На правах рукописи
ШАРИПОВ РИШАТ ХАКИМЖАНОВИЧ
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ СКОРОСТИ ПОДЪЕМА КОВША
НА ДОЛГОВЕЧНОСТЬ РУКОЯТИ ЭКСКАВАТОРОВ
С ЗУБЧАТО – РЕЕЧНЫМ НАПОРОМ (НА ПРИМЕРЕ ЭКГ-5А)
Специальность 05.05.06 – «Горные машины»
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Екатеринбург – 2011
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» и в ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный
технический университет им. Г.И. Носова»
Научный руководитель – доктор технических наук, доцент
Кольга Анатолий Дмитриевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Боярских Геннадий Алексеевич
кандидат технических наук, доцент Трифанов Геннадий Дмитриевич
Ведущая организация – ОАО «Научно-технический центр угольной промышленности по открытым горным разработкам – Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт по добыче полезных ископаемых открытым способом» (ОАО «НТЦ-НИИОГР»).
Защита диссертации состоится « 2 » марта 2011 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д. 212.280.03 при ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» в зале заседаний Ученого совета по адресу:
620144, г. Екатеринбург, ГСП, ул. Куйбышева, 30.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Уральский
государственный горный университет».
Автореферат разослан « 25 » января 2011 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук, профессор Хазин М.Л.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Основным видом выемочно-погрузочного оборудования на карьерах являются экскаваторы – мехлопаты. Для погрузки горной массы на железорудных карьерах мира и Российской Федерации (РФ) в основном используются карьерные гусеничные экскаваторы с зубчато-реечным напором типа ЭКГ. Большая часть эксплуатируемых на открытых горных работах РФ экскаваторов была изготовлена в 70-х и 80-х годах. В настоящее время среднестатистическое значение износа по сроку службы экскаваторов типа ЭКГ-5А на Урале превышает 1,1÷2,5 раза.
Анализ надежности экскаваторов типа ЭКГ-5А показывает, что из общей структуры потока отказов 40 % приходится на металлоконструкции экскаваторов. Наиболее распространенные дефекты металлоконструкций проявляются в виде усталостных микротрещин металла и трещин сварных соединений. Места появления трещин являются зонами максимальных концентраций напряжений, которые при циклическом изменении нагрузки по величине и во времени вызывают усталостное разрушение металлоконструкций и приводят к аварийной остановке. Надежность экскаваторов типа ЭКГ-5А снижается с возрастанием числа хрупких разрушений металлоконструкций.
Исследования причин отказов металлоконструкций экскаваторов ЭКГ-5А, показывают, что наибольшее количество отказов связано с нагрузками, превышающими предельные значения и возникающими вследствие относительно низкой квалификации машинистов, плохой подготовленности горной массы к экскавации и др., которые не учитываются, как правило, при проектировании.
С этой точки зрения обеспечение необходимой надежности экскаваторов типа ЭКГ-5А методом оценки фактического технического состояния и прогнозирования остаточной долговечности металлоконструкций экскаваторов, своевременной остановки на ремонт с целью предотвращения их разрушения и продления безопасного периода эксплуатации является актуальной задачей.
Объект исследований: экскаваторы с зубчато-реечным напором типа ЭКГ-5А.
Предмет исследований: влияние режимов работы экскаваторов типа ЭКГ-5А на долговечность рукояти.
Цель работы: повышение эффективности работы экскаваторов типа
ЭКГ-5А за счет увеличения долговечности рукояти путем снижения количества ее отказов.
Идея работы: снижение количества отказов рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А достигается на основе ограничения предельных нагрузок, возникающих в рукояти при черпании горной массы.
Основные задачи исследований:
Выполнить анализ надежности экскаваторов типа ЭКГ-5А, эксплуатируемых на горных предприятиях Урала;
установить цикличность отказов рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А;
исследовать влияние условий и режимов эксплуатации экскаваторов типа ЭКГ-5А на показатели долговечности рукояти;
обосновать рациональные режимы работы подъемного механизма экскаваторов типа ЭКГ-5А, повышающие долговечность рукояти;
разработать методику оценки фактического технического состояния и прогнозирования технического ресурса рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А.
