МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

КРИВОРIЗЬКИЙ ТЕХНIЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ФІЛАТОВ СЕРГІЙ ВАЛЕНТИНОВИЧ

УДК 622.271:625.711.1

ОПТИМІЗАЦІЯ ПАРАМЕТРІВ

АВТОТРАНСПОРТНИХ КОМУНІКАЦІЙ НА КАР’ЄРАХ

З УРАХУВАННЯМ ГІРНИЧОТЕХНІЧНИХ ФАКТОРІВ

Спеціальність 05.15.03 – “Відкрита розробка

родовищ корисних копалин”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Кривий Ріг – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Криворізькому технічному університеті

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Безлуцький

Юрій Борисович, Криворізький технічний

університет, доцент кафедри

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Несмашний

Євген Олександрович, Криворізький технічний

університет, завідувач кафедри;

кандидат технічних наук, старший науковий

співробітник Хільченко Микола Васильович,

Криворізький економічний інститут Київського

національного економічного університету, доцент

кафедри

Провідна установа: Національний гірничий університет,

кафедра ”Відкриті гірничі роботи”, Міністерства

освіти і науки України м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться ‘‘25’’ жовтня 2002 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 09.052.02 при Криворізькому технічному університеті за адресою: 50002, м. Кривий Ріг, вул. Пушкіна, 37, аудиторія 301.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Криворізького технічного університету за адресою: 50002, м. Кривий Ріг, вул.Пушкіна, 37.

Автореферат розісланий “24” вересня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

профессор Фаустов Г.Т.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. З переходом від планової економіки до ринкової у структурі вітчизняного гірничо-металургійного комплексу (ГМК) сталися значні зміни. Надзвичайно швидко, минаючи ряд організаційних етапів, він почав розвиватися згідно з “Концепцією розвитку гірничо-металургійного комплексу України до 2010 року”, схваленою постановою Верховної Ради України, в якій, зокрема, зазначається, що однією з основних умов функціонування ГМК є переорієнтація виробничих процесів на ресурсозберігаючі технології. Саме цьому актуальному для України питанню і присвячена дана дисертація, в якій наведено результати досліджень, спрямованих на зниження витрат на транспортування гірської маси великовантажними автосамоскидами за рахунок зміни поперечного профілю проїзної частини та параметрів транспортних комунікацій кар’єрів. Це значно знизить собівартість кінцевого продукту, підвищить конкурентноздатність продукції гірничо-збагачувальних комбінатів.

Великовантажні автосамоскиди є одним з основних елементів транспортного процесу на кар’єрах. З постійним збільшенням глибин розробки та ускладненням гірничотехнічних умов, а також із застосуванням нових поколінь цієї техніки, погіршуються умови її експлуатації. Збільшення висоти підйому гірської маси й підвищення поздовжнього ухилу доріг зменшує моторесурс автомобіля, збільшує обсяги робіт з технічного обслуговування та ремонту машин, підвищує знос шин, витрати паливно-мастильних матеріалів, вимагає розширення транспортних берм для безпечної експлуатації нових потужних великогабаритних машин – що зумовлює зростанню обсягів розкривних робіт тощо. Усе це негативно позначається на експлуатації автотранспорту і, загалом, на ефективності видобутку корисних копалин та собівартості кінцевої продукції.

Таким чином, актуальним і першочерговим завданням подальшого удосконалення відкритих гірничих робіт, в означеному напрямку, є оптимізація параметрів автотранспортних комунікацій на кар’єрах. При цьому виділяється домінанта наукових посилань: параметри поперечного профілю поверхні руху при експлуатації великовантажних автосамоскидів суттєво впливають на транспортні витрати, формування кар’єру та розвиток гірничих робіт.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертацію виконано в рамках наукової теми “Прогнозна оцінка та перспективи розвитку гірничовидобувної та металургійної промисловості України в умовах ринкових стосунків з урахуванням економічної ситуації”, яка розроблялася кафедрою “Відкриті гірничі роботи” Криворізького технічного університету (тема затверджена МОН України, держ.рег.: UA № 01015085Р).

Тема дисертації співпадає також із проектом TACIS, впровадженим в Україні в рамках розробки заходів щодо підвищення ефективності використання паливно-мастильних матеріалів у секторі автотранспорту, прийняттям “Закону про збереження енергії ” у 1994 році та створенням Державного комітету з питань енергозбереження.

Метою дослідження є підвищення ефективності транспортування гірської маси великовантажними автосамоскидами на глибоких кар’єрах Кривбасу та зменшення енерговитрат і собівартості видобутку руди внаслідок переходу до транспортних берм з увігнутим поперечним профілем проїзної частини. Це дасть можливість значно знизити витрати на утримання самоскидів, паливно-мастильні матеріали та шини за рахунок зниження коефіцієнта опору руху та напружень у шині колеса, а також зменшити обсяги розкривних робіт через звуження транспортних берм, що досягається зміною параметрів та компонуванням їх елементів завдяки підвищенню курсової стійкості машин і безпеки руху.

Ідея роботи полягає у виборі оптимального поперечного профілю поверхні руху транспортної берми залежно від гірничотехнічних факторів.

