Ограничение динамических нагрузок в копающих механизмах карьерных экскаваторов на основе дополнительных механических устройств

В статье приводятся результаты исследований, связанные с разработкой методов ограничения динамических нагрузок в копающих механизмах электрических карьерных экскаваторов на основе использования дополнительных механических устройств, представляемых в виде механических обратных связей. На примере механизма подъема карьерного экскаватора, динамика которого описывается дифференциальными уравнениями второго порядка, осуществляется синтез механических обратных связей на основе решения обратной задачи динамики по заданному характеру изменения усилия в канате и структурной интерпретации полученного решения с помощью аппарата теории механических цепей и методов структурного математического моделирования. Описана процедура получения «управляющих воздействий», обеспечивающих снижение динамических нагрузок в копающем механизме на основе задания решения дифференциального уравнения, порядок которого принимается на единицу большим порядка характеристического полинома исходной системы, и перехода от этих «воздействий» к параметрам дополнительных механических устройств. Показано, что найденные посредством решения обратной задачи динамики «управляющие воздействия» позволяют не накладывать ограничений на структуру средств технической реализации дополнительных механических устройств и тем самым формализовать процедуру их структурно-параметрического синтеза. Приведены необходимые аналитические зависимости для выбора параметров механического устройства, обеспечивающего заданный уровень снижения динамических нагрузок в механизмах экскаватора, подтвержденные результатами численного моделирования.

Иов Иван Алексеевич¹ — канд. техн. наук, доцент кафедры Горных машин и электромеханических систем, e-mail: iovivan@rambler.ru, https://orcid.org/0000-0003-3980-0681;
Кузнецов Николай Константинович¹ — докт. техн. наук, профессор, зав. кафедрой Конструирования и стандартизации в машиностроении, e-mail: knik@istu.edu, https://orcid.org/0000-0002-3083-0182;
Зырянов Игорь Владимирович ² — докт. техн. наук, профессор, профессор кафедры Горного и нефтегазового дела, e-mail: zyryanoviv@inbox.ru, https://orcid.org/0000-0003-2943-0138;
Храмовских Виталий Александрович¹ — канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой Горных машин и электромеханических систем, e-mail: wax@istu.edu, https://orcid.org/0000-0003-2943-0138.
¹ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Иркутский национальный исследовательский технический университет» (ИРНИТУ), 66407, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83
² Политехнический институт (филиал) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Северо-Восточный федеральный университет имени М. К.Аммосова», 678175, г. Мирный, ул. Тихонова, 5, корп. 1

Иван Алексеевич Иов, тел. 89836926549, e-mail: iovivan@rambler.ru.

1. Казанин О. И. Перспективные направления развития технологий подземной угледобычи в РФ // Горный журнал. — 2023. — № 9. — С. 4−11. — DOI 10.17580/gzh.2023.09.01.

2. Роботизированные геотехнологии как путь повышения эффективности и экологизации освоения недр / М. В. Рыльникова, Д. Я. Владимиров, И. А. Пыталев, Т. М. Попова // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2017. — № 1. — С. 92−101.

3. Болобов В. И., Ахмеров Э. В., Ракитин И. В. Влияние вида горной породы на закономерности изнашивания коронки зуба ковша экскаватора // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 6−2. — С. 189—204. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_62_0_189.

4. Хамидов О. У., Шибанов Д. А., Шишкин П. В., Колпаков В. О. Эффективность применения экскаваторов на карьерах Узбекистана // Горная промышленность. — 2024. — №5. С.135–142. — DOI 10.30686/1609−9192−2024−5-135−142

5. Mikhailov, A. V., Bouguebrine, C., Shibanov, D. A., Bessonov, A. E. (2025). Impact Evaluation of Excavator Positioning on Open Pit Slope Stability // International Journal of Engineering. — 2025. — № 38(1). pp. 99−107. https://doi.org/10.5829/ije.2025.38.01a.10

6. Шешукова Е. И., Шибанов Д. А., Иванов С. Л., Шишкин П. В. Оценка нагрузок приводов рабочего оборудования карьерного экскаватора (часть 2) // Горная промышленность. — 2024. — № 4. — С. 108−114. — DOI 10.30686/1609−9192−2024−4-108−114.

7. Шибанов Д. А., Иванов С. Л., Шешукова Е. И., Недашковская Е. С. Эффективность функционирования карьерного экскаватора, как эргатической системы // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2023. — № 11−1. — С. 144–158. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_111_0_144.

8. Великанов В. С. Прогнозирование нагруженности рабочего оборудования карьерного экскаватора по нечетко-логистической модели // Записки Горного института. — 2020. — Т. 241. — С. 29–36. DOI: 10.31897/PMI.2020.1.29.

9. Yuan Y., Ren J., Wang Z., Mu X. Dynamic analysis of the rigid-flexible excavator mechanism based on virtual prototype // Facta Universitatis, Series: Mechanical Engineering. — 2022. — Vol. 20, — No 2. pp. 341 — 361. https://doi.org/10.22190/FUME211028008Y

10. 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. 

11. M. Azeem Raza and S. Frimpong Fatigue failure modeling and life expectancy of the dipper-teeth assembly of a mining shovel // Engineering Failure Analysis. — 2021. — № 121. 105110 https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2020.105110

12. О влиянии гранулометрии взорванной горной массы на распределение напряжений в рабочем оборудовании карьерного экскаватора / В. С. Великанов, С. А. Чернухин, Н. С. Тельминов [и др.] // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова. — 2024. — Т. 22, № 4. — С. 30−43. — DOI 10.18503/1995−2732−2024−22−4-30−43.