Научные положения, выносимые на защиту:
Применяемые методы расчета нагрузок, действующих на рукоять экскаваторов, не в полной мере учитывают реальные режимы эксплуатации. Фактические динамические нагрузки значительно превышают их расчетные значения, что приводит к повышенному количеству отказов.
Выбор рациональных размеров поперечного сечения металлоконструкции рукояти и способа ремонта рукояти целесообразно проводить на основе анализа результатов моделирования ее напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов с учетом фактических нагрузок, возникающих при экскавации горной массы, и концентраторов напряжений.
Ресурс рукояти определяется приведенным числом циклов нагружения с учетом усталости материала и действительных нагрузок, зависящих от скорости подъема ковша при черпании горной массы.
Научная новизна результатов исследований:
Уточнена зависимость усилий в подъемных канатах экскаваторов типа ЭКГ-5А от скорости подъема ковша при черпании горной массы различной степени подготовки.
Установлены распределения усилий в подъемных канатах экскаваторов типа ЭКГ-5А в период черпания горной массы в зависимости от режима работы подъемного механизма.
Обоснован рациональный режим работы подъемного механизма экскаваторов типа ЭКГ-5А (скорость подъема ковша при черпании горной массы), при которых динамические нагрузки, возникающие в рукояти, не превышают допустимых значений.
Методы научных исследований включают анализ показателей эксплуатационной надежности ресурсных узлов экскаваторов типа ЭКГ-5А; хронометражные наблюдения процесса экскавации горной массы; экспериментальные исследования влияния режимов эксплуатации на разрушение металлоконструкций экскаваторов типа ЭКГ-5А; тензометрические натурные исследования и моделирование напряженно-деформированного состояния (НДС) рукояти; обработка результатов исследований с использованием методов математической статистики.
Достоверность научных положений, выводов и результатов исследования подтверждается корректным использованием теоретических и экспериментальных исследований, достаточным объемом проведенных экспериментов и удовлетворительной сходимостью аналитических исследований с результатами выполненных экспериментов и данными практики, относительное расхождение которых не превышает 10 %.
Практическая значимость работы состоит: в разработке методики определения ресурса рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А; выдаче рекомендаций по ремонту и восстановлению балки рукояти.
Личный вклад автора состоит: в организации, проведении и анализе результатов всего комплекса экспериментальных исследований; сборе и обработке статистической информации, характеризующей показатели надежности экскаваторов типа ЭКГ-5А; разработке рекомендаций по повышению долговечности рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А; в оценке влияния скорости подъема ковша при черпании горной массы на усталостное разрушение рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А.
Реализация выводов и рекомендаций работы: рекомендации диссертации использованы для оценки долговечности рукояти и обосновании рациональной скорости подъема ковша экскаваторов типа ЭКГ-5А при черпании горной массы в условиях карьеров ОАО «Гайский ГОК» (г. Гай, Оренбургская область).
Апробация работы: результаты и основные положения диссертационной работы докладывались: на Международной научно-технической конференции «Добыча, обработка и применение природного камня» (Магнитогорск, 2008–2010 гг.); Международной научно-технической конференции «Чтения памяти В. Р. Кубачека» (Екатеринбург, 2009–2010 гг.); на Международном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2009-2010 гг.); ежегодных научно-технических конференциях МГТУ (Магнитогорск, 2008–2010 гг.); на заседаниях научного семинара кафедры «Механизация и электрификация горных производств» и факультета «Горных технологий и транспорта» МГТУ (Магнитогорск, 2007–2010 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе 1 статья в издании, рекомендованном ВАК Министерства образования и науки РФ.
Объем и структура работы: Работа содержит 85 страниц машинописного текста, 59 рисунков и 22 таблицы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 121 наименования и приложений.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение посвящено обоснованию актуальности выбранной темы, сформулированы цель, идея, задачи исследования и научные положения.
