CC BY
0УДК 622.879 Летнев К.Ю., аспирант
Уральский Федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, 620002, Россия, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19
E-mail: [email protected]
ЭНЕРГОЕМКОСТЬ ПРОЦЕССА ЭКСКАВАЦИИ ГОРНЫХ ПОРОД РАБОЧИМ ОБОРУДОВАНИЕМ ТИПА ПРЯМАЯ ЛОПАТА КАРЬЕРНОГО ЭКСКАВАТОРА_
Аннотация: Установлено, что в процессе экскавации грунта при совместном действии приводов главных механизмов карьерного экскаватора (подъема и напора) происходит изменение уровня энергопотребления как отдельных приводов, так и в целом силовой установки. Выявлены основные факторы, определяющие распределение потребляемой мощности между приводами главных механизмов. Предложена методика расчета энергетической характеристики карьерного экскаватора при отработке забоя в конкретных горнотехнических условиях работы на основе имитационной модели рабочего процесса карьерного экскаватора.
Ключевые слова: карьерный экскаватор, приводы главных механизмов, энергоемкость процесса экскавации.
Информация о статье: принята 01 августа 2019 г.
Б01: 10.26730/1816-4528-2019-3-9-13
Введение
В настоящее время уровень энергопотребления является одним из главных показателей эффективности функционирования технологического оборудования, в частности, карьерных экскаваторов.
Обзор публикаций по проблеме энергосбережения и повышения энергетической эффективности оборудования [1 - 11] показал, что они посвящены в основном методологическим аспектам потребления энергетических ресурсов и выявлению резервов повышения энергетической эффективности оборудования.
Вместе с тем вопросы формирования энергозатрат при функционировании оборудования и при определении рационального уровня энергопотребления для конкретных условий эксплуатации рассмотрены не в полной мере.
Определение уровня энергопотребления как отдельных приводов технологического оборудования, так и в целом силовой установки во взаимосвязи с условиями эксплуатации позволит повысить эффективность использования энергетических ресурсов.
Цель и задачи работы
Целью исследования является обоснование энергетической характеристики карьерного экскаватора, определяющей взаимосвязи между горнотехническими условиями работы и эксплуатационными показателями экскаватора - производительностью и энергопотреблением.
Задачи работы:
- определение уровня энергопотребления приводами главных механизмов в процессе экскавации горных пород;
- оценка уровня энергопотребления при отработке экскаваторного забоя;
- выявление основных факторов, формирующих энергопотребление.
Решение задач исследования
Объект исследования - процесс экскавации горных пород рабочим оборудованием типа прямая лопата карьерного экскаватора.
Предмет исследования - определение энергопотребления приводами главных механизмов при экскавации горных пород.
Методы исследования - математическое моделирование и вычислительный эксперимент.
На основе имитационной модели процесса экскавации горных пород [12] проведен вычислительный эксперимент по расчету режимных параметров главных механизмов и мгновенных мощностей усилий подъема и напора для карьерного экскаватора ЭКГ-20А производства ПАО «Уралмашзавод».
Исходные данные для расчета:
- координаты звена «рукоять-ковш», а именно координаты точки К (вершины режущей кромки ковша) - Хк и Ук;
- скорость копания V = 1 м;
- угол наклона касательной к траектории перемещения ковша у = 60°;
- радиусы копания на уровне стояния экскаватора для начальной, средней и конечной траекторий составляют = 9, 12 и 15 м;
- максимальная высота копания Нк.тах = 17 м.
В табл. 1 и 2 и на рис. 1 и 2 приведены результаты расчета при отработке забоев высотой 12 и 17 м, ширине заходки А = 6 м.
