XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Разработка роботизированного комплекса для автоматизации процесса сваривания футеровки кузова большегрузного карьерного транспорта

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Смотраев Н.Н. 1

---

1МАОУ "СОШ №10"

Пеньшина Г.Н. 1

---

1МАОУ "СОШ №10"

Работа в формате PDF

540.4 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность и степень разработанности темы исследования

Одной из необходимых мер на пути к реализации устойчивого развития горнодобывающего сектора является техническое перевооружение, которое продиктовано современными тенденциями и новым технологическим укладом [11, с.1]. Автоматизация, наряду с достижением высоких технико-экономических показателей, обеспечит повышение безопасности работ и улучшение условий труда обслуживающего персонала [5, с.74]. Основной проблемой, возникающей при эксплуатации большегрузных самосвалов, является интенсивный износ кузова при загрузке и разгрузке транспортируемого груза. Без применения мер, защищающих кузов от износа, срок его службы составляет, в среднем, один год [2, с.1]. Замена изношенного кузова на новый сопряжена с существенными финансовыми затратами для ПАО «Гайский ГОК», эксплуатирующего самосвалы. Одним из наиболее эффективных способов защиты кузова от износа является футеровка его внутренней поверхности [2, с.1].

Заводы-изготовители, такие как, «БелАЗ» поставляют самосвалы с не футерованными кузовами, которые предприятиями-потребителями (ПАО «Гайский ГОК») футеруются собственными силами на имеющихся у них рембазах. Для футеровки используются металлические листы, закрепленные на внутренней поверхности кузова с помощью электросварки. Однако срок службы металлической футеровки не превышает полутора-двух лет [Крапивин М.А., электромеханик участка Подземного рудника ПАО «Гайский ГОК»]. Замена изношенной футеровки осуществляется «сдуванием» сварных швов крепления и её заменой на новую. Процесс замены футеровки весьма трудоемок. На ПАО «Гайский ГОК» применяют ручную дуговую сварку плавящимся покрытым электродом, что является самым доступным и малозатратным способом. Кузов во время сварочных работ подвергается скачкам температуры и сварочного тока, разбрызгивается электродный металл. Автоматизируя процесс, используя современные сварочные установки, ПАО «Гайский ГОК» снизит время футерования кузова, повысит качество и производительность сварки, заменит ручной труд сварщика роботизированным комплексом, работающим по программам управления сварочными работами.

Теоретической базой для проектного решения в части технической эксплуатации футерованного оборудования являются работы: Ю.В. Гусева, В.П. Вавилова, А.П. Костюкова [6, с.6]. Созданием систем автоматизации технологических процессов сварки на предприятиях занимаются как отечественные организации и компании: CRP AUTOMATION RUSSIA, Интертехприбор, Svarzavod, TECHNORED, так и зарубежные компании: Xionggu Electrical (Китай), Magmaweld (Турция), Helvi (Италия) и др. [6, с.7]. Рассматриваемые организации создали и внедрили ряд информационных систем по автоматизации технологических процессов на различных предприятиях мира и РФ (Таблица 1).

Анализ существующих решений

Однако в настоящее время еще недостаточно полно и всесторонне рассмотрены и проработаны вопросы создания роботизированных систем сварки футеровок на предприятиях горнодобывающей отрасли [6, с.7].

Постановка проблемы. Механические повреждения, налипание (примерзание) остатков загружаемых материалов в кузов самосвала понижают эффективную грузоподъемность, что увеличивает себестоимость транспортировки и снижает эффективность эксплуатации автотранспорта. Футеровка кузова самосвала – эффективный способ борьбы с износом [2, с.3]. В настоящее время процесс футерования на ПАО «Гайский ГОК» выполняют в ручную [Крапивин М.А., электромеханик участка Подземного рудника ПАО «Гайский ГОК»]. При этом имеет место:

• низкая производительность труда при ручной сварке покрытым электродом;

• нехватка сварщиков, как высокой, так и средней квалификации (По данным Службы по персоналу ПАО «Гайский ГОК» на 15.03.2024 требуются электрогазосварщики 4 и 5 разрядов. Необходимы 7 специалистов, что составляет 9 % от штата сотрудников в настоящее время);

• значительное влияние человеческого фактора на качество сварного соединения, велика вероятность появления сварочных дефектов;

• вредные факторы для всех способов дуговой, электрошлаковой, контактной и газовой сварки, плазменных технологий и пайки - образование и поступление в воздух рабочей зоны сварочных аэрозолей, содержащих токсические вещества. Длительное воздействие на организм сварщиков этих аэрозолей может привести к возникновению профессиональных заболеваний [13, с.12].

