Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уральский государственный горный университет».
Научный руководитель -
Боярских Геннадий Алексеевич,
заслуженный деятель науки РФ,
доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты:
Зимин Анатолий Иванович,
доктор технических наук, профессор
Таугер Виталий Михайлович,
кандидат технических наук, доцент
Ведущая организация -
Институт горного дела УрО РАН
Защита состоится 26 декабря 2008 г. в _13_ часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.03 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уральский государственный горный университет», по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30, зал заседаний Ученого совета.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Уральский государственный горный университет».
Автореферат разослан _24_ ноября 2008 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета М.Л. Хазин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Актуальность увеличения эффективности использования триботехнических элементов горно-шахтного оборудования определяется экономическими требованиями, стоящими перед предприятиями горной и строительной промышленности, что требует принципиально нового подхода к обеспечению надежности данных элементов. Одним из основных направлений, интенсифицирующих работы по сооружению различных типов тоннелей, является применение высокопроизводительных горнопроходческих комплексов с рабочим органом роторного типа (ГПК).
В работе рассмотрены триботехнические элементы ГПК “TB S V - 576 H/MS Wirth”: шарошки дисковые и лента конвейера. При строительстве левого перегонного тоннеля метрополитена в г. Екатеринбурге исследование надежности и ресурса этих элементов явилось наиболее актуальной задачей.
В последнее время практически прекратились работы по внедрению новых конструктивных и технологических решений, поэтому также актуальным является совершенствование имеющихся конструкций триботехнических элементов.
Применяющиеся системы планово-предупредительного ремонта и ремонта по полному выходу из строя ГПК не полностью отражают процессы потери работоспособности и обусловливают формирование дополнительных издержек. При организации ремонтных работ по прогнозируемому техническому состоянию триботехнических элементов продуктивность ГПК повышается на 50-60 % за счет сокращения простоев. Переход на эксплуатацию и ремонт триботехнических элементов ГПК по прогнозируемому состоянию сдерживается недостатком методов расчета или моделирования их технического состояния для конкретных объектов и условий эксплуатации. Все это указывает на необходимость проведения дополнительных исследований в этом направлении.
Цель работы – повышение эффективности эксплуатации горнопроходческих комплексов роторного типа.
Идея работы: моделирование и идентификация состояния триботехнических элементов, изменение конструкции породоразрушающего инструмента рабочего органа и узлов конвейера повышают эффективность эксплуатации ГПК за счет снижения нерегламентированных простоев и увеличения сроков службы шарошек и ленты.
Связь темы диссертации с государственными программами. Данная диссертация выполнена в рамках госбюджетной темы «Развитие теории мониторинга и эффективности сложных электромеханических систем горного производства», 2002-2004 гг., № Гос. рег. 1.8.02.
Задачи исследований:
- разработать модели изменения состояния триботехнических элементов ГПК;
- увеличить ресурс имеющегося конструктивного исполнения дисковых шарошек типов ED-6 LWG-4-R и ED-6 /2К-LWG-4-R методом резервирования элементов;
- увеличить ресурс ленты конвейера ГПК за счет модернизации конструкции узла загрузки;
- разработать программные средства моделирования технического состояния триботехнических элементов ГПК.
Методы исследований:
- методы теории вероятностей, математической статистики, математического и имитационного моделирования, теории колебаний и статистической механики;
- метод Герца и метод конечных элементов при решении задач контактного взаимодействия;
- методы теории надежности машин;
- численные методы решения дифференциальных уравнений и моделирование процессов на ЭВМ.
Научные положения, выносимые на защиту:
- резервирование уплотнения подшипникового узла действующего конструктивного исполнения шарошки дисковой позволяет значительно повысить ее ресурс;
- полученный закон распределения наработок модернизированных шарошек до отказа в виде нормального позволяет определить периодичность их замены;
- распределение напряжений в режущем диске шарошки рассматривается на основе моделей Герца;
- распределение напряжений и повреждений в ленте рассматривается в аспекте анизотропии механических свойств на основе моделей Герца и конечно-элементных моделей напряженно-деформированного состояния с учетом моделирования свойств породы;
- закономерность изменения технического состояния ленты конвейера определяются имитацией последовательности контактных воздействий горной породы для различных конструктивных вариантов конвейера.
Научная новизна работы состоит в следующем:
в конкретизации математического описания динамических и контактных процессов в конвейерной ленте;
в раскрытии закономерностей распределения деформаций и напряжений в конвейерной ленте при взаимодействии с криволинейными телами;
в уточнении математического описания износа конвейерной ленты;
в определении структурных схем безотказной работы шарошек дисковых;
в определении законов распределения наработок на отказ шарошек.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатовподтверждается результатами лабораторных и промышленных экспериментов, воспроизводимостью найденных закономерностей, положительными итогами опробирования разработанных предложений в условиях ОАО «Бамтоннельстрой» и ОАО «Богословское рудоуправление». Точность и надежность полученных выводов обоснована результатами статистической обработки выборочных данных (отклонение 5-7 % при доверительной вероятности 90 %).
Личный вклад автора:
- анализ существующей конструкции шарошки и разработка конструкции дополнительного блока уплотнений;
- определение законов распределения наработок на отказ различных конструктивных вариантов дисковых шарошек;
- разработка моделей контактного взаимодействия как ленты конвейера, так и режущего диска шарошки с породой;
- уточнение закономерности изменения технического состояния ленты конвейера;
- участие в эксплуатационных испытаниях шарошек, обобщении и оценка их результатов.
Реализация выводов и рекомендаций работы.
