Assessment of loads at the working attachment of a mine shovel (Part 2)

E.I. Sheshukova, D.A. Shibanov, S.L. Ivanov, P.V. Shishkin
Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University, St. Petersburg, Russian Federation
Russian Mining Industry №4 / 2024 p.108-114

Abstract: Assessment of loads at the hoisting and crowding drives of a mine shovel working attachment helps to make a conclusion on the rational paths of the bucket movement in terms of the resource consumption intensity. The first part of the article defined the forces in the hoist winch ropes at the inclination angles of 60°, 70° and 80° relative to the horizon for straightline paths of the bucket movement. It was found that the hoisting force directly affects the crowding force required to ensure the excavation process. The article analyzes changes in the pressure components and defines the values of the pressure force in the main and intermediate positions of the working attachment, as well as the nature of changes in this value. The values of the crowding force for the considered paths of the bucket movement during the bench excavation were found, and it was concluded that the lowest forces are observed at the closest path with the inclination angle of 80° and 70°. The relationship between the hoisting and crowding forces is defined based on the torque values of the motors of the corresponding shovel drives. A complex analysis of the drive operation of the shovel working attachment has been performed, the results of which allowed to determine the basic values of the hoisting and crowding motors operation per cycle for further adjustment of the maintenance and repair intervals.

Keywords: mining shovel, shovel working cycle, forces acting on the hoist winch ropes, hoist motor, crowding motor, excavation path, shovel attachment path of travel

For citation: Sheshukova E.I., Shibanov D.A., Ivanov S.L., Shishkin P.V. Assessment of loads at the working attachment of a mine shovel (Part 2). Russian Mining Industry. 2024;(4):108–114. (In Russ.) https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-4-108-114

Article info

Received: 02.06.2024

Revised: 04.07.2024

Accepted: 15.07.2024

Information about the authors

Ekaterina I. Sheshukova – Postgraduate Student, Department of Mechanical Engineering, Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University, St. Petersburg, Russian Federation

Daniil A. Shibanov – Cand. Sci. (Eng.), Ass. Professor, Department of Mechanical Engineering, Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University, St. Petersburg, Russian Federation

Sergey L. Ivanov – Dr. Sci. (Eng.), Professor, Department of Mechanical Engineering, Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University, St. Petersburg, Russian Federation; https://orcid.org/0000-0002-7014-2464; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

Pavel V. Shishkin – Cand. Sci. (Eng.), Ass. Professor, Department of Transport and Technological Processes and Machines, Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University, St. Petersburg, Russian Federation

References

1. Комиссаров А.П., Набиуллин Р.Ш., Хорошавин С.А., Летнев К.Ю., Огорелков Д.А. Динамика главных механизмов карьерного экскаватора. Актуальные проблемы повышения эффективности и безопасности эксплуатации горношахтного и нефтепромыслового оборудования. 2021;1:8–14. Komissarov A.P., Nabiullin R.Sh., Horoshavin S.A., Letnev K.Yu., Ogorelkov D.A. Dynamics of the main mechanisms of the quarry excavator. Aktualnye Problemy Povysheniya Effektivnosti i Bezopasnosti Ekspluatatsii Gornoshakhtnogo i Neftepromyslovogo Oborudovaniya. 2021;1:8–14. (In Russ.)

2. Васьков В.С. Теоретические основы построения уточненной математической модели процесса экскавации. Современные проблемы науки и образования. 2015;(1-1):156. Режим доступа: https://science-education.ru/ru/article/view?id=18209 (дата обращения: 27.05.2024). Vaskov V.S. Theoretical basis for building refined mathematical model of the process of excavation. Modern Problems of Science and Education. 2015;(1-1):156. (In Russ.) Available at: https://science-education.ru/ru/article/view?id=18209 (accessed: 27.05.2024).

3. 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):144–158. Shibanov D.A., Ivanov S.L., Sheshukova E.I., Nedashkovskaya E.S. Efficiency of operation of a quarry excavator as an ergatic system. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2023;(11-1):144–158. (In Russ.)