Однако, как автоматизировать процесс футеровки неизвестно.

В связи с выше указанным, цель работы: создание модели роботизированного комплекса для автоматизации процесса сваривания футеровки, минимизации опасных факторов производства, увеличения производительности труда.

Достижение поставленной цели и реализация идеи связаны с решением следующих задач:

1. Проанализировать различные источники по изучаемой проблеме.

2. Оценить условия труда электрогазосварщиков ПАО «Гайский ГОК» в соответствии с имеющимися методиками.

3. Изучить процесс сварки футеровки в практике работы ПАО «Гайский ГОК» в ходе экскурсии на предприятие и беседы со специалистами.

4. Рассмотреть варианты автоматизации процесса сварки футеровки на ПАО «Гайский ГОК».

5. Рассчитать экономическую эффективность автоматизации процесса сварки.

6. Создать прототип роботизированного комплекса для автоматизации процесса сваривания футеровки.

Основная часть

Описание разработки

Исследованиями процесса износа кузова самосвала, проведенными на кафедре горных транспортных машин СПГГИ (ТУ) [2, с.1], установлено, что кузов самосвала имеет две разнохарактерные по виду и интенсивности износа зоны. К первой из них относится центральная зона днища кузова, износ в которой в значительной степени происходит вследствие ударных воздействий на нее кусков загружаемого материала и, в меньшей степени, вследствие фрикционного износа при разгрузке транспортируемого груза. Ко второй зоне относится хвостовая часть днища и стенки кузова, у которых превалирует фрикционный износ от воздействия разгружаемого из кузова материала.

Конструктивное решение футеровки должно отвечать следующим требованиям:

• футеровка центральной зоны днища кузова, его хвостовой части и бортов должна состоять из унифицированных элементов с различными противоизносными свойствами футеровочного покрытия, учитывающего характер и интенсивность износа соответствующих зон кузова;

• крепление футеровочных элементов к кузову самосвала должно осуществляться с использованием минимального количества болтов, не нарушающих прочность кузова;

• объем футеровки кузова должен составлять не более 5% от общего объема кузова [2, с.12].

Критерием эффективности конструкции футеровки являются технико-экономические показатели (ТЭП) ее использования, определяемые первоначальной стоимостью футеровки, сроком службы футеровочного покрытия, стоимостью заменяемых элементов и трудозатратами на их замену [2, с.4]

Таблица 2 Эффективность футерованного большегрузного самосвала

Предлагаемый роботизированный комплекс для автоматизации процесса сваривания футеровок самосвалов удовлетворяет рассмотренным критериям.

Таблица 4

Влияние опасных и вредных факторов на человека при использовании роботизированного комплекса сварки уменьшается. Газоэлектросварщик становится оператором данного комплекса, который задает траекторию сварочного шва и параметры процесса: ток, напряжение, скорость сварки.

В основе используется принцип работы электрического мостового крана (рис.1). Мост – это конструкция, которая может двигаться по рельсам, установленным на опорах. Мост обеспечивает горизонтальное перемещение. Мостовая тележка – это устройство, которое устанавливается на мост и может перемещаться вдоль него. Устройство для сварки – это устройство, которое устанавливается на мостовой тележке и позволяет автоматически по заданной программе проводить сварочные работы. Самосвал въезжает под данную конструкцию, оператор-сварщик выставляет необходимые размеры футеровок и некоторые дополнительные параметры. Роботизированный комплекс производит необходимые действия.

Рис. 1 Роботизированный комплекс для автоматизации процесса сваривания футеровок самосвалов

Этапы процесса роботизированной сварки

Подготовка.

Перед началом сварки комплекс должен быть правильно настроен и программирован. Это включает в себя установку необходимых параметров сварки, выбор подходящего сварочного инструмента и определение точек сварки на деталях.

Преобразование кода.

