Исследование режимов работы ГШО

ГП «Донгипроуглемаш»

 

За 2000-2005 гг. заводами угольного машиностроения по проектам и при научно-техническом сопровождении института "Донгипроуглемаш" освоено производство всех базовых видов очистного, проходческого и транспортного оборудования, отвечающего современным требованиям по производительности, безопасности, эргономике, надежности, расчетный ресурс которого составляет 15-40 тыс. часов против 2,5-5 тыс. часов у заменяемых аналогов [1].
            Особенно сложные задачи приходилось решать конструкторам и машиностроителям при создании и освоении серийного производства нового поколения очистных комбайнов, где без современных подходов к расчетам и проектированию, выход на существенно повышенные показатели энерговооруженности и ресурса в весьма ограниченных габаритах высоконагруженных узлов этих изделий был бы просто невозможен. Поэтому в данной статье речь пойдет, в основном, об использовании современных методов виртуального моделирования применительно к очистным комбайнам.
            Ограниченная производительность заменяемых очистных комбайнов (1К101У, КА80, 1ГШ68, 2ГШ68Б, РКУ10, РКУ13 и др.) объясняется низкой энерговооруженностью приводов резания, не превышающей 200 кВт в режиме S4 или 150 кВт в режиме S1, и тяговыми усилиями подачи не более 20 тонн. Кроме того, питающее напряжение большинства комбайнов и конвейеров составляет 660 В, что существенно снижает их мощностные и силовые параметры при работе в лавах длиной более 200 м.
Вновь созданные очистные комбайны для технического переоснащения угольной промышленности Украины имеют повышенную в 2-3 раза энерговооруженность (таблица 1) при напряжении питающей сети 1140 В.

 

Комбайн

Производительность, т/мин

Установленная мощность двигателей в режиме S1, кВт

Мощность двигателей резания, в режиме S1, кВт

Мощность двигателей подачи, в режиме S1, кВт

Усилие подачи, т

УКД300

10

420

2 х 180

2 х 30

32

КДК500

18

597,5

2 х 250

2 х 45

45

КДК700

24

860

2 х 355

2 х 60

60

Таблица 1 - Основные эксплуатационные, энергетические и силовые параметры новых очистных комбайнов

 