4. Бессонов А.Е., Шибанов Д.А., Михайлов А.В., Шишкин П.В. Анализ уровня квалификации оператора карьерного электрического экскаватора по показателям наработки. Транспортное, горное и строительное машиностроение: наука и производство. 2023;(21):111–116. https://doi.org/10.26160/2658-3305-2023-21-111-116 Bessonov A.E., Shibanov D.A., Mikhailov A.V., Shishkin P.V. Analysis of the qualification level of the operator of a quarry electric excavator by operating time indicators. Transport, Mining and Construction Engineering: Science and Production. 2023;(21):111–116. (In Russ.) https://doi.org/10.26160/2658-3305-2023-21-111-116

5. Коршунов В.А., Павлович А.А., Бажуков А.А. Оценка сдвиговой прочности горных пород по трещинам на основе результатов испытаний образцов сферическими инденторами // Записки Горного института. 2023. Т. 262. С. 606-618. DOI: 10.31897/PMI.2023.16 Korshunov V.A., Pavlovich A.A., Bazhukov A.A. Estimation of shear strength of rock fractures based on the results of testing samples with spherical indenters // Notes of Mining Institute. 2023. Т. 262. С. 606-618. DOI: 10.31897/PMI.2023.16

6. Костыгова, Д. М., Емельянов А.А. Имитационное моделирование карьерного экскаватора ЭКГ-18Р производства ООО "ИЗ-КАРТЭКС" в тренажере подготовки машинистов / Д. М. Костыгова, А. А. Емельянов // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). – 2017. – № S23. – С. 177-184. – DOI 10.25018/02361493-2017-10-23-177-184 Kostygova, D. M., Emelyanov, A. A. Simulation modeling of the quarry excavator EKG-18R produced by LLC "IZ-KARTEX" in the simulator for training drivers / D. M. Kostygova, A. A. Emelyanov // Mining information and analytical bulletin (scientific and technical journal). - 2017. - № S23. - С. 177-184. - DOI 10.25018/0236-1493-2017-10-23-177-184

7. Доронин, С. В. Расчеты карьерных экскаваторов с неклассическими конструктивными схемами рабочего оборудования / С. В. Доронин, Ю. Ф. Филиппова // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. – 2016. – №3. – С. 95-103 Doronin, S. V. Calculations of quarry excavators with non-classical structural schemes of working equipment / S. V. Doronin, Y. F. Filippova // Physico-technical problems of mineral resources development. - 2016. - №3. - С. 95-103

8. Певзнер, Л. Д. Управление операцией черпания карьерного экскаватора-мехлопаты с применением нечеткой логики / Л. Д. Певзнер, С. Е. Бабаков // Уголь. – 2012. – №8(1037). – С. 64-67. Pevzner, L. D. Control of the scooping operation of the mining excavator-mehlopata with the use of fuzzy logic / L. D. Pevzner, S. E. Babakov // Ugol. - 2012. - № 8(1037). - С. 64-67

9. Махно Д.Е., Леоненко А.С., Авдеев А.Н. Принципы управления загрузкой приводов карьерных экскаваторов, обеспечивающие снижение вероятности хрупких разрушений конструкций. Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2011;(8):68–76. Makhno D.E., Leonenko A.S., Avdeev A.N. Principles of controlling the loading of quarry excavator drives, providing a reduction in the probability of brittle fractures of structures. Izvestiya vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Gornyi Zhurnal. 2011;(8):68–76. (In Russ.)

10. Определение генерального угла наклона борта нижних горизонтов Качарского карьера для обеспечения его устойчивости / Р. О. Макатов, А. З. Сагдиев, А. С. Маликов, В. Н. Долгоносов // Студенческий вестник. – 2020. – №17-6(115). – С. 30-34 Determination of the general inclination angle of the lower horizons of the Kachar quarry to ensure its stability / R. O. Makatov, A. Z. Sagdiev, A. S. Malikov, V. N. Dolgonosov // Student Bulletin. - 2020. - №17-6(115). - С. 30-34. 11. Volokhov, A. V. Prognostic assessment of the stability of the quarry sides / A. V. Volokhov // XXI century. Technosphere safety. - 2021. Т. 6, №2(22). - С. 201-210. - DOI 10.21285/2500-1582-2021-2-201-210