С помощью программы происходит преобразование сварочного чертежа в G-Code.

Позиционирование.

Робот перемещается к рабочей зоне и позиционирует сварочный инструмент в нужном месте. Это выполнено с помощью специальных датчиков, которые определяют положение деталей.

Сварка.

Робот начинает сварку, выполняя необходимые движения и нанося сварочный материал на соединяемые детали. Он может использовать различные типы сварки, такие как дуговая сварка или точечная сварка, в зависимости от требований процесса. Наиболее востребованной является сварка в защитных газах (рис. 2) [9, с. 23]. Сущность способа сварки в защитных газах (СО₂₎ заключается в том, что дуга горит в струе защитного газа, оттесняющего воздух из зоны сварки и защищающего расплавленный металл от вредного воздействия газов, содержащихся в атмосфере.

Рис 2. Схема сварки в среде СО₂ (1 –расплавленный электродный металл, 2 –подача защитного углекислого газа.

Контроль качества.

В процессе сварки робот может осуществлять контроль качества, чтобы обнаружить дефекты и снизить количество брака. Это может включать в себя использование датчиков для измерения температуры, контроля глубины проникновения сварочного материала, проверки размеров сварного соединения, использование ультразвукового устройства дефектоскопии, применяемого в настоящее время на ПАО «Гайский ГОК».

Завершение. По завершении сварки робот перемещается в безопасное положение и останавливает сварочный процесс. Детали могут быть извлечены из рабочей зоны и подвергнуты последующей обработке или проверке качества.

Планируемый эффект от внедрения

Для оценки возможности автоматизации процесса сварки футеровки на ПАО «Гайский ГОК» была проведена 27.11.2023 г. экскурсия на участок по ремонту горно-шахтного оборудования Подземного рудника. После проведения инструктажа по технике безопасности на заготовительном участке подробно описали технологический процесс изготовления деталей, объяснили с какими материалами работают специалисты и как функционирует оборудование. Процесс футеровки кузова самосвала осуществляют 2 газоэлектросварщика путём наваривания футеровочных пластин в форме «ёлочки», используя высокопрочную сталь 09Г2С. Были оцениены условия работы, содержание деятельности, задали вопросы по поводу соцпакета, уровня зарплат, нагрузки, требований, предъявляемых к работникам.

Таблица 4 Сравнение эффективности применения роботизированного метода сварки и ручной дуговой сварки

Таким образом, при использовании роботизированной сварки производительность увеличивается в 1,7 раза [7, с.3] (рис.3):

Производительность сварки шва сечением 18 кв. мм за смену.

Рис. 3 Сравнение производительности роботизированной и ручной дуговой сварки

Расчет заработной платы

Материалы для данного анализа были предоставлены сотрудниками экономического отдела ПАО «Гайский ГОК».

При переходе на роботизированную сварку снижаются удельные затраты на заработную плату сварщика и затраты на электроэнергию.

Время, затраченное на футеровку разработанным нами роботизированным комплекса в 1,7 раза меньше, чем на работы, выполненные в ручную за счет отсутствия необходимости отбивать шлак после наложения каждого сварочного слоя. Так как производительность увеличивается в 1,7 раза, соответственно, появится возможность задействовать освободившихся сотрудников на более квалифицированные сварочные работы.

Из приведенного расчета также следует, что стоимость наплавки 1 кг металла в сварном шве снижается (рис.4):

Рис. 4 Экономическая эффективность при переходе на роботизированную сварку плавящимся электродом в защитных газах по сравнению с ручной дуговой сваркой

Следует отметить, что замена ручной дуговой сварки на роботизированную сварку полуавтоматом возможна при условии разработки соответствующей технологии, определения режимов сварки и подборе сварочных материалов для сварки промышленных металлоконструкций.

При замене морально устаревших и энергозатратных сварочных аппаратов на современный роботизированный комплекс с микропроцессорными схемами управления снизятся потери в питающих линиях и силовых трансформаторах за счет уменьшения потерь от протекания реактивных токов. Это ведёт к увеличению производительности труда электросварщика, а также дополнительной экономии электроэнергии из-за отсутствия необходимости выполнения пробных сварочных швов при перенастройке (достаточно составить однократно таблицу сварочных токов для различных режимов сварки и в последствие пользоваться этими значениями). Экономия электроэнергии может составить до 25% [7, с. 13]. Указанные мероприятия будут способствовать достижению следующих целей на пути устойчивого развития: хорошее здоровье и благополучие, достойная работа и экономический рост, индустриализация, инновации и инфраструктура, ответственное потребление и производство [5, с. 12].