Основні задачі дослідження:

1) проаналізувати динаміку розвитку і тенденцій застосування великовантажних кар’єрних автосамоскидів на відкритих гірничих роботах;

2) установити вплив поперечного профілю кар’єрних комунікацій на основні параметри руху великовантажного кар’єрного автосамоскида;

3) розробити гранично-математичну модель різних поперечних профілів транспортних берм з урахуванням гірничотехнічних факторів;

4) дослідити вплив поперечного профілю транспортних комунікацій на основні параметри руху кар’єрних автосамоскидів;

5) обґрунтувати критерій оцінки оптимальних параметрів поперечного профілю транспортних берм;

6) запропонувати пристрій для автоматичного контролю маси вантажу на кар’єрних автосамоскидах;

7) розробити методики визначення оптимальних параметрів поперечного профілю транспортних берм залежно від гірничотехнічних умов кар’єру; оптимальних кутів відкосів транспортних берм при їх профілюванні та бортів кар’єру за цих умов; обсягів розкриття при зміні параметрів берм;

8) розробити технологію формування транспортних берм з увігнутим поперечним профілем проїзної частини;

9) впровадити результати дослідження на кар’єрах Кривбасу.

Об’єктами дослідження у даній роботі є: поверхні руху відкритих гірничих виробок та процес взаємодії колеса автосамоскида з ними; транспортні берми і борти кар’єру; масиви гірських порід і їхній стійкий стан.

Предметом дослідження даної роботи є визначення зміни (мінімізації) коефіцієнта опору кочення великовантажного автосамоскида при зміні поперечного профілю поверхні руху з метою її оптимізації.

Методи дослідження, використані у даній роботі, полягають в аналізі літературних джерел та узагальненні науково-технічної інформації і даних практики; застосуванні математичного моделювання при визначенні напружень у колесі самоскида залежно від зміни профілю поверхні руху; лабораторних і виробничих експериментах щодо перевірки достовірності залежності основних параметрів руху від форми поперечного профілю кар’єрної автодороги; отриманих результатів досліджень та техніко-економічному аналізу ефективності розроблених рішень стосовно зниження собівартості видобутку залізної руди.

Наукові положення, що виносяться на захист:

1. Витрати на транспортування гірської маси великовантажними кар’єрними автосамоскидами залежать від форми та параметрів поперечного профілю проїзної частини транспортних комунікацій. При використанні самоскидів вантажопідйомністю 110-120 т, коефіцієнт опору руху на ввігнутому поперечному профілі дороги знижується на 20-60% залежно від її поздовжнього ухилу;

2. При застосуванні великовантажних самоскидів надійність стійкого стану транспортних берм необхідно визначати з урахуванням віброреологічних факторів впливу динамічних транспортних навантажень на масив;

3. Увігнутий поперечний профіль автодороги дає можливість зменшити ширину транспортної берми на 5-6 метрів при вантажопідйомності самоскидів 110-120 т, що суттєво знизить обсяги розкривних робіт.

Наукова новизна одержаних результатів:

1) уперше визначено вплив поперечного профілю транспортних комунікацій на основні параметри руху великовантажного автосамоскида залежно від гірничотехнічних факторів;

2) створено методологічні засади визначення оптимального поперечного профілю кар’єрних транспортних комунікацій для переміщення гірської маси великовантажними автосамоскидами;

3) розроблено математичну модель визначення впливу поперечного профілю поверхні руху на напруження в плямі контакту колеса з дорогою;

4) запропоновано методи оптимізації бортів кар’єру та його елементів при поперечному профілюванні транспортних комунікацій.

Практичне значення одержаних результатів:

- визначено оптимальні параметри та форми поперечного профілю кар’єрних автокомунікацій;

- розроблено комп’ютерну програму визначення оптимальної форми та параметрів поперечного профілю поверхні руху автосамоскида;

- розроблено та захищено патентом України нову конструкцію пристрою для автоматичного вимірювання маси вантажу на кар’єрних автосамоскидах для запобігання їх перевантаження;

- розроблено нову конструкцію динамометричного візка для заміру основних параметрів кочення колеса великовантажного кар’єрного автосамоскида в лабораторних умовах з урахуванням геометричних, фізичних та гірничотехнічних умов подібності;

- запропоновано технологію формування транспортних берм з увігнутим поперечним профілем проїзної частини, що дозволить зменшити витрати при транспортуванні гірської маси великовантажними кар’єрними автосамоскидами, і, таким чином, зменшити собівартість загального видобутку корисних копалин.

Особистий внесок здобувача полягає:

- у формулюванні наукових положень і отриманні наукових результатів, які виносяться на захист, а також мети, наукової новизни і задач досліджень;

- у математичному та комп’ютерному моделюванні, проведенні аналітичних, лабораторних і виробничих досліджень;

- у розробці технології формування транспортних берм з увігнутим поперечним профілем.

В основу дослідження покладено ідею поперечного профілювання проїзної частини відкритих виробок для зниження опору руху великовантажного кар’єрного автосамоскида і звуження транспортних берм.

Апробація результатів дисертації.

Основні результати дослідження доповідалися на:

1. Науково-технічній конференції молодих фахівців “Азовсталь-98” (Маріуполь, 29.05.1998 року).

2. Міжнародній конференції “Качество - 99” (Ялта, 14.07.1999 року).

3. Засіданні кафедри “Відкриті гірничі роботи” Криворізького технічного університету (протокол № 3 від 31.03.2000 року).

4. Засіданні технічної ради інституту “Кривбаспроект” (затверджено “Рекомендації щодо проведення промислових випробувань по впровадженню нового поперечного профілю кар’єрної автодороги” від 12.09.2000 року).

5. Засіданні кафедри “Автомобілі та автомобільне господарство” Криворізького технічного університету (протокол № 1 від 7.09.2001 року).

6. Міжкафедральному науковому семінарі Криворізького технічного університету (протокол № 6 від 14.11.2001 року).

7. Наукових конференціях Криворізького технічного університету.

Публікації. За результатами дисертації опубліковано 11 наукових статей і одержано один деклараційний патент на винахід.

