gscienceMining Science and Technology (Russia)Горные науки и технологии2500-0632The National University of Science and Technology MISiIS (NUST MISIS)10.17073/2500-0632-2024-05-262gscience-717Research ArticlePOWER ENGINEERING, AUTOMATION, AND ENERGY PERFORMANCEЭНЕРГЕТИКА, АВТОМАТИЗАЦИЯ И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬMechatronic system for running-in and testing of mechanical transmissions in mining shovelsМехатронная система для обкатки и испытаний механических передач карьерных экскаваторовhttps://orcid.org/0000-0002-7691-3442МалафеевС. И.MalafeevS. I.

Сергей Иванович Малафеев – доктор технических наук, профессор кафедры вычислительной техники и систем управления; главный научный сотрудник

г. Владимир; г. Москва

 

Sergey I. Malafeev – Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Department of Computer Engineering and Control Systems; Chief Scientific Officer

Vladimir; Moscow

simalafeev@gmail.comhttps://orcid.org/0009-0000-3141-874XМалафееваА. А.MalafeevaA. A.

Алевтина Анатольевна Малафеева – доктор технических наук, профессор кафедры информационных технологий

г. Владимир

ScopusID 26422368500

Alevtina A. Malafeeva – Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Department of Information Technology

Vladimir

Scopus ID 26422368500

amalafeeva@rambler.ruhttps://orcid.org/0009-0007-7183-0780КоняшинВ. И.KonyashinV. I.

Владимир Игоревич Коняшин – кандидат технических наук, старший научный сотрудник инновационного отдела

г. Москва

ScopusID 56582464300

Vladimir I. Konyashin – Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher at the Innovation Department

Moscow

Scopus ID 56582464300

solytonik@yandex.ruhttps://orcid.org/0009-0000-7557-0145НовгородовА. А.NovgorodovA. A.

Андрей Александрович Новгородов – руководитель отдела проектирования мехатронных систем

г. Москва

ScopusID 57192383884

Andrey A. Novgorodov – Head of the Mechatronic Systems Design Department

Moscow

Scopus ID 57192383884

novgorodov@jpc.ruВладимирский государственный университет имени А.Г. и Н.Г. Столетовых; ООО «Компания «Объединенная Энергия»РоссияVladimir State University named after Alexander and Nikolay Stoletovs; United Energy Company LLCRussian FederationРоссийская академия народного хозяйства и государственной службы при Президенте Российской Федерации (Владимирский филиал)РоссияRussian Presidential Academy of National Economy and Public Administration (Vladimir Branch)Russian FederationООО «Компания «Объединенная Энергия»РоссияUnited Energy Company LLCRussian Federation2025180420251017583Copyright © Malafeev S.I., Malafeeva A.A., Konyashin V.I., Novgorodov A.A., 20252025Малафеев С.И., Малафеева А.А., Коняшин В.И., Новгородов А.А.Malafeev S.I., Malafeeva A.A., Konyashin V.I., Novgorodov A.A.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://mst.misis.ru/jour/article/view/717