13. Иванов С. Л. Изменение наработки современных отечественных экскаваторов ЭКГ от условий их функционирования // Записки Горного института. — 2016. — Т.221.– С. 692−700.

14. Дефекты металлоконструкции карьерных экскаваторов // Universum: Технические науки : электрон. научн. журн. Богданов А. П. [и др.]. 2015. № 11 (22). URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/2775

15. Булдыско А. Д., Жуковский Ю. Л. Комплекс программных сервисов для управления эффективностью эксплуатации электрического привода горно-транспортного комплекса // Горная промышленность. — 2025. № 1S. –С. 41–46. https://doi.org/10.30686/1609−9192−2025−1S-41−46.

16. Ляхомский А. В., Фащиленко В. Н. Управление электромеханическими системами горных машин. М.: Изд-во МГГУ, 2004. — 296 с.

17. Пятибратов, Г. Я., Борисов А. М. Повышение эффективности применения быстродействующих электроприводов копающих механизмов карьерных экскаваторов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. — 2010. — № 3−3. — С. 138−144.

18. Dudley, John James and McAree, Ross. Shovel load assist project - ACARP Project Report C16031. Brisbane Qld Australia: ACARP (Australian Coal Industry Research Program), 2016. — 130 p.

19. Комиссаров А. П., Лагунова Ю. А., Шестаков В. С., Лукашук О. А. Оценка режимных параметров главных механизмов экскаватора «ГОРНЫЙ» // Горное оборудование и электромеханика — 2019. — № 3 (143). — С. 3−8. — DOI 10.26730/1816−4528−2019−3-3−8.

20. Комиссаров А. П., Маслеников О. А., Набиуллин Р. Ш. Инновационные технические решения в экскаваторостроении // Горное оборудование и электромеханика. 2022. № 6 (164). С. 3−9. DOI: 10.26730/1816−4528−2022−6-3−9

21. Губенко А. А., Свинарчук В. П. Обзор и анализ параметров конструкций упругодемпфирующих устройств // Научный вестник Московского государственного горного университета. — 2011. — № 1. — С. 9−19.

22. Подэрни Р. Ю. Механическое оборудование карьеров. — М.: Изд-во «Майнинг Медиа Групп», 2013. — 594 с. 

23. Пятибратов Г. Я. Методология комплексного исследования и проектирования электромеханических систем управления усилиями в упругих передачах механизмов / Южно-Рос. гос. техн. ун-т.- Новочеркасск, 1999. — 154 с. — Деп. в ВИНИТИ 29.06.99, №2119-В99.

24. Ананин, В. Г. Теория и расчёт параметров рабочего оборудования одноковшовых экскаваторов с механическим приводом. Автореф. дисс. … докт. техн. наук. — М.: Московский государственный строительный университет (МГСУ), 2007. — 38 с.

25. Li Y., Frimpong S., Zheng Y. (2017). Virtual Prototype Modeling and Dynamics Simulation of Cable Shovel for Advance Engineering Analysis., CreateSpace Independent Publishing Platform, 2017. — 208 p.

26. Козлов В. В. Принципы динамики и сервосвязи // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 1. Матем. Механ., 1989, № 5, с. 59–66.

27. Колесников А. А. Синергетические методы управления сложными системами: Теория системного синтеза. Изд. стереотип. — М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2019. — 240 с.

28. Крутько П. Д. Обратные задачи динамики управляемых систем: Линейные модели. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит ., 1987. — 304 с.

29. Кузнецов Н. К. Динамика управляемых машин с дополнительными связями. — Иркутск: Изд-во Иркут. техн. ун-та, 2009. — 289 с.

30. Kuznetsov N. K., Dolgih E. S., Iov I. A. Structural-Parametric Synthesis of the Electric Drive Control System of Excavators Digging Mechanisms Based on the Inverse Dynamic Problems Concept // Proceedings of the 6th International Conference on Industrial Engineering (ICIE 2020) Formerly Kluwer Academic Publishers, 2021. — P. 647−656. — DOI 10.1007/978−3-030−54814−8_75.

31. Еругин Н. П. Построение всего множества систем дифференциальных уравнений, имеющих заданную интегральную кривую // ПММ. 1952. Т. 21. Вып. 6. С. 659−670

32. Крутько П. Д. Обратные задачи динамики в теории автоматического управления. Цикл лекций: Учеб. Пособие для вузов. — М.: Машиностроение, 2004. — 576 с.

33. Дружинский И. А. Механические цепи. Л.: Машиностроение (Ленингр. Отд-ние), 1977. — 240 с.

34. Елисеев С. В. Прикладной системный анализ и структурное математическое моделирование (динамика транспортных и технологических машин: связность движений, вибрационные взаимодействия, рычажные связи): монография / С. В. Елисеев; отв. ред. А. И. Артюнин. — Иркутск: ИрГУПС, 2018. — 692 с.

35. Голубенцев А. Н. Обобщенный вход в динамике. — Киев: Изд-во «Техника», 1971. — 136 с.

36. Kuznetsov N. K., Iov I. A., Iov A. A., Dolgih E. S. The choice of methods of dynamic errors compensation in motion control of elastic mechatronic systems // MATEC Web of Conferences 346, 03051 (2021) ICMTMTE 2021 doi.org/10.1051/matecconf /202134603051.

37. Красовский А. А., Поспелов Г. С. Основы автоматики и технической кибернетики. — М.–Л.: Госэнергоиздат, 1962. — 600 с. 

38. Кузнецов Н. К., Иов И. А., Иов А. А., Долгих Е. С. Параметрическая оптимизация копающего механизма карьерного экскаватора по заданному коэффициенту динамичности // Системы. Методы. Технологии. — 2023. ––№3 (59). — С. 13–19.