Автореферат: Моделирование и идентификация состояния триботехнических элементов горнопроходческих комплексов роторного типа

Система дифференциальных уравнений вертикального движения куска груза в пролете между роликоопорами имеет вид:

;; (7)

,

гдеМ - приведенная масса куска и ленты; Е - условный модуль упругости; А - площадь поперечного сечения ленты; е - относительное удлинение ленты; l - расстояние между роликоопорами; х₀ - начальный прогиб; S₀ - начальное натяжение ленты; m - масса куска; J_i - момент инерции i-го ролика; c, k - коэффициенты демпфирования и упругости;щ_i - окружная скорость i-го ролика; ц_i - угол наклона i-го ролика;М_i и М_Сi - внутренние и внешние моменты сил; T - изгибная жесткость; с - плотность каната; x, y - координаты; t - время.

Экспериментально определены закономерности повреждения конвейерных лент при контактном взаимодействии с горной массой, имеющие экспоненциальный вид.

В третьей главе произведены моделирование и идентификация состояния ленты.

Методами решения контактной задачи приняты метод конечных элементов (МКЭ) и метод Герца (МГ). При упругом деформировании ленты от контакта с кусковой породой зависимость силы F в контакте от местного смятия а имеет вид:

, (8)

где К₀ определяется радиусами кривизны вершин кусков горной массы и ленты в месте нахождения роликоопоры и модулями упругости первого и второго рода горной массы и ленты.

Закон распределения давления Р_z(x, y) по площади соприкосновения определяется следующим образом:

. (9)

Резинотканевые ленты представляют собой композитный слоистый материал, состоящий из чередующихся по толщине слоев резины и тканевых прокладок, имеющих различные механические свойства. Уравнение равновесия конечного элемента записывается следующим образом:

. (10)

Уравнение равновесия всей конечно-элементной модели формируется из уравнений типа (10) для всех элементов с учетом граничных условий:

,(11)

где и - матрицы жесткости и узловых перемещений конечно-элементной модели соответственно; - вектор внешних узловых нагрузок.

Математическая модель разрушения ленты Р при единичном контактном воздействии кусковой горной массы выражена следующими составляющими:

, (12)

где: р₁…р₄ - законы распределения массы, радиуса и угла при вершине и предела прочности единичного куска; h_П, n_П - высота между плитами устройства загрузки и количество плит соответственно; k_П - коэффициент подстилающей породы; v_Л - скорость движения ленты; L_P и d_P - расстояние между роликовыми опорами и их диаметр; h_Л, n_Л - высота обкладок и прокладок ленты и их количество; [у_Р], [у_О], [у_У] - пределы циклической прочности ленты, материала основы и утка соответственно.

Закономерность скорости износа находится путем имитационного моделирования последовательности контактных взаимодействий. Представленная в работе развивающаяся модель разрушения ленты выражена в виде полинома. Она допускает корректировку при введении дополнительных данных о поврежденности ленты на этапе эксплуатации. В результате исследований введены динамические коэффициенты k_Д1 и k_Д2 в формулу срока службы ленты Т, предложенную ИГД МЧМ:

,(13)

где k_Л - коэффициент, зависящий от вида сердечника ленты; а - максимальная крупность куска; - плотность материала в целике; - коэффициент использования конвейера по производительности; m - коэффициент использования конвейера по времени; L - длина конвейера; H - высота загрузки; v - скорость движения ленты.

Идентификация состояния ленты производится сравнением износа, полученного моделированием, и допустимого. В работе использованы критерии предельного состояния по несущей способности срединной части ленты и выполнения прогнозируемой производственной программы предприятия. Прогнозирование состояния на требуемый промежуток времени (наработки) осуществляется применением экстраполяции (рис. 4).

В четвертой главе рассмотрены модели надежности, износа и решены некоторые вопросы повышения надежности шарошек дисковых ГПК.