Величина энергопотребления определяется в зависимости от значений мгновенных мощностей усилий подъема и напора и составит
Таблица _ 1. Режимные параметры главных механизмов экскаватора ЭКГ-20А при высоте копания Нк = 12 м
№ п/п Координаты точки K Скорости подъема и напора Усилия подъема и напора Мощности
усилий
Хк, м Yk, м Vi, м/с Ун, м/с F^ кН F^ кН Рп, кВ Рн, кВ
Начальная траектория (Хко = 9 м)
1 9,0 0 0,95 -0,87 437 -581 415 504
2 10,15 2 0,92 -0,81 509 -577 465 465
3 11,30 4 0,84 -0,70 574 -588 481 410
4 12,45 6 0,70 -0,51 692 -581 481 294
5 13,60 8 0,52 -0,19 916 -583 480 113
6 14,75 10 0,50 0,19 1240 -673 626 126
7 15,90 12 0,66 0,50 1585 -840 1039 422
Средняя траектория (Хк0 = 12 м)
8 12,0 0 0,90 -0,72 678 -341 613 246
9 13,15 2 0,85 -0,61 723 -351 617 214
10 14,30 4 0,78 -0,45 764 -358 596 160
11 15,45 6 0,70 -0,23 847 -333 589 75
12 16,60 8 0,65 0,04 951 -289 614 11
13 17,75 10 0,66 0,29 1047 -219 687 64
14 18,90 12 0,69 0,50 1102 -89 763 45
Конечная траектория (Хко = 15 м)
15 15,0 0 0,85 -0,55 857 -121 728 67
16 16,15 2 0,80 -0,42 893 -114 713 48
17 17,30 4 0,74 -0,24 930 -89 690 22
18 18,45 6 0,69 -0,04 974 -32 670 1
19 19,60 8 0,64 0,16 1027 70 661 11
20 20,75 10 0,60 0,35 1083 233 646 81
21 21,90 12 0,51 0,50 1143 483 578 242
п
Э = Х 0,5( Р + Р+Х)М I=1 ,
где и Р/+1 - значения мгновенных мощностей усилий подъема и напора для /-ой и / + 1 точек траектории перемещения ковша (вершины режущей кромки); Д/ - длительность перемещения ковша на отрезке (/, / + 1).
На рис. 3 и 4 представлены графики изменения энергопотребления при перемещении ковша в процессе экскавации по эквидистантным траекториям при отработке забоев различной высоты (12 и 17 м).
Из приведенных графиков видно, что величина энергопотребления двигателем механизма подъема при перемещении ковша по эквидистантным траекториям практически не меняется, за исключением начальной траектории при Лк.ус = 9 м (где противодействие главных механизмов проявляется в наибольшей степени).
Величина энергопотребления двигателем механизма напора при максимальной высоте забоя Нз = 17 м в целом практически не меняется, а при высоте забоя Нз = 12 м - уменьшается.
Величина общего энергопотребления двигателями при перемещении ковша по эквидистантным траекториям в целом практически не меняется.
Приведенные графики (рис. 3 и 4) представляют собой единичные энергетические характеристики, т. е. зависимости энергопотребления от энергосиловых параметров, реализуемых на режущей кромке ковша при перемещении ковша по заданной траектории, соответствующей схеме отработки забоя.
На основе единичных энергетических характеристик может быть определен интегральный показатель - энергоемкость процесса экскавации для конкретных горнотехнических условий эксплуатации по заданной схеме отработки экскаваторного забоя.
Энергоемкость процесса экскавации составит Э
Эсум a = —— V ,
где Эсум — суммарное энергопотребление двигателем подъема и напора при отработке фрагмента экскаваторного забоя при ширине заходки А = 6 м; V - объем фрагмента забоя, ширина которого равна ширине ковша.
Расчетная величина энергоемкости процесса экскавации составила при высоте забоя Нз = 12 м а12 = 1010 кПа, а при высоте забоя Н = 17 м ai7 = 1330 кПа.
Таким образом, на основе имитационной модели процесса экскавации горных пород карьерным экскаватором производится оценка как единичных энергетических характеристик, так и энергоемкости процесса экскавации в целом.