The mechanical transmissions of the hoist and drag winches, as well as the crowd mechanisms of mining shovels, operate under highly variable and shock cyclic loads. These severe operating conditions impose stringent quality requirements on both the manufacturing and assembly of such transmissions. The lifecycle management process for these gearboxes includes running-in and acceptance testing at the manufacturing plant, followed by diagnostics and condition monitoring during field operation. Test benches designed for these purposes must closely replicate the operating conditions experienced by the transmission in actual service. The developed test bench is designed to perform running-in (initial wear-in of mating surfaces) and quality control testing of hoist and crowd winch gearboxes installed in electric mining shovels of the following models: EKG-8US, EKG-10, EKG-12K, EKG-15M, EKG-18, EKG-20KM, and EKG-32R. These operations are carried out as part of the standard acceptance testing procedure. The test bench is equipped with DC excavator motors rated at 350 kW (drive motors) and 560 kW (loading motor). The hoist winch gearbox from the EKG-15M shovel serves as the torque multiplier. Two intermediate shafts are connected via an intermediate coupling, with the loading motor driving one of these shafts. Motor control is implemented using standard DC transistor converters with PWM control, identical to those used in mining shovels equipped with DC main drives. The running-in and testing processes are carried out using the mutual loading method, which enhances energy efficiency by allowing regenerative energy to be reused within the system. The test bench software is based on the Pulsar-7 information and diagnostics system, which supports the following operational modes: 1. Interactive manual control, enabling the operator to verify the functionality and calibration of test bench components. 2. Automatic control of the running-in and testing processes, where pre-programmed sequences from a built-in library generate the required control commands for each specific test type. Available test modes include: unloaded running-in, running-in under constant load, running-in under variable load and rotational speed, excavation cycle simulation. 3. Automated test report generation, including the ability to view and print previously generated reports. 4. Software configuration and auxiliary functions, including an embedded help system. A mathematical model of the mechatronic system was developed and used to simulate the running-in process of the EKG-15M crowd gearbox in Simulink. The developed test bench system has been successfully implemented at Joint Power Co., Ltd. (Moscow) and IZ-KARTEX named after P.G. Korobkov.

Механические передачи подъемных и тяговых лебедок, а также механизмы напора карьерных экскаваторов находятся под действием наибольших знакопеременных ударных нагрузок. Поэтому к качеству изготовления механических передач предъявляются повышенные требования. Процесс управления жизненным циклом редукторов включает обкатку и испытания нового изделия на предприятии, диагностику и контроль в процессе эксплуатации. Стенды для этих целей должны обеспечивать максимальное соответствие режима испытаний условиям эксплуатации механической передачи. Разработанный стенд предназначен для обкатки (приработки сопряженных соединений) и контроля качества изготовления и сборки редукторов лебедок подъема и напора электрических карьерных экскаваторов ЭКГ-8ус, ЭКГ-10, ЭКГ-12К, ЭКГ-15М, ЭКГ-18, ЭКГ-20КМ, ЭКГ-32Р в условиях приемо-сдаточных испытаний. В стенде применены двигатели экскаваторные постоянного тока мощностью 350 кВт (приводные машины) и мощностью 560 кВт (нагружающая машина). В качестве мультипликатора использован редуктор лебедки подъема экскаватора ЭКГ-15М. Два промежуточных вала объединены промежуточной вставкой. Нагружающий двигатель соединен с одним валом. Для управления двигателями использованы типовые транзисторные преобразователи постоянного тока с широтно-импульсным регулированием, применяемые на экскаваторах с главными приводами постоянного тока. Обкатка и испытания редукторов проводятся методом взаимной нагрузки. Программное обеспечение испытательного стенда реализовано на основе информационно-диагностической системы Пульсар-7. При этом обеспечиваются следующие режимы работы: 1. Интерактивное управление компонентами стенда в ручном режиме. В этом режиме оператор может проверять функционирование компонентов стенда, выполнять их настройку. 2. Автоматическое управление процессом обкатки испытаний. Подпрограммы из имеющейся библиотеки обеспечивают формирование требуемых в соответствии с видом испытания последовательностей управляющих команд. Предусмотрены режимы обкатки без нагрузки, с постоянной нагрузкой, переменными нагрузкой и угловой скоростью, воспроизведения цикла экскавации. В процессе испытания производится автоматическое создание протокола по испытуемому изделию. 3. Формирование протоколов испытания. Оператор может просматривать и выводить на печать любые ранее сформированные протоколы. 4. Настройка программы и вспомогательные функции, в том числе справочная подсистема. На основе составленного математического описания мехатронных систем выполнено исследование процессов при обкатке редуктора напора ЭКГ-15Мс помощью Simulink.Разработанный стенд реализован в ООО Компания «Объединенная Энергия» и внедрен в ООО «ИЗ-КАРТЭКС имени П.Г. Коробкова».

