Содержание к диссертации
Введение
1. Инженерные методы проектирования конструкций экскаваторов 9
1.1.Нагрузки и определение усилий в несущих элементах конструкций
1.2. Расчетные случаи проектирования экскаваторов
1.3.Расчетные схемы конструкций экскаваторов
2. Аварии и разрушения конструкций экскаваторов
2.1.Надежность и аварийность экскаваторов на открытых горных работах
2.2. Причинно-следственный комплекс аварий и отказов несущих конструкций
2.3.Сценарии аварий экскаваторов
3. Моделирование аварийных ситуаций при проектировании экскаваторов
3.1..Методы моделирования аварийных ситуаций
3.2. Вычислительное моделирование причинно-следственных отношений формирования критических предельных состояний 66
3.3.Структурное моделирование надежности и разрушения
4. Новые задачи анализа напряженно-деформированного состояния при проектировании экскаваторов
4.1.Анализ номинального напряженного состояния и адекватности расчетных схем конструкций экскаваторов 4,2.Напряженное состояние с учетом технологической дефектности
4.2.1 Концентрация напряжений в области технологических дефектов
4.2.2 Статистическое моделирование параметров напряженно-деформированного состояния в связи с наличием дефектов
4.2.3 Обоснование сценариев аварийных ситуаций
4.2. Моделирование нелинейного поведения несущих конструкции экскаваторов
Заключение
Литература
- Расчетные случаи проектирования экскаваторов
- Причинно-следственный комплекс аварий и отказов несущих конструкций
- Вычислительное моделирование причинно-следственных отношений формирования критических предельных состояний
- Концентрация напряжений в области технологических дефектов
Введение к работе
Современные экскаваторы, применяемые на открытых горных работах, представляют собой высокопроизводительные крупногабаритные электромеханические системы, однако анализ эксплуатационной надежности показывает высокую долю отказов механического оборудования (50-70 %) в структуре потока отказов машин. Разрушения крупногабаритных металлоконструкций, происходящие чаще всего в результате распространения усталостных и хрупких трещин, приводят к значительным материальным потерям как из-за снижения добычи полезного ископаемого, так и из-за большой стоимости ремонта крупногабаритных узлов и конструкций, Одним из путей предотвращения катастрофических разрушений элементов металлоконструкций является выявление недостатков и совершенствование системы проектных расчетов. Это обусловлено следующими соображениями.
На протяжении нескольких десятилетий развития экскаваторострое-ния имеющиеся недостатки проектных расчетов выражались только в недостаточно высоких показателях надежности, так как в значительной степени компенсировались высокими запасами прочности и своевременной заменой оборудования по мере окончания амортизационного периода. Современный этап проектирования и эксплуатации несущих конструкций характеризуется тенденцией к снижению применяемых при проектировании коэффициентов запаса прочности и осложняется сложным экономическим положением предприятий, не позволяющих своевременно обновлять парк оборудования. Это выражается в росте аварийности конструкций и тяжести единичной аварии. Совершенствование системы проектных расчетов дает возможность снизить аварийность и экономический ущерб без существенных материальных затрат.
В связи с этим в настоящей работе проанализировано современное состояние методов проектных расчетов экскаваторов и установлены их ос-
новные недостатки, а именно: недостаточная точность расчетных схем; ограниченное число расчетных случаев, не учитывающих многообразия эксплуатационных условии; отсутствие учета технологической дефектности, допускаемой действующими нормами неразрушающего контроля; отсутствие расчетных методов прогнозирования поведения конструкций в нештатных ситуациях.
Цель диссертационной работы заключается в разработке и практической реализации комплекса методов и алгоритмов проектных расчетов несущих конструкций экскаваторов, позволяющих повысить их надежность и несущую способность с учетом технологической дефектности МК и возможных отклонений от паспортных условий эксплуатации.