Структура і обсяг роботи. Робота складається зі вступу, п’яти розділів із висновками, загальних висновків, списку використаної літератури зі 142 найменувань та додатків. Дисертація викладена на 167 сторінках комп’ютерного тексту, містить 20 таблиць, 39 рисунків і окремо додатків, поданих на 95 сторінках. Загальний обсяг роботи складає 262 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано вибір обраної теми та її актуальність, визначено зв’язок із науковими програмами, планами, темами; з’ясовано мету, ідею і завдання дослідження; сформульовано наукові положення, розкрито теоретичну значущість та практичне значення, вказано методи дослідження.

У першому розділі подано аналіз стану та тенденцій застосування великовантажних автосамоскидів на відкритих розробках. Висвітлено сучасні погляди вчених щодо цього питання, вирішення якого пов’язується зі зменшенням енерговитрат при транспортуванні гірської маси та мінімізація ширини транспортних комунікацій із забезпеченням їх стійкого стану.

Проблеми, пов’язані з використанням автотранспорту на кар’єрах, вивчалися такими вченими, як Васильєв М.В., Бизов В.Ф., Близнюков В.Г., Гумєнік І.Л., Мельников М.В., Михайлов О.М., Новожилов М.Г., Поліщук Г.К., Пригунов О.С., Ржевський В.В., Шапар А.Г., Шешко Є.Ф., Юматов Б.П., Хохряков В.С., Астафьєв Ю.П., Несмашний Є.О., Завсєгдашній В.О., Ренгевич О.О., та іншими.

На вирішення проблем застосування великовантажних автосамоскидів спрямовані також дослідження Американського інституту гірничих інженерів, інженерів-металургів та нафтовиків; Головного департаменту автомобільного транспорту США; Гірничого бюро США; Лабораторії перспективних розробок компанії СATERPILLAR на заводі “Аврора” (США) на чолі з паном Томасом Міллером; фахівців компанії KOMATSU на заводі в Акасаці (Японія), Джоном Вонгом; Конструкторського бюро ВО “БелАвтоМаз” під керівництвом головного конструктора Єгорова А.Н. тощо.

Проведений аналіз показав, що при збільшенні глибин кар’єрів першочергового значення набувають питання транспортування гірської маси і підвищення кутів відкосів їх бортів.

Погіршення гірничотехнічних умов та недосконалість існуючих методів проектування виливається в систематичне відставання обсягів розкривних робіт і погіршення показників роботи кар’єрів, зокрема – експлуатації кар’єрного автотранспорту, представленого здебільшого великовантажними автосамоскидами.

Головні висновки аналізу свідчать про те, що сучасний стан рухомого складу технологічного автотранспорту гірничо-збагачувальних комбінатів є вкрай незадовільним і зумовлює необхідність в найближчі роки радикального оновлення. Разом із тим, в автомобілебудуванні відзначається стійка тенденція до підвищення вантажопідйомності кар’єрних самоскидів, а відповідно – і їх габаритів. Ураховуючи ці дві обставини, а також те, що стан кар’єрних автошляхів не відповідає параметрам, необхідним для введення в експлуатацію більш потужних самоскидів, відзначається, що існуючі концепції транспортних систем кар’єрів є застарілими для використання автосамоскидами нових поколінь, які випускаються передовими світовими виробниками; не відповідають ні масштабам, ні умовам ведення гірничих робіт на сучасному етапі, а тим більше на перспективу.

Тому кар’єри неминуче зіткнуться з необхідністю розширення транспортних берм і, як наслідок, зі зниженням кутів відкосів бортів та збільшенням обсягів розкриття.

Альтернативою цьому може бути тільки вирішення завдання щодо гарантування безпеки транспортування гірської маси великовантажними самоскидами через оптимізацію компонування та параметри елементів кар’єрних автошляхів без їх розширення.

Отже, основний напрямом дослідження було визначено: вивчення впливу поперечного профілювання проїзної частини кар’єрних автокомунікацій на енергетичні та інші параметри руху самоскидів і ширину та стійкий стан транспортних берм. Останнє зумовлюється необхідністю врахування впливу динамічних навантажень на породний масив від транспортних засобів, які при застосуванні самоскидів високої і особливо високої вантажопідйомності перетворюються в надзвичайно дієвий фактор.

В основу досліджень було покладено гіпотезу про зниження опору руху самоскида і підвищення курсової стійкості при прямуванні його по дорозі з увігнутим поперечним профілем, а також ідею переносу водостічних канав у середню частину смуги руху з метою звуження берм.

У другому розділі представлено теоретичні дослідження деформування колеса великовантажного автосамоскида на кар’єрних автодорогах із різним поперечним профілем.

Наведено методику чисельних досліджень за допомогою методу граничних елементів, розглянуто сили та моменти, що діють на колесо великовантажного автосамоскида при його русі по кар’єрних автодорогах із різним поперечним профілем. Подано обґрунтування закономірностей впливу форми поперечного профілю дороги на напруження в колесі автосамоскида.

При русі колеса по опуклому профілю кар’єрної автодороги (рис. 1), деформація в передній його частині є набагато більшою, ніж у задній. При цьому пляма контакту має “бобовидну” форму, яка призводить до підвищення об’ємного деформування шини, сил тертя та коефіцієнта опору кочення, що й зумовлює значне підвищення опору руху автосамоскида, зокрема великовантажного, оскільки зазначені особливості шини проявляються тим суттєвіше, чим більшою є маса самоскида та діаметр його коліс, що пояснюється невідповідністю напруженого стану і деформування коліс легкових та вантажних автомобілів при практично однакових характеристиках гуми їхніх шин.