Заключение
Обоснование энергетических характеристик процесса экскавации горных пород рабочим оборудованием типа прямая лопата карьерного экскаватора, являющимся одним из основных потребителей электроэнергии на горных предприятиях, позволит создать систему мониторинга энергопотребления при отработке экскаваторного забоя в конкретных горнотехнических условиях эксплуатации.
Mining Equipment and Electromechanics. No. 3, 2019. PP. 9-13
Таблица 2. Режимные параметры главных механизмов экскаватора ЭКГ-20А при высоте копания Нк = 17 м
№ п/п Координаты точки K Скорости подъема и напора Усилия подъема и напора Мощности
усилий
Хк, м Yk, м Vn, м/с Ун, м/с кН F^ кН Рп, кВ Рн, кВ
Начальная траектория (Хко = 9 м)
1 9,0 0 0,95 -0,87 290 -630 275 550
2 10,15 2 0,92 -0,81 350 -620 331 490
3 11,30 4 0,84 -0,70 420 -605 352 421
4 12,45 6 0,70 -0,51 520 -580 359 292
5 13,60 8 0,52 -0,19 700 -555 366 106
6 14,75 10 0,50 0,19 975 -590 489 110
7 15,90 12 0,66 0,50 1270 -700 826 348
8 17,05 14 0,80 0,70 1560 -850 1220 578
9 18,20 16 0,89 0,81 1810 -1005 1580 795
10 18,80 17 0,91 0,84 1910 -1060 1770 923
Средняя траектория (Хк0 = 12 м)
11 12,0 0 0,90 -0,72 517 -411 468 296
12 13,15 2 0,85 -0,61 560 -402 478 246
13 14,30 4 0,78 -0,45 595 -395 464 177
14 15,45 6 0,70 -0,23 674 -346 472 80
15 16,60 8 0,65 0,04 755 -294 487 11
16 17,75 10 0,66 0,29 838 -217 550 64
17 18,90 12 0,69 0,50 886 -95 613 48
18 20,05 14 0,68 0,65 896 115 608 74
19 21,20 16 0,49 0,75 890 497 433 371
20 21,80 17 0,25 0,78 960 806 218 638
Конечная траектория (Хко = 15 м)
21 15,0 0 0,85 -0,55 690 -207 586 114
22 16,15 2 0,80 -0,42 722 -187 577 78
23 17,30 4 0,74 -0,24 754 -152 559 37
24 18,45 6 0,69 -0,04 791 -91 544 4
25 19,60 8 0,64 0,16 835 9 538 1
26 20,75 10 0,60 0,35 885 156 528 54
27 21,90 12 0,51 0,50 937 372 474 186
28 23,05 14 0,32 0,62 1010 685 327 423
29 24,20 16 0,04 0,70 1180 1130 43 793
*30 24,80 17 -0,12 0,74 1350 1420 225 1057
* - вариант расчетный.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Берман А.В. Метод определения энерговооруженности рабочего процесса экскавации во взаимосвязи с параметрами массива горных пород / А.В. Берман, Г.Я. Воронков, Р.Р. Гайнуллин // Открытые горные работы. 2000. № 3. С. 25-28.
2. Комиссаров А.П. Метод оценки рабочих параметров карьерного экскаватора в конкретных условиях эксплуатации // Горные машины и автоматика. 2003. № 6. С. 33-35.
3. Комиссаров А.П., Лагунова Ю.А., Шестаков В.С. Сравнительная оценка энергетических характеристик карьерных экскаваторов // Горное оборудование и электромеханика. 2014. № 2. С. 14-16.
4. Малафеев С.И., Серебренников Н.А. Повышение энергетической эффективности карьерных экскаваторов на основе модернизации электрооборудования и систем управления // Уголь. 2018. № 10. С. 30-33.
5. Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности в АК «АЛРОСА» / Н.А.