В рамках данной работы была подвергнута статистической обработке техническая документация по эксплуатации шарошек ГПК “TB S V - 576 H/MS Wirth” за период с 01.06.2001 по 25.03.2003 гг. и с 20.09.06 по 01.01.07 гг. Были рассмотрены эксплуатационные данные наработки на отказ и структуры отказов шарошек ED-6 LWG-4-R и ED-6 /2К-LWG-4-R.

В результате обработки данных получена математическая модель закона распределения наработки на отказ шарошек:

(14)

гдеН - относительная единица проходки; б и в - параметры закона распределения; к - коэффициент перевода.

Результаты аппроксимации приведены на рис. 5 (непрерывная кривая).

Функциональная зависимость отказов шарошек (сис. 6) от радиуса вращения (пути работы разрушения) подчиняется следующему выражению:

,(15)

где:п - место расположения шарошки на исполнительном органе.

Методом Герца решена контактная задача взаимодействия режущего диска шарошки с породой забоя (результаты моделирования - рис. 7). Теоретически показано, что коэффициент запаса контактной прочности при максимальной нагрузке на режущий диск шарошки имеет значение k_З = 1,45.

Определена структурная схема действующего конструктивного исполнения дисковых шарошек ED-6 LWG-4-R и ED-6 /2К-LWG-4-R (рис. 8):

Р₁ - вероятность безотказной работы режущего диска; Р₂ - вероятность смещения режущего диска; Р₃ - вероятность износа контактного уплотнения; Р₄ - вероятность износа кольца резинового.

Шарошка прекращает функционировать при отказе любого из элементов О_i:

. (16)

Вероятность безотказной работы Р действующего конструктивного исполнения определяется выражением вида:

. (17)

Конструкция шарошки позволяет с минимальными затратами произвести механическую обработку крышки и корпуса для установки блока дополнительных уплотнений подшипникового узла (рис. 9).

Тогда структурная схема безотказной работы такой шарошки выглядит таким образом (рис. 10):

Р₅ - вероятность безотказной работы блока дополнительных уплотнений.

Отказ шарошки наступает при следующей структуре отказов элементов О_i:

. (18)

Вероятность безотказной работы дисковой шарошки после модернизации Р определяется выражением вида:

, (19)

где т - количество колец дополнительного уплотнений.

Смоделирован износ материалов дополнительного уплотнения и показано, что при нормальных условиях эксплуатации возможность его отказа по причине износа незначительна.

После обработки эксплуатационных данных получен закон распределения наработки на отказ модернизированных шарошек, имеющий нормальный вид (рис. 11), м:

, (20)

где т - математическое ожидание; у - дисперсия; Н - проходка в относительных единицах; к - коэффициент перевода.

Экономическая эффективность Э использования шарошек с дополнительным блоком уплотнений на один метр проходки, руб.:

, (21)

где: n_Ш - количество шарошек, С_Б, С_М - стоимость шарошки до и после модернизации соответственно, L_Б - средняя наработка на отказ базового варианта шарошки, т - математическое ожидание; Н - проходка в относительных единицах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основании выполненных автором исследований изложены научно обоснованные технические разработки, обеспечивающие решение важной задачи повышения эффективности эксплуатации высокопроизводительных горнопроходческих комплексов роторного типа путем совершенствования конструкций триботехнических элементов и снижения нерегламентированных простоев.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации сводятся к следующему:

1. Определены законы распределения наработки до отказа базового и модернизированного вариантов шарошек, имеющие виды закона Вейбулла и нормального закона, и полиномиальная зависимость отказов шарошек от длины резания, позволяющие выполнять прогнозирование наработки на отказ шарошек.

2. Получена зависимость срока службы ленты конвейера ГПК “TB S V - 576 H/MS Wirth” от времени эксплуатации, на основании которой сделан прогноз ресурса ленты.

3. Повышение надежности шарошки методом резервирования контактного уплотнения показало высокую эффективность при эксплуатации в условиях проходки ГПК “TB S V - 576 H/MS Wirth” левого перегонного тоннеля метрополитена в г. Екатеринбурге. За период эксплуатационных исследований была снижена интенсивность выбраковки шарошек по причине полного износа более чем в 12 раз.