Для достижения этой цели сформулированы следующие задачи:
анализ теоретических подходов и инженерных методов проектирования и расчетов конструкций экскаваторов;
анализ надежности и аварийности экскаваторов на открытых горных работах, установление закономерностей формирования аварийных ситуаций с учетом комплексного действия технических, технологических, организационных, климатических и личностных факторов;
разработка и реализация компьютерных методов анализа и моделирования аварийных ситуаций;
исследование напряженного состояния основных несущих конструкций экскаваторов и выявление их слабых зон, требующих усиления;
постановка и решение ряда новых для проектирования экскаваторов задач, основанных на явном учете технологической дефектности несущих конструкций;
разработка метода сравнительного анализа несущей способности конструкций несущих элементов при перегрузках.
Научная новизна работы заключается в том, что
выявлены недостатки методов проектирования конструкций экскаваторов, являющиеся одной из причин их низкой надежности и аварийности;
обобщены причины формирования аварийных ситуаций экскаваторов, построены логические диаграммы сценариев реальных аварий;
разработано информационное обеспечение и реализована компьютерная модель формирования аварийной ситуации с использованием математического аппарата нечетких множеств;
исследованы особенности напряженного состояния ряда несущих конструкций экскаваторов, выявлены недостатки их расчетных схем;
выполнена постановка и практическая реализация ряда расчетных задач проектирования растянутых трубчатых несущих элементов экскаваторов, учитывающих технологическую дефектность МК;
выполнен сравнительный анализ конструкций нижних рам с позиций их способности воспринимать перегрузки при нерасчетных режимах эксплуатации.
Практическая значимость работы заключается в том, что усовершенствованы методы инженерного проектирования конструкций экскаваторов, уточнен характер напряженного состояния основных узлов в широком диапазоне условий эксплуатации, обоснованы рациональные конструкции нижних рам.
Достоверность результатов обеспечена использованием статистических данных по аварийности и разрушениям конструкций экскаваторов, применением апробированных математических методов и современных пакетов численного анализа конструкций.
Внедрение результатов. Результаты работы использованы при проектировании и модернизации несущих конструкций карьерных экскаваторов в отделе экскаваторов и кранов ФГУП «СибНИИСтройдормаш», ОЛО «Красноярский завод тяжелых экскаваторов» и при подготовке учебного пособия «Основы проектных расчетов горных машин и оборудования.
Апробации работы. Основные результаты работы представлены на Второй конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM GmbH (Москва, 2002 г.); Четвертой Всероссийской научной internet-
конференции (Тамбов, 2002); I и II Евразийских симпозиумах по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (Якутск, 2002, 2004); Международной конференции "Вычислительные технологии и математическое моделирование в науке, технике и образовании" (Ллматы, 2002); VII Всероссийской конференции "Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф" (Красноярск, 2003), научных семинарах Отдела машиноведения ИВМ СО РАН, кафедры "Горные машины и комплексы11 ГУЦМиЗ.
Личный вклад автора заключается в постановке и реализации цели и задач исследования, сборе и анализе данных по аварийности экскаваторов, построении компьютерных моделей аварийных ситуаций экскаваторов, исследовании напряженного состояния конструкции в широком спектре условий нагружения с учетом детерминированной и случайной технологической дефектности, анализе и обобщении полученных результатов.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ.
Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы (99 наименований), приложений и содержит 143 страницы, 73 рисунка, 10 таблиц.
На зашиту выносится следующие научные положения:
1. Аварии экскаваторов могут быть представлены логико-
вероятностными моделями, отражающими причинно-следственную взаи
мосвязь технических, технологических, климатических, организационных
и личностных факторов, применение которых на стадии проектирования
позволяет получить количественные оценки вероятности возникновения
предельных состояний,
2. Разработанные методики анализа потенциально опасных зон и
структурного моделирования разрушения конструкций, учитывающие тех
нологическую дефектность МК, дают возможность построения конструк
тивным форм рабочего оборудования и надстройки высокой живучести,
защищенных от быстрого перехода локальных повреждений в катастрофи-
ческуго аварийную ситуацию.
3. Повышение технического уровня несущих конструкций экскаваторов (снижение металлоемкости и аварийности, повышение надежности и долговечности) требует постановки ряда новых задач проектных расчетов, основанных на применении численных методов анализа напряженно-деформированного состояния (НДС), учете нелинейных характеристик и технологической дефектности МК: анализа адекватности расчетных схем конструкций экскаваторов, исследования концентрации напряжений в связи с наличием дефектов в детерминированной и вероятностной постановке, моделирования нелинейного поведения несущих конструкций с учетом возможных перегрузок.