При русі колеса по ввігнутому профілю кар’єрної автодороги (рис.2) колесо також піддається силам уводу і сходження, при цьому величина деформації в передній його частині зменшується порівняно з рухом по опуклому профілю, а пляма контакту має вже форму “правильного еліпсу”, що і пояснює значне зниження опору руху.

Розроблено математичну модель визначення сил та напружень, що діють на колесо автосамоскида при різних профілях кар’єрної автодороги за допомогою методу граничних елементів. За критерій оцінки впливу поперечного профілю на деформування колеса взято вертикальні напруження, які діють у колесі на контакті його з дорогою, або коефіцієнт концентрації напружень у колесі, що дорівнює відношенню максимальних вертикальних напружень у розрахунковому варіанті до таких у базовому.

За допомогою даної моделі можна розрахувати напруження, що виникають у колесі при контакті з дорогою на різних її профілях.

Графік залежності коефіцієнта зміни максимальних вертикальних напружень у колесі великовантажного автосамоскида від форми поперечного профілю кар’єрної автодороги представлено на рис.3.

У результаті чисельного моделювання встановлено, що мінімальна деформація колеса автосамоскида відзначається на дорогах з увігнутим поперечним профілем у 20‰, що підтверджує встановлена функція залежності коефіцієнта зміни вертикальних напружень у колесі від кута поперечного профілю кар’єрної автодороги:

K(вп)= – 6·10-14 вп6+6·10-11вп5 – 3·10-9·вп4–9·10-7вп3+7·10-5вп2+3·10-3вп+1, (1)

де: К(?п ) – коефіцієнт зміни вертикальних напружень;

вп – поперечний ухил кар’єрної автодороги в ‰.

Удосконалення поперечного профілю транспортних берм дозволить зменшити ширину проїзної смуги, що сприятливо позначиться на межах кар'єру та коефіцієнті розкриття. Для обґрунтування ефективності результатів дослідження також виконано розрахунки геометричних параметрів контурів кар’єру (рис.4).

Якщо властивості порід є однаковими на всіх уступах, то:

(2)

де: с , н– кути відкосу борту при параметрах традиційних і рекомендованих;

hi , і – відповідно, висота і-того уступу і кут його відкосу ;

Вс , Вн – ширина існуючих берм і тих, що рекомендуються.

У випадку різнотипних порід уступу hi і i змінюються по глибині кар'єру, при цьому висота борту визначається за формулою:

(3)

де п - кількість уступів на борту кар'єру.

Закладення профілю неробочого борту обчислюється за виразами:

(4)

де: – відповідно, ширина транспортної берми при існуючій і рекомендованій технологіях формування поперечного профілю на i-ому горизонті, м;

– ширина берми безпеки на i-ому горизонті, м;

Значення середнього кута борту кар'єра при існуючих (опуклих) і рекомендованих (увігнутих) транспортних бермах визначаються за формулами:

, (5)

Зміна кута неробочого борту кар’єру визначається за формулою .

Якщо змінюється ширина транспортних берм на декількох уступах, необхідно обчислювати композицію переміщень від кожного з них.

Унаслідок складності геологічної будови родовищ і форми кар’єрів у плані, точні аналітичні залежності скорочення обсягів розкриття від звуження транспортних берм є надто громіздкими.

На практиці ж пропонується розділяти борт на ділянки з близькими параметрами берм і характеристиками порід. Для кожної такої ділянки визначається діапазон зміни горизонтів і довжина лінії фронту на них для знаходження обсягів розкриття.

По всім j-м ділянкам готується список горизонтів, що потрапляють у них, i = 1,…, Nj. Для кожної заміряється довжина лінії фронту в межах горизонту по ділянці Lij.

Після цього скорочення обсягів розкриття по окремій ділянці обчислюється, виходячи із сумарного впливу скорочення ширини берми поточного горизонту на усі, розташовані вище.

, (6)

де k – індекс для підсумовування змін ширини транспортної берми i-го горизонту на розташованих вище.

Загальне скорочення обсягів розкриття підсумовується по кожній ділянці та визначається за формулою:

. (7)

Але, крім суто геометричних чинників, максимально припустимі кути відкосів визначаються також умовами стійкості породного масиву.

Наявні методи не дозволяють враховувати вплив динамічних навантажень на масив, що виникають при русі автотранспорту, які в умовах застосування великовантажних самоскидів, можуть досягати надзвичайно високих рівнів і дуже істотно знижувати ступінь стійкості відкосів.

У зв'язку з цим для підвищення точності розрахунків пропонується вводити в них коефіцієнт, умовно названий віброреологічним, kвр , який враховує зміну стану масиву під дією нелінійних коливань його часток за цих умов.

Він залежить від маси самоскида і його вантажопідйомності, режимів руху, стану автодороги і породного масиву, типу порід, їхніх характеристик тощо.

kвр =Ki м*/с*, (8)

де Кi – показник інтенсивності динамічних навантажень на масив, що залежить від співвідношення маси автосамоскида з активною масою транспортної берми і стану поверхні руху. На практиці може визначатися за величиною зсувів реперів або за показаннями сейсмодатчиків , м* – коефіцієнт в'язкості (вібров’язкості), с* – ефективна щільність масиву;

У третьому розділі розроблено методики проведення лабораторних та виробничих досліджень впливу поперечного профілю кар’єрної автодороги на параметри руху великовантажного автосамоскида.

Основними параметрами руху колеса є коефіцієнт опору кочення f, коефіцієнт зчеплення колеса з дорогою , коефіцієнт опору уводу Кув, величина проковзування колеса та площа плями контакту Sп.