Соловьева, А.И. Крашенинников, И.В. Зырянов, АВ. Рыбников // Горное оборудование и электромеханика. 2016. № 2. С. 16-19.
6. Савченко А.Я. Совершенствование методологии оценки качества высокопроизводительного экс-кавационного оборудования большой единичной мощности на этапе эксплуатации // Горные машины и автоматика. 2001. № 1. С. 4-6.
7. Слесарев Б.В. Исследование условий и параметров экскавации мощных карьерных экскаваторов / БВ. Слесарев, П. Булес // Материалы конференции «Машины и оборудование для открытых горных работ». В рамках 19-й Международной выставки «Горное оборудование, добыча и обогащение руд и минералов», 21 апреля 2015, Москва, С. 3-4.
8. Тангаев И.А. Энергоемкость процессов добычи и переработки полезных ископаемых. М. : Недра, 1986. 232 с.
9. Awuah-Offei K. Energy efficiency in the Minerais Industry: Best Practices and Research Directions, Springer, 2017. 333 p.
Рис. 1. Графики изменения мощности усилия подъема при перемещении ковша по эквидистантным
траекториям при высоте забоя Н=12 м
— - начальная траектория;
— - средняя траектория;
— ■ - - конечная траектория
500
250
Н, м
J0 12
Рис. 2. Графики изменения мощности усилия напора при перемещении ковша по эквидистантным траекториям при высоте забоя Н=12 м
— - начальная траектория;
— - средняя траектория;
— - конечная траектория
Рис. 3. Энергопотребление двигателями механизмов подъема Эп и напора Эн, а также общего энергопотребления Эп+н при перемещении ковша по эквидистантным траекториям (высота забоя Нз=12 м)
-{
10. Frimpong S., Ни Y., Chang Z. Perfomance simulation of shovel excavators for earthmoving operations // In Summer in computer simulation conference (SCSC03). 2003. pp. 133-138.
11. Geu Flores F., Kecskemethy A., Pottker A. Workspace analysis and maximal force calculation of a face-shovel excavator using kinematical transformers. 12th IFToMM World Congress, Besancon, June 18-21, 2007. 6 pp.
12. Комиссаров А.П., Летнев К.Ю. Разработка имитационной модели процесса экскавации горных пород рабочим оборудованием прямая лопата карьерного экскаватора // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: сб. трудов XVII Междунар. науч.-техн. конф. «Чтения памяти В. Р. Кубачека», 04-05 апреля 2019 г., Екатеринбург. Изд. УГГУ, 2019. С. 267-270.
K. Yu. Letnev, postgraduate
Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin, 620002, Russia, Yekaterinburg, ul. Mira, 19
ENERGY INTENSITY OF THE ROCK EXCAVATION PROCESS BY AN OPEN-PIT
EXCAVATOR WITH THE FRONT SHOVEL TYPE IMPLEMENT_
Abstract: It has been established that in the process of soil excavation with the combined action of the drives of the main mechanisms of an open-pit excavator (hoist and crowd), the level of energy consumption of both individual drives and the power plant as a whole changes. The main factors that determine the distribution of power consumption between the drives of the main mechanisms are identified. A technique is proposed for calculating the energy characteristics of a mining excavator when mining a face in specific mining operating conditions based on a simulation model of a mining excavator working process.
Keywords: open-pit excavator, drives of the main mechanisms, energy intensity of the excavation process.
Article info: received August 01, 2019 DOI: 10.26730/1816-4528-2019-3-9-13
REFERENCES
1. Berman A.V. Metod opredeleniya energovooru-zhennosti rabochego processa ekskava-cii vo vzai-mosvyazi s parametrami massiva gornyh porod / A. V. Berman, G. YA. Voronkov, R.R. Gajnullin // Otkrytye gomye raboty. 2000. № 3. S. 25-28.
