gscienceMining Science and Technology (Russia)Горные науки и технологии2500-0632The National University of Science and Technology MISiIS (NUST MISIS)10.17073/2500-0632-2024-01-179gscience-946Research ArticleMINING MACHINERY, TRANSPORT, AND MECHANICAL ENGINEERINGГОРНЫЕ МАШИНЫ, ТРАНСПОРТ И МАШИНОСТРОЕНИЕImpact of the technical condition of main pumps on fuel consumption in a hydraulic excavatorВлияние технического состояния главных насосов гидравлического экскаватора на расход топливаhttps://orcid.org/0000-0001-5873-5550РахутинМ. Г.RakhutinM. G.

Максим Григорьевич Рахутин – доктор технических наук, профессор кафедры горного оборудования, транспорта и машиностроения

г. Москва

Scopus ID 57200152323

 

Maxim G. Rakhutin – Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Department of Mining Equipment, Transport and Mechanical Engineering

Moscow

Scopus ID 57200152323

rahutin.mg@misis.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0962-5835ЧанВ. Х.TranV. H.

Ван Хиеп Чан – кандидат технических наук, преподаватель факультета механики

г. Ханой

Van Hiep Tran – Cand. Sci. (Eng.), Lecturer of the Mechanical Engineering Faculty

Hanoi

 

hieptv@lqdtu.edu.vnhttps://orcid.org/0000-0001-7198-4447КривенкоА. Е.KrivenkoA. E.

Александр Евгеньевич Кривенко – кандидат технических наук, доцент кафедры горного оборудования, транспорта и машиностроения

г. Москва

Alexander E. Krivenko – Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Department of Mining Equipment, Transport and Mechanical Engineering

Moscow

Scopus ID 57210220257

Krivenko.ae@misis.ruhttps://orcid.org/0009-0006-8589-5609ЗангК. К.GiangQ. Kh.

Куок Кхань Занг – кандидат технических наук, декан факультета механической технологии

г. Хайзыонг

 

Quoc Khanh Giang – Cand. Sci. (Eng.), Dean of the Faculty of Mechanical Engineering

Hai Duong City

 

khanhgq@thanhdong.edu.vnУниверситет науки и технологий МИСИСРоссияUniversity of Science and Technology MISISRussian FederationГосударственный технический университет им. Ле Куй ДонаВьетнамLe Quy Don Technical UniversityViet NamУниверситет Тхань ДонгВьетнамThanh Dong UniversityViet Nam2025180420251016774Copyright © Rakhutin M.G., Tran V.H., Krivenko A.E., Giang Q.K., 20252025Рахутин М.Г., Чан В.Х., Кривенко А.Е., Занг К.К.Rakhutin M.G., Tran V.H., Krivenko A.E., Giang Q.K.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://mst.misis.ru/jour/article/view/946

During the operation of hydraulic excavators, the technical condition of pumps deteriorates due to wear, leading to increased internal clearances, fluid leakage, a reduction in volumetric efficiency, and higher energy losses, ultimately resulting in excessive fuel consumption. The objective of this study was to determine the optimal service life of pumps, taking into account the growing fuel overconsumption during operation. The following tasks were addressed: developing a mathematical model for pump ownership costs, incorporating progressive fuel overconsumption; designing an algorithm and conducting computer simulations using Simulink-Matlab; and assessing the increase in fuel consumption. The study examines the impact of the technical condition of the main hydraulic pumps on fuel overconsumption using the Komatsu PC2000-8 hydraulic excavator as a case study. Based on the proposed pump operation cost model, which accounts for the increase in fuel consumption over time, dependencies between fuel overconsumption and pump wear were established. Computer modeling was performed in Simulink-Matlab and Excel based on the developed calculation methodology and software algorithm. Relationships between the excavator's fuel overconsumption and the technical condition of the pumps were identified. A mathematical model for pump ownership costs is presented, taking into account the progressive fuel overconsumption during operation, along with the resulting equation for determining the optimal service life of pumps to minimize total costs, including pump acquisition and fuel expenses. This expression considers the technical condition of the main pumps, their rate of deterioration, fuel costs, and pump replacement costs. A fuel overconsumption indicator was introduced, defined as the ratio of the difference between actual fuel consumption per 1 m3 of excavated material and fuel consumption at nominal efficiency of the main pumps (nominal fuel consumption) to the nominal fuel consumption. The application of this criterion, in conjunction with the proposed equation for determining the optimal pump service life, allows for a data-driven selection of the critical wear threshold for the main pumps, reducing total ownership and fuel costs by up to 17%, depending on economic and mining-engineering conditions.