Особенностью создаваемых угольных комбайнов и комплексов является их ограничения в габаритах.
            Так, вертикальный габарит по корпусу комбайнов УКД300 и УКД200-250 для отработки тонких пластов мощностью от 0,85 до 1,2 м составляет 400 мм, а у комбайнов КДК500 для отработки пластов мощностью 1,35-3,2 м - 500 мм. Учитывая толщины стенок корпусов, необходимые зазоры и конструктивные особенности, диаметры зубчатых колес и наиболее габаритных элементов планетарных передач в этих условиях не превышают 310 и 410 мм соответственно. Передаточные числа редукторов привода исполнительных органов составляют u Ј 30, а для редукторов привода подачи u Ј 125.
            Поэтому, увеличение энерговооруженности приводов, при сохранении тех же габаритов машин, естественно, вызывает большие трудности. К ним нужно отнести: создание редукторной группы, размеры которой напрямую зависят от передаваемых моментов; разработка компактных встраиваемых преобразователей частоты привода подачи; отработка компоновочных решений, обеспечивающих передачу вращающих моментов на приводные звезды с помощью длинных валов; проектирование приводных электродвигателей повышенной мощности; отвод значительного количества тепла, выделяемого приводными блоками исполнительных органов и подачи. При этом новые угольные комбайны должны оснащаться отвечающими современным требованиям встроенными средствами безопасности, управления и диагностики, требующими дополнительного пространства.
            Кроме того, в процессе создания новых машин крайне трудно провести их приемочные испытания во всем многообразии горно-геологических условий, предусматриваемых областью применения. В связи с этим вновь созданные комбайны должны иметь высокую надежность, долговечность и производительность после освоения серийного производства, т.е. конструкторские и заводские ошибки и погрешности должны быть сведены к минимуму еще на стадии проектирования.
            Решение вопросов, определяющих вписываемость, производительность и ресурс машин нового технического уровня в кратчайшие сроки, было бы практически невозможно без использования современных методов компьютерного моделирования и инженерного анализа на базе метода конечных элементов (МКЭ), который является фактически мировым стандартом для прочностных и других видов расчетов. Программы инженерного анализа на базе МКЭ позволяют с достаточной оперативностью и точностью оценить поведение конструкций, не укладывающихся в каноны аналитических и "полуаналитических" зависимостей.
            В настоящее время в институте "Донгипроуглемаш" используется ряд программных продуктов компании MSC.Software: MSC.visualNastran 4D; MSC.AFEA и MSC.Fatigue.
            Институт является лицензионным пользователем программ MSC.Software более 5 лет. Поддержка и обучение специалистов осуществляются в Московском представительстве компании.
            Программный комплекс MSC.visualNastran 4D используется для моделирования работы механизмов (кинематический и силовой анализ) с возможностью расчета напряженно-деформированного состояния.
            Для прочностных расчетов МКЭ используются программные комплексы MSC.AFEA и MSC.visualNastran 4D.
            Программный комплекс MSC.AFEA базируется на программах MSC.Patran и MSC. Marc, и обеспечивает полный набор прочностных расчетов МКЭ.
            Программный комплекс MSC Fatigue используется для расчета долговечности (ресурса) элементов машин.
            Работы по компьютерному моделированию, анализу и расчетам ведутся в институте непрерывно на всех стадиях создания машин - техническое задание, проектирование, изготовление, испытания, сопровождение в шахтных условиях.
            Особенно важным условием проведения компьютерного моделирования и расчетов с применением указанных программных продуктов является научно-обоснованный подход к выбору исходных данных для угольных комбайнов. Выбор последних базируется на разработанных совместно институтом "Донгипроуглемаш", ИГД им. А.А.Скочинского и др. организациями, методических материалах [2, 3, 4], в соответствии с которыми определяются:
- силы резания и подачи при разрушении массива, производится оценка влияния прослойков породы и присечек;
- максимальные нагрузки в трансмиссии, используемые для расчета на статическую прочность элементов, в случае прорезания твердых включений в угольном пласте;
- коэффициент вариации изменчивости нагрузки в приводах горных машин, соответствующий нормальному закону распределения нагрузок, полученных на основании шахтных исследований; 
- диаграмма нагрузок для расчета типовых элементов (зубчатых колес, валов, подшипников) на выносливость и долговечность.
            Полученные исходные данные используются для расчетов прочности и долговечности типовых элементов и узлов горных машин. Статические прочностные расчеты позволяют оценить максимальную прочность детали (результаты расчетов представляются в виде напряженно-деформированного состояния (НДС) или запасов прочности). Оценка ресурса элементов позволяет получить долговечность в часах машинного времени, в виде запасов прочности при заданных часах работы машины (зубчатых колес, валов и др.) или в фактических циклах, которые проработает исследуемый элемент.
            Дальнейшие расчеты можно условно разделить на две группы:
- оценка прочности и долговечности типовых деталей (зубчатых колес, валов, подшипников и др.) с использованием существующих нормативных материалов (ГОСТов, ОСТов, нормалей и др.);
- моделирование и расчет оригинальных деталей (корпусов, шнеков приводных звезд, рамных конструкций и др.) на прочность и долговечность с использованием МКЭ.
            Ранее около 90% расчетов проводились для типовых деталей с использованием вышеуказанных нормативных документов. В то же время расчеты основных несущих деталей (в основном корпусных и др.) практически не производились. Естественно, был ряд попыток оценки прочности корпусных деталей на моделях из оптического материала и т.д., которые в первом приближении позволяли уточнить представления о прочности конкретных элементов корпусов, однако не позволили создать каких-либо обобщающих методик по их расчету на прочность. Долговечность деталей корпусной группы машин вообще не оценивалась. Эти проблемы стояли, конечно, не только в угольном машиностроении, они были актуальны во всех отраслях, создающих технику - в авиации, автомобилестроении, железнодорожном транспорте и т.д. С появлением и развитием компьютерных технологий, позволяющих обрабатывать огромные массивы данных, появлялись и программные продукты, решающие проблему расчетов на прочность и долговечность этих элементов.
            Все исследования - компьютерное моделирование и инженерный анализ с использованием МКЭ, производятся на трехмерных моделях сборочных узлов, созданных при помощи известных пакетов трехмерного моделирования.
Моделирование проводится с целью:
- оценки устойчивости комбайна на скребковом конвейере;
- определения нагрузок в основных узлах и элементах комбайнов (опор на конвейере, домкратов подъема шнека, соединений корпусных деталей и др.);
- кинематического и силового анализа движущихся элементов узлов (передач привода подачи очистных комбайнов, храповых механизмов, погрузочных устройств и др.);
- оценки компоновочных решений, обеспечивающих вписываемость угольных комбайнов в комплекс.
            На рисунке 1 показана трехмерная модель комбайна, которая в процессе исследования (моделирования) подвергается внешним воздействиям от исполнительных органов и системы подачи для определения нагрузок в различных элементах - опорах, гидродомкратах, проушинах соединений поворотных корпусов и др.

