяет вести горные работы по сравнению с механическими лопатами более интенсивно. Однако эволюционный путь развития, принятый разработчиками, а также эмпирический подход при проектировании не даст серьезных качественных изменений гидравлической экскавационной техники в будущем. Для создания машин действительно высокого технического уровня необходимо исходить из системного подхода к экскаватору, суть которого заключается в том, что при проектировании следует учитывать не только состав объекта, но и взаимосвязи между его элементами и частями, а также с внешней средой. Получаемые в процессе проектирования параметры экскаватора должны быть связаны друг с другом оптимальным образом и отвечать регламентированным техническим требованиям. Одним из эффективных инструментов оптимизации параметров карьерных экскаваторов становится математическое моделирование, которое позволяет существенно снизить трудоёмкость и затраты времени по сравнению с испытаниями машин на натурных моделях.
Этот круг вопросов по существу связан с проблемой повышения качества промышленной продукции, являющейся одной из наиболее важных проблем развития экономики в условиях рынка, решению которой в настоящее время уделяется большое внимание. Изложенное свидетельствует об актуальности диссертационной работы.
Цель работы: повышение технического уровня карьерных одноковшовых гидравлических экскаваторов на стадии проектирования.
Идея работы заключается в оптимальном согласовании показателей технического уровня и параметров одноковшовых экскаваторов посредством системного анализа существующих между ними взаимосвязей.
Объект исследований: карьерные гидравлические одноковшовые экскаваторы с оборудованием «прямая лопата».
Задачи исследований. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Обоснование функционального критерия и номенклатуры показателей технического уровня карьерных гидравлических одноковшовых экскаваторов; сравнительная оценка технического уровня существующих машин и выявление перспективных направлений и методов его повышения.
Разработка на базе системного подхода и методов комплексной оценки методики оптимизации показателей технического уровня по критерию качества.
Оптимизация единичных показателей технического уровня с целью достижения сбалансированности параметров экскаваторов.
Синтез оптимальных параметров исполнительных органов машин на основе полученных значений оптимальных единичных показателей технического уровня.
Методы исследований. При выполнении работы использовались методы статистической обработки данных и построения регрессионных моделей, математического экспериментирования, анализа и синтеза, методы комплексной оценки показателей технического уровня, математическое моделирование и аппарат линейного программирования.
Научные положения, выносимые на защиту:
Функциональный критерий взаимодействия элементов системы «экскаватор - горная масса» и комплекс показателей, выбираемых в зависимости от степени влияния их на производительность, создают основу для оценки технического уровня карьерных одноковшовых экскаваторов и выбора приоритетных направлений его повышения.
Регрессионные модели взаимосвязей между обобщенным и единичными показателями технического уровня, а также между параметрами карьерных гидравлических экскаваторов являются линейными, причем наибольший рост качества дает снижение удельной мощности привода, металлоемкости и продолжительности цикла, а также увеличение ресурса.
Для создания карьерных одноковшовых гидравлических экскаваторов высокого технического уровня необходимо обеспечить достижение следующих значений их показателей: функциональный критерий оценки качества должен составлять не менее 24,2 кВт/м3; ресурс - не менее 77,4 тыс. ч; удельная мощ-
ность привода - не более 57,94 кВт/м ; металлоемкость - не более 13,7 т/м .
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертационной работе, подтверждается использованием апробированных теоретических положений по безэкспертной оценке качества горных машин; достаточным объемом теоретических исследований, выполненных с применением методов математической статистики, выбором представительных критериев, обусловливающих технический уровень карьерных экскаваторов, что позволяет делать выводы с доверительной вероятностью не ниже 95%.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
1. Разработана методика комплексной оценки технического уровня, отличающаяся специфическими для карьерных одноковшовых экскаваторов функциональным критерием и единичными показателями, номенклатура которых определена степенью влияния их на производительность экскаватора.
Впервые установлены закономерности формирования и регрессионные модели взаимосвязей между показателями технического уровня и параметрами карьерных экскаваторов;
Разработана математическая модель оптимизации показателей технического уровня карьерных экскаваторов, где в качестве критерия оптимизации использовались обобщенные оценки технического уровня;
Разработан метод синтеза параметров карьерных экскаваторов на основе полученных оптимальных значений единичных показателей технического уровня с учетом оптимальных взаимосвязей их между собой.
Личный вклад автора заключается в постановке задач исследования и разработке методов их решения; в выполнении аналитических и экспериментальных исследований; в разработке методик комплексной оценки технического уровня и оптимизации параметров карьерных одноковшовых экскаваторов; в установлении закономерностей формирования и регрессионных моделей взаимосвязей между параметрами карьерных экскаваторов, а также между обобщенным и единичными показателями технического уровня.
Научное значение работы заключается в разработке метода оценки технического уровня карьерных одноковшовых экскаваторов с применением функционального критерия, учитывающего их особенности и специфику работы; в разработке нового подхода к оптимизации параметров карьерных экскаваторов, который базируется на использовании в качестве критерия оптимизации обобщенных оценок технического уровня, а в качестве оптимизируемых параметров - его единичных показателей.
Практическая значимость работы заключается в разработке механизма объективной оценки принимаемых решений на самых ранних стадиях проектирования карьерных одноковшовых гидравлических экскаваторов. Разработанная методика оптимизации параметров карьерных экскаваторов позволяет научно-обоснованно решать вопросы повышения технического уровня машин за счет оптимального согласования их параметров.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Основные научные результаты диссертационной работы внедрены и находят практическое применение в учебных (Филиал КузГТУ в г. Новокузнецке) институтах и эксплуатирующих организациях (ОАО «СУЭК», ОАО «Разрез Красногорский» и ООО «Разрез Березовский»). К их числу относятся методические материалы по оценке технического уровня и расчету оптимальных параметров карьерных одноковшовых экскаваторов, рекомендации по перевооружению карьеров за счет внедрения экскавационной техники с гидравлическим приводом, разделы лекционных курсов.
Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее результаты докладывались и обсуждались на:
1. III Межвузовской научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Перспективные направления в науке, обществе, образовании, экономике и праве» (24 апреля 2009), Филиал ГУ КузГТУ в г. Новокузнецке, г. Новокузнецк.
VI Международной научно-технической конференции «Проблемы исследования и проектирования машин» (ноябрь 2010), г. Пенза.
III Международной научно-практической конференции «Перспективы развития прокопьевско-киселевского угольного района, как составная часть комплексного инновационного плана моногородов» (30 марта 2011), Филиал ГУ КузГТУ в г. Прокопьевске, г. Прокопьевск.
IX Международной научно-технической конференции молодых специалистов (23 апреля 2011), ОАО «ЕВРАЗ», г. Новокузнецк.
X Международной научно-технической конференции молодых специалистов (20 апреля 2012), ОАО «ЕВРАЗ», г. Новокузнецк.
семинарах кафедры «Горные машины и комплексы» ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева» 2009-2012 гг.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 12 печатных
работ.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, общим объемом 176 страниц, 27 таблиц и 19 рисунков, библиографического списка, включающего 109 наименований.