В процессе эксплуатации гидравлических экскаваторов вследствие износа изменяется техническое состояние насосов. Увеличиваются зазоры, переток жидкости, снижается объемный КПД, возрастают потери энергии, что приводит к перерасходу топлива. Целью работы являлось определение рационального срока эксплуатации насосов с учетом перерасхода топлива, который возрастает в процессе эксплуатации. Решены задачи: создание математической модели затрат на владение насосом с учетом перерасхода топлива, возрастающего в процессе эксплуатации, разработка алгоритма и компьютерного моделирования в программе Simulink-Matlab, оценка увеличения расхода топлива. В статье на примере гидравлического экскаватора Komatsu PC2000-8 показано влияние технического состояния главных насосов гидравлического экскаватора на перерасход топлива. На основе предлагаемой модели затрат на эксплуатацию насоса с учетом повышения расхода топлива в процессе эксплуатации получены зависимости перерасхода топлива от технического состояния насосов. По разработанным методике расчета и программному алгоритму выполнено компьютерное моделирование в программах Simulink-Matlab  и Excel. Получены зависимости перерасхода топлива гидравлического экскаватора от технического состояния насосов. Представлены математическая модель затрат на владение насосом с учетом перерасхода топлива, возрастающего в процессе эксплуатации, и полученное на ее основе выражение для определения рационального срока эксплуатации насосов для минимизации затрат на приобретение насосов и топлива, учитывающее техническое состояние главных насосов, скорость его изменения, стоимость топлива и замены насоса. Предложен показатель, характеризующий перерасход топлива, определяемый отношением разницы между фактическим расходом топлива на 1 м3 экскавируемой горной массы и расходом топлива при номинальных значениях КПД основных насосов (номинальным расходом) к номинальному расходу. Использование предлагаемого критерия совместно с выражением для определения рационального срока эксплуатации насосов позволит обоснованно выбирать значение предельного состояния основных насосов и уменьшить суммарные затраты на владение насосом и на расход топлива до 17 % в зависимости от экономических и горнотехнических факторов эксплуатации. с учетом экономических и горнотехнических факторов эксплуатации.