В первой главе рассмотрено и проанализировано современное состояние открытых горных работ РФ; приведены анализ показателей работы и результаты наблюдений за эффективностью работы экскаваторов, эксплуатируемых на рудных карьерах Урала.
Открытый способ добычи полезных ископаемых является наиболее эффективным, обеспечивающим наилучшие экономические показатели. В России открытым способом добывается 91 % железных руд, более 70 % руд цветных металлов и 60 % угля. Для экскавации горной массы на карьерах РФ в основном используются карьерные гусеничные экскаваторы с зубчато-реечным напором типа ЭКГ, большая часть которых была изготовлена в 70-х и 80-х годах, и их среднестатистический износ по сроку службы превышает 1,1÷2,5 раза.
Обеспечение растущих потребностей сырьем для производства черных, цветных металлов и т. д. связано с перевооружением горнодобывающей отрасли на базе внедрения нового более мощного оборудования. В сложившейся экономической ситуации горные предприятия не имеют возможности приобретения более новых и мощных горных машин.
Выходом из данной ситуации является разработка долгосрочных программ по повышению надежности оборудования на стадии эксплуатации, путем обоснования рациональных режимов эксплуатации и определения остаточного ресурса, как нового, так и со сверхнормативным сроком службы, с целью предотвращения внезапных отказов, вызывающих длительные простои и значительные экономические затраты.
В решение проблемы повышения долговечности и ремонта горных машин большой вклад внесли работы ученых Н.Г. Домбровского, Р.Ю. Подерни, В.И. Солода, Г.И. Солода, В.Н. Гетопанова, А.Е. Тропа, А.Е. Голубева, Г.С. Рахутина, В.И. Русихина, Д.Е. Махно, А.И. Шадрина, В.М. Кравченко, В.Р. Кубачека, Л.Г. Куклина, М.С. Балаховского, Г.А. Боярского, И.А. Паначева, М.Ю. Насонова и др.
Одним из основных показателей работы экскаватора является время производительной работы, которое зависит от продолжительности простоев. В календарном фонде рабочего времени экскаваторов типа ЭКГ-5А, эксплуатируемых на карьерах Урала, простои составляют до 50 % и более. В общей структуре простоев экскаваторов доля простоев, связанных с отказами металлоконструкций экскаваторов, занимает до 40 %. В основу анализа были положены данные экспертизы ЗАО МНТЦ «Диагностика» и данные бортовых журналов экскаваторов типа ЭКГ-5А за период 2000-2009 гг., эксплуатируемых в условиях карьеров ГОП ОАО «ММК», а также исследования других авторов, свидетельствующие об увеличении числа случаев разрушения металлоконструкций экскаваторов, обуславливающих длительные простои и необходимость проведения долгосрочного ремонта. Наибольшее количество отказов металлоконструкций экскаваторов типа ЭКГ-5А приходится на отказ рукояти (30 %).
Для определения показателей надежности рукояти проведены производственные наблюдения за работой экскаваторов типа ЭКГ-5А в условиях карьеров ГОП ОАО «ММК».
Таблица 1
Результаты статистической обработки массива данных по наработке
на отказ рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А за 2000-2009 гг.
Наименование параметра
|
Обозначение
|
Значение
|
Выборочное среднее
|
mx
|
3,22 тыс. маш. ч.
|
Среднее квадратичное отклонение
|
σx
|
1,92 тыс. маш. ч.
|
Коэффициент вариации
|
Vx
|
0,6
|
Сопоставляя гистограмму, построенную по фактическим данным (рис. 1), с теоретическим графиком распределения безотказной работы рукояти, можно утверждать, что случайные значения наработки на отказ подчиняются экспоненциальному закону распределения с функцией f(t)=0,310∙e-0,310∙t, что свидетельствует о достаточно высокой вероятности ее отказов в первоначальный период эксплуатации.
f(t)=0,310∙e-0,310∙t
Рис.1. Гистограмма и теоретическая кривая распределения плотности вероятности
наработки на отказ рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А
В качестве критерия для проверки согласованности эмпирического и выбранного теоретического распределений использовали критерий К. Пирсона.