Для експериментів прийнята об'єднана методика лабораторних досліджень із використанням розробленого динамометричного візка, за допомогою якого були визначені основні параметри руху колеса автосамоскида. Застосовувалися фізичні, геометричні та гірничотехнічні умови подібності.

У результаті лабораторних досліджень встановлено, що характер залежності коефіцієнта опору кочення колеса від форми і параметрів поперечного профілю дороги співпадають з теоретичною кривою, а мінімальний коефіцієнт відповідає дорозі з увігнутим поперечним профілем у 20‰.

Уведений показник зменшення опору руху самоскида залежно від поздовжнього і поперечного профілів автодороги визначається за формулою:

К=F\/(i,вп)/F/\(i,вп), (9)

де F\/ і F /\ - відповідно, сили опору кочення при ввігнутому і опуклому поперечних профілях кар’єрної автодороги.

Виробничі дослідження впливу поперечного профілю кар’єрної автодороги на параметри плями контакту колеса з дорогою проводилися в таких умовах (рис. 5):

- на горизонтальній поверхні;

- на поверхні без поздовжнього і 20‰ поперечного опуклого профілю;

- на поверхні з 80‰ поздовжнім і нульовим поперечним профілем;

- на поверхні з 100‰ поздовжнім і 20‰ поперечним профілем.

Для досліджень було прийнято чотири варіанти навантаження шини:

- вільне, без усякого навантаження;

- від ваги порожнього автосамоскида;

- половинне завантаження автосамоскида - 62 т;

- повне завантаження автосамоскида - 125 т.

Виконання виробничих досліджень привело до необхідності застосування системи автоматичного вимірювання маси вантажу на автосамоскиді для чого було розроблено та затверджено патентом України відповідний пристрій.

Опір руху шини на поверхні дороги з’ясовується насамперед через гістерезис матеріалу, тобто прогином шини. Витрати кінетичної енергії шини розподіляються таким чином: внутрішні гістерезисні витрати на деформування колеса – 95%, тертя між шиною і дорогою – 3%, опір повітря – 2%.

У результаті виконання аналітичних та лабораторних досліджень, а також виробничих випробувань, установлено, що поперечний профіль кар’єрної автодороги істотно впливає на форму і площу плями контакту шини з нею, а звідси і на напруження і деформування останньої. Тобто форма і нахил поперечного профілю автодороги безпосередньо впливають на опір кочення, що відповідає теоретичним розрахункам. При використанні самоскидів вантажопідйомністю 110-120 т їх коефіцієнт опору руху при ввігнутому поперечному профілі дороги знижується на 20-60% залежно від її поздовжнього ухилу. Кореляційне відношення цих залежностей складає 0,946.

У четвертому розділі наведено розроблені методи удосконалення технологічного процесу транспортування гірських порід великовантажними самоскидами при застосуванні ввігнутого поперечного профілю кар’єрної автодороги та технології формування такого профілю.

Розроблено методику визначення коефіцієнта опору кочення залежно від поперечного профілю автодороги та гірничотехнічних факторів, до яких належать конструктивні та експлуатаційні параметри. Загальний опір руху самоскида визначається як сума опорів руху f, підйому і та повітря Fn . При застосуванні запропонованого ввігнутого профілю формула має вигляд;

FЗ= Кma (f + і) + Fn , (10)

де К – коефіцієнт зменшення опору руху при ввігнутому поперечному профілі дороги; ma– маса автосамоскида.

Конструктивні параметри кар’єрної автодороги з опуклим та ввігнутим поперечним профілем представлено на рис. 6.

Загальна ширина транспортної берми, на якій розташована двосмугова автодорога з опуклим поперечним профілем, становить 40м, з увігнутим – 35м. Отже, застосування ввігнутого поперечного профілю дороги дає можливість звузити транспортну берму на 5 метрів унаслідок розташування водозливних канав між базою коліс самоскида, та зменшити відстань між зустрічними самоскидами за рахунок підвищення їх курсової стійкості та безпеки руху.

Для практичної реалізації отриманих результатів розроблено безпосередньо технологію формування транспортних берм з увігнутим поперечним профілем, суть якої полягає у виконанні ряду операцій, а саме: підготовці земляного полотна, влаштуванні обочин та кюветів, послідовному формуванні конструктивних шарів дороги за спеціально розробленими схемами їх відсипки, ущільнення щебеневих шарів, планування та руху катків при ущільненні й укладанні дорожнього покриття та оформленні поперечного профілю проїзної частини.

З метою поліпшення виконання формування та профілювання дорожнього полотна запропоновано сучасне вітчизняне технологічне обладнання для виконання будівництва кар’єрних автодоріг з увігнутим поперечним профілем: бульдозери, автогрейдери та самохідні або причепні вібраційні катки на пневматичних шинах.

У п’ятому розділі розглянуто економічну ефективність впровадження ввігнутого поперечного профілю кар’єрної автодороги.

Насамперед обґрунтовуються економічно оптимальні кути відкосів виробок. При цьому умова мінімуму сумарних витрат на будівництво й експлуатацію профільованих транспортних берм обумовлює їхні оптимальні параметри рівнозначно умові максимуму цільової функції доходу, в яку вводиться обов’язково коефіцієнт імовірності виникнення зсуву kз:

Dв = ЕЕб –Упр kз max , (11)

де: ЕЕб – економічний ефект, що досягається завдяки збільшенню кута відкосу виробки при будівництві;

Упр – прогнозний збиток за рахунок можливих зсувів від збільшення цього кута.