Результаты исследований использованы ОАО «Бамтоннельстрой», ООО «Красноярскметрострой», ОАО «Богословское рудоуправление» при разработке систем и регламентов ремонта, а также модернизации конструкции шарошек и устройства загрузки конвейера. Программные средства моделирования движения и методика расчета устройств загрузки конвейеров переданы в ОАО «Венкон».
Экономический эффект от внедрения блока дополнительных уплотнений и увеличения срока службы ленты конвейеров ГПК составили 63,2 тыс.руб/метр проходки и 60 тыс.руб/год соответственно.
Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались на Международной конференции “Разрушение и мониторинг свойств металлов” (Екатеринбург, 2001); Международной научно-технической конференции “Геоинформационные системы в геологии” (Москва, 2002); Международной научно-технической конференции “Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья” (Екатеринбург, 2003), Уральской горно-геологической декаде (Екатеринбург, 2004), Международной научно-технической конференции “Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности” (Екатеринбург, 2004), Международной научно-технической конференции “Реновация и инженерия поверхности” (Ялта, Украина, 2004).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 10 печатных работах, из них 1 в ведущем рецензирующем журнале из перечня ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, оглавления, четырех глав, заключения, приложений, списка литературы из 120 наименований; содержит 120 страниц машинописного текста, в том числе 15 таблиц, 62 рисунка.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы работы, определены цели исследования, научная новизна, практическая значимость результатов работы, представлены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе приведен литературный обзор по теме диссертационной работы. Рассмотрены современные представления о проблеме технического состояния, надежности и ее оценке в горном машиностроении.
Большой вклад в исследования надежности машин и конструкций внесли такие ученые, как: В.В. Болотин, В.В. Клюев, И.В. Крагельский, А.С. Проников, Д.Г. Громаковский, К.С. Колесников, Э.С. Гаркунов, В.Л. Колмогоров, С.В. Смирнов, Н.А. Махутов, А.П. Гусенков, Ф.Р. Соснин, М.Н. Добычин, Д.Н. Решетов, А.Г. Суслов, В.П. Когаев, В.М. Труханов, Г.А. Боярских, П.С. Банатов и др.
Научные основы теории ленточных конвейеров заложены такими учеными, как А.О. Спиваковский, А.В. Андреев, Н.С. Поляков, Н.Я. Биличенко, С.А. Панкратов, Н.С. Поляков, Г.И. Солод, Л.Г. Шахмайстер. Разработке и совершенствованию проходческого оборудования и технологий сооружения горных выработок посвящены работы Я.И. Базера, В.Н. Гетопанова, В.Ф. Горбунова, Б.А. Картозии, А.В. Докукина, В.И. Солода и др.
Рассмотрены существующие методики построения моделей технического состояния узлов ГПК. Показана доля простоев, связанная с восстановлением работоспособного состояния и исполнением операций планово-предупредительного ремонта у таких элементов конвейеров как лента и шарошки, на долю которых приходится около 70 % времени простоя и 60 % отказов.
В качестве математических моделей динамических и триботехнических процессов, учитывающих внешние воздействия, не являющиеся детерминированными, во второй главе используются следующие модели: движение горной массы в устройстве загрузки и между роликовыми опорами конвейера; контактного взаимодействия ленты с горной массой. В имитационных моделях контактного взаимодействия в качестве входных данных предложено использование случайных величин: гранулометрического состава, массы, радиуса при вершине, угла между образующими плоскостями кусков, скорости соприкосновения горной массы с лентой в устройстве загрузки и между роликовыми опорами конвейера.
В работе произведен анализ перечисленных свойств горной массы на примере окварцованного порфирита после разрушения ротором ГПК “TB S V - 576 H/MS Wirth”. В результате обработки данных математические модели имеют вид:
• плотность распределения массы кусков p(m), кг:
, (1)
где l - линейный размер куска, и - параметры закона распределения,
- плотность горной массы, k - коэффициент, показывающий соотношение между длиной, шириной и высотой куска и зависящий от вида разрушения породы;
• плотность распределения радиусов закругления вершин кусков p(r), в потоке подчиняется следующей зависимости (закону распределения Вейбулла), мм:
, (2)
где r - радиус закругления, и - параметры закона;
• плотность распределения величины угла р() при вершинах кусков порфирита близка по структуре нормальному закону распределения, рад:
, (3)
где т - математическое ожидание, - дисперсия.
Исследованы закономерности движения горной массы в пункте загрузки. Математическое описание движения единичного куска произведено в рамках классической механики, потока горной массы – в рамках статистической механики. Содержательной моделью движения единичного куска принято движение материальной частицы в гравитационном поле Земли без учета сил трения. Содержательной моделью контакта единичного куска с отбойной плитой – соударение шара и плоскости. В матричном виде уравнение движения с конечным числом степеней свободы имеет вид:
, (4)
где М – симметричная матрица обобщенных инерционных коэффициентов;
Законы, описывающие начальные координаты и скорости потока горной массы, приняты в виде нормальных. Уравнение, описывающее падение потока горной массы, принято аналогичным уравнению (4). Начальные условия являются случайными величинами с вероятностными характеристиками: математическими ожиданиями и дисперсиями.
Для выбранного случая требуется найти вероятностные характеристики координаты х и скорости.
Вероятностные характеристики определяются следующими выражениями:
(6)
где - математические ожидания координаты и скорости соответственно;
- дисперсии координаты и скорости соответственно.
На основе результатов математического моделирования модернизирован узел погрузки конвейера № 1 ГПК (рис. 1).