Заключение

При работе над проектом поставленная цель – разработка модели роботизированного комплекса для автоматизации процесса сваривания футеровки, минимизации опасных факторов производства, увеличения производительности труда – достигнута.

На основании проведенного анализа литературы и полученных расчетных данных можно сделать следующие выводы:

1. Влияние опасных и вредных факторов на человека при использовании роботизированного комплекса сварки сводится к минимуму.

2. Использование роботизированного комплекса для сваривания футеровок увеличивает производительность в 1,7 раза.

3. Использование роботизированного комплекса соответствует целям устойчивого развития.

В процессе работы была подтверждена гипотеза о том, что применение роботизированного комплекса для сваривания футеровок большегрузного карьерного транспорта позволяет снизить уровень опасности для работников, сократить эксплуатационные расходы и повысить производительность труда.

Врезультате работы над проектом был проведен сравнительный анализ эффективности применения роботизированного метода сварки и ручной дуговой сварки и сделан вывод о перспективах внедрения инновационного оборудования с точки зрения безопасности и экономической выгоды.

Разработан и создан прототип роботизированного комплекса для автоматизации процесса сваривания футеровок самосвалов. Данный комплекс был представлен специалистам производственно-технического отдела ПАО «Гайский ГОК» и получил высокую оценку (Приложение).

Списка использованных источников и литературы

1. Алешин, Н. П. Физические методы неразрушающего контроля сварных соединений: учеб. пособие для вузов / Н. П. Алешин. - Гриф МО. - М.: Машиностроение, 2006. - 367 с.

2. Васильев К.А., Махараткин П.Н. Быстросменная футеровка кузовов большегрузных автосамосвалов // «Горная Промышленность» №6 2022, с.60

3. Горина, Л. Н. Обеспечение безопасных условий труда на производстве: учебное пособие / Л. Н. Горина. – Тольятти: ТолПИ, 2000. – 68 с.

4. Дик Ю.А., Котенков А.В., Танков М.С и др. Практика технического перевооружения процессов горного производства. – Верхняя Пышма, 2019.–512с.

5. Доклад о человеческом развитии в Российской Федерации: «Цели устойчивого развития ООН и Россия»//Аналитический центр при правительстве Российской Федерации https://ac.gov.ru/files/publication/a/11068.pdf [дата обращения 11.10.2023].

6. Емельянов В.А. Методологические основы создания автоматизированных систем управления эксплуатацией футерованного оборудования. – Симферополь, 2016 -308с.

7. Карасев М.В., Карасев С.В. Экономический эффект от автоматизации процессов сварки и наплавки в различных отраслях [дата обращения 11.12.2023 г]. https://www.uniprofit.ru/spravka/article/ee1avtomatizaciya/

8. Лучкин Р. С. Проектирование сварных конструкций : учеб.-метод. пособие / ТГУ; каф. "Оборудование и технология сварочного производства и пайки". - ТГУ. - Тольятти: ТГУ, 2008. - 173 с.

9. Николаев Г. А. Сварные конструкции: Технология изготовления: автоматизация производства и проектирование сварных конструкций: [учеб. пособие для вузов по спец. "Технология свароч. пр-ва"] / Г. А. Николаев, С. А. Куркин, В. А. Винокуров. - М. : Высш. шк., 1983. - 344 с.

10. Овчинников В. В. Дефекты сварных соединений: учеб. пособие / В. В. Овчинников. - М. : Академия, 2008. - 64 с.

11. Роботизированная и дистанционно управляемая подземная техника: внедрение, эксплуатация, перспективы //Журнал «Горная Промышленность» №6 2020, с.56

12. Системы дистанционного управления https://www.vost-tech.ru/technology/sistemy_distancionnogo_upravleniya/ [дата обращения11.10.2023 г].

13. Управление процессами и оборудованием при сварке: учеб. Пособие для вузов. Э. А. Гладков.- М.: Академия, 2006.- 430с.