Однак подібне твердження є справедливим лише в тому випадку, коли комплекс будівельних робіт не містить у собі операцій, спрямованих безпосередньо на підвищення стійкості відкосів (наприклад, бетонування армованих буронабивних свердловин, армоканатне укріплення уступів, устрій силових підпірних і одягаючих стін, підпірних насипів та ін.).

При виконанні цих заходів будівельні роботи істотно впливаються на властивості масиву, тому повинні обов'язково враховуватися в геомеханічних розрахунках.

Крім того, в окремих випадках (як це практикується на поліметалевих і уранових кар'єрах західних країн) такі інженерні заходи можуть бути настільки інтенсивними, що в економічні розрахунки доцільно вводити коефіцієнт, який враховує факт або можливість багаторазового періодичного використання технічних засобів і конструкцій, що застосовуються з даною метою.

У цьому випадку економічний ефект Еи пропонується визначати як:

Еи=Еб kиШ, (12)

де: Еб – економічний ефект, що досягається завдяки збільшенню кута відкосу відкритих виробок при профілюванні берм, без додаткових інженерних заходів;

kи – коефіцієнт, що враховує наявність багаторазово використовуваних інженерних засобів та ефективність їх застосування;

Ш – показник приведеної інтенсивності використання інженерних засобів.

Такий підхід дозволяє оперативно оцінити можливості підприємства щодо виконанню профілювання транспортних комунікацій власними силами.

В останній час у розвинутих країнах прийнято розраховувати економічну ефективність не тільки в грошових одиницях, але й у відсотковому виразі від собівартості кінцевого продукту.

Тому зниження загальної собівартості перевезень великовантажними кар’єрними автосамоскидами при застосуванні ввігнутого поперечного профілю кар’єрної автодороги очікується на 18,2%, що дасть можливість зменшити експлуатаційні витрат на 0,153 грн./т.км. При цьому зниження собівартості видобутку 1т сирої руди забезпечиться на 9,8%, що складе 0,16 грн./т.

Крім того, економія від підвищення продуктивності автосамоскидів складе 129,638 тис.грн., від зменшення витрат паливно-мастильних матеріалів – понад 51тис.грн. з одного автосамоскида в умовах кар’єру № 2 НКГЗК і на 1,625 млн. грн. в умовах Першотравневого кар’єру ПівнГЗК; а за рахунок зниження обсягів розкривних робіт – на 842,1 тис. грн. в умовах кар’єру № 2 НКГЗК.

ВИСНОВКИ

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій уперше на основі встановлених залежностей зміни опору кочення колеса великовантажного автосамоскида від поперечного профілю поверхні руху запропоновано нове вирішення актуального науково-практичного завдання, що полягає в оптимізації параметрів кар’єрних автодоріг залежно від гірничотехнічних факторів. Це дозволяє підвищити продуктивність кар’єрного автосамоскида.

Увігнутий поперечний профіль автодороги дає можливість зменшити ширину транспортних берм, унаслідок чого знижуються обсяги розкривних робіт. Усе це дозволить підвищити ефективність відкритих гірничих робіт за рахунок зниження собівартості транспортування та видобутку залізної руди.

Основні науково-практичні результати роботи:

1. Проаналізовано стан кар’єрного транспорту в Україні і встановлено, що на більшості підприємств він потребує оновлення. У той же час у світовій практиці простежується стійка тенденція до зростання вантажопідйомності кар’єрних автосамоскидів, що неминуче вимагатиме розширення всієї проїзної частини автодоріг і, відповідно, збільшення обсягів розкривних робіт, що зумовить погіршення техніко-економічних показників видобутку руд.

2. На основі проведеного математичного моделювання виявлено залежності напружень у колесі великовантажного автосамоскида від різних профілів і параметрів кар’єрної автодороги (опуклий, рівний, увігнутий) і встановлено, що мінімальні напруження спостерігаються при ввігнутому поперечному профілі з ухилом 20‰. Тому на кар’єрах раціонально будувати транспортні комунікації саме з таким профілем, який також сприяє у відводі води з поверхні автодороги.

3. При перевірці стійкого стану берм і бортів кар’єру необхідно враховувати віброреологічні явища в породних масивах, зумовлені динамічними навантаженнями від руху автосамоскидів.

4. На підставі лабораторних та промислових досліджень основних параметрів руху автосамоскида встановлено, що мінімальний коефіцієнт опору кочення, коефіцієнт уводу та коефіцієнт проковзування колеса спостерігаються при ввігнутому поперечному профілі автодороги з ухилом у 20‰. При цьому пляма контакту колеса з покриттям має правильну форму й оптимальну площу, що зумовлює максимальний коефіцієнт зчеплення колеса з дорогою.

5. Розроблено пристрій для автоматичного вимірювання маси вантажу на кар’єрних автосамоскидах (деклараційний патент на винахід № 30873 А GO1G 19/02), що дозволяє оптимізувати завантаження автосамоскида і підвищити ефективність його експлуатації. Необхідність впровадження названого пристрою зумовлюється вимогами “Единых норм и правил безопасности при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом”. Випробування ваговимірювальної системи в умовах кар’єру № 2 НКГЗК показали високу технологічність цього пристрою.

6. Розроблено нову технологію будівництва кар’єрної автодороги з увігнутим поперечним профілем. На кар’єрі №2 НКГЗК за запропонованою технологією побудовано експериментальну ділянку автодороги для транспортування порід автосамоскидами вантажопідйомністю 110-120 тонн (БелАЗ-7519, БелАЗ-7512). Випробування показали, що при ввігнутому профілі автодороги опір кочення становить 0,026, що є значно меншим, ніж при опуклому – 0,034.