11. Волохов А.В. Прогнозная оценка устойчивости бортов карьера. ХХI век. Техносферная безопасность. 2021;6(2):201– 210. https://doi.org/10.21285/2500-1582-2021-2-201-210 Volokhov A.V. Predictive assessment of the stability of quarry sides. XXI Century. Technosphere Safety. 2021;6(2):201–210. (In Russ.) https://doi.org/10.21285/2500-1582-2021-2-201-210

12. Лукашук, О. А. Идентификация положения ковша карьерного экскаватора в забое / О. А. Лукашук, К. Ю. Летнев, М. Д. Лукашук // Актуальные проблемы повышения эффективности и безопасности эксплуатации горношахтного и нефтепромыслового оборудования. – 2019. – Т. 1. – С. 14-20 Lukashuk, O. A. Identification of the position of the bucket of the quarry excavator in the face / O. A. Lukashuk, K. Y. Letnev, M. D. Lukashuk // Actual problems of improving the efficiency and safety of mining and oilfield equipment operation. - 2019. - Т. 1. - С. 14-20

3. Шешукова Е.И., Шибанов Д.А., Иванов С.Л., Недашковская Е.С. Оценка нагрузок приводов рабочего оборудования карьерного экскаватора (часть 1). Горная промышленность. 2024;(3):143–148. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-3-143-148 Sheshukova E.I., Shibanov D.A., Ivanov S.L., Nedashkovskaya E.S. Assessment of loads acting on the working attachment of a mine shovel (Part 1). Russian Mining Industry. 2024;(3):143–148. (In Russ.) https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-3-143-148

14. Комиссаров А.П., Маслеников О.А., Набиуллин Р.Ш., Хорошавин С.А. Оценка степени противодействия двигателей приводов главных механизмов карьерного экскаватора. Горное оборудование и электромеханика. 2022;(6):10–16. https://doi.org/10.26730/1816-4528-2022-6-10-16 Komissarov A.P., Maslennikov O.A., Nabiullin R.S., Khoroshavin S.A. Assessment of the degree of counteraction of the drive motors of the main mechanisms of the quarry excavator. Mining Equipment and Electromechanics. 2022;(6):10–16. (In Russ.) https://doi.org/10.26730/1816-4528-2022-6-10-16

15. Мамай, А. В. Исследование и разработка системы управления взаимосвязанными приводами экскаватора-мехлопаты / А. В. Мамай // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). – 2015. – №11. – С. 395-399. – EDN SOMQZY Mamai, A. V. Research and development of the control system of interconnected drives of the excavator-mehlopata / A. V. Mamai // Mining information and analytical bulletin (scientific and technical journal). - 2015. - №11. - С. 395-399. EDN SOMQZY

16. Костыгова Д.М., Казунин Д.В. Математическое моделирование электрических систем карьерного экскаватора в режиме реального времени. Вестник Санкт-Петербургского университета. Прикладная математика. Информатика. Процессы управления. 2017;13(1):81–90. https://doi.org/10.21638/11701/spbu10.2017.108 Kostygova D.M., Kazunin D.V. Mathematical real time model of mining excavator electrical systems. Vestnik of St Petersburg University. Applied Mathematics. Computer Science. Control Processes. 2017;13(1):81–90. (In Russ.) https://doi.org/10.21638/11701/spbu10.2017.108

17. Пряхин Е.И., Азаров В.А. Повышение адгезии фторопластовых покрытий к стальным поверхностям труб с перспективой их использования в газотранспортных системах. Черные металлы. 2024;(3):69–75. https://doi.org/10.17580/chm.2024.03.11 Pryakhin E.I., Azarov V.A. Increasing the adhesion of fluoroplastic coatings to steel surfaces of pipes with a view to their use in gas transmission systems. Chernye Metally. 2024;(3):69–75. (In Russ.) https://doi.org/10.17580/chm.2024.03.11

18. Gogolynskiy, K. V., Gromyka, D. S., & Kremcheev, E. A. (2021). A modelling of cyclic thermal and impact loads on excavator bucket. International Review of Mechanical Engineering, 15(4), 189-196. doi:10.15866/ireme.v15i4.20699

19. Иов И.А., Долгих Е.С., Иов А.А. Управление динамическим состоянием исполнительных механизмов экскаваторов. Иркутск: Изд-во ИРНИТУ; 2022. 194 с.