            Такие исследования проводятся при задании номинальных и максимальных внешних нагрузок. Этот вид моделирования позволяет оценить силовую картину всего комбайна в целом и, при необходимости, оперативно оптимизировать компоновку и его вписываемость в комплекс. Далее полученные нагрузки в основных узлах комбайна используются для определения напряженно-деформированного состояния этих элементов. Возможно также совмещение этих процессов во времени, однако для силовой оценки используются упрощенные трехмерные модели элементов (убраны фаски, скругления, неответственные отверстия и т.д.), что значительно сокращает процесс моделирования, а для НДС необходимо более точное представление модели.
            Результаты моделирования НДС показали высокую сходимость (более 90%) с практикой: сравнение с замерами, проводимыми в заводских и шахтных условиях, и с элементами, выходящими из строя при эксплуатации в шахте. Была проведена работа по упрочнению десятков элементов, таких как: приводных звезд, водил планетарных передач, элементов тяговых цепей, валов, осей, проушин, элементов реечной дороги навесного оборудования и т.п. Стоит заметить, что высокая сходимость зависит от ряда факторов, а именно - адекватности исходных данных, правильности выбора схемы нагружения (расчетной схемы), точности представления трехмерной модели, качества конечно-элементной сетки.

Рисунок 1 - Общий вид трехмерной модели очистного комбайна и схема его нагружения в вертикальной плоскости.


            Проведение таких исследований уже прочно вошли в практику конструирования горных машин в институте "Донгипроуглемаш". Эти результаты неоднократно докладывались на различных ежегодных международных форумах и получили там высокую оценку.
Однако на первом этапе внедрения программных продуктов оценивалась только статическая прочность элементов машин.

            На рисунке 2 приведен алгоритм проведения прочностных расчетов элементов машин с использованием программ на основе МКЭ.
            Результаты расчетов представляются в виде цветовых полей распределения напряжений, деформаций и перемещений с близкими значениями, из которой делается вывод о достаточности (недостаточности) запасов прочности.

 

Рисунок 2 - Алгоритм проведения прочностных расчетов

 

            В качестве примера на рисунке 3 показана конечно-элементная модель и НДС корпуса очистного комбайна.
            В модели корпуса получены наибольшие напряжения, равные 350 МПа, материал корпуса - литая сталь типа 35МАФЛ, предел текучести которой составляет 550 МПа. Запас по пределу текучести для этого корпуса составил 1,57.

                    

 

Рисунок 3 - Конечно-элементная модель и фрагмент напряженно-деформированного состояния корпуса режущей части очистного комбайна

 

