Цифровая модель процесса экскавации горных пород рабочим оборудованием карьерного экскаватора

Рассмотрены вопросы повышения эффективности работы карьерных экскаваторов, оборудованных прямой лопатой, касающиеся координации функционирования главных механизмов в процессе экскавации горных пород. Показано, что особенностью структуры приводов главных механизмов (подъемного и напорного) является наличие кинематической связи между валами двигателей, так как звенья главных механизмов и элементы рабочего оборудования (рукоять, головной блок стрелы, ковш и подвеска ковша) образуют единую кинематическую цепь. Кинематическая цепь входит в состав общего передаточного механизма приводов главных механизмов, включающего главные механизмы и рычажный механизм. Установлено, что обобщенные координаты рычажного механизма (координаты вершины режущей кромки ковша) определяют положения всех подвижных звеньев как главных механизмов, так и рычажного механизма, а также валов двигателей. Выполнен кинематический и силовой анализ рычажного механизма. Построена математическая модель процесса экскавации, основанная на определении положения ковша (вершины режущей кромки) в рабочей зоне карьерного экскаватора. На основе вычислительного эксперимента разработана цифровая модель процесса экскавации горных пород рабочим оборудованием карьерного экскаватора. Результаты работы могут быть использованы при создании системы автоматического управления приводами главных механизмов как в процессе экскавации горных пород, так и при выполнении транспортных операций экскаваторного цикла.

Комиссаров А. П., Лагунова Ю. А., Набиуллин Р. Ш., Хорошавин С. А. Цифровая модель процесса экскавации горных пород рабочим оборудованием карьерного экскаватора // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2022. – № 4. – С. 156–168. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_4_0_156.

Комиссаров Анатолий Павлович¹ — д-р техн. наук, профессор, e-mail: Anatoliy.Komissarov@m.ursmu.ru, ORCID ID: 0000-0003-4320-8111,
Лагунова Юлия Андреевна¹ — д-р техн. наук, профессор, e-mail: yu.lagunova@mail.ru, avtor ID: 178105, ORCID ID: 0000-0000-2440-4121,
Набиуллин Рустем Шафкатович¹ — канд. техн. наук, e-mail: nabiullin.r@m.ursmu.ru, ORCID ID: 0000-0001-7519-2156,
Хорошавин Сергей Александрович¹ — канд. техн. наук, e-mail: horoshavin.s3@gmail.com, ORCID ID: 0000-0002-6895-9256,
¹ Уральский государственный горный университет.

Хорошавин С.А., e-mail: horoshavin.s3@gmail.com.

1. Подэрни Р. Ю., Булес П. Сравнительный анализ гидравлических и механических экскаваторов с прямой лопатой // Горный журнал. — 2015. — № 1. — С. 55—61.

2. Комиссаров А. П., Летнев К. Ю., Лукашук О. А. Анализ двухкривошипно-рычажных механизмов рабочего оборудования карьерных экскаваторов / Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: Сборник трудов XV Международной научно-технической конференции «Чтения памяти В.Р. Кубачека». — Екатеринбург: УГГУ, 2017. — С. 41—46.

3. Корюков А. А., Анистратов К. Ю. Геометрическая модель рабочего оборудования карьерного экскаватора для расчета нагрузок электропривода и контроля положения ковша // Известия вузов. Горный журнал. — 2013. — № 3. — С. 106—113.

4. Кузнецов А. Л., Анистратов К. Ю. Карьерные экскаваторы ПАО «Уралмашзавод» — настоящее и будущее российской горнодобывающей промышленности // Уголь. — 2016. — № 8. — С. 77—81.

5. Лагунова Ю. А., Комиссаров А. П., Шестаков В. С. и др. Горные машины. Энциклопедия. Т. IV-24. — М.: Машиностроение, 2011. — 493 с.

6. Малафеев С. И., Тихонов Ю. В. Компоненты интеллектуального управления для карьерных экскаваторов // Автоматизация в промышленности. — 2013. — № 10. — С. 33—37.

7. Певзнер Л. Д. Автоматизированное управление мощными одноковшовыми экскаваторами. — М.: Горное дело, 2014.

8. Zhang L., Zhao J, Long P, Wang L, Qian L, Lu F, Song X, Manocha D. An autonomous excavator system for material loading tasks // Science Robotics. 2021, vol. 55, no. 6, pp. 8474—8481.

9. Yang Y., Long P., Song X., Pan J., Zhang L. Optimization-based framework for excavation trajectory generation // IEEE Robotics and Automation Letters. 2021, vol. 2, no. 6, pp. 1479— 1486.

10. Бабаков С. Е., Певзнер Л. Д. Алгоритмизация управления движением ковша экскаватора в режиме черпания с применением нечеткой логики // Горное оборудование и электромеханика. — 2012. — № 9. — С. 8—17.

11. Дружинин А. В. Повышение качества управления одноковшовыми экскаваторами на основе мультиагентного подхода // Новые огнеупоры. — 2016. — № 3. — С. 11—12.

12. Певзнер Л. Д., Бабаков С. Е. Управление операцией черпания карьерного экскаватора-мехлопаты с применением нечеткой логики // Уголь. — 2012. — № 8. — С. 64—65.

13. Певзнер Л. Д., С. Е. Бабаков. Математическая модель динамики карьерного экскаватора как объекта управления // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2013. — № 12. — С. 249—252.

14. Певзнер Л. Д., Бабаков С. Е. Алгоритм управления операцией черпания карьерного экскаватора-мехлопаты с применением нечеткой логики // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2015. — № 1. — С. 263—271.

15. Li Y., Mu X., Fan R. Multi-objective optimization and simulation of novel working mechanism for face-shovel excavator // International Journal of Intelligent Robotics and Applications. 2021, vol. 1, no. 5.

16. Ramezani M., Tafazoli S. Using Artificial Intelligence In Mining Excavators: Automating routine operational decisions // IEEE Industrial Electronics Magazine. 2021, vol. 1, no. 15, pp. 6—11. DOI: 10.1109/MIE.2020.2964053.

17. Sotiropoulos F. E., Asada H. H. Dynamic modeling of bucket-soil interactions using Koopman-DFL lifting linearization for model predictive contouring control of autonomous excavators // IEEE Robotics and Automation Letters. 2022, vol. 1, no. 7, pp. 151—158.

18. Рехтман А. П., Крагель А. А. Комплексные испытания экскаватора ЭКГ-12 // Механизация строительства. — 2001. — № 1. — С. 24—26.

19. Самолазов А. В., Донченко Т. В., Шибанов Д. А. Практические результаты внедрения экскаваторов ЭКГ-18Р и ЭКГ-32Р производства ООО «ИЗ-КАРТЭКС им. П.Г. Коробкова» на угледобывающих предприятиях России // Уголь. — 2013. — № 4. — С. 36—38.