20. Великанов В.С. Прогнозирование нагруженности рабочего оборудования карьерного экскаватора по нечетко-логистической модели. Записки Горного института. 2020;241:29–36. https://doi.org/10.31897/PMI.2020.1.29 Velikanov V.S. Mining excavator working equipment load forecasting according to a fuzzy-logistic model. Journal of Mining Institute. 2020;241:29–36. https://doi.org/10.31897/PMI.2020.1.29

21. Муратов Г.Г., Юлдошов Х.Э., Жураев А.Ш. Требования к электроприводу напора карьерного экскаватора. Journal of Advanced Research in Technical Science. 2018;(8):80–82. Muratov G.G., Yuldoshov H.E., Zhuraev A.Sh. Requirements to electricity cable pressure of career excavator. Journal of Advanced Research in Technical Science. 2018;(8):80–82. (In Russ.)

22. Комиссаров А.П., Хорошавин С.А., Летнев К.Ю. Особенности режимов нагружения канатов подъемного и напорного механизмов карьерного экскаватора. Горное оборудование и электромеханика. 2020;(5):22–27. https://doi.org/10.26730/1816-4528-2020-5-22-27 Komissarov A.P., Khoroshavin S.A., Letnev K.Yu. Features of loading modes of ropes of lifting and pressure mechanisms of a quarry excavator. Mining Equipment and Electromechanics. 2020;(5):22–27. (In Russ.) https://doi.org/10.26730/1816-4528-2020-5-22-27

23. Насонов М.Ю., Лыков Ю.В., До Дык Чонг Исследование ресурса и долговечности металлических конструкций экскаваторов после истечения срока эксплуатации // Уголь. 2020. №2. С. 13-17. DOI: 10.18796/0041-5790-2020-2-13-17 Nasonov M.Yu., Lykov Yu.V., Do Duc Chong Research of resource and durability of metal structures of excavators after the expiration of the service life // Ugol. 2020. №2. С. 13-17. DOI: 10.18796/0041-5790-2020-2-13-17

24. Абдельвахаб Агагена, Михайлов А.В. Влияние железорудной пыли на изнашивание поверхности штоков гидроцилиндров карьерного экскаватора / Агагена Абдельвахаб, А.В.Михайлов // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2023. – No 11-1. – С. 5–23. DOI: 10.25018/02 36_1493_2023_111_0_5 Abdelwahab Aghagena, Mikhailov A.V. Influence of iron ore dust on wear of the surface of hydraulic cylinder rods of the quarry excavator / Aghagena Abdelwahab, A.V.Mikhailov // Mining information-analytical bulletin. - 2023. - No 11-1. С. 5-23. DOI: 10.25018/02 36_1493_2023_111_0_5

25. Назарычев А.Н. Исследование надежности тягового электропривода карьерных самосвалов на основе анализа отказов его функциональных узлов / А.Н. Назарычев, Г.В. Дяченок, Ю.А. Сычев // Записки Горного института. 2023. Т. 261. С. 363-373. EDN HCLPJB Nazarychev, A.N. Investigation of the reliability of the traction electric drive of the quarry dump trucks on the basis of failure analysis of its functional units / A.N. Nazarychev, G.V. Dyachenok, Yu.A. Sychev // Notes of Mining Institute. 2023. Т. 261. С. 363-373. EDN HCLPJB

26. Касьянов П.А., Шестаков В.С., Захаров А.А. Расчет усилий в подъемных канатах карьерного экскаватора «прямая лопата». В кн.: Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: сборник трудов 15-й Международной научно-технической конференции, г. Екатеринбург, 20–21 апр. 2017 г. Екатеринбург: Уральский государственный горный университет; 2017. С. 283–286.

27. Программный продукт для определения положения и визуализации рабочего оборудования одноковшового экскаватора / В. А. Мещеряков [и др.] // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. – 2023. – №8. – С. 596-601. – DOI 10.24412/2071-6168-2023-8-596-597. Software product for position determination and visualization of the working equipment of a single-bucket excavator / V. A. Meshcheryakov [et al.] // Izvestia Tula State University. Technical sciences. - 2023. - №8. - С. 596-601. - DOI 10.24412/2071-6168-2023-8-596-597.