В то же время опыт эксплуатации и обслуживания горных машин показал, что кроме обеспечения статической прочности необходимо иметь достаточный ресурс машин, определяемый долговечностью всех элементов.
            Для работы в этом направлении институтом был приобретен комплекс программ, позволяющий проводить компьютерные исследования долговечности и ресурса.
            При освоении этого комплекса предстояло решить целый ряд задач:
- создание основы для оценки ресурса машин по результатам расчета усталости отдельных элементов и узлов;
- получение истории нагружения рассчитываемых деталей;
- нахождение параметров кривых выносливости материалов;
- оптимизация конструкции по критериям долговечности.
            Оценка долговечности позволяет перейти к оценке ресурса создаваемых машин на стадии проектирования.
            Расчетный ресурс определяется до предельного состояния конструкции, т.е. до появления усталостной трещины.
            Ресурс до первого капитального ремонта и гарантийный ресурс для горных машин назначается в величинах произведенной работы - в тоннах добытого или транспортируемого угля, в метрах проходки и т.д.
            Исходя из опыта эксплуатации, конкретных горно-геологических и технологических шахтных условий, назначается ресурс до ПЕРВОГО капитального ремонта, который указывается в технической документации. Число капитальных ремонтов определяется сравнением расчетного ресурса и ресурса до первого капитального ремонта.
            Гарантийный ресурс устанавливается всегда ниже ресурса до первого капитального ремонта и для разных отраслей промышленности составляет от 40 до 80% величины ресурса до первого капитального ремонта.
            В качестве оценки расчетного ресурса принимается, как правило, его среднее значение равное, 80%. При необходимости могут быть приняты другие значения.
            Переход объекта в предельное состояние для угольных комбайнов определяется предельным состоянием корпусной группы. При этом критерием предельного состояния корпусной группы является поломка или нецелесообразность дальнейшей эксплуатации ввиду большой сложности (стоимости) восстановления.
            Следовательно, ресурс комбайнов, в конечном счете, определяется долговечностью корпусной группы.
            Отсюда возникает первостепенная задача оценки долговечности корпусной группы машин на стадии проектирования.
            На рисунке 4 показан результат расчета долговечности корпуса угольного комбайна, НДС которого приведено на рисунке 3. Общее расчетное число циклов в местах возможного появления трещин, определяющеих долговечность корпуса с учетом запаса, составило Nцикл = 7,91·106.

 

Рисунок 4 - Место возможного появления усталостных трещин в корпусе режущей части очистного комбайна.

            Расчет долговечности проводился с 80% точностью, т.е. другими словами, данную долговечность будут иметь 80% этих изделий из партии. Имеется возможность изменять это значение в пределах от 1 до 99%, при этом расчетная долговечность меняется логарифмически следующим образом: при значении в 1% - долговечность будет наибольшая, но наименее точная, а при 99% - наименьшая, но наиболее точная.
            Как было сказано выше, один цикл принимается равным выемке одной полосы угля, тогда умножив полученное число циклов Nцикл на выражение (1) получим расчетное количество тонн, которое сможет добыть машина до своего списания:

 

 

            Расчетный ресурс очистного комбайна до списания по критерию предельного состояния корпусной группы в данном случае составит 3,14 млн.т.
            По мере накопления сведений о фактических наработках (ресурсах) машин, эксплуатирующихся в шахтных условиях, могут быть получены данные для уточнения расчетных моделей.
            Применение таких методов инженерного анализа и компьютерного моделирования помогло решить описанные выше проблемы увеличения энерговооруженности горных машин (мощности приводов резания очистных комбайнов в 1,8-2 раза) практически без увеличения габаритов, с одновременным увеличением расчетного ресурса.

            Сегодня в институте "Донгипроуглемаш" создана мощная система компьютерного моделирования, включающая стадии:
- трехмерного твердотельного моделирования;
- виртуального моделирования работы горных машин (силовой и кинематический анализ);
- исследования напряженно-деформированного состояния;
- анализа ресурса и долговечности.
            Такая система обеспечивает широкий спектр наукоемких инженерных задач снижения веса и трудоемкости изготовления создаваемых машин, их относительной стоимости за счет оптимизации конструкций по критериям сбалансированности нагрузок, равнопрочности, а в ближайшем будущем и по критериям долговечности. Эта система позволяет создавать подробные компьютерные модели горных машин, проводить глубокий анализ с учетом реальных условий эксплуатации. При этом еще на ранних стадиях проектирования создаются точные компьютерные модели, применение которых значительно сокращает сроки проектирования и изготовления горных машин при значительном повышении их качества.
            Как следствие, значительно сокращается число натурных экспериментов путем их замены на быстрое, эффективное и высокоточное компьютерное моделирование на основе создаваемых виртуальных моделей. Компьютерные модели не только позволяют создавать новые высокопроизводительные надежные и конкурентоспособные горные машины в сжатые сроки, но и сопровождают их на всем жизненном цикле, позволяя решать различные эксплуатационные проблемы, включая аварийные ситуации, и проводить оперативные модификации, обеспечивая постоянный высокий уровень эксплуатационных характеристик, большой ресурс и безопасность изделий.