Данное исследование позволило получить фактические значения количественных показателей надежности рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А и подойти к определению причин выхода ее из строя.
Во второй главе исследованы причины выхода из строя рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А; произведен расчет динамических усилий в подъемных канатах экскаваторов типа ЭКГ-5А; с помощью тензометрических исследований определены фактические усилия в подъемных канатах экскаваторов типа ЭКГ-5А, возникающие при экскавации горной массы; установлено влияние изменения скорости подъема ковша при черпании горной массы на усилия, возникающие в подъемных канатах экскаваторов ЭКГ-5А.
Хрупкие разрушения и трещины, ведущие к усталостным разрушениям рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А, проявляются в зонах максимальных концентраций напряжений (на балке рукояти: в начале концевой отливки – 1 и в месте крепления ковша – 2).
а
|
|
б
|
|
Рис. 2. Хрупкое разрушение рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А (а) и расположения хрупких разрушений на балке рукояти (б)
Основными причинами отказов рукояти экскаваторов с зубчато-реечным напором типа ЭКГ являются: динамические нагрузки, превышающие допустимый уровень; форма конструкции, приводящая к высокой концентрации напряжений; последствия ремонтных воздействий; относительно низкая квалификация машинистов.
Установлено, что наибольшее количество отказов связано с возникновением предельных нагрузок вследствие низкой квалификации машинистов. Распределение количества отказов рукояти по стажу работы машинистов экскаваторов типа ЭКГ-5А представлено на рис. 3.
Рис. 3. Распределение количества отказов рукояти по стажу работы
машинистов экскаваторов типа ЭКГ-5А
Результаты анализа рис. 3 показывают, что наибольшее количество отказов рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А приходится при управлении им машинистами со стажем работы от 1 – 5 лет.
Для подтверждения влияния квалификации машинистов на надежность рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А были произведены экспериментальные измерения нагрузок и напряжений при помощи тензометрической аппаратуры, которой были зарегистрированы усилия в подъемных канатах экскаваторов типа ЭКГ-5А в процессе многочисленных циклов экскавации горной массы машинистами экскаватора с рассматриваемым стажем работы (рис. 4).
а
|
|
б
|
|
Рис. 4. Распределение усилий в подъемном канате экскаваторов типа ЭКГ-5А:
а – в процессе экскавации (черпание, поворот, разгрузка) при управлении
машинистами со стажем работы 5-10 лет; б – при черпании скальных пород
Экспериментальная оценка нагруженности подъемных канатов экскаваторов типа ЭКГ-5А подтвердила, что максимальные нагрузки возникают в период черпания горной массы. При этом установлено, что изменение скорости подъема ковша при копании горной массы приводит к возникновению дополнительных нагрузок в подъемных канатах, вызывающих отказы оборудования. Действительно, при работе на одном и том же экскаваторе в одних и тех же эксплуатационных условиях (горно-геологические), нагрузки, возникающие в подъемных канатах, резко отличаются друг от друга при управлении экскаватором машинистами с разным стажем работы (табл. 2).
Таблица 2
Результаты тензометрических исследований
Стаж работы машинистов, лет
|
Количество отказов (2000-2009 гг.)
|
Средняя наработка на отказ балки рукояти, тыс. м3
|
Среднее время черпания горной массы, с
|
Максимальная скорость подъема ковша, м/с
|
Усилие в подъемном канате, кН
|
Напряжение,
МПа
|
фактическое
|
расчет
ное
|
1-5
|
30
|
223
|
12
|
0,87
|
701
|
416
|
310
|
5-10
|
18
|
762
|
13,9
|
0,75
|
545
|
346
|
241
|
10-15
|
6
|
1325
|
17,5
|
0,6
|
397
|
273
|
176
|
Результаты экспериментальных исследований показывают, что нагрузки, действующие на рукоять, возрастают с увеличением скорости подъема ковша при черпании горной массы, на 60 % превышая теоретические расчеты (рис. 5).
Рис. 5. Зависимость усилий в подъемном канате экскаваторов типа ЭКГ-5А
от скорости подъема ковша
Методы определения расчетных нагрузок на рабочем органе экскаватора в зависимости от характеристик разрабатываемого забоя изложены в работах Домбровского Н.Г., Волкова Д.П., Зеленина А.Я., Кубачека В.Р. и др. В данных методиках расчета усилий, действующих на рабочее оборудование экскаватора при экскавации горной массы, основной составляющей являются характеристики породы и коэффициент динамичности, которые не в полной мере учитывают изменение скорости подъема ковша.
Полученные в результате тензометрического измерения усилия, возникающие в подъемном канате экскаваторов при черпании горной массы, аналитически выражены следующей зависимостью с корреляционным отношением R2=0,96:
 , (1)
где  - усилие от массы ковша и рукояти; KF – коэффициент сопротивления породы копанию; Е – емкость ковша; НВ – высота до оси напорного вала экскаватора; Кр – коэффициент разрыхления горных пород; КV – коэффициент увеличения напряжения при изменении скорости подъема ковша, значение коэффициента равняется абсолютному значению скорости подъема ковша.
В результате обработки тензометрических измерений методами математической статистики были выявлены законы распределения усилий в подъемных канатах экскаваторов типа ЭКГ-5А при черпании горной массы в зависимости от стажа работы машинистов (рис. 6).
1-5 лет
|
5-10 лет
|
10-15 лет
|
а
б
|
а
б
|
а
б
|
Рис. 6. Распределение усилий в подъемном канате экскаваторов типа ЭКГ-5А при черпании скальных пород (а) и усилия от скорости подъема ковша (б)
При определении фактической долговечности металлоконструкций экскаваторов типа ЭКГ-5А необходимо иметь сведения об их НДС.
Для оценки напряженного состояния рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А были проведены эксперименты по тензометрическому измерению напряжений в металлоконструкции рукояти. Результаты исследований показали, что с увеличением скорости подъема ковша при черпании горной массы возрастают напряжения в рукояти экскаватора, превышая допустимые значения.
Значения напряжений, возникающих в рукояти в процессе черпания горной массы, при управлении экскаваторами типа ЭКГ-5А машинистами с рассматриваемым стажем работы превышают допустимые – [σ]=153 МПа, а при черпании горной массы со скоростью подъема ковша в интервале 0,78-0,87 м/с (при управлении экскаватором машинистами со стажем работы 1-5 лет) напряжения, возникающие в рукояти, превышают предел текучести: σт=260 МПа (рис. 7), что при знакопеременной нагрузке приводит к проявлению усталостных трещин.
Рис. 7. Напряжения в рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А при черпании скальных пород
По условию прочности напряжения, возникающие в рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А при изменении скорости подъема ковша в процессе черпания горной массы, не должны превышать допустимые. Поэтому для надежной работы экскаваторов типа ЭКГ-5А скорость подъема ковша при черпании горной массы в зависимости от условий эксплуатации не должна приводить к возникновению нагрузок, превышающих допустимые значения, и для условий ГОП ОАО «ММК» максимальная скорость подъема ковша в период черпания горной массы не должна превышать 0,55 м/с.
Проведенные исследования показывают, что причиной отказов рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А являются предельные нагрузки, возникающие в период черпания горной массы и превышающие допустимые значения, на которые влияют не только характеристики породы, но и скорость подъема ковша. Поэтому для снижения количества отказов рукояти, связанных с возникновением предельных нагрузок при черпании горной массы, необходимо при эксплуатации экскаваторов ограничивать интервал скорости подъема ковша.
В третьей главе исследовано НДС рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А; на основе использования метода конечных элементов показано распределение напряжений по сечениям конструкции рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А при разных скоростях подъема ковша; приведены результаты исследований по распределению критических напряжений в конструкции рукояти; рассмотрены варианты предотвращения развития хрупкой трещины и ремонта рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А; показаны мероприятия по снижению динамических нагрузок, возникающих в рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А.
Векторы нагрузок, действующих на металлоконструкции карьерных экскаваторов, изменяются и зависят от качества подготовки забоя, скорости подъема ковша и т. д. В процессе экскавации горной массы возникают напряжения, превышающие допустимые, что обусловливает возникновение усталостных трещин и разрушение металлоконструкции.
При достижении коэффициентом концентрации напряжений критических значений происходит разрушение конструкции в наиболее слабой зоне. Зная характер распределения напряжений по форме конструкции узлов машин, можно прогнозировать вероятность возникновения хрупких разрушений.
Одним из эффективных подходов к решению задачи оценки распределения напряжений является использование метода конечных элементов (МКЭ). Применение моделей МКЭ позволяет с высокой степенью точности анализировать НДС рукояти карьерных экскаваторов, находящихся под переменным воздействием нагрузки.
Для подготовки модели рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А использовались: геометрическая и дискретная модели объекта, данные по внешнему воздействию. Расчет, визуализация и обработка результатов анализа выполнялись в программном комплексе АРМ WinMachine на персональном компьютере. Расчет конструкций рукояти на прочность проводился только с учетом действия нагрузок в вертикальной плоскости, полученных в результате тензометрических измерений при разных скоростях подъема ковша. Выбор схемы нагружения конструкции обоснован наличием экспериментальных данных, позволяющих сравнить результаты моделирования и экспериментальных исследований.
Результат проведенного моделирования НДС рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А представлен на рис. 8.
Рис. 8. Распределение напряжений в рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А
Максимальные напряжения отмечаются в местах резкого изменения сечений конструкции рукояти (на балке рукояти в начале концевой отливки 1
(см. рис. 2)) при существенно меньших значениях рабочих напряжений по остальным сечениям конструкции, не превышающих допустимых значений. Значения напряжений в критических зонах достигают 230-300 МПа. Такое распределение напряжений при динамическом характере приложения нагрузок и приводит к возникновению и развитию хрупких трещин. Характер распределения напряжений в балке рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А совпадает с практическими данными расположения трещин (см. рис. 2). Все трещины зарождаются в зонах максимальных концентраций напряжений. Погрешность результатов моделирования НДС рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А и тензометрических измерений не превышает 5 % (табл. 3).
Таблица 3
Результаты моделирования НДС рукояти и тензометрических измерений
Скорость подъема ковша, м/с
|
Напряжение в рукояти, МПа
|
тензометрическое измерение
|
моделирование НДС
|
0,87
|
310
|
300
|
0,75
|
241
|
235
|
0,6
|
176
|
165
|
0,55
|
152
|
147
|
0,5
|
142
|
135
|
Анализ моделирования НДС показал, что на напряжения, возникающие в рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А при черпании горной массы, оказывает влияние изменение скорости подъема ковша. Максимальные значения напряжений, превышающие предел текучести материла, отмечаются при черпании горной массы со скоростью подъема ковша 0,77-0,87 м/с, что при знакопеременной нагрузке приводит к возникновению усталостных трещин и хрупкому разрушению рукояти. А при черпании горной массы со скоростью больше 0,55 м/с напряжения, возникающие в рукояти, превышают допустимый предел.
Проведенное моделирование НДС рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А с помощью МКЭ позволяет сделать вывод о непосредственной сходимости численных расчетов НДС рукояти с данными эксплуатации экскаваторов на карьерах ГОП ОАО «ММК».
Эксплуатация экскаваторов обуславливает выполнение профилактических и ремонтно-восстановительных работ, в большинстве случаев после восстановления рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А наблюдается разрушение металлоконструкции в виде излома, возникающего в зоне трещины. Это объясняется тем, что любое ремонтное воздействие является концентратором напряжения и при циклической нагрузке в большинстве случаев приводит к разрушению. Для решения данной задачи необходимо обоснованно выбирать такие методы ремонтно-восстановительных работ, которые будут наиболее эффективны, или разрабатывать рекомендации по снижению нагрузок. В связи с этим в исследованиях производилось моделирование НДС рукояти при ее ремонте различными методами с учетом действительных нагрузок, возникающих при изменении скорости подъема ковша в процессе черпания горной массы.
При помощи МКЭ рассматривались применяемые в настоящее время методы ремонта дефектов рукояти: заварка трещины и накладка на трещину пластины сварным швом. Рассматривался предложенный вариант ремонта рукояти наложением на трещину пластины размерами 500×500×10 мм, закрепленной болтами диаметром М42 (рис. 9).
Рис.9. Схема ремонта (I) и карта НДС (II) рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А при черпании
со скоростью подъема ковша 0,87 м/с: а – сварным швом; б – накладкой сварной пластины;
в – накладкой пластины болтовым соединением
Из рис. 9 видно, при ремонте рукояти существующими методами суммарные напряжения, возникающие в зонах концентрации напряжений рукояти, превышают предел текучести (σт=260 МПа), что приводит к разрушению. Это объясняется тем, что сварка является концентратором напряжения (остаточные напряжения в сварочном шве достигают предела текучести), и в результате этого происходит нарушение кристаллической решетки металла. Анализ НДС рукояти показал, что при ремонте рукояти наложением на трещину пластины болтовым соединением максимальные напряжения снижаются с 280 до 90 МПа. Результаты моделирования НДС по ремонту рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А представлены в табл. 4.
Таблица 4
Результаты моделирования НДС рукояти при ремонте
-
Скорость подъема ковша, м/с
|
Напряжение при методе ремонта трещин рукояти, МПа
|
сварной шов
|
накладка сварной пластины
|
накладка пластины болтовым соединением
|
0,87
|
570
|
550
|
214
|
0,75
|
500
|
480
|
150
|
0,55
|
440
|
410
|
90
|
Выполненное моделирование НДС рукояти показало, что наиболее эффективно ремонтировать рукоять наложением на трещину пластины болтовым соединением.
Таким образом, метод конечных элементов позволяет определять опасные сечения металлоконструкций экскаваторов, в которых наиболее вероятны концентрации критических напряжений и рост уровня динамических нагрузок, являющихся причиной возникновения и развития хрупких трещин. В целом результаты моделирования НДС позволяют разрабатывать рекомендации, направленные на повышение уровня надежности рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А, с помощью уменьшения предельных нагрузок, путем ограничения скорости подъема ковша или увеличения сечения балки рукояти. На основе выполненных исследований сформулированы требования к эксплуатации и ремонту рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А. Так, в рассматриваемом случае скорость подъема ковша при черпании горной массы не должна превышать 0,55 м/с, а для ремонта рукояти следует использовать наложение на трещину пластины болтовым соединением.
Снижение динамических нагрузок в рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А, вызванных изменением скорости подъема ковша при черпании горной массы, может осуществляться посредством регулируемого электропривода, который позволяет поддерживать скорость подъема в пределах допускаемого диапазона.
В четвертой главе приводится методика определения ресурса рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А.
При фактическом уровне нагрузок, действующих на рукоять экскаваторов типа ЭКГ-5А в процессе экскавации горной массы, можно определить по известной диаграмме усталости количество циклов, при которых произойдет разрушение материала (стали) рукояти (рис. 11).
Рис. 11. Диаграмма усталости стали рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А
Из диаграммы усталости стали видно, что при действительных напряжениях, возникающих в рукояти экскаватора при изменении скорости подъема ковша в период черпания скальных пород, количество циклов на порядок выше фактических циклов экскавации горной массы. Это объясняется тем, что напряжения, возникающие в рукояти, изменяются во времени по амплитуде симметричного цикла.
В ходе тензометрических измерений напряжений, возникающих в рукояти экскаваторов, установлено изменение пульсаций напряжений при изменении скорости подъема ковша в период черпания скальных пород (рис. 12).
Рис. 12. Зависимость числа пульсаций напряжений в рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А
при черпании скальных пород от скорости подъема ковша
Построенная зависимость выражается в следующем виде:
 , (2)
где  =10 – количество пульсаций напряжений, возникающих от массы ковша и рукояти;
 - плотность горной породы, т/м3;
КV – коэффициент увеличения напряжения при изменении скорости подъема ковша, значение коэффициента равняется абсолютному значению скорости подъема ковша при черпании горной массы.
Число циклов экскавации горной массы до разрушения рукояти при фактических напряжениях, возникающих в рукояти при черпании горной массы, с учетом пульсаций напряжений можно записать в следующем виде:
 , (3)
где  - число циклов, при которых произойдет разрушение от фактических напряжений (по диаграмме усталости);
 - количество пульсаций напряжений при изменении скорости подъема ковша.
В результате исследований установлено, что машинисты экскаваторов типа ЭКГ-5А с рассматриваемым стажем работы при черпании горной массы работают в разных скоростных диапазонах подъема ковша (табл. 5).
Таблица 5
Скорости подъема ковша при черпании скальных пород
-
Стаж работы машинистов, лет
|
Скорости подъема ковша, м/с
|
0,87
|
0,75
|
0,6
|
1-5
|
100 %
|
0
|
0
|
5-10
|
0
|
90 %
|
10 %
|
10-15
|
0
|
20 %
|
80 %
|
Долговечность рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А рассчитывается по приведенному числу циклов нагружения:
 , (4)
где a, b, c – средневзвешенная доля работы при нагрузках, вызывающих соответственно напряжения  ;
NЭ1, NЭ2, NЭ3 – число циклов экскавации горной массы, при которых произойдет разрушение материала рукояти от напряжений, возникающих при изменении скорости подъема ковша.
Погрешность результатов расчета приведенного числа циклов нагружения, при котором произойдет разрушение рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А, при сравнении с практическими данными эксплуатации ЭКГ- 5А не превышает 5 % (табл. 6).
Таблица 6
Результаты расчета приведенного числа циклов нагружения рукояти ЭКГ-5А
Показатель
|
Стаж работы машинистов, лет
|
1-5
|
5-10
|
10-15
|
Приведенное число циклов нагружения
|
49000
|
169000
|
294000
|
Объем горной массы, тыс. м3
|
220
|
745
|
1310
|
Фактическое число циклов экскавации
|
48500
|
165000
|
290000
|
Фактический объем горной массы, тыс. м3
|
223
|
762
|
1325
|
На основании проведенных исследований была разработана методика "Определение ресурса рукояти экскаваторов с зубчато-реечным напором".
На рис. 13 приведена блок-схема определения ресурса рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А по приведенному числу циклов нагружения.
Рис. 13. Блок-схема определения ресурса рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А
Разработанная методика позволяет оценивать техническое состояние рукояти экскаваторов, ее долговечность и прогнозировать безопасную работу с учетом действительных нагрузок.
Расчеты по предлагаемой методике показывают, что при черпании горной массы со скоростью подъема ковша не более 0,55 м/с долговечность рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А в условиях ГОП ОАО «ММК» максимальна, наработка на отказ рукояти составляет 2 млн м3, что в 4,2 раза больше фактической наработки. Это объясняется тем, что в среднем максимальная скорость подъема ковша при черпании горной массы в условиях ГОП ОАО «ММК» составляет 0,82 м/с. Результаты расчета приведены в табл. 7.
Таблица 7
Результаты расчета долговечности рукояти экскаваторов типа ЭКГ-5А
-
Скорость подъема ковша, м/с
|
Наработка на отказ
|
цикл
|
млн м3
|
0,55
|
449000
|
2
|
0,75
|
156000
|
0,71
|
0,87
|
47000
|
0,21
|
0,82
|
107000
|
0,49
|
Для снижения простоев экскаваторов типа ЭКГ-5А, связанных с отказами его рукояти, скорость подъема ковша в процессе черпания горной массы не должна превышать 0,55 м/с, при которой долговечность рукояти в 4,2 раза больше фактических показателей.
Прогнозируемый экономический эффект от реализации разработанных решений на один экскаватор типа ЭКГ-5А, рассчитанный на основе уменьшения отказов рукояти путем обоснования рациональной скорости подъема ковша в период черпания горной массы и разработки рекомендаций по ремонту рукояти, составляет 400 тыс. руб. в год.
|