Расчетные случаи проектирования экскаваторов
Эксплуатационная нагруженность экскаваторов определяется нагрузками на рабочих органах, обусловленными их взаимодействием с разрушаемым массивом породы и транспортируемым материалом, и динамическими свойствами машины.
Получение качественной информации о нагрузках несущих элементов конструкций лежит в основе всех проектных расчетов и обоснования большинства параметров разрабатываемой конструкции. По этой причине исследованию реальных усилий в несущих сечениях конструкций экскаваторов уделялось большое внимание на протяжении всей истории развития горного машиностроения. Рассмотрим основные направления этих исследований.
На первом этапе (20-е - 30-е гг. 20 в.) на основе поверочных расчетов более 125 моделей импортных экскаваторов были установлены фактические запасы прочности и устойчивости деталей, принимаемые зарубежными экскаваторостроительными фирмами, а также усилия, реализуемые на зубьях ковшей экскаваторов.
Позже были определены конкретные величины сопротивления ко-паншо экскаваторов в четырех основных категориях грунтов (легких, песчаных, средних и тяжелых) [1]. Вопросы надежности металлоконструкций (МК) рассматривались в связи с экспериментально-теоретическим определением законов распределения случайных нагрузок. Учет вариаций сопротивления грунта резанию при установлении расчетных нагрузок на рабочие органы машин впервые был рассмотрен в [2, 3]. При этом было показано, что распределение нагрузок может быть аппроксимировано нормальным распределением с вариацией 10- Наиболее объективным является представление процесса погружения как случайного процесса. Статистические исследования нагрузок одноковшовых экскаваторов на базе методов теории случайных функций впервые были выполнены Д.И.Федоровым, Б.А.Бондаровичем и В.И.Перепоновым [4].
Исследованиям нагрузок в динамических системах экскаваторов посвящены работы Д.П.Волкова [5], В.А.Оленева [6], С.А.Панкратова [7] и других авторов [8, 9].
Характеристики процесса нагружения несущих конструкций существенно зависят от функционирования приводов основных механизмов экскаватора: напора, подъема, поворота и хода. Эти приводы работают в тяжелых условиях, в повторно-кратковременных режимах с частыми пусками и торможениями, с резкопеременными нагрузками,
В современных подходах к определению внешних нагрузок и внутренних усилий в элементах несущих конструкций можно выделить три основные тенденции: широкое использование классических методов построения многоугольников сил; моделирование конструкций с помощью многомассовых аналогий и определение динамических составляющих нагрузки; моделирование процесса нагружения как функции времени и оценка повреждающего действия нагрузок.
Определение усилий на базе построения многоугольников сил. Сущность классических методов определения нагрузок, основанных на методах технической механики, заключается в составлении и решении уравнений равновесия. Задачей расчета является определение усилий и моментов, действующих в элементах рабочего оборудования. Рассмотрим основные положения этих методов на примере расчета стрелы прямой лопаты [10].
Стрела находится под воздействием пространственной системы сил. Собственный вес стрелы с ее оборудованием и напорным механиз мом считают приложенным в ее центре тяжести. В голове стрелы прикладывают подъемное усилие и окружное усилие на барабане подъемной лебедки. В области установки оси напорного вала учитывают нагрузки, возникающие при напоре или втягивании рукояти.
Можно представить себе целый ряд возможных положений рабочего оборудования в зависимости от изменения направления указанных сил и изменения угла наклона стрелы. Принимают только те расчетные случаи, которые допустимы по расчету общей устойчивости экскаватора. Обычно рассматривают три положения, отвечающие наихудшим условиям для стрелы.
Положение I - стрела под наименьшим углом наклона, возможным по условиям устойчивости. Рукоять полностью выдвинута под прямым углом к стреле и происходит втягивание рукояти с максимальным усилием.
Положение II - действие максимального подъемного усилия под прямым углом к стреле. Напор отсутствует (заторможен). Положение рукояти принимается горизонтальным.
Положение III - стрела под наименьшим углом наклона, допускаемым расчетом устойчивости экскаватора. Рукоять с ковшом, наполненным породой, в горизонтальном положении выдвинута до отказа. Производится поворот платформы к месту отвала.