4. На основе результатов математического моделирования модернизирован узел погрузки конвейера № 1 ГПК.

5. Получены следующие математические модели и разработаны программные средства моделирования:

- контактного взаимодействия режущего диска шарошки с породой забоя;

- законов распределения наработок до отказа шарошек, как базового, так и модернизированного вариантов.

- наработок до отказа модернизированного варианта шарошек, согласно полученному закону распределения, путем имитационного моделирования;

- контактного взаимодействия и локального разрушения конвейерной ленты;

- срока службы ленты конвейера;

- законов распределения геометрических свойств горной массы;

- движения горной массы между роликоопорами;

- движения горной массы в пункте погрузки;

- поврежденности конвейерных лент при контактном взаимодействии с горной массой.

6. Разработан алгоритм идентификации технического состояния конвейерной ленты.

7. Планируемый годовой экономический эффект от внедрения блока дополнительных уплотнений составит 56,9 млн.руб/год без учета косвенного экономического эффекта.

8. Повышение эффективности использования ГПК достигается за счет:

- увеличения срока службы дисковых шарошек более чем в 3 раза;

- увеличения срока службы ленты конвейера на 8%;

- снижения простоев ГПК.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Габигер В.В. Моделирование динамических и контактных процессов ленточных конвейеров/ Габигер В.В. // «Известия ВУЗов. Горный журнал» - Екатеринбург, 2008.

2. Дергунов Н.П. Об индивидуализированных моделях деградации в элементах горного оборудования/ Н.П. Дергунов, В.В. Габигер, В.С. Зорин // Известия УГГГА. Серия “Горная электромеханика” - 2003.

3. Дергунов Н.П. Об индивидуализированных моделях деградации и катастроф в элементах механических систем/ Н.П. Дергунов, В.В. Габигер, А.П. Шаманин // Матриалы Международной конференции “Разрушение и мониторинг свойств металлов” - Екатеринбург, 2001. - С.35 - 37.

4. Дергунов Н.П. Схема процесса старения (модель параметрического отказа)/ Н.П. Дергунов, В.В. Габигер, А.Д. Севостьянов, Е.И. Чернышев // Материалы Международной конференции “Разрушение и мониторинг свойств металлов” - Екатеринбург, 2001. - С.25 - 28.

5. Dergunov N.P. Definition of characteristics of reliability of conveyors, rock cutting machines on the basis imitating modeling interaction with breed and dynamics of equipments/ N.P. Dergunov, W.V. Gabiger, V.S. Zorin // Works of International conference “GIS in geology” - Moscow, 2002.

6. Дергунов Н.П. Моделирование взаимодействия проходческого комбайна с породой/ Н.П. Дергунов, В.В. Габигер, В.С. Зорин // Материалы международной научно-технической конференции “Научные основы разведки и переработки руд и техногенного сырья”- Екатеринбург, 2003. - С. 445 - 447.

7. Габигер В.В. Моделирование и идентификация технического состояния критических элементов ленточных конвейеров/ В.В. Габигер // Материалы международной научно-практической конференции “Научные основы разведки и переработки руд и техногенного сырья”- Екатеринбург, 2004. - С. 300 - 301.

8. Габигер В.В. К методике построения триботехнических моделей элементов горных машин/ В.В. Габигер // Материалы 4-ой международной научно-технической конференции “Инженерия поверхности и реновация изделий” - Ялта, Украина, 2004. - С. 62 - 63.

9. Г.А. Боярских. Исследование контактных процессов в триботехнических элементах горных машин с помощью модели Герца/ Г.А. Боярских, В.А. Замотин, В.В. Габигер // Материалы 4-ой международной научно-технической конференции “Инженерия поверхности и реновация изделий” - Ялта, Украина, 2004. - С. 61 - 62.

10. Габигер В.В. Иерархической подход к построению моделей контактных взаимодействий в элементах горный машин/ В.В. Габигер // Материалы международной научно-технической конференции “Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности” - Екатеринбург, 2004.