горные машиныкарьерный гидравлический экскаватортехническое состояние насосовгидравликанасоссостояниеэксплуатациямоделированиеутечкиКПДизносзатратыалгоритмрасходперерасходрациональный срокmining machineryhydraulic mining excavatorpump technical conditionhydraulicspumpconditionoperationmodelingleakageefficiencywearcostsalgorithmconsumptionoverconsumptionoptimal service lifeReferencesChen Y., Zhang J., Xu B. et al. Multi-objective optimization of micron-scale surface textures for the cylinder/valve plate interface in axial piston pumps. Tribology International. 2019;138:316–329. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2019.06.002Chen Y., Zhang J., Xu B. et al. Multi-objective optimization of micron-scale surface textures for the cylinder/valve plate interface in axial piston pumps. Tribology International. 2019;138:316–329. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2019.06.002Mnatsakanyan V. U., Surina N. V., Belyankina O. V., Sizova E. I. Assembly accuracy of power cylinders for powered roof supports in longwalls. Eurasian Mining. 2023;(1):50–54. https://doi.org/10.17580/em.2023.01.11Mnatsakanyan V. U., Surina N. V., Belyankina O. V., Sizova E. I. Assembly accuracy of power cylinders for powered roof supports in longwalls. Eurasian Mining. 2023;(1):50–54. https://doi.org/10.17580/em.2023.01.11Bergada J. M., Kumar S., Davies D. L, Watton J. A complete analysis of axial piston pump leakage and output flow ripples. Applied Mathematical Modelling. 2012;36(4):1731–1751. https://doi.org/10.1016/j.apm.2011.09.016Bergada J. M., Kumar S., Davies D. L, Watton J. A complete analysis of axial piston pump leakage and output flow ripples. Applied Mathematical Modelling. 2012;36(4):1731–1751. https://doi.org/10.1016/j.apm.2011.09.016Xia L., Quan L., Cao D. et al. Research on energy saving characteristics of large hydraulic excavator boom driven by dual hydraulic-gas energy storage cylinder. Journal of Mechanical Engineering. 2019;55(20):240–248. (In Chinese) https://doi.org/10.3901/JME.2019.20.240Xia L., Quan L., Cao D. et al. Research on energy saving characteristics of large hydraulic excavator boom driven by dual hydraulic-gas energy storage cylinder. Journal of Mechanical Engineering. 2019;55(20):240–248. (In Chinese) https://doi.org/10.3901/JME.2019.20.240Yu Y., Do T. C., Yin B. et al. Improvement of energy saving for hybrid hydraulic excavator with novel powertrain. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology. 2023;10:521–534. https://doi.org/10.1007/s40684-022-00437-9Yu Y., Do T. C., Yin B. et al. Improvement of energy saving for hybrid hydraulic excavator with novel powertrain. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology. 2023;10:521–534. https://doi.org/10.1007/s40684-022-00437-9Lukashuk O. A., Komissarov A. P., Letnev K. Y. Increasing power efficiency of open-pit excavators. In: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020;709(2):022083. https://doi.org/10.1088/1757-899X/709/2/022083Lukashuk O. A., Komissarov A. P., Letnev K. Y. Increasing power efficiency of open-pit excavators. In: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020;709(2):022083. https://doi.org/10.1088/1757-899X/709/2/022083Zhuraev A. Study of the effect of hydraulic systems operation on the general performance of a hydraulic excavator. The American Journal of Engineering and Technology. 2021;3(10):36–42 https://doi.org/10.37547/tajet/Volume03Issue10-07Zhuraev A. Study of the effect of hydraulic systems operation on the general performance of a hydraulic excavator. The American Journal of Engineering and Technology. 2021;3(10):36–42 https://doi.org/10.37547/tajet/Volume03Issue10-07Литвин О. И., Хорешок А. А., Дубинкин Д. М. и др. Анализ методик расчета производительности карьерных гидравлических экскаваторов. Горная промышленность. 2022;(5):112–120. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2022-5-112-120Litvin O. I., Khoreshok A. A., Dubinkin D. M. et al. Analysis of methods for calculating the productivity of open-pit hydraulic shovels and backhoes. Russian Mining Industry. 2022;(5):112–120. (In Russ.) https://doi.org/10.30686/1609-9192-2022-5-112-120Vukovic M., Leifeld R., Murrenhoff H. Reducing fuel consumption in hydraulic excavators – a comprehensive analysis. Energies. 2017;10(5):687. https://doi.org/10.3390/en10050687Vukovic M., Leifeld R., Murrenhoff H. Reducing fuel consumption in hydraulic excavators – a comprehensive analysis. Energies. 2017;10(5):687. https://doi.org/10.3390/en10050687Бурый Г. Г., Потеряев И. К. Определение оптимальной силы и скорости копания грунта одноковшового гидравлического экскаватора с ковшом сферической формы. Устойчивое развитие горных территорий. 