7. Сукупність результатів теоретичних та експериментальних досліджень дозволяє зробити загальний висновок про те, що при впровадженні ввігнутого поперечного профілю транспортних комунікацій зменшаться обсяги розкривних робіт, витрати паливно-мастильних матеріалів, знос шин, трудоємність технічного обслуговування, поточних та капітальних ремонтів великовантажних кар’єрних автосамоскидів, що дасть можливість підвищити їх загальний ресурс та продуктивність. При цьому собівартість транспортування знизиться на 18,2%, а загальна собівартість видобутку руд – на 9,8%.

Основні положення і результати дисертаційної роботи викладено в таких публікаціях:

1. Безлуцкий Ю.Б., Бызов Б.В., Филатов С.В. Повышение эффективности работы карьерных автосамосвалов при разработке крутопадающих месторождений полезных ископаемых // Разраб. рудн. месторождений: Респ. межвед. научно–техн. сб.– Кривой Рог: КТУ, 1999. – Вып. 67. - С. 30-32.

2. Безлуцкий Ю.Б., Бызов Б.В., Филатов С.В. Качество минерального сырья: Сборник научных трудов. - Кривой Рог: КТУ, 2000. - С. 183-186.

3. Лабораторные исследования влияния профиля карьерной автодороги на параметры движения колеса большегрузного автосамосвала / Ю.Б. Безлуцкий, С.В. Филатов, С.С. Щербина, Д.Л. Репях // Разраб. рудн. месторождений: Респ. межвед. научно–техн. сб.– Кривой Рог: КТУ, 2000. – Вып. 71. - С. 66-70.

4. Безлуцкий Ю.Б., Филатов С.В., Математическое моделирование деформирования колеса большегрузного автосамосвала на дорогах с различным профилем // Разраб. рудн. месторождений: Респ. межвед. научно–техн. сб. – Кривой Рог: КТУ, 2000. – Вып. 72. - С. 114-116.

5. Пат. 98063087 Україна, МКИ АG01G19/02/ Пристрiй для автоматичного вимірювання маси вантажу на кар’єрних автосамоскидах / Ю.Б. Безлуцький, Б.В. Бизов, С.В. Філатов, В.В.Горіх; Криворізький технічний університет. № 30873; Заявл. 15.06.98; Опубл. 15.12.2000; Бюл. №7. – 11 с.

6. Філатов С.В. Исследование деформирования шины большегрузного карьерного автосамосвала в естественных условиях карьерной автодороги // Разраб. рудн. месторождений: Респ. межвед. научно-техн. cб. – Кривой Рог: КТУ, 2001. – Вып. 73. - С.104-107.

7. Жуков С.О., Федоренко С.О., Філатов С.В. Стан підготовки запасів руд до розробки на рудних кар’єрах і шляхи ліквідації відставання розкривних робіт //Вісник ЖІТІ. – Житомир: Вид. ЖІТІ, 2002. – Вип. 2(21). – С. 148-152.

8. Жуков С.А., Филатов С.В., Гирин В.С. Состояние карьерного транспорта, пути его обновления и модернизации // Гірнича електромеханіка та автоматика. – Дніпропетровськ: НГУ, 2002. - №68. – С. 16-22.

9. Филатов С.В., Жуков С.А., Гирин В.С. Влияние профилирования транспортных берм на углы нерабочих бортов карьеров // Металлургическая и горнорудная промышленность. – Днепропетровск: НГУ, 2002. - № 3.– С 131-136.

10. Жуков С.А., Филатов С.В., Гирин В.С. Расчет устойчивости транспортных берм при автотранспорте высокой грузоподъемности // Сб. научн. трудов. – Днепропетровск: НГУ, 2002. – Т.1. - №13. -С. 131-136.

11. Филатов С.В., Жуков С.А., Гирин В.С. Учет надежности устойчивого состояния борта карьера при сужении транспортных берм // Науковий вісник. – Дніпропетровськ: НГУ, 2002. – №3. - С. 39-41.

12. Безлуцкий Ю.Б., Бызов Б.В., Филатов С.В. Применение встроенной информационной системы учета и контроля работы транспортных средств // Тезисы докладов (материалы научно-технической конференции молодых специалистов) “Азовсталь-98”. – Мариуполь: ОАО “Азовсталь”, 1998. – С. 42-43.

Особистий внесок дисертанта в роботах, опублікованих у співавторстві, полягає в: [1] – формулюванні мети, задач та шляхів вирішення питання розширення кар’єрних автодоріг; [2, 5, 12] – розробці телескопічного важільного пристрою ваговимірювальної системи і місця його встановлення; [3] – розробці конструкції динамометричного візка і методики досліджень впливу поперечного профілю кар’єрної автодороги на основні параметри кочення колеса автомобіля; [4] – визначенні сил і моментів, що діють на колесо і застосуванні математичної моделі напружено-деформованого стану колеса великовантажного кар’єрного автосамоскида; [6] – проведенні виробничих досліджень щодо з’ясування впливу поперечного профілю автодороги на деформацію шини великовантажного кар’єрного автосамоскида і на опір її кочення; [7, 8] – аналізі стану гірничих підприємств; [9] – розробці математичних розрахунків обсягів розкриття; [10, 11] – розрахунках стійкого стану масиву.

АНОТАЦІЯ

Філатов С. В. Оптимізація параметрів автотранспортних комунікацій на кар'єрах з урахуванням гірничотехнічних факторів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.03 – “Відкрита розробка родовищ корисних копалин”. – Криворізький технічний університет, Кривий Ріг, 2002.

Захищаються 11 наукових праць і патент України на винахід, у яких викладено результати досліджень впливу поперечного профілю проїзної частини транспортних комунікацій кар’єрів на ширину берм, кут відкосу борта кар’єру й енергетичні показники транспортування гірських порід.