Для этих трех положений изображают графические диаграммы — многоугольники сил, в соответствии с которыми составляют системы уравнений равновесия, решение которых позволяет определить внутренние силовые факторы в элементах конструкций.
Полученные для различных положений рабочего оборудования при разных углах наклона стрелы значения изгибающих, крутящих моментов, сжимающих и перерезывающих сил сводят в общую таблицу для выявления наихудших расчетных условий.
Причинно-следственный комплекс аварий и отказов несущих конструкций
Под расчетными случаями проектирования понимают такие комбинации положений элементов рабочего оборудования, нагрузок и условий опирання, при которых элементы несущих конструкций находятся в наиболее тяжелых условиях деформирования, испытывают наибольшие внутренние усилия.
Накопленный опыт проектирования и эксплуатации конструкций экскаваторов позволил сформулировать ряд типовых расчетных случаев, которые обязательно учитываются при проектных расчетах.
Для расчета нагрузок на рабочее оборудование карьерного экскаватора типа ЭКГ определяют расчетные положения рукояти: 1) ось рукояти вертикальна, зубья ковша на уровне стояния; 2) ось рукояти перпендикулярна стреле, рукоять на полном вылете; 3) зубья ковша на уровне оси напорного вала, подъемный канат вертикален; 4) зубья ковша на уровне оси напорного вала, рукоять на полном вылете [15].
При расчете многоковшовых экскаваторов [16] расчетные положения связаны с наибольшими перемещениями равнодействующей веса неподвижных и подвижных частей экскаватора (рабочее оборудование -в вертикальной плоскости, платформа и рабочее оборудование у поворотных машин - в плане), с наиболее невыгодным изменением внешних нагрузок. У поворотных машин расчетные положения связаны еще и с изменением опорной базы при повороте вращающейся части относительно ходового оборудования.
Кроме того, учитываются и наклон экскаватора, вызванный необходимостью заглубления в забой или выхода из него.
Предусматривается нагружение рабочего органа аварийной нагрузкой, вызывающей срабатывание предохранительных муфт, а также полная разгрузка экскаватора со стороны рабочего органа вследствие, например, случайной опоры рабочего органа на грунт с ослаблением подвесок, а у траншеекопателей с гидроподъемом рабочего органа -опирание на него с подъемом конца ходовой части.
При расчете роторного экскаватора рассматривается случай работы на наибольшем радиусе действия, т.е. при горизонтальном положении роторной стрелы, а при выдвижной стреле - в ее предельно выдвинутом положении. Причем расчет выполняют для двух положений: первое - копание грунта, второе - подъем ротора в транспортное положение [17].
Для неповоротного цепного экскаватора поперечного копания рас сматриваются два рабочих положения - при опущенной на землю и при горизонтальной ковшовой раме. Кроме того, рассматривают положение во время монтажа, когда снята ковшовая рама или разгрузочная стрела [17].
Распределения внутренних усилии зависят не только от комбинаций рабочего оборудования и внешних нагрузок, но и от жесткостных свойств несущих конструкций. При прочих равных условиях распределение внутренних усилий зависит от распределения реакций опор, которое в большинстве случаев неизвестно. Например, четырехопорная ходовая тележка чаще всего бывает жестко связана с нижней опорной рамой, и определение давления на опоры вызывает большую трудность, так как неизвестны упругие свойства конструкции, податливость точек опоры и давление под каждой гусеницей. Установить степень влияния каждого фактора с достаточной точностью практически пока невозможно [17],
Таким образом, общая методика проектирования и расчета построена на выборе наиболее невыгодных случаев положения самого экскаватора, его подвижных частей и внешних нагрузок. Традиционные проектные расчеты исходят из того, что необходимо рассчитать проектируемую конструкцию в самых тяжелых условиях нагружения. Причем не всегда удается однозначно определить эти наиболее тяжелые случаи. Если для общепринятых конструктивных схем пользуются накопленным опытом, то при нетрадиционной компоновке машины далеко не всегда удается определить все расчетные случаи.
Рассмотрим с этих позиций ряд нетрадиционных конструктивных форм экскаваторов типа «механическая лопата», известных из анализа патентного фонда.