2022;14(2):321–329. https://doi.org/10.21177/1998-4502-2022-14-2-321-329Buryi G. G., Poteryaev I. K. Determination of the optimal strength and speed of soil digging of a single-bucket hydraulic excavator with a spherical shape bucket. Sustainable Development of Mountain Territories. 2022;14(2):321–329. (In Russ.). https://doi.org/10.21177/1998-4502-2022-14-2-321-329Hidayat H., Aviva D., Muis A., Halik A. Failure analysis of excavator hydraulic pump. In: IOP Conference Series Materials Science and Engineering. 2022;1212(1):012052. https://doi.org/10.1088/1757-899X/1212/1/012052Hidayat H., Aviva D., Muis A., Halik A. Failure analysis of excavator hydraulic pump. In: IOP Conference Series Materials Science and Engineering. 2022;1212(1):012052. https://doi.org/10.1088/1757-899X/1212/1/012052Овчинников Н. П. Оценка влияния твердой фазы шахтных вод на эффективность секционных насосов при разработке месторождений кимберлитовых руд. Горные науки и технологии. 2022;7(2):150-160. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2022-2-150-160Ovchinnikov N. P. Assessment of mine water solid phase impact on section pumps performance in the development of kimberlite ores. Mining Science and Technology (Russia). 2022;7(2):150–160. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2022-2-150-160D'Andrea D., Epasto G., Bonanno A. et al. Failure analysis of anti-friction coating for cylinder blocks in axial piston pumps. Engineering Failure Analysis. 2019;104:126–138. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2019.05.041D'Andrea D., Epasto G., Bonanno A. et al. Failure analysis of anti-friction coating for cylinder blocks in axial piston pumps. Engineering Failure Analysis. 2019;104:126–138. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2019.05.041Xu B., Hu M., Zhang J., Su Q. Characteristics of volumetric losses and efficiency of axial piston pump with respect to displacement conditions. Journal of Zhejiang University – Science A. 2016;17:186–201. https://doi.org/10.1631/jzus.A1500197Xu B., Hu M., Zhang J., Su Q. Characteristics of volumetric losses and efficiency of axial piston pump with respect to displacement conditions. Journal of Zhejiang University – Science A. 2016;17:186–201. https://doi.org/10.1631/jzus.A1500197Li R., Liu J., Ding X., Liu Q. Study on the influence of flow distribution structure of piston pump on the output of pulsation pump. Processes. 2022;10(6):1077. https://doi.org/10.3390/pr10061077Li R., Liu J., Ding X., Liu Q. Study on the influence of flow distribution structure of piston pump on the output of pulsation pump. Processes. 2022;10(6):1077. https://doi.org/10.3390/pr10061077Hong H., Zhao Ch., Zhang B. et al. Flow ripple reduction of axial-piston pump by structure optimizing of outlet triangular damping groove. Processes. 2020;8(12):1664. https://doi.org/10.3390/pr8121664Hong H., Zhao Ch., Zhang B. et al. Flow ripple reduction of axial-piston pump by structure optimizing of outlet triangular damping groove. Processes. 2020;8(12):1664. https://doi.org/10.3390/pr8121664Хорин В. Н. Объемный гидропривод забойного оборудования. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Недра; 1980. 415 с.Khorin V. N. Volumetric hydraulic drive of downhole equipment. 3rd ed., revised and add. Moscow: Nedra Publ. House; 1980. 415 p. (In Russ.)Сурина Н. В., Мнацаканян В. У. Система автоматизированного проектирования технологических процессов при ремонте горной техники. Горный журнал. 2019;(7):90–95. https://doi.org/10.17580/gzh.2019.07.08Surina N. V., Mnatsakanyan V. U. Automated process design system for mining equipment repair. Gornyi Zhurnal. 2019;(7):90–95. (In Russ.) https://doi.org/10.17580/gzh.2019.07.08Рахутин М. Г. Методология обоснования предельных состояний элементов гидропривода горных машин. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2011;(S1):508–519.Rakhutin M. G. Methodology of substantiation of limit states of hydraulic drive elements of mining machines. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2011;(S1):508–519. (In Russ.)Рахутин М. Г., Занг К. К., Кривенко А. Е., Чан В. Х. Оценка влияния температуры рабочей жидкости на потери мощности карьерного гидравлического экскаватора. Записки Горного института. 2023;261:374–383.Rakhutin M. G., Giang Kh. Q., Krivenko A. E., Tran H. V. Evaluation of the influence of the hydraulic fluid temperature on power loss of the mining hydraulic excavator. Journal of Mining Institute. 2023;261:374–383. (In Russ.)

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