28. Ershov, D. Vibration amplitude and frequency parameters of technological equipment drives / D. Ershov, I. Lukyanenko // Smart Innovation, Systems and Technologies. – 2021. – Vol. 187. – P. 537-548. – DOI 10.1007/978-981-15-5580-0_44.

29. Zhukovskiy Yu.L., Vasilev B.Y., Korolev N.A., Malkova Y.M. Analysis of the behavior of asynchronous electric drive with a closed scalar control system when changing the inductance of the magnetizing circuit. Indonesian Journal of Science and Technology. 2023;8(1):65–78. https://doi.org/10.17509/ijost.v8i1.51983

30. Глущенко, А. И. Повышение качества управления электродвигателем постоянного тока на основе его линеаризации и компенсации немоделируемой динамики / А. И. Глущенко, В. А. Петров, К. А. Ласточкин // Управление большими системами: сборник трудов. – 2020. – № 86. – С. 55-97. – DOI 10.25728/ubs.2020.86.3 Glushchenko, A. I. Improving the quality of DC motor control based on its linearization and compensation of unmodeled dynamics / A. I. Glushchenko, V. A. Petrov, K. A. Lastochkin // Management of Large Systems: Proceedings. - 2020. - № 86. С. 55-97. - DOI 10.25728/ubs.2020.86.3.

31. Соловьев И.В., Михайлов А.В. Анализ грейферной выемки волокнистого торфяного сырья. Устойчивое развитие горных территорий. 2023;15(4):1098–1107. https://doi.org/10.21177/1998-4502-2023-15-4-1098-1107 Soloviev I.V., Mikhailov A.V. Grab excavation analysis of fibrous peat raw material. Sustainable Development of Mountain Territories. 2023;15(4):1098–1107. (In Russ.) https://doi.org/10.21177/1998-4502-2023-15-4-1098-1107

32. Сорокин А.В. Разработка системы управления приводами экскаваторов, эксплуатирующихся на горных предприятиях Севера. Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2010;(5):83–87. Sorokin A.V. Development of the control system for the drives of excavators operating at the mining enterprises of the North. Izvestiya vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Gornyi Zhurnal. 2010;(5):83–87. (In Russ.)

33. Салимов А.Э., Шибанов Д.А., Иванов С.Л. Риски отказов карьерного экскаватора, связанные с его техническим обслуживанием и ремонтом. Горная промышленность. 2024;(2):97–102. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-2-97-102 Salimov A.E., Shibanov D.A., Ivanov S.L. Failure risks of mine excavator associated with its maintenance and repair. Russian Mining Industry. 2024;(2):97–102. (In Russ.) https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-2-97-102

34. Корогодин А.С., Иванов С.Л. Техническое обслуживание и ремонт цапф барабанной мельницы плавучего комплекса горного оборудования. Устойчивое развитие горных территорий. 2023;15(3):760–770. https://doi.org/10.21177/1998-4502-2023-15-3-760-770 Korogodin A.S., Ivanov S.L. Maintenance and repair of drum mill trunnions of a floating mining equipment complex. Sustainable Development of Mountain Territories. 2023;15(3):760–770. (In Russ.) https://doi.org/10.21177/1998-4502-2023-15-3-760-770

35. Курганов В.М., Грязнов М.В., Колобанов С.В. Оценка надежности функционирования экскаваторно-автомобильных комплексов в карьере // Записки Горного института. 2020. Т. 241. С. 10. DOI: 10.31897/PMI.2020.1.10 Kurganov V.M., Gryaznov M.V., Kolobanov S.V. Estimation of reliability of functioning of excavator-automobile complexes in a quarry // Notes of Mining Institute. 2020. Т. 241. С. 10. DOI: 10.31897/PMI.2020.1.10

36. Асонов С.А., Иванова П.В., Иванов С.Л., Шишлянников Д.И. Принципы построения модели технического состояния трансмиссии горной машины при ее эксплуатации. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017;(3):15–27. Asonov S.A., Ivanova P.V., Ivanov S.L., Shishlyannikov D.I. Principles of construction of models of the technical state of transmission of mining machine during its operation. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2017;(3):15–27. (In Russ.)