горные машинымехатроникаэкскаваторредукторобкаткаиспытаниемоделированиерегулированиесистемастендmining machinerymechatronicsshovelgearboxrunning-intestingsimulationcontrolsystemtest benchReferencesQuan Z., Ge L., Wei Z., Li Y. W., Quan L. A survey of powertrain for energy-efficient heavy-duty machinery technologies. In: Proceedings of the IEEE. 2021;109(3):279–308. https://doi.org/10.1109/jproc.2021.3051555Quan Z., Ge L., Wei Z., Li Y. W., Quan L. A survey of powertrain for energy-efficient heavy-duty machinery technologies. In: Proceedings of the IEEE. 2021;109(3):279–308. https://doi.org/10.1109/jproc.2021.3051555Хорешок А. А., Кудреватых А. В., Ащеулов А. С. и др. Увеличение ходимости редукторов мотор-колес карьерных самосвалов методом внедрения контроля фактического технического состояния. Горные науки и технологии. 2021;6(4):267–276. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2021-4-267-276Khoreshok A. A., Kudrevatykh A. V., Ashcheulov A. S. et al. Increasing life of pit dump truck motor-wheel gearboxes by introducing the monitoring of the actual technical condition. Mining Science and Technology (Russia). 2021;6(4):267–276. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/2500-0632-2021-4-267-276Drygin M. Yu., Kuryshkin N.P. Increasing the quality of excavators’ planetary reduction gearboxes on the basis of dimensional analysis and geometrical characteristics of tooth wheels. In: Journal of Physics: Conference Series, Volume 944, XI International scientific and technical conference "Applied Mechanics and Dynamics Systems". 14–16 November 2017, Omsk, Russian Federation. https://doi.org/10.1088/1742-6596/944/1/012030Drygin M. Yu., Kuryshkin N.P. Increasing the quality of excavators’ planetary reduction gearboxes on the basis of dimensional analysis and geometrical characteristics of tooth wheels. In: Journal of Physics: Conference Series, Volume 944, XI International scientific and technical conference "Applied Mechanics and Dynamics Systems". 14–16 November 2017, Omsk, Russian Federation. https://doi.org/10.1088/1742-6596/944/1/012030Mao Y., Tong J., Chin Z. Y. et al. Transmission error and vibration-based condition monitoring of gear wear with contaminated lubricant.Wear. 2023;523:2047–2060. https://doi.org/10.1016/j.wear.2023.204760Mao Y., Tong J., Chin Z. Y. et al. Transmission error and vibration-based condition monitoring of gear wear with contaminated lubricant.Wear. 2023;523:2047–2060. https://doi.org/10.1016/j.wear.2023.204760Gericke B. L., Sushko A. E., Gericke P. B., Efremenkov A. B. Digital technologies used in technical diagnostics, assessment of technical condition, maintenance and repair of mining machines and equipment. In: Journal of Physics: Conference Series, Volume 2052, 3rd International Scientific and Practical Conference on Mathematical Modeling, Programming and Applied Mathematics (MMPAM 2021). 6–7 September 2021, Veliky Novgorod, Russia. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2052/1/012016Gericke B. L., Sushko A. E., Gericke P. B., Efremenkov A. B. Digital technologies used in technical diagnostics, assessment of technical condition, maintenance and repair of mining machines and equipment. In: Journal of Physics: Conference Series, Volume 2052, 3rd International Scientific and Practical Conference on Mathematical Modeling, Programming and Applied Mathematics (MMPAM 2021). 6–7 September 2021, Veliky Novgorod, Russia. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2052/1/012016Альгин В. Б., Ишин Н. Н. Надежность технически сложных изделий в свете «Индустрии 4.0». Актуальные вопросы машиноведения. 2017;(6):43–54.Algin V. B., Ishin N. N. Reliability of technically complicated items in terms of "Industry 4.0". Topical Issues of Mechanical Engineering. 2017;(6):43–54. (In Russ.)Blau P. J. On the nature of running-in. Tribology International. 2005;38(11–12):1007–1012. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2005.07.020Blau P. J. On the nature of running-in. Tribology International. 2005;38(11–12):1007–1012. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2005.07.020Jamaria J., Ammarullaha M. I., Afifa I. Y. et al. Running-in Analysis of Transmission Gear. Tribologyin Industry. 2021;43(3):434–441. https://doi.org/10.24874/ti.1092.04.21.08Jamaria J., Ammarullaha M. I., Afifa I. Y. et al. Running-in Analysis of Transmission Gear. Tribologyin Industry. 2021;43(3):434–441. https://doi.org/10.24874/ti.1092.04.21.08Войнов К. Н. Обобщения в трибологии. СПб.: Издательско-полиграфическая ассоциация высших учебных заведений; 2024. 250 с.Voynov K. N. Generalizations in tribology. St. Petersburg: Publishing and Polygraphic Association of Higher Educational Institutions; 2024. 250 p. (In Russ.)Kragelsky I. V., Kombalov V. S. Calculation of value of stable roughness after running-in (elastic contact). Wear. 1969;14(2):137–140.Kragelsky I. V., Kombalov V. S. Calculation of value of stable roughness after running-in (elastic contact). Wear. 1969;14(2):137–140.Sjöberg S., Sosa M., Andersson M., Olofsson U. Analysis of efficiency of spur ground gears and the influence of running-in, Tribology International. 2016;93A:172–181. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2015.08.045Sjöberg S., Sosa M., Andersson M., Olofsson U. Analysis of efficiency of spur ground gears and the influence of running-in, Tribology International. 2016;93A:172–181. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2015.08.045Wang Q., Ma B., Liang Y. et al. Effects of operating conditions on the tribological behavior of a wet multi-disc clutch during the running-in process. Tribology International. 2023;179:108096. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2022.108096Wang Q., Ma B., Liang Y. et al. Effects of operating conditions on the tribological behavior of a wet multi-disc clutch during the running-in process. Tribology International. 2023;179:108096. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2022.108096Khonsari M. M., Ghatrehsamani S.,Akbarzadeh S. On the running-in nature of metallic tribo-components: A review. Wear. 2021;474–475:203871. https://doi.org/10.1016/j.wear.2021.203871Khonsari M. M., Ghatrehsamani S.,Akbarzadeh S. On the running-in nature of metallic tribo-components: A review. Wear. 2021;474–475:203871. https://doi.org/10.1016/j.wear.2021.203871Иванов В. П. Обкатка редукторов горно-шахтных машин. Горная механика и машиностроение. 2016;(2):55–59.Ivanov V. P. Running-in of gears of mining machines. Mining Mechanical Engineering and Machine-Building. 2016;(2):55–59.Стрельцов В. В., Попов В. Н., Карпенков В. Ф. Ресурсосберегающая ускоренная обкатка отремонтированных двигателей. М.: Колос; 1995. 175 с.Streltsov V. V., Popov V. N., Karpenkov V. F. Resource-saving accelerated running-in of repaired engines. Moscow: Kolos; 1995. 175 p. (In Russ.)Жерве Г. К. Промышленные испытания электрических машин. Л.: Энергоатомиздат; 1984. 408 с.Gervais G. K. Industrial tests of electric machines. Leningrad: Energoatomizdat; 1984. 408 p.Малафеев С. И., Серебренников Н. А. Повышение энергетической эффективности карьерных экскаваторов на основе модернизации электрооборудования и систем управления. Уголь. 2018;(10):30–34. http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-10-30-34Malafeev S. I., Serebrennikov N. A. Increasing energy efficiency of mining excavators through upgrade of electrical equipment and control systems. Ugol’. 2018;(10):30–34. (In Russ.) http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-10-30-34Malafeev S. I., Novgorodov A. A., Konyashin V. I. Bench tests of the quarry excavators main electric drives. In: XI International Conference on Electrical Power Drive Systems (ICEPDS). Saint-Petersburg, Russia, October 04–07, 2020. https://doi.org/10.1109/icepds47235.2020.9249257Malafeev S. I., Novgorodov A. A., Konyashin V. I. Bench tests of the quarry excavators main electric drives. In: XI International Conference on Electrical Power Drive Systems (ICEPDS). Saint-Petersburg, Russia, October 04–07, 2020. https://doi.org/10.1109/icepds47235.2020.9249257

The authors declare that there are no conflicts of interest present.