Вычислительное моделирование причинно-следственных отношений формирования критических предельных состояний
Вычислительное моделирование дает возможность всесторонне исследовать построенную модель, изменяя значения различных лингвистических переменных и оценивая при этом динамику вероятности нежелательного события в вершине графа.
Рассмотрим особенности компьютерной реализации моделирования наступления критического предельного состояния в среде пакета MATLAB, содержащего средства моделирования нечетких множеств и позволяющего формулировать функции принадлежности, устанавливать, редактировать и использовать логические правила для м одел про вания процесса логических выводов, осуществлять дефаззнфикацию и возвращать детерминированные количественные оценки результатов выводов. Последовательность моделирования первой части сценарной диаграммы сводится к последовательному выполнению следующих шагов: 1) заданию функций принадлежности для входных данных (рис. 28); 2) формулировке логических правил вывода (рис. 29); 3) описанию схемы взаимодействия правил (рис. 30); 4) получению количественных результатов взаимодействия правил (рис. 31); 5) представлению результатов в графическом виде).
В качестве иллюстрации моделирования ПСО формирования аварийной ситуации на первом этапе сценарной диаграммы рассмотрим крупную аварию шагающего экскаватора ЭШ-40/85 на разрезе «Ерко-вецкий» ОАО «Дальвостуголь» в августе 1998 года, описанную в главе 2.
Указанные обстоятельства и логический анализ позволили восстановить сценарий развития аварийной ситуации, представленный информационным графом (рис. 32). Как видно, элементами графа являются совершенно разнородные события, явления и процессы, причем для некоторых очевидны естественные количественные характеристики (например, угол откоса борта характеризуется градусами), для большинства приходится вводить искусственные показатели. Эта процедура является весьма субъективной и определяется объемом и качеством доступных экспертных знаний. Например, лингвистическая переменная «техническое состояние системы защиты стрелы от растяжки» принимает значения «неработоспособное», «неудовлетворительное», «удовлетворительное», «хорошее», «отличное». Данную переменную нельзя охарактеризовать каким-то количественным параметром, имеющим физический или технический смысл. Она определяется субъективно по результатам осмотра и диагностики. Для возможности получения количественных оценок введем субъективную характеристику - балл технического состояния Б, значения которого приняты лежащими в диапазоне от 2 до 5. Соответствие между баллом технического состояния Б и указанными значениями лингвистической переменной задается системой функций принадлежности.
Реализация разработанной модели в среде модуля нечеткой логики пакета MATLAB позволяет исследовать количественное влияние исходных факторов на вероятность разрушения подкоса. Рассмотрим в качестве примера влияние некоторых факторов горного производства, а именно угла откоса борта и температуры окружающего воздуха, на формирование данной аварийной ситуации. Выполнены две серии расчетов, в каждой из которых варьировались указанные факторы, а остальные фиксировались на некотором заданном уровне (табл. 5). При исследовании влияния угла откоса температура воздуха принималась 20 С, а варьирование температуры воздуха выполнялось при угле откоса борта 40. Зависимости вероятности разрушения подкоса от угла откоса (рис. 33) и температуры воздуха (рис. 34) оказываются нелинейными монотонными функциями, поведение которых не противоречит интуитивно ожидаемому, но позволяет получить количественные оценки надежности.
Моделирование развития аварийной ситуации выполняется в следующей последовательности.
1. Выполняется структурный анализ конструкции, при котором выделяются составляющие элементы конструкции и их соединения. Конструкция представляется в виде логической схемы, представляющей пути прохождения силового потока при приложении нагрузки. В результате ее анализа определяется перечень наиболее опасных с точки зрения возможности разрушения элементов.
2. Разрабатываются сценарии возникновения аварийных ситуаций в виде возможных предельных состояний в слабых элементах и возможных механизмов развития аварийной ситуации в конструкции. Они представляют собой схемы, показывающие возможные пути (траектории) развития аварийной ситуации, а также протяженность во времени (количество фаз развития) каждой траектории при заданных начальных условиях.