2. Komissarov A.P. Metod ocenki rabochih par-ametrov kar'ernogo ekskavatora v kon-kretnyh
Mining Equipment and Electromechanics. No. 3, 2019. PP. 9-13
usloviyah ekspluatacii // Gornye mashiny i avtomatika. 2003. № 6. S. 33-35.
3. Komissarov AP., Lagunova YU. A., Shestakov V.S. Sravnitel'naya ocenka energe-ticheskih harakteris-tik kar'ernyh ekskavatorov // Gornoe oborudovanie i el-ektromekhanika. 2014. № 2. S. 14-16.
4. Malafeev S.I., Serebrennikov N. A. Povyshenie energeticheskoj effektivnosti kar'ernyh ekskavatorov na osnove modernizacii elektrooborudovaniya i sistem up-ravleniya // Ugol'. 2018. № 10. S. 30-33.
5. Ob energosberezhenii i povyshenii energeticheskoj effektivnosti v AK «ALROSA» / N.A. Solov'eva, A.I. Krasheninnikov, I.V. Zyryanov, A.V. Rybnikov // Gornoe oborudovanie i elektromekhanika. 2016. № 2. S. 16-19.
Э, kBI'4
л'п, М
9 12 15
Рис. 4. Энергопотребление двигателями механизмов подъема Эп и напора Эн, а также общего энергопотребления Эп+н при перемещении ковша по эквидистантным траекториям (высота забоя Нз=17 м)
6. Savchenko A.YA. Sovershenstvovanie metod-ologii ocenki kachestva vysokoproizvo-ditel'nogo ek-skavacionnogo oborudovaniya bol'shoj edinichnoj moshchnosti na etape eksplua-tacii // Gornye mashiny i avtomatika. 2001. № 1. S. 4-6.
7. Slesarev B.V. Issledovanie uslovij i parametrov ekskavacii moshchnyh kar'ernyh ekskavatorov / B.V. Slesarev, P. Bules // Materialy konferencii «Mashiny i oborudova-nie dlya otkrytyh gornyh rabota». V ramkah 19-j Mezhdunarodnoj vystavki «Gornoe oboru-dovanie, dobycha i obogashchenie rud i mineralov», 21 aprelya 2015, Moskva, S. 3-4.
8. Tangaev I.A. Energoemkost' processov dobychi i pererabotki poleznyh iskopae-myh. M.: Nedra, 1986. 232 s.
9. Awuah-Offei K. Energy efficiency in the Minerals Industry: Best Practices and Research Directions, Springer, 2017. 333 p.
10. Frimpong S., Nu Y., Chang Z. Perfomance simulation of shovel excavators for earth-moving operations // In Summer in computer simulation conference (SCSC/03). 2003. pp. 133-138.
11. Geu Flores F., Kecskemethy A., Pottker A. Workspace analysis and maximal force cal-culation of a face-shovel excavator using kinematical transformers. 12th IFToMM World Congress, Besancon, June 18-21, 2007. 6 pp.
12. Komissarov A.P., Letnyov K.YU. Razrabotka imitacionnoj modeli processa eks-kavacii gornyh porod rabochim oborudovaniem pryamaya lopata kar'ernogo ekskavatora // Tekhnologicheskoe oborudovanie dlya gornoj i neftegazovoj promyshlennosti: sb. trudov HVII Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf. «CHteniya pamyati V. R. Kubacheka», 04-05 aprelya 2019 g., Ekaterinburg. Izd. UGGU, 2019. S. 267-270..
Библиографическое описание статьи Летнев К.Ю. Энергоемкость процесса экскавации горных пород рабочим оборудованием типа прямая лопата карьерного экскаватора // Горное оборудование и электромеханика - 2019. - № 3 (143). - С. 9-13.
Reference to article
Letnev K.Yu. Energy intensity of the rock excavation process by an open-pit excavator with the front shovel type implement. Mining Equipment and Electrome-chanics, 2019, no. 3 (143), pp. 9-13.