Доведено, що поперечний профіль автодороги істотно впливає на коефіцієнт опору руху самоскида, найменших значень останній набуває при ввігнутому профілі з поперечним ухилом у 20‰.

Досліджено параметри кочення колеса по поперечно профільованій поверхні і розроблено програму розрахунку напружень у ньому; вплив динамічних навантажень від самоскидів на стійкість відкосів берм і запропоновано методику розрахунку їхньої надійності з урахуванням віброреологічних факторів.

Розроблено техніко-економічні критерії оптимізації параметрів автотранспортних комунікацій на кар’єрах і обґрунтування складу комплексу технологічного устаткування для формування профільованих берм. Запатентовано пристрій для автоматичного вимірювання маси вантажу на кар’єрних самоскидах, що дозволяє оптимізувати завантаження і підвищити ефективність їх експлуатації.

Розроблено конструкцію автодороги з увігнутим поперечним профілем, подано компонування елементів транспортних берм, а також технологію його формування.

Ключові слова: кар’єрна автодорога, великовантажний автосамоскид, опір коченню, поперечний профіль, ухил.

АННОТАЦИЯ

Филатов С. В. Оптимизация параметров автотранспортных коммуникаций на карьерах с учетом горнотехнических факторов. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.03 –“Открытая разработка месторождений полезных ископаемых”. Криворожский технический университет, Кривой Рог, 2002.

Защищаются 11 научных трудов и патент Украины на изобретение, в которых изложены результаты исследований влияния поперечного профиля проезжей части транспортных коммуникаций карьеров на ширину берм, угол откоса борта карьера и энергетические показатели транспортирования горных пород.

Проанализирована тенденция роста грузоподъёмности карьерных автосамосвалов на открытых горных работах и сделаны выводы по её дальнейшему росту, как на зарубежных, так и на отечественных карьерах. С ростом грузоподъёмности автосамосвалов будет увеличиваться их базовая ширина, что влечёт за собой расширение транспортных берм карьера и уменьшение угла откоса борта, а следовательно, и рост объёмов вскрышных пород. Выявлена зависимость между вышеперечисленными параметрами горнотранспортных коммуникаций на открытых горных работах и формой поперечного профиля карьерной автодороги.

Установлено, что при введении в карьеры автосамосвалов большой и особо большой грузоподъёмности имеется возможность сохранения существующих параметров транспортных берм и улучшений условий эксплуатации автосамосвалов за счёт применения ввогнутого поперечного профиля карьерной автодороги. Выполненными исследованиями установлено, что поперечное профилирование поверхности движения непосредственно влияет на энергетические показатели транспортирования грузов, причём, чем выше грузоподъёмность автосамосвалов, тем чётче проявляется эта зависимость. Эффект поясняется в основном тем, что деформационные свойства шины, как большегрузного, так и легкового автомобилей, отличаются незначительно, а напряжения, возникающие в шине, отличаются радикально. В то время, как поперечное профилирование автодорог общего пользования есть малоэффективным, а с учётом скорости и сложности маневрирования на них автотранспортных средств и вовсе невозможным, то в условиях карьеров с применением большегрузных автосамосвалов большой и особо большой грузоподъёмности оно обеспечивает высокую эффективность за счёт снижения энергозатрат на транспортирование.

Исследованы параметры качения колеса по поперечно профилированной поверхности и разработана компьютерная программа расчета напряжений в зависимости от характеристик поперечного профиля дороги.

Установлено, что минимальная деформация колеса автосамосвала наблюдается при ввогнутом поперечном профиле дороги с уклоном в 20‰.

Исследованы влияния динамических нагрузок от движущихся автосамосвалов на устойчивость откосов открытых горных выработок и разработана методика расчёта оптимальных углов этих откосов по их надежности с учетом виброреологических факторов.

На основании проведенных лабораторных и промышленных экспериментов доказано, что поперечный профиль автодороги существенно влияет на коэффициент сопротивления движению самосвала, наименьших значений последний приобретает при ввогнутом профиле с поперечным уклоном в 20‰.

Разработаны технико-экономические критерии оптимизации параметров автотранспортных коммуникаций в карьерах и обоснования состава комплекса технологического оборудования для формирования профилированных берм.

Разработаны методы расчёта изменения объемов вскрышных пород в контурах карьера при профилировании транспортных берм.

Разработано и защищено патентом Украины на изобретение устройство для автоматического измерения массы загрузки самосвала, предотвращающее его перегруз и недогруз. Это устройство будет оптимизировать загрузку автосамосвалов и повысит эффективность их эксплуатации. Необходимость применения данного устройства связано с выполнением требований ”Единых норм и правил при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом”. Испытание весоизмерительной системы в условиях карьера №2 НКГОКа показали высокую технологичность данного устройства.

Разработана новая конструкция и технология строительства карьерной автодороги с ввогнутым поперечным профилем, компоновка элементов транспортных берм, а также способы её формирования и направления укатки, что обеспечивает снижение энергоёмкости транспортирования грузов и объемов вскрышных работ.

Также предложено технологическое оборудование для строительства карьерной автодороги с ввогнутым поперечным профилем. В условиях карьера №2 НКГОКа построен экспериментальный участок автодороги для транспортирования горных пород с забоя до дробилки, на котором замерялись основные технико-эксплуатационные показатели большегрузных карьерных автосамосвалов.

Ключевые слова: карьерная автодорога, большегрузный автосамосвал, сопротивление качению, поперечный профиль, уклон.

RESUME

Filatov S.V. The optimization of the parameters of autotransport communications at quarries with regard