Assessment of loads at the working attachment of a mine shovel (part 3)

E.I. Sheshukova, D.A. Shibanov, S.L. Ivanov, A.E. Salimov
Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University, St. Petersburg, Russian Federation
Russian Mining Industry №2 / 2025 p.132-138

Abstract: A mine shovel as a mining machine works in severe operating conditions specific for each particular machine. When carrying out maintenance and repair work, it is necessary to take into account the operating conditions of the mining machine. The first articles in this series of publications present an assessment of the loads on the drives of the mine shovel's working attachments when mining the benches along linear excavation paths with the inclination angles of 60°, 70°, 80°. This article presents an analysis of the energy consumed by the hoisting and crowding drives during the mining cycle for the previously considered excavation paths, as well as an assessment of the loads and energy consumption for the combined radial-linear bucket paths when mining the bench. A summary table is presented featuring the operating values of the working attachment drives for the linear-inclined and radial-linear paths. The procedure for assessing the wear life rate is proposed, the use of which will allow adjusting the shovel’s maintenance and repair intervals depending on the conditions and nature of its operation.

Keywords: mining shovel, shovel working cycle, hoisting drive, crowding drive, excavation path, shovel attachment path of travel, drive operation, wear life rate, linear-inclined path, radial-linear path

For citation: Sheshukova E.I., Shibanov D.A., Ivanov S.L., Salimov A.E. Assessment of loads at the working attachment of a mine shovel (part 3). Russian Mining Industry. 2025;(2):132–138. (In Russ.) https://doi.org/10.30686/1609-9192-2025-2-132-138

Article info

Received: 19.01.2025

Revised: 05.03.2025

Accepted: 21.03.2025

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.

Salimov Abbos Erkin Ugli – Postgraduate Student, Department of Mechanical Engineering, Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University, St. Petersburg, Russian Federation

Authors’ contribution

E.I. Sheshukova – design of the calculation algorithm, execution of the numerical experiment.

D.A. Shibanov – analysis of the original and newly obtained data.

S.L. Ivanov – general methodological guidance, reviewing.

A.E. Salimov – processing of the experimental data.

References

1. Назарычев А.Н., Дяченок Г.В., Сычев Ю.А. Исследование надежности тягового электропривода карьерных самосвалов на основе анализа отказов его функциональных узлов. Записки Горного института. 2023;261:363–373. Режим доступа: https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/16189 (дата обращения: 27.12.2024). Nazarychev A.N., Dyachenok G.V., Sychev Y.A. A reliability study of the traction drive system in haul trucks based on failure analysis of their functional parts. Journal of Mining Institute. 2023;261:363–373. Available at: https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/16189 (accessed: 27.12.2024).

2. Насонов М.Ю., Лыков Ю.В., До Дык Чонг. Исследование ресурса и долговечности металлических конструкций экскаваторов после истечения срока эксплуатации. Уголь. 2020;(2):13–17. https://doi.org/110.18796/0041-5790-2020-2-13-17 Nasonov M.Yu., Lykov Yu.V., Do Duc Chong. The study of the resource and durability of metal structures of excavators after the expiration of the service life. Ugol’. 2020;(2):13–17. (In Russ.) https://doi.org/110.18796/0041-5790-2020-2-13-17

3. Абдельвахаб А., Михайлов А.В. Влияние железорудной пыли на изнашивание поверхности штоков гидроцилиндров карьерного экскаватора. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2023;(11-1):5–23. Abdelwahab A., Mikhailov A.V. Iron ore dust influence on the wear surface of quarry excavator hydraulic cylinder rods. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2023;(11-1):5–23. (In Russ.)

4. 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

5. 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.)

6. 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

7. Великанов В.С., Дремин А.В., Чернухин С.А., Ломовцева Н.В. Технологии нейронных сетей в интеллектуальном анализе данных гранулометрического состава взорванных пород. Горная промышленность. 2024;(4):90–94. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-4-90-94 Velikanov V.S., Dremin A.V., Chernukhin S.A., Lomovtseva N.V. Neural network technologies in mining data on particle size distribution of muck pile rocks. Russian Mining Industry. 2024;(4):90–94. (In Russ.) https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-4-90-94

8. 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

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

10. 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

11. 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):108–114. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-4-108-114 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

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

13. Савастенко Э.А., Никишин И.А., Девянин С.Н. Снижение степени неравномерности крутящего момента в ДВС. Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Инженерные исследования. 2010;(3):99–106. Режим доступа: https://repository.rudn.ru/ru/records/article/record/37913/ (дата обращения: 06.02.2025). Savastenko E.A., Nikishin I.A., Devyanin S.N. Irregular ice torque and machines traction quality. RUDN Journal of Engineering Researches. 2010;(3):99–106. (In Russ.) Available at: https://repository.rudn.ru/ru/records/article/record/37913/ (accessed: 06.02.2025).

14. 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

15. Курганов В.М., Грязнов М.В., Колобанов С.В. Оценка надежности функционирования экскаваторно-автомобильных комплексов в карьере. Записки Горного института. 2020;241:10–21. https://doi.org/10.31897/pmi.2020.1.10 Kurganov V.M., Gryaznov M.V., Kolobanov S.V. Assessment of operational reliability of quarry excavator-dump truck complexes. Journal of Mining Institute. 2020;241:10–21. https://doi.org/10.31897/pmi.2020.1.10

16. Цупкина М.В., Кирков А.Е., Клебанов Д.А., Радченко Д.Н. Обоснование необходимости улучшения стратегии управления функционированием горно-технической системы на основе анализа данных об отработке сложноструктурных блоков. Записки Горного института. 2024;266:316–325. Режим доступа: https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/16302 (дата обращения: 27.12.2024). Tsupkina M.V., Kirkov A.E., Klebanov D.A., Radchenko D.N. Justification of the approaches to improve management strategy of the mining system based on the analysis of data on the mining of complex structural rock blocks. Journal of Mining Institute. 2024;266:316–325. Available at: https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/16302 (accessed: 27.12.2024).

17. Мещеряков В.А., Летопольский А.Б., Тетерина И.А., Николаев Д.И. Программный продукт для определения положения и визуализации рабочего оборудования одноковшового экскаватора. Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023;(8):596–601. Meshcheryakov V.A., Letopolsky A.B., Teterina I.A., Nikolaev D.I. Software product for determination of the position and visualization of the working equipment of a single bucket excavator. Izvestiya Tulskogo Gosudarstvennogo Universiteta. Tekhnicheskie Nauki. 2023;(8):596–601. (In Russ.)

18. Хошмухамедов И.М., Косарева-Володько О.В. Надежность электродвигателей карьерных экскаваторов. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2018;(12):151–156. https://doi.org/10.25018/0236-1493-2018-12-0-151-156 Khoshmukhamedov I.M., Kosareva-Volodko O.V. Reliability of electric motors of open pit mine shovels. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2018;(12):151–156. (In Russ.) https://doi.org/10.25018/0236-1493-2018-12-0-151-156

19. Касьянов В.Е., Зайцева М.М., Котесова А.А., Котесов А.А., Котова С.В. Расчетно-экспериментальное определение гамма-процентного ресурса стрелы одноковшового экскаватора для генеральной совокупности конечного объема. Инженерный вестник Дона. 2012;(1):45–50. Kasyanov V.E., Zaytseva M.M., Kotesova A.A., Kotesov A.A., Kotova S.V. Calculation-experimental determination of gammapercent resource of single-bucket excavator boom for the general population of finite volume. Engineering Journal of Don. 2012;(1):45–50. (In Russ.)

20. Васьков В.С., Таугер В.М. Оценка методов расчета нагрузок на рабочее оборудование карьерных экскаваторов. Современные проблемы науки и образования. 2015;(1-1):153. Режим доступа: https://science-education.ru/ru/article/view?id=18209 (дата обращения: 27.05.2024). Vaskov V.S., Tauger V.M. Theoretical basis for building refined mathematical model of the process of excavation. Modern Problems of Science and Education. 2015;(1-1):153. (In Russ.) Available at: https://science-education.ru/ru/article/view?id=18209 (accessed: 27.05.2024).

21. Махмудов Ш.А., Бойназаров Г.Г. Анализ и установление причин разрушения деталей экскаваторов. Science Time. 2016;(5):428–432. Makhmudov S.A., Boinazarov G.G. Analysis and determination of the causes of excavator parts failure. Science Time. 2016;(5):428–432. (In Russ.)