3. Выполняется многоэтапное конечно-элементное моделирование напряженно-деформированного состояния конструкции в условиях предполагаемой аварийной ситуации. Вначале выполняется анализ номинального напряженного состояния. Его результаты сопоставляются с выполненной при анализе структурной схемы конструкции классификацией элементов и определяются начальные условия развития аварийной ситуации. Количество возможных начальных условий должно соответствовать числу возможных форм развития аварийной ситуации.
Концентрация напряжений в области технологических дефектов
Вследствие большого количества отказов ковшей типичные предельные состояния отражены в нормативном документе [72], причем наиболее частыми повреждениями являются хрупкое разрушение, пластическая деформация, трещины, локальные разрушения и износ элементов ковша.
В связи с отмеченными проблемами необходимо выявить недостатки процесса проектирования конструкций ковшей и наметить пути их устранения.
Одним из недостатков, свойственным, впрочем, не только для ковшей, является то, что формообразование, как правило, не связано с анализом напряженно-деформированного состояния. При традиционном подходе к проектированию сначала разрабатывается пространственная схема несущей конструкции, затем выполняются расчеты прочности, обеспечиваемой преимущественно подбором толщин сечений, реже установкой подкрепляющих элементов. Более рациональным, очевидно, является формообразование с учетом и исходя из предполагаемого напряженно-деформированного состояния. Анализ патентного фонда по конструкциям ковшей показал следующее. Известно большое количество предложений по конструктивному совершенствованию ковшей [73 -85 и др.], при этом цель, преследуемая авторами изобретений, как правило, заключается в повышении эксплуатационных характеристик. В качестве примера можно указать снижение ударных нагрузок с целью повышения долговечности [73], совершенствование сменной секции с целью снижения сопротивления копанию [74], совершенствование днища с целью повышения надежности [75] и т.д. В большинстве известных предложений не учитывается связь эксплуатационных параметров с характером деформирования ковша и распределения усилий. Исключениями являются предложения, в которых конструктивные параметры ковша мехлопаты [76] и драглайна [77] связаны с распределением усилий и нагрузки на элементы ковша.
Указанный недостаток особенно проявляется при конструировании элементов ковша, непосредственно взаимодействующих с забоем горной массы: передней стенки, козырька (если он предусмотрен проектом), зубьев (их количества и наклона по отношению к передней стенке). Для этих элементов ковша конструктивные параметры определяются почти исключительно исходя из условий резания и разрушения грунта режущей кромкой [86], хотя эти параметры являются определяющими для характера распределения нагрузки и деформирования всего ковша.
Следующим принципиальным недостатком проектирования ковшей является несовершенство расчетных схем и традиционных методов расчета. Исторически не сложилась строительная механика горных машин, поэтому при проектных расчетах применяют общетехнические расчетные дисциплины.
Наиболее рациональным подходом в анализе (НДС) является расчет конструкции как едшюго целого. Это дает возможность избежать погрешностей, связанных с вычленением части конструкции из единой силовой схемы и последующим моделированием граничных условий для этой вычлененной части.
Общетехнические расчетные дисциплины не содержат моделей, которые можно было бы непосредственно применить к расчету ковшей. Известные методы расчета ковша как единого целого сводятся к моделированию ковша пространственной системой перекрестных балок [7]. При этом приходится делать существенные упрощения конструкции и пренебрегать некоторыми принципиально важными элементами конструкции.
Более упрощенный подход предполагает разделение ковша на отдельные элементы и их независимый расчет. Помимо практической невозможности учета влияния жесткости отсеченных элементов, расчетные схемы и для этих отдельных элементов конструкции также характеризуются значительной погрешностью.
Рассмотрим некоторые из этих схем [10, 18] в сравнении с результатами конечно-элементного анализа (табл. 6). По результатам сравнительного анализа можно констатировать существенную погрешность классических расчетных схем, для которой не удается выявить какой-либо закономерности. Традиционный расчет может дать как заниженные напряжения (в результате отказы и разрушения в эксплуатации), так и завышенные (как следствие необоснованное повышение металлоемкости). Классические расчетные схемы дают отклонения по абсолютным значениям напряжений в сравнении с конечно-элементным анализом на следующие величины: корпус ковша - 10,5%, козырек - 60,7%, задняя стенка- 12,1%, днище - 38,5%.