22. Звонарев И.Е., Иванов С.Л., Шишлянников Д.И., Фокин А.С. Исследования поверхностной твердости металла в областях повышенного износа и разрушения деталей горных машин. Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. геология. Нефтегазовое и горное дело. 2014;13(11):67–76. Zvonarev I.E., Ivanov S.L., Shishliannikov D.I., Fokin A.S. Study of the metal surface hardness in the areas of high wear and tear of parts for mining machines. Perm Journal of Petroleum and Mining Engineering. 2014;13(11):67–76. (In Russ.)

23. Громыка Д.С., Гоголинский К.В. Рекомендации по внедрению методики оценки текущего состояния коронок зубьев ковшей экскаваторов в систему технического обслуживания и ремонта. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2023;(8):94–111. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2023_8_0_94 Gromyka D.S., Gogolinskiy K.V. Introduction of evaluation procedure of excavator bucket teeth into maintenance and repair: Promptse. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2023;(8):94–111. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2023_8_0_94

24. Грабский А.А., Сергеев В.Ю., Грабская Е.П. Обоснование выбора стратегии технического обслуживания и ремонтов карьерных экскаваторов. Уголь. 2021;(2):14–17. https://doi.org/10.18796/0041-5790-2021-2-14-17 Grabsky A.A., Sergeev V.Yu., Grabskaya E.P. Rationale for choosing a strategy for maintenance and repair of quarry excavators. Ugol’. 2021;(2):14–17. (In Russ.) https://doi.org/10.18796/0041-5790-2021-2-14-17

25. Салихов Р.Ф., Бердников И.Е. Метод расчета годовой продолжительности проведения технических обслуживаний и ремонтов для отечественных и зарубежных экскаваторов с течением наработки. Вестник Сибирского государственного автомобильно-дорожного университета. 2024;21(1):26–37. https://doi.org/10.26518/2071-7296-2024-21-1-26-37 Salikhov R.F., Berdnikov I.E. Method for calculating annual duration of maintenance and repairs of domestic and foreign excavators considering time in service. The Russian Automobile and Highway Industry Journal. 2024;21(1):26–37. (In Russ.) https://doi.org/10.26518/2071-7296-2024-21-1-26-37

26. Труфанова И.С., Невзоров Д.Н. Применение конвейерных поездов как внешнего транспорта обогатительных предприятий. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2023;(9-1):64–78. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2023_91_0_64 Trufanova I.S., Nevzorov D.N. The use of conveyor trains as external transport for enrichment enterprises. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2023;(9-1):64–78. (In Russ.) https://doi.org/10.25018/0236_1493_2023_91_0_64

27. Мамай А.В. Исследование и разработка системы управления взаимосвязанными приводами экскаватора-мехлопаты. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2015;(11):395–399. Mamay A.V. Analysis and design of control for interconnected drives of shovel. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2015;(11):395–399. (In Russ.)

28. 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.)

29. 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

30. Бельгелиль Ф., Фредж М., Саадун А., Букарм Р. Анализ обрушения бортов на железорудном карьере Уэнса в Северо-Восточном Алжире методом конечных элементов: причины и выводы для контроля устойчивости. Записки Горного института. 2024;268:576–587. Режим доступа: https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/16294 (дата обращения: 07.02.2025). Belgueliel F., Fredj M., Saadoun A., Boukarm R. Finite element analysis of slope failure in Ouenza open-pit iron mine, NE Algeria: causes and lessons for stability control. Journal of Mining Institute. 2024;268:576–587. Available at: https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/16294 (accessed: 07.02.2025).

31. Макатов Р.О., Сагдиев А.З., Маликов А.С., Долгоносов В.Н. Определение генерального угла наклона борта нижних горизонтов Качарского карьера для обеспечения его устойчивости. Студенческий вестник. 2020;(17-6):30–34. Makatov R.O., Sagdiyev A.Z., Malikov A.S., Dolgonosov V.N. Determination of the general angle of inclination of the side of the lower horizons of the Kacharsky quarry to ensure its stability. Studencheskiy Vestnik. 2020;(17-6):30–34. (In Russ.)

32. 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

33. 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

34. 